Shortlist 2013, A1¶
Domaine : Algèbre · Difficulté : ★☆☆☆☆ · Proposé par : France
Concepts : Suites et récurrences · Bijections et dénombrement · Polynômes : racines, relations de Viète, factorisation
Solution officielle : Shortlist officielle 2013 (avec solutions), p. 8 (page 8 du PDF)
Énoncé¶
Let \(n\) be a positive integer and let \(a_1, \ldots, a_{n-1}\) be arbitrary real numbers. Define the sequences \(u_0, \ldots, u_n\) and \(v_0, \ldots, v_n\) inductively by \(u_0 = u_1 = v_0 = v_1 = 1\), and
Prove that \(u_n = v_n\).
Indices : les idées clés
- Formule explicite (solution 1) : \(u_k\) est la somme des produits \(a_{i_1} \cdots a_{i_t}\) sur les ensembles d'indices de \(\{1, \ldots, k - 1\}\) sans deux indices consécutifs ; cette description est symétrique quand on renverse l'ordre des \(a_i\).
- Récurrence sur des polynômes à plusieurs variables (solution 2) : \(P_n(x_1, \ldots, x_{n-1}) = P_n(x_{n-1}, \ldots, x_1)\), en développant par les deux bouts.
- Matrices (solution 3) : \(u_n\) et \(v_n\) sont le même coefficient du produit \(A_{n-1} \cdots A_1\), lu une fois à droite et une fois à gauche.
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2013 (trois solutions et trois remarques).
Solution 1¶
Montrons par récurrence sur \(k\) que
La somme contient un terme trivial égal à \(1\) (qui correspond à \(t = 0\) et à la suite vide, dont le produit vaut \(1\)).
Pour \(k = 0, 1\), la somme du membre de droite ne contient que le produit vide, donc (1) est vraie car \(u_0 = u_1 = 1\). Pour \(k \geq 1\), en supposant le résultat vrai pour \(0, 1, \ldots, k\), on a
comme voulu.
En appliquant (1) à la suite \(b_1, \ldots, b_n\) définie par \(b_k = a_{n-k}\) pour \(1 \leq k \leq n\), on obtient
Pour \(k = n\), les expressions (1) et (2) coïncident, donc \(u_n = v_n\). \(\blacksquare\)
Solution 2¶
Définissons par récurrence une suite de polynômes à plusieurs variables par
de sorte que \(P_n\) est un polynôme en \(n - 1\) variables pour tout \(n \geq 1\). Deux récurrences faciles montrent que
donc il s'agit de prouver \(P_n(x_1, \ldots, x_{n-1}) = P_n(x_{n-1}, \ldots, x_1)\) pour tout entier \(n \geq 1\). Les cas \(n = 1, 2\) sont évidents, et les cas \(n = 3, 4\) découlent de \(P_3(x, y) = 1 + x + y\) et \(P_4(x, y, z) = 1 + x + y + z + xz\).
Procédons par récurrence, en supposant \(n \geq 5\) et l'affirmation vraie pour les cas plus petits. Notons \(F(a, b)\) une abréviation pour \(P_{\lvert a - b \rvert + 1}(x_a, \ldots, x_b)\) (les indices \(a, \ldots, b\) pouvant être dans l'ordre croissant ou décroissant). Alors
ce qu'il fallait démontrer. \(\blacksquare\)
Solution 3¶
Avec des matrices, la relation de récurrence s'écrit
pour \(1 \leq k \leq n - 1\), et de même
pour \(1 \leq k \leq n - 1\). En introduisant les matrices \(2 \times 2\)
on a donc
pour \(1 \leq k \leq n - 1\). Comme \(\binom{u_1}{u_1 - u_0} = \binom{1}{0}\) et \((v_1; \; v_0 - v_1) = (1; \; 0)\), on obtient
Il s'ensuit que
Remarques¶
Remarque 1. Ces suites sont liées à la suite de Fibonacci : quand \(a_1 = \cdots = a_{n-1} = 1\), on a \(u_k = v_k = F_{k+1}\), le \((k+1)\)-ème nombre de Fibonacci. De plus, pour tout entier \(k \geq 1\), le polynôme \(P_k(x_1, \ldots, x_{k-1})\) de la solution 2 est la somme de \(F_{k+1}\) monômes.
Remarque 2. On peut remarquer que la condition équivaut à
de sorte que le problème affirme que les fractions continues correspondantes pour \(\frac{u_n}{u_{n-1}}\) et \(\frac{v_n}{v_{n-1}}\) ont le même numérateur.
Remarque 3. Voici une variante du problème.
Soit \(n\) un entier strictement positif et \(a_1, \ldots, a_{n-1}\) des réels quelconques. On définit les suites \(u_0, \ldots, u_n\) et \(v_0, \ldots, v_n\) par \(u_0 = v_0 = 0\), \(u_1 = v_1 = 1\), et \(u_{k+1} = a_k u_k + u_{k-1}\), \(v_{k+1} = a_{n-k} v_k + v_{k-1}\) pour \(k = 1, \ldots, n - 1\). Montrer que \(u_n = v_n\).
Les trois solutions ci-dessus s'adaptent à cet énoncé ; on peut prouver
ou observer que
(Le livret écrit \(a_k\) dans la seconde matrice ; il faut lire \(a_{n-k}\).) On a ici
et
de sorte que cet énoncé équivaut au fait connu que les fractions continues \([a_{n-1}; a_{n-2}, \ldots, a_1]\) et \([a_1; a_2, \ldots, a_{n-1}]\) ont le même numérateur.