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mathématiques (MP/MPI) · Chapitre 6 · Application directe du cours

Les nombres de Lucas : série génératrice et formule close

Suites et séries de fonctions, séries entières · D. Développements en série entière · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Soit avec , , (nombres de Lucas). Calculer la somme et en déduire une formule close (même mécanisme que Fibonacci : , puis éléments simples : ).

Corrigé

Stratégie. Le mécanisme des fonctions génératrices, en trois temps : (1) montrer que le rayon est non nul, pour avoir le droit de manipuler la somme ; (2) traduire la récurrence linéaire en une équation algébrique sur la somme ; (3) décomposer en éléments simples et identifier les coefficients — l'unicité du développement en série entière fournit alors la formule close.

Les données. , , : ce sont les nombres de Lucas, que nous noterons (). Ils vérifient la même récurrence que Fibonacci, avec d'autres conditions initiales.

Étape 1 — le rayon est . Montrons par récurrence double : c'est vrai pour () et () ; et si et , alors Donc , suite bornée dès que : par la caractérisation du rayon, . Posons pour .

Étape 2 — l'équation. Pour , on isole les deux premiers termes puis on applique la récurrence : Les deux sommes se réindexent en et (les manipulations sont licites : toutes ces séries convergent absolument pour ). D'où soit et finalement

Étape 3 — éléments simples. Soient et les racines de , de sorte que et . Alors Cherchons avec . En multipliant par puis en évaluant en : car et . Symétriquement . Donc valable pour (car ).

Étape 4 — identification. Deux séries entières de rayon non nul qui ont la même somme au voisinage de ont les mêmes coefficients (unicité des coefficients, chapitre 6). Donc Au passage, , donc et la règle de d'Alembert donne le rayon exact : — la valeur de l'étape 1 n'était qu'une minoration de sécurité.

Une conséquence jolie. , donc ; comme dès , est l'entier le plus proche de pour . (Comparer à Binet : , où le vient de ce que les conditions initiales de Fibonacci ne sont pas symétriques ; celles de Lucas, elles, donnent — c'est ce qui rend la formule si propre.)

Contrôle numérique. Avec et :

(récurrence)

La série génératrice se vérifie de même : en , la somme partielle contre . Enfin le rayon se laisse voir : en (encore ) la somme partielle à termes vaut pour une valeur exacte — elle converge, plus lentement ; en , tout près du bord, elle ne donne que pour une valeur exacte ; et pour la série diverge grossièrement, puisque ne tend pas vers .

Acquis. Toute récurrence linéaire à coefficients constants se traite ainsi : est une fraction rationnelle dont le dénominateur est le polynôme caractéristique retourné , le numérateur encodant les conditions initiales ; les éléments simples redonnent la formule close, et le rayon est l'inverse du module de la plus grande racine caractéristique.

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