Lycée Paul Rey. Denis Augier
Chapitre 1 : Suites et récurrences.
I Approche Globale.
A Un peu d’histoire.
V1. Histoire
On fait souvent remonter la récurrence à Euclide, l’exemple habituellement donné est la proposition Euclide : 300 av. J.-C.
20 du livre IX des Éléments, où est prouvée l’existence d’une quantité arbitrairement grande de nombres premiers. Il y a l’esquisse d’une récurrence, mais elle n’est pas explicitée ; en outre l’idée d’une infinité de nombres premiers est absente.
Vers l’an 1000, le persan Al-Karaji établit la formule du binôme de Newton Al-Karaji (953-1029) Newton : 1643 -1727
(en fait il n’a pas les notations qui lui permettraient de l’énoncer dans le cas général, mais les méthodes fonctionnent pour un entier arbitraire). Il calcule également la somme des cubes des n premiers entiers naturels, al-Samaw’al poursuit ses travaux. Ces résultats utilisent bien des formes « archaïques » de définition et de raisonnement par récurrence.
Fibonacci, , se sert de l’une et de l’autre (sans le dire, bien sûr) : en témoignent sa fameuse suite Fibonacci : 1170-1240
et son algorithme de décomposition d’un rationnel en somme de fractions distinctes de numérateur 1.
Il semble bien cependant que Pascal, pour la récurrence, et Fermat Pascal : 1623-1662 Fermat : 1607-1665
, pour la descente infinie, soient les premiers à avoir énoncé nettement ces principes et à en avoir reconnu la puissance et la généralité.
En 1889, Peanopublia un court traité, Arithmetices principia, nova methodo exposita [8], rédigé Peano 1858-1932
pour moitié en latin et pour moitié dans un langage formalisé de son invention. Le but déclaré de l’ouvrage n’était rien de moins que donner aux mathématiques "un fondement irréprochable et d’en faire une sorte de mécanique du raisonnement". Il y propose une construction axiomatique deN, ainsi qu’une liste de 9 axiomes est un peu redondante, l’axiome 9 est le principe de récurrence. (Le contenu de ces axiomes est très proche de la définition donnée par Dedekind en 1888. Peano ne cache d’ailleurs pas ce qu’il doit à l’article de son prédécesseur)
B Algorithme
• Recherche de seuils.
• Recherche de valeurs approchées deπ, e,?
2, nombre d’or, lnp2q...
C Démonstrations.
• l’inégalité de Bernoulli. V2. Démonstration
D Attendus.
• Tous les attendus de première (suites arithmétiques et géométriques, comportement d’une suite, représentation d’une suite récurrente à partir de la représentation de la fonctionf...)
V3. Représentation d’une suite récurrente
• Savoir démontrer une propriété par récurrence : égalité, inégalité, monotonie, majoration ou (et) minoration...
• Si une suite est définie parun`1“fpunq, savoir :
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˝ Démontrer une inégalité de la formeun ąa(ouun ăa) par récurrence en utilisant l’étude de la fonctionf.
˝ Démontrer la monotonie d’une suite par récurrence en utilisant l’étude de la fonctionf.
˝ l’inégalité de Bernoulli :
@nPN˚,p1`xqně1`nx
II Définitions générales
A Variations.
Soit la suite punqdéfinie surNest :
• croissante si et seulement si@nPN, un`1ěun
• décroissante si et seulement si@nPN, un`1ďun
La suitepunqsera dite monotone lorsqu’elle est croissante ou décroissante.
Définition 1
Exemple 1. Soit le suitepunqdéfinie par@ PN, un“n2`2n´3. Montrons quepunqest croissante.
B Majoration, minoration.
Soitpunqune suite réelle.
• La
A retenir 1. . Attention ! ! Le majorant M doit être indépendant de n.
Idem pour m.
suitepunqest dite majorée si :DM PR,@nPN, un ďM
• La suitepunqest dite minorée si :DmPR,@nPN, un ěm
• La suitepunqest dite bornée si :Dm, M PR,@nPN, mďun ďM Définition 2
Exemple 2. Soit le suitepunqdéfinie par @ PN, un “n2`2n´3. Montrons quepunqest minorée par -3.
III Raisonnement par récurrence
Si l’on étudie une propriété qui dépend d’un nombre entier que l’on notera Pn. Le but est de trouver un moyen pour démontrer cette propriété pour toutn.
