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Le squelette d'une récurrence : méthode (Terminale spé)

Méthode

Le squelette d'une récurrence

Pour démontrer qu'une propriété est vraie pour tout $n\geq n_0$ :

  1. Énoncer la propriété : « Pour tout entier $n\geq n_0$, on note $P(n)$ : … ». Préciser $n_0$.
  2. Initialisation : vérifier $P(n_0)$. Calculer séparément chaque membre, puis comparer.
  3. Hérédité : écrire « Soit $n\geq n_0$ un entier fixé. On suppose $P(n)$ vraie. Montrons que $P(n+1)$ est vraie. » Écrire explicitement ce que dit $P(n+1)$ : c'est le but à atteindre. Partir de la quantité qui apparaît dans $P(n+1)$, la relier à celle de $P(n)$, utiliser l'hypothèse de récurrence en le signalant.
  4. Conclusion : « La propriété est vraie au rang $n_0$ et elle est héréditaire, donc d'après le principe de récurrence, $P(n)$ est vraie pour tout entier $n\geq n_0$. »
Exemple

Expression explicite d'une suite

Soit $(u_n)$ définie par $u_0=1$ et $u_{n+1}=2u_n+1$ pour tout $n\in\mathbb{N}$. Les premiers termes sont $1,\ 3,\ 7,\ 15$ : on conjecture $u_n=2^{n+1}-1$.

Pour tout $n\in\mathbb{N}$, on note $P(n)$ : « $u_n=2^{n+1}-1$ ».

Initialisation. $u_0=1$ et $2^{0+1}-1=2-1=1$. Donc $P(0)$ est vraie.

Hérédité. Soit $n\in\mathbb{N}$ fixé. On suppose $u_n=2^{n+1}-1$. Montrons que $u_{n+1}=2^{n+2}-1$. $$u_{n+1}=2u_n+1=2\left(2^{n+1}-1\right)+1=2^{n+2}-2+1=2^{n+2}-1.$$ La deuxième égalité utilise l'hypothèse de récurrence. Donc $P(n+1)$ est vraie.

Conclusion. $P(0)$ est vraie et la propriété est héréditaire, donc pour tout $n\in\mathbb{N}$, $u_n=2^{n+1}-1$.

Exemple

Une divisibilité

Montrons que, pour tout $n\in\mathbb{N}$, $4^n-1$ est divisible par $3$.

On note $P(n)$ : « il existe un entier $k$ tel que $4^n-1=3k$ ».

Initialisation. $4^0-1=0=3\times 0$. Donc $P(0)$ est vraie.

Hérédité. Soit $n\in\mathbb{N}$ fixé. On suppose qu'il existe un entier $k$ tel que $4^n-1=3k$, c'est-à-dire $4^n=3k+1$. Alors $$4^{n+1}-1=4\times 4^n-1=4(3k+1)-1=12k+3=3(4k+1).$$ Comme $4k+1$ est un entier, $4^{n+1}-1$ est divisible par $3$ : $P(n+1)$ est vraie.

Conclusion. Par récurrence, $4^n-1$ est divisible par $3$ pour tout $n\in\mathbb{N}$.

Remarque

Quand penser à la récurrence

On pense à une récurrence lorsque la propriété porte sur un entier $n$ et que le passage de $n$ à $n+1$ est simple : une suite définie par $u_{n+1}=f(u_n)$, une puissance $a^{n+1}=a\times a^n$, une somme qui s'obtient en ajoutant un terme.

La récurrence ne sert pas à tout. Si $u_n=3n+2$, on a directement $u_{n+1}-u_n=3$ : aucune récurrence n'est nécessaire.

S’entraîner

Dans le cours

Raisonnement par récurrence : Le squelette d'une récurrence