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Le raisonnement par récurrence
Le cours écrit
2.1 Vérifier ne suffit pas
Pour chaque entier , calculons . On obtient , , , , , … et ainsi de suite jusqu'à : ces nombres sont tous premiers. Pourtant, pour : qui n'est pas premier. Vérifier un grand nombre de cas ne démontre rien. Pour prouver qu'une propriété est vraie pour tous les entiers, il faut un raisonnement.
2.2 Le principe de récurrence
Principe. Soit une propriété qui dépend d'un entier naturel , et un entier naturel. Si :
- Initialisation : est vraie ;
- Hérédité : pour tout entier , si est vraie, alors est vraie ;
alors est vraie pour tout entier .
L'image des dominos. L'initialisation fait tomber le premier domino. L'hérédité garantit que chaque domino qui tombe fait tomber le suivant. Alors entraîne , qui entraîne , et ainsi de suite : tous les dominos tombent.
Ce que dit vraiment l'hérédité. On ne suppose pas que est vraie pour tout (ce serait supposer ce qu'on veut démontrer). On montre une implication : pour un entier quelconque, si est vraie, alors l'est aussi.
2.3 Rédiger une récurrence
Une récurrence se rédige en quatre temps.
- Énoncer la propriété : « Pour tout entier , on note : … »
- Initialisation : vérifier que est vraie.
- Hérédité : « Soit un entier tel que est vraie. Montrons que est vraie. » L'affirmation « est vraie » s'appelle l'hypothèse de récurrence : on a le droit de s'en servir.
- Conclusion : « Par récurrence, est vraie pour tout entier . »
2.4 Un premier exemple
Exemple 6. Montrer que, pour tout , est divisible par .
Pour , on note : « est divisible par ».
Initialisation. : est vraie.
Hérédité. Soit tel que est vraie : il existe un entier tel que , c'est-à-dire . Alors Comme est un entier, est divisible par : est vraie.
Conclusion. Pour tout , est divisible par . (Premières valeurs : , , , .)
2.5 Les deux étapes sont indispensables
Sans initialisation, l'hérédité ne prouve rien. Prenons : « est divisible par ». Elle est héréditaire : si , alors Mais n'est pas divisible par . En fait, est fausse pour tout : d'après l'exemple 6, est un multiple de , donc a pour reste dans la division par .
Sans hérédité, vérifier des cas ne suffit pas : c'est l'exemple de (paragraphe 2.1).
2.6 Un peu d'histoire
Le raisonnement par récurrence est très ancien. On en trouve des formes vers l'an 1000 chez al-Karaji, puis au XIIᵉ siècle chez as-Samaw'al, deux mathématiciens de langue arabe, et au XVIᵉ siècle chez Maurolico. Pascal l'emploie au XVIIᵉ siècle dans son Traité du triangle arithmétique. À la fin du XIXᵉ siècle, Peano en fait l'un des principes de base des nombres entiers.
Exercices 3 et 4
- Exercice 3 : des divisibilités
- Exercice 4 : les deux étapes sont indispensables
Corrigés
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