P(n) un énoncé de variable n entier naturel défini pour tout entier n supérieur ou égale à n 0. Si l'on demande de montrer que l'énoncé P(n) est vrai pour tout n supérieur ou égal à n 0, nous pouvons penser à un raisonnement par récurrence et conduire comme suit le raissonnement: i) Vérifier que P(n 0) est vrai ii) Montrer que quelque soit l'entier p ≥ n 0 tel que P(p) soit vrai, P(p+1) soit nécessairement vrai aussi alors nous pouvons conclure que P(n) est vrai pour tout entier n ≥ n 0. 3) Exercices de récurrence a) exercice de récurrence énoncé de l'exercice: soit la suite numérique (u n) n>0 est définie par u 1 = 2 et pour tout n > 0 par la relation u n+1 = 2u n − 3. Démontrer que pour tout entier n > 0, u n = 3 − 2 n−1. Soit l'énoncé P(n) de variable n suivant: « u n = 3 − 2 n−1 », montrons qu'il est vrai pour tout entier n > 0. Récurrence: i) vérifions que P(1) est vrai, c'est-à-dire a-t-on u 1 = 3 − 2 1−1? par définition u 1 = 2 et 3 − 2 1−1 = 3 - 2 0 = 3 - 1 = 2 donc u 1 = 3 − 2 1−1 et P(1) est bien vrai.
Dans certains contextes, logique mathématique (La logique mathématique, ou logique formelle, est une discipline des mathématiques qui... ) ou en informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine... ), pour des structures de nature arborescente ou ayant trait aux termes du langage formel (Dans de nombreux contextes (scientifique, légal, etc. ), on désigne par langage formel un... ) sous-jacent, on parle de récurrence structurelle. On parle communément de récurrence dans un contexte lié mais différent, celui des définitions par récurrence de suites (ou d'opérations) à argument entier. Si l'unicité de telles suites se démontre bien par récurrence, leur existence, qui est le plus souvent tacitement admise dans le secondaire, voire les premières années universitaires, repose sur un principe différent. Récurrence simple sur les entiers Pour démontrer une propriété portant sur tous les entiers naturels, comme par exemple la formule du binôme ( en mathématique, binôme, une expression algébrique; voir aussi binôme de Newton... ) de Newton, on peut utiliser un raisonnement par récurrence.
\quad(HR)$$Démontrons alors qu'elle est vraie pour k + 1. Pour cela, regardons le membre de gauche au rang k + 1: $$(1+x)^{k+1} = (1+x)^k \times (1+x). $$Si je l'écris ainsi, c'est pour faire apparaître le membre de gauche de la propriété au rang k. Comme ça, je peux me servir de l'hypothèse de récurrence (HR). En effet, $$\begin{align}(1+x)^k > 1+kx & \Rightarrow (1+x)^k\times(1+x) > (1+kx)(1+x)\\& \Rightarrow (1+x)^{k+1}>1+(k+1)x+kx^2\\&\Rightarrow (1+x)^{k+1} > 1+(k+1)x. \end{align}$$ La dernière inégalité est possible car 1 +( k +1) x + kx ² > 1 + ( k +1) x; en effet, k >0 et x ²>0. Nous avons alors démontré l'hérédité. La propriété est donc vraie pour tout n >1. Le raisonnement par récurrence: étude de suites On retrouve très souvent le raisonnement par récurrence dans les études des suites de la forme \(u_{n+1} = f(u_n)\). Prenons l'exemple de \(f(x)=\frac{5-4x}{1-x}\), que l'on va définir sur [2;4]. On définit alors la suite \((u_n)\) par son premier terme \(u_0=2\) et par la relation \(u_{n+1}=f(u_n)\), c'est-à-dire:$$u_{n+1}=\frac{5-4u_n}{1-u_n}.
