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Logique et Raisonnement · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

Raisonnement par récurrence

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Le raisonnement par récurrence est un outil puissant pour démontrer une propriété $P(n)$ dépendant d'un entier naturel $n \in \mathbb{N}$ (ou $n \geq n_0$). Il repose sur trois étapes :

  1. Initialisation : On vérifie que $P(n_0)$ est vraie.
  2. Hérédité : On suppose que $P(n)$ est vraie (hypothèse de récurrence) et on démontre que $P(n+1)$ est vraie.
  3. Conclusion : La propriété est vraie pour tout $n \geq n_0$.

Méthodes à maîtriser

  • Sommes et produits : Utiliser l'hypothèse de récurrence pour isoler le terme $(n+1)$ dans la somme ou le produit.
  • Divisibilité : Écrire $P(n)$ sous la forme $A = k \times m$ et montrer que $P(n+1)$ est aussi un multiple de $m$.
  • Inégalités : Utiliser l'encadrement de l'hypothèse pour construire l'encadrement de $n+1$.

Exemples corrigés

Exemple 1 : Montrer que $\sum_{k=0}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}$.

  • Initialisation : Pour $n=0$, $0 = \frac{0(1)}{2}$ (Vrai).
  • Hérédité : Supposons $\sum_{k=0}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}$. Alors $\sum_{k=0}^{n+1} k = \frac{n(n+1)}{2} + (n+1) = (n+1)(\frac{n}{2} + 1) = \frac{(n+1)(n+2)}{2}$. (CQFD).

Erreurs fréquentes

  • Oublier l'initialisation.
  • Ne pas utiliser explicitement l'hypothèse de récurrence dans l'hérédité.
  • Confondre $P(n)$ et $P(n+1)$ dans la rédaction.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Raisonnement par récurrence

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Quelle est l'étape indispensable pour prouver une récurrence ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que l'hérédité est toujours vraie ?

Non. Il existe des propriétés qui sont héréditaires mais fausses. Par exemple, "n est un nombre pair" est héréditaire si on ne vérifie pas l'initialisation. C'est pour cela que l'initialisation est cruciale : elle ancre la propriété dans la réalité.

💡 À retenir : Une propriété héréditaire sans initialisation ne prouve rien.

Est-ce qu'on peut commencer la récurrence par n=1 au lieu de n=0 ?

Oui, tout à fait. La récurrence s'adapte à l'ensemble de définition de ta propriété. Si l'énoncé demande de démontrer une propriété pour tout $n \in \mathbb{N}^*$ ou $n \geq 5$, tu dois initialiser au premier rang demandé (ici $n=1$ ou $n=5$).

💡 À retenir : L'initialisation se fait toujours au plus petit entier pour lequel la propriété est définie.

Kifach n3ref wach khassni nst3mel l'iftirad f l'hérédité ?

C'est obligatoire ! Si tu n'utilises pas l'hypothèse de récurrence, tu n'as pas fait une récurrence, tu as juste fait un calcul direct. L'hérédité consiste à montrer que $P(n) \implies P(n+1)$. Sans utiliser $P(n)$, tu ne peux pas prouver l'implication.

💡 À retenir : L'hypothèse de récurrence est le "pont" indispensable pour passer de $n$ à $n+1$.

Est-ce qu'on peut utiliser la récurrence pour démontrer des égalités trigonométriques ?

Oui, la récurrence fonctionne pour tout type de propriété mathématique (égalités, inégalités, divisibilité, propriétés sur les matrices, etc.). Pour la trigonométrie, tu auras souvent besoin des formules d'addition (ex: $\cos(a+b)$) pour passer de $n$ à $n+1$.

💡 À retenir : La méthode reste la même, seuls les outils de calcul changent.

Chno hiya l'farq bin récurrence 3adiya o récurrence forte ?

La récurrence simple utilise uniquement $P(n)$ pour montrer $P(n+1)$. La récurrence forte suppose que $P(k)$ est vraie pour tous les entiers $k$ compris entre $n_0$ et $n$. On l'utilise quand le rang $n+1$ dépend de plusieurs rangs précédents (ex: suites définies par $u_{n+2} = u_{n+1} + u_n$).

💡 À retenir : La récurrence forte est nécessaire quand le terme actuel dépend de plusieurs termes passés.

Kifach n7seb l'hérédité ila kan 3ndi l'moujtama3 (somme) ?
  1. Tu écris la somme jusqu'à $n+1$.
  2. Tu sépares le dernier terme : $\sum_{k=0}^{n+1} = (\sum_{k=0}^{n}) + u_{n+1}$.
  3. Tu remplaces la somme jusqu'à $n$ par l'expression donnée dans ton hypothèse.
  4. Tu simplifies pour retomber sur la formule au rang $n+1$.

💡 À retenir : Sépare toujours le terme $n+1$ de la somme pour faire apparaître l'hypothèse.

Peut-on démontrer une propriété pour tout n in mathbb{Z} par récurrence ?

La récurrence classique est pour $\mathbb{N}$. Pour $\mathbb{Z}$, on fait une récurrence sur $\mathbb{N}$ pour les positifs, et une autre pour les négatifs (en posant $m = -n$).

💡 À retenir : La récurrence est l'outil naturel des entiers positifs.

Est-ce que je dois écrire "Soit n in mathbb{N}" au début de l'hérédité ?

Oui, c'est une excellente habitude. Il faut préciser que tu considères un entier $n$ quelconque pour lequel la propriété est vraie, afin de montrer que cela entraîne la vérité au rang suivant.

💡 À retenir : La rigueur rédactionnelle est aussi importante que le calcul.

Si j'ai une inégalité, comment je fais le passage à n+1 ?

Tu pars de l'hypothèse $P(n)$ et tu essaies d'encadrer $P(n+1)$ en ajoutant ou multipliant des termes des deux côtés. Parfois, il faut montrer que la différence $P(n+1) - \text{valeur}$ est positive.

💡 À retenir : Utilise les propriétés de l'ordre (addition, multiplication par un positif).

Est-ce que l'ordre des étapes de la récurrence est fixe ?

Oui, l'ordre logique est : Initialisation $\to$ Hypothèse $\to$ Hérédité $\to$ Conclusion. Si tu inverses, ton raisonnement n'a aucune valeur.

💡 À retenir : Respecte scrupuleusement la structure : Initialisation, Hérédité, Conclusion.

Est-ce que je peux utiliser la récurrence pour les fonctions ?

Non, la récurrence est réservée aux entiers. Pour les fonctions, on utilise d'autres outils (dérivées, limites, etc.). Cependant, on peut faire une récurrence sur les dérivées successives $f^{(n)}(x)$.

💡 À retenir : Récurrence = Entiers naturels uniquement.

Wach l'conclusion khassha tkon mktouba b'tariqa khassa ?

Oui, tu dois conclure par une phrase type : "D'après le principe de récurrence, la propriété $P(n)$ est vraie pour tout $n \in \mathbb{N}$". C'est la validation finale de ton raisonnement.

💡 À retenir : Ne néglige jamais la phrase de conclusion.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Montrer par récurrence que pour tout $n \in \mathbb{N}$, $3^{2n} - 2^n$ est divisible par 7.

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Exercice 2

Montrer que pour tout $n \geq 1$, $\sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}$.

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Exercice 3

Soit $(u_n)$ la suite définie par $u_0 = 1$ et $u_{n+1} = \sqrt{2 + u_n}$. Montrer que $u_n < 2$ pour tout $n \in \mathbb{N}$.

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