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Shortlist 2022, A1

Domaine : Algèbre · Difficulté : ★☆☆☆☆ · Proposé par : Nigeria

Concepts : Suites et récurrences

Solution officielle : Shortlist officielle 2022 (avec solutions), p. 9 (page 11 du PDF)

Énoncé

Let \((a_n)_{n \geq 1}\) be a sequence of positive real numbers with the property that

\[(a_{n+1})^2 + a_n a_{n+2} \leq a_n + a_{n+2}\]

for all positive integers \(n\). Show that \(a_{2022} \leq 1\).

Indices : les idées clés
  • Factoriser l'hypothèse : en retranchant \(1\) des deux côtés, \((a_{n+1})^2 - 1 \leq (1 - a_n)(a_{n+2} - 1)\).
  • Pas deux termes consécutifs \(> 1\) : sinon on obtient à la fois \(a_{n+1}^2 < a_{n+2}^2\) et \(a_{n+2}^2 < a_{n+1}^2\).
  • Suites et récurrences : une relation entre trois termes consécutifs, exploitée par comparaison de signes plutôt que par calcul explicite.
Solutions

Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2022 (une solution).

Solution 1

L'hypothèse s'écrit \((a_{n+1})^2 - 1 \leq a_n + a_{n+2} - a_n a_{n+2} - 1\), c'est-à-dire, en factorisant,

\[(a_{n+1})^2 - 1 \leq (1 - a_n)(a_{n+2} - 1). \tag{1}\]

Pas deux termes consécutifs strictement supérieurs à \(1\) (sauf peut-être \(a_1, a_2\)). Supposons qu'il existe un entier \(n \geq 1\) avec \(a_{n+1} > 1\) et \(a_{n+2} > 1\). Le membre de gauche de (1) est alors strictement positif et \(a_{n+2} - 1 > 0\), donc \(1 - a_n > 0\) ; ainsi \(0 < 1 - a_n < 1 < 1 + a_{n+2}\), et

\[(a_{n+1})^2 - 1 \leq (1 - a_n)(a_{n+2} - 1) < (a_{n+2} + 1)(a_{n+2} - 1) = (a_{n+2})^2 - 1.\]

D'autre part, (1) au rang \(n + 1\) donne \((a_{n+2})^2 - 1 \leq (1 - a_{n+3})(a_{n+1} - 1)\), et comme \(1 - a_{n+3} < 1 < 1 + a_{n+1}\) et \(a_{n+1} - 1 > 0\),

\[(a_{n+2})^2 - 1 < (1 + a_{n+1})(a_{n+1} - 1) = (a_{n+1})^2 - 1.\]

Les deux inégalités sont contradictoires. Donc deux termes consécutifs, à l'exception peut-être de \(a_1\) et \(a_2\), ne peuvent pas être tous deux strictement supérieurs à \(1\).

Conclusion. Supposons \(a_{2022} > 1\). D'après ce qui précède, \(a_{2021} \leq 1\) et \(a_{2023} \leq 1\). Alors, par (1) au rang \(2021\),

\[0 < (a_{2022})^2 - 1 \leq (1 - a_{2021})(a_{2023} - 1) \leq 0,\]

puisque \(1 - a_{2021} \geq 0\) et \(a_{2023} - 1 \leq 0\). C'est une contradiction, donc \(a_{2022} \leq 1\). \(\blacksquare\)