L'initialisation, bien que très souvent rapide, est indispensable! Il ne faudra donc pas l'oublier. Voir cette section. Hérédité Une fois l'initialisation réalisée, on va démontrer que, pour k >1, si P( k) est vraie, alors P( k +1) est aussi vraie. On suppose donc que, pour un entier k > 1, P( k) est vraie: c'est l' hypothèse de récurrence. On suppose donc que l'égalité suivante est vraie:$$1^2+2^2+3^2+\cdots+(k-1)^2 + k^2 = \frac{k(k+1)(2k+1)}{6}. $$ En s'appuyant sur cette hypothèse, on souhaite démontrer que P( k +1) est vraie, c'est-à-dire que:$$1^2+2^2+3^2+\cdots+k^2 + (k+1)^2 = \frac{(k+1)(k+1+1)(2(k+1)+1)}{6}$$c'est-à-dire, après simplification du membre de droite:$$1^2+2^2+3^2+\cdots+k^2 + (k+1)^2 = \frac{(k+1)(k+2)(2k+3)}{6}. $$ Si on développe ( k +2)(2 k +3) dans le membre de droite, on obtient:$$1^2+2^2+3^2+\cdots+k^2 + (k+1)^2 = \frac{(k+1)(2k^2+7k+6)}{6}. $$ On va donc partir du membre de gauche et tenter d'arriver à l'expression de droite. D'après l'hypothèse de récurrence (HR), on a:$$\underbrace{1^2+2^2+3^2+\cdots+k^2}_{(HR)} + (k+1)^2 = \frac{k(k+1)(2k+1)}{6} + (k+1)^2$$et si on factorise par ( k + 1) le membre de droite, on obtient: $$\begin{align}1^2+2^2+3^2+\cdots+k^2 + (k+1)^2 & = (k+1)\left[ \frac{k(2k+1)}{6} + (k+1)\right]\\ & = (k+1)\left[ \frac{k(2k+1)}{6} + \frac{6(k+1)}{6}\right]\\&=(k+1)\left[ \frac{k(2k+1)+6(k+1)}{6}\right]\\&=(k+1)\left[ \frac{2k^2+7k+6}{6} \right].
$$ Exemple 4: inégalité de Bernoulli Exercice 4: Démontrer que:$$\forall x \in]-1;+\infty[, \forall n \in \mathbb{N}, (1+x)^n\geq 1+nx. $$ Exemple 5: Une somme télescopique Exercice 5: Démontrer que:$$ \sum_{k=1}^n \dfrac{1}{p(p+1)}=\dfrac{n}{n+1}. $$ Exemple 6: Une dérivée nième Exercice 6: Démontrer que:$$ \forall n\in \mathbb{N}, \cos^{(n)}(x)=\cos(x+n\dfrac{\pi}{2}) \text{ et} \sin^{(n)}(x)=\sin(x+n\dfrac{\pi}{2}). $$ Exemple 7: Un produit remarquable Exercice 7: Démontrer que:$$ \forall x\in \mathbb{R}, \forall n\in \mathbb{N} ~ x^n-a^n=(x-a)(x^{n-1}+ax^{n-2}+... +a^{n-1}). $$ Exemple 8: Arithmétique Exercice 8: Démontrer que:$$ \ \forall n\in \mathbb{N} ~ 3^{n+6}-3^n \text{ est divisible par} 7.
Dans certains contextes, comme en théorie des ensembles (La théorie des ensembles est une branche des mathématiques, créée par le... ) on déduit directement la récurrence de la définition, explicite cette fois, de l'ensemble des entiers naturels. La récurrence peut aussi s'exprimer de façon ensembliste: il s'agit juste d'une variation sur la définition d'un ensemble en compréhension. On associe à une propriété P l'ensemble E des entiers naturels la vérifiant, et à un ensemble d'entiers naturels E la propriété d'appartenance associée. La récurrence se réénonce alors de façon équivalente ainsi: Soit E un sous-ensemble (En mathématiques, un ensemble A est un sous-ensemble ou une partie d'un ensemble B, ou... ) de N, si: 0 appartient à E Pour tout entier naturel n, ( n appartient à E implique n+1 appartient à E) Alors E = N. Bien sûr, l'initialisation peut commencer à un entier k arbitraire et dans ce cas la propriété n'est démontrée vraie qu'à partir du rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du... ) k: Si: P ( k); Pour tout entier n supérieur ou égal à k, [ P ( n) implique P ( n +1)]; Alors pour tout entier n supérieur ou égal à k, P ( n).
ii) soit p un entier ≥ 1 tel que P(p) soit vrai, nous avons donc par hypothèse u p = 3 − 2 p−1. Montrons alors que P(p+1) est vrai, c'est-à-dire que u p+1 = 3 − 2 (p+1)−1. calculons u p+1 u p+1 = 2u p − 3 (définition de la suite) u p+1 = 2(3 − 2 p−1) − 3 (hypothèse de récurrence) u p+1 = 6 − 2 × 2 p−1 − 3 = 3 − 2 p−1+1 = 3 − 2 p d'où P(p+1) est vrai Conclusion: P(n) est vrai pour tout entier n > 0, nous avons pour tout n > 0 u n = 3 − 2 n−1. b) exercice démonstration par récurrence de la somme des entiers naturels impairs énoncé de l'exercice: Calculer, pour tout enier n ≥ 2, la somme des n premiers naturels impairs. Nous pouvons penser à une récurrence puisqu'il faut établir le résultat pour tout n ≥ 2, mais la formule à établir n'est pas donnée. Pour établir cette formule, il faut calculer les premiers valeurs de n et éssayer de faire une conjecture sur le formule à démontrer (essayer de deviner la formule) et ensuite voir par récurrence si cette formule est valable. pour tout n ≥ 2, soit S n la somme des n premiers naturels impairs.
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