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Leçon 3

Récurrence et égalités

Vidéo 3 : Récurrence et égalités · 4 min 04 s · sous-titres en français

Le cours écrit

3.1 La méthode

Pour démontrer une égalité par récurrence, l'hérédité suit toujours le même plan.

  1. Écrire au brouillon le but : l'égalité au rang n+1n + 1.
  2. Partir d'un des deux membres, en général le plus compliqué, et y faire apparaître l'expression du rang nn.
  3. Remplacer grâce à l'hypothèse de récurrence, puis calculer jusqu'au but.

3.2 Le terme général d'une suite définie par récurrence

Exemple 7. Soit (un)(u_n) définie par u0=1u_0 = 1 et un+1=2un+1u_{n+1} = 2u_n + 1.

Conjecture. Les premiers termes sont 11, 33, 77, 1515, 3131 : chacun est une puissance de 22 moins 11. On conjecture que un=2n+1−1u_n = 2^{n+1} - 1 pour tout nn.

Démonstration. On note P(n)\mathcal{P}(n) : « un=2n+1−1u_n = 2^{n+1} - 1 ».

  • Initialisation. 21−1=1=u02^1 - 1 = 1 = u_0 : P(0)\mathcal{P}(0) est vraie.
  • Hérédité. Soit n∈Nn \in \mathbb{N} tel que P(n)\mathcal{P}(n) est vraie. Le but est un+1=2n+2−1u_{n+1} = 2^{n+2} - 1. On part de un+1u_{n+1} : un+1=2un+1=2(2n+1−1)+1=2n+2−2+1=2n+2−1.u_{n+1} = 2u_n + 1 = 2\left(2^{n+1} - 1\right) + 1 = 2^{n+2} - 2 + 1 = 2^{n+2} - 1. P(n+1)\mathcal{P}(n+1) est vraie.
  • Conclusion. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, un=2n+1−1u_n = 2^{n+1} - 1.

3.3 Des formules de sommes

Pour une somme, le rang n+1n + 1 s'obtient à partir du rang nn en ajoutant un seul terme.

Exemple 8 (somme des nombres impairs). Montrer que, pour tout entier n≥1n \geq 1, 1+3+5+⋯+(2n−1)=n2.1 + 3 + 5 + \cdots + (2n - 1) = n^2. On le devine en calculant : 1=121 = 1^2, 1+3=221 + 3 = 2^2, 1+3+5=321 + 3 + 5 = 3^2. Sur un dessin, chaque nouveau nombre impair ajoute une bande en équerre autour du carré précédent.

  • Initialisation (n=1n = 1) : la somme se réduit à 1=121 = 1^2.
  • Hérédité. Supposons 1+3+⋯+(2n−1)=n21 + 3 + \cdots + (2n - 1) = n^2 pour un entier n≥1n \geq 1. Le nombre impair suivant est 2n+1=2(n+1)−12n + 1 = 2(n+1) - 1, donc 1+3+⋯+(2n−1)+(2n+1)=n2+2n+1=(n+1)2.1 + 3 + \cdots + (2n - 1) + (2n + 1) = n^2 + 2n + 1 = (n + 1)^2.
  • Conclusion. La formule est vraie pour tout n≥1n \geq 1.

Exemple 9 (somme des carrés). Montrer que, pour tout entier n≥1n \geq 1, 12+22+⋯+n2=n(n+1)(2n+1)6.1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}.

  • Initialisation (n=1n = 1) : 1×2×36=1=12\dfrac{1 \times 2 \times 3}{6} = 1 = 1^2.
  • Hérédité. Supposons la formule vraie au rang nn. Le but est (n+1)(n+2)(2n+3)6\dfrac{(n+1)(n+2)(2n+3)}{6}, car 2(n+1)+1=2n+32(n+1) + 1 = 2n + 3. On ajoute (n+1)2(n+1)^2 et on met n+1n + 1 en facteur au lieu de tout développer : n(n+1)(2n+1)6+(n+1)2=n+16[n(2n+1)+6(n+1)]=n+16(2n2+7n+6).\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} + (n+1)^2 = \frac{n+1}{6}\big[n(2n+1) + 6(n+1)\big] = \frac{n+1}{6}\left(2n^2 + 7n + 6\right). Le trinôme 2n2+7n+62n^2 + 7n + 6 a pour racines −2-2 et −32-\frac32 : il se factorise en (n+2)(2n+3)(n+2)(2n+3). On obtient (n+1)(n+2)(2n+3)6\dfrac{(n+1)(n+2)(2n+3)}{6} : c'est la formule au rang n+1n + 1.
  • Conclusion. La formule est vraie pour tout n≥1n \geq 1.

Notation. Une somme peut s'écrire de façon concise avec le symbole ∑\sum : 12+22+⋯+n2=∑k=1nk21^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \displaystyle\sum_{k=1}^{n} k^2. Le programme l'utilise seulement comme écriture ; dans ce chapitre, on écrit les sommes avec des points de suspension.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 5 et 6

  • Exercice 5 : formules de sommes
  • Exercice 6 : le terme général d'une suite récurrente

Exercices du chapitre (PDF, 103 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 142 Ko)

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