Pour comprendre le principe de récurrence, on peut se donner l’image d’un escalier.
Ici, si l’on sait passé de la marchenet la marchen`1 (la suivante) et que l’on est capable d’atteindre la 5ième marche par exemple alors on peut atteindre toutes les marche de l’escalier qui se situent après la 5ième marche.
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Rem1. On parle aussi d’effet domino
SoitPn une propriété. Le raisonnement par récurrence se mène en deux étapes :
1. Initialisation : C’est l’étape où l’on prouve que la propriété est vraie au départ. Il faut donc démontrerP0. (Si l’on veut démontrer la propriétés à partir den“0) 2. Hérédité :
Rem2. Ne surtout oublier de préciser
"pournPN
C’est l’étape où l’on prouve que si la propriété est vraie à une étape (n’importe laquelle) alors elle est vraie à l’étape suivante. Il faut donc supposer que Pn est vraie pour un n quelconque avec ně0 et montrer que dans ce cas Pn`1 est vraie.
Rem3. Si la propriété est vrai à partir den0
On supposePn vraie pour un certainněn0c’est à dire ...
On veut alors montrer quePn`1est vraie c’est à dire ...
...
Proposition 1(Raisonnement par récurrence)
Pour mettre en place un principe de récurrence de manière claire et précise, il faut :
• Énoncer clairement les deux étapes.
• Pour l’hérédité on pourra rédiger de la manière suivante :
• Faire une conclusion du type : On a donc montré quePn est vraie pour toutněn0. Proposition 2(Rédaction)
Exemple 3.
V4. Ex expression V5. Ex monotonie
A l’aide du principe de récurrence, montrer les propriétés suivantes : 1. Pn : 1`2`3`...`n“ npn`1q2
2. Qn: 12`22`32`...`n2“ npn`1qp2n`1q 6
3. Soit punq la suite définie par u0 “0 et, si n ą0,un`1 “?
un`6. Montrer que pour tout n dansN,un ď3.
4. Montrer que pour toutndansN, l’entier 4n´1 est un multiple de 3.
5. L’inégalité de Bernoulli :
@nPN˚,p1`xqně1`nx 6. un est définie paru0PRet, siną0,un`1“ 1
2un`2. On veut démontrer la propriété : Pn : 2ďunď4
On va étudier le cas :
(a) u0“2 (b) u0“0 (c) u0“5
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IV Méthodes pour les suites récurrentes
Rem4. Dans ce cas il faudra au préalable faire l’étude de la fonctionf
Si la fonction f : R Ñ R x ÞÑ 0,5x`5
etu0“ ´2.
On remarque facilement que f est strictement croissante (le coefficient dexest strictement positif pour cette fonction affine)
Si l’on souhaite démontrer par récurrence la propositionPn: ună10.
Initialisation : u0“ ´2ă10 doncP0 est vrai.
Hérédité :SoitnPN. Supposons quePn vrai. C’est-à-dire queună10.
La fonctionf étant strictement croissante surR, donc on obtient : fpunq ăfp10q “10 donc un`1ă10 DoncPn`1 est vrai.
On a montrer par récurrence que : @nPN, un ă10 Méthode-exemple 1(Démontrerunąa)
Si la fonction f : R Ñ R x ÞÑ 0,5x`5
etu0“ ´2.
Rem5. Attention, ici ce n’est pas parce que la fonctionf est croissante que la suite sera croissante
On remarque facilement que f est strictement croissante (le coefficient dexest strictement positif pour cette fonction affine)
Si l’on souhaite démontrer par récurrence la propositionPn: unăun`1ă10.
Initialisation : On calculu1“fpu0q “4.
Doncu0“ ´2ău1ă10 doncP0 est vrai.
Hérédité :SoitnPN. Supposons quePn vrai. C’est-à-dire queunăun`1ă10.
La fonctionf étant strictement croissante surR, donc on obtient : fpunq ăfpun`1q ăfp10q “10 donc un`1ăun`2ă10 DoncPn`1 est vrai.
On a montrer par récurrence que :
@nPN, unăun`1ă10
On remarque donc ici que la suite est croissante. De plus elle est majorée par 10. Donc elle converge vers une limite l aveclď10.
Méthode-exemple 2(Monotonie de la suite punq)
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