mathématiques MPSI · Chapitre 1 · Exercice de TD
Renforcer l'hypothèse de récurrence
Raisonnement et vocabulaire ensembliste · D. Raisonnement par récurrence · niveau 2
Énoncé
Pour , on pose .
a) On veut montrer que pour tout . Écrire l'hérédité d'une récurrence directe sur cet énoncé, et expliquer précisément pourquoi elle échoue.
b) Montrer par récurrence que, pour tout , . En déduire que pour tout .
c) Que peut-on dire de la suite ?
Corrigé
a) L'échec de la récurrence directe. Notons l'assertion « ». L'initialisation est immédiate : . Pour l'hérédité, supposons et regardons . L'hypothèse donne seulement et cette majoration est strictement plus grande que . On ne peut pas conclure : l'hypothèse « » ne dit pas de combien est en dessous de , et c'est exactement ce dont on aurait besoin pour absorber le terme ajouté. L'hérédité est fausse en tant qu'implication générale : d'un nombre inférieur ou égal à , ajouter un terme positif ne redonne pas un nombre inférieur ou égal à .
b) La récurrence renforcée. Notons cette fois l'assertion « ». Elle est plus forte que , puisque ; on va pourtant réussir à la démontrer, précisément parce qu'elle est plus précise.
Initialisation. et : est vraie (avec égalité).
Hérédité. Soit tel que soit vraie. Alors Il suffit donc de montrer que Or , et l'inégalité voulue s'écrit ce qui est vrai. Donc : est vraie.
Conclusion. Pour tout , . En particulier : l'énoncé faible, que la récurrence directe ne savait pas prouver, découle de l'énoncé fort.
c) La suite. est croissante (on ajoute à chaque rang un terme strictement positif) et majorée par . On verra au chapitre sur les suites qu'une suite croissante et majorée converge : a donc une limite, comprise entre et . (Sa valeur, , est le célèbre résultat d'Euler ; elle est hors de portée de ce chapitre, mais l'encadrement, lui, est acquis.)
Ce que l'exercice installe. Le renforcement de l'hypothèse de récurrence est un réflexe de prépa : quand l'hérédité échoue faute de marge, on cherche un énoncé plus précis qui porte sa propre marge — ici le terme , qui décroît juste assez vite pour absorber . On retrouvera ce réflexe pour les inégalités, les suites récurrentes et les développements limités.
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