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Récurrence et constructions récursives

Domaine : Combinatoire · Niveau : débutant · Prérequis : aucun

L'idée

En combinatoire, un objet de taille \(n\) contient presque toujours des objets plus petits du même type : un graphe privé d'un sommet, un tableau privé d'une ligne, un groupe privé d'une personne. On en tire deux méthodes.

  1. Prouver par récurrence. Pour établir une propriété au rang \(n\), on retire un objet bien choisi, on applique l'hypothèse de récurrence à ce qui reste, puis on remet l'objet retiré. Le choix de l'objet à retirer est souvent toute la difficulté : un objet extrême (le plus grand, une extrémité, un sommet de petit degré), pour que le remettre ne casse rien.
  2. Construire récursivement. Pour fabriquer un objet de taille \(n\), on assemble des objets plus petits déjà construits : on ajoute un élément, on recolle deux morceaux, ou l'on double la taille avec des copies.

Une troisième variante sert à compter : on exprime le nombre \(P_n\) d'objets de taille \(n\) en fonction de \(P_{n-1}, P_{n-2}, \ldots\), en distinguant les cas selon le premier ou le dernier élément. Voir aussi Suites et récurrences.

Rappels : la récurrence forte suppose la propriété vraie pour tous les rangs inférieurs, et un énoncé renforcé est parfois plus facile à prouver, car l'hypothèse de récurrence devient plus forte.

Exemple résolu

Problème

On retire une case quelconque d'un échiquier \(2^n \times 2^n\). Montrer que les cases restantes peuvent être pavées par des triminos en forme de L (trois cases formant un coin \(2 \times 2\) privé d'une case).

Étape 1 : initialiser. Pour \(n = 1\), un carré \(2 \times 2\) privé d'une case est un trimino en L.

Étape 2 : découper en copies plus petites. Supposons le résultat vrai pour \(2^{n-1} \times 2^{n-1}\). On coupe l'échiquier \(2^n \times 2^n\) en quatre quarts de taille \(2^{n-1} \times 2^{n-1}\). La case retirée se trouve dans l'un d'eux ; les trois autres sont complets.

Étape 3 : se ramener à l'hypothèse. On place un trimino au centre de l'échiquier, sur les trois cases centrales qui appartiennent aux trois quarts complets (une case dans chacun). Maintenant, chacun des quatre quarts a exactement une case indisponible : la case retirée pour l'un, une case du trimino central pour les trois autres.

Étape 4 : conclure. Par hypothèse de récurrence, chaque quart privé d'une case se pave par des triminos. Avec le trimino central, on obtient un pavage de tout l'échiquier privé de la case retirée.

Le trimino central a été placé pour que chaque morceau soit une copie exacte du problème de départ, en plus petit. C'est le cœur de toute construction récursive.

Comment le reconnaître

  • L'énoncé porte sur tout entier \(n\), et les objets de taille \(n\) contiennent naturellement des objets de taille \(n - 1\).
  • On demande de construire un objet ou de montrer qu'il existe une configuration pour tout \(n\).
  • Les tailles sont des puissances de \(2\) : penser à couper en deux ou à doubler.
  • Un dénombrement dont les premières valeurs ressemblent à Fibonacci, à \(2^n\) ou à \(n!\).
  • On doit faire des choix successifs (des signes, des couleurs, des places) : les faire un par un en maintenant une propriété (méthode gloutonne).

Techniques classiques

Situation Technique
Propriété d'une configuration de \(n\) objets Retirer un objet extrême, appliquer l'hypothèse, le remettre
Taille \(2^k\) Couper en deux ou en quatre ; ou construire à partir de copies décalées
Compter des suites ou des pavages Distinguer selon le premier élément : \(P_n = P_{n-1} + P_{n-2}\), etc.
Construction pour tout \(n\) Passer de \(n\) à \(n + 1\), \(n + 2\) ou \(2n\) ; traiter les petits cas et les parités à part
Choix successifs Glouton : chaque choix préserve un invariant (par exemple des sommes partielles bornées)
La récurrence ne passe pas Renforcer l'énoncé, ou passer à la récurrence forte

Exercices d'échauffement

  1. Tours de Hanoï : montrer qu'il faut au moins \(2^n - 1\) mouvements pour déplacer \(n\) disques, et que c'est possible.
  2. Montrer que \(n\) droites en position générale (deux à deux non parallèles, trois jamais concourantes) découpent le plan en \(1 + \frac{n(n+1)}{2}\) régions.
  3. Combien y a-t-il de façons de paver un rectangle \(2 \times n\) avec des dominos \(1 \times 2\) ?
  4. Montrer que tout entier \(n \geq 8\) s'écrit \(3a + 5b\) avec \(a, b\) entiers positifs ou nuls. Indication : récurrence forte à partir de \(8, 9, 10\).
  5. Dans un tournoi (chacun rencontre chacun, sans match nul), montrer qu'on peut ranger les joueurs en une file \(J_1, J_2, \ldots, J_n\) où chacun a battu le suivant. Indication : insérer le nouveau joueur.

Récurrence dans la shortlist

  • 2024 C2 : à partir d'un bon remplissage du tableau \(2^k \times 2^k\), on en recopie quatre exemplaires décalés, comme dans l'exemple résolu.
  • 2020 C1, solution 1 : le nombre de permutations valables vérifie \(P_n = P_{n-1} + P_{n-2}\).
  • 2020 C2 : on retire quatre sommets consécutifs bien choisis et l'on applique l'hypothèse au polygone restant.
  • 2023 C2 : on choisit les signes un par un pour garder les sommes partielles dans un intervalle fixé.
  • 2015 C1, solution 1 : une récurrence forte où le plus grand bulldozer permet de supprimer tout un côté.

Pour approfondir : Objectif Olympiades de Mathématiques, tome 3 (M. Aassila), p. 273 (récurrence simple, double et forte), p. 274 et 275 (exemples, dont le principe des tiroirs prouvé par récurrence), p. 276 à 281 (suites récurrentes en combinatoire), p. 282 à 287 (récursivité : découper en sous-problèmes du même type, avec exemples), p. 288 à 336 (exercices de trois niveaux) ; tome 4, p. 143 à 146 (méthodes de construction).

Problèmes de la shortlist

97 problèmes · difficulté moyenne : ★★★★★ (2,7) · dont 19 choisis pour l'OIM
Répartition par difficulté : 1 ★ : 22 · 2 ★ : 28 · 3 ★ : 16 · 4 ★ : 17 · 5 ★ : 14

Problème Difficulté Concepts
2025 C1 · OIM P1 ★☆☆☆☆ Principe des tiroirs · Géométrie combinatoire : enveloppe convexe, points du réseau
2024 A1 · OIM P1 ★☆☆☆☆ Partie entière et majorations · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2024 A2 ★☆☆☆☆ Principe extrémal · Bijections et dénombrement
2024 C2 ★☆☆☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2023 N1 · OIM P1 ★☆☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Valuations p-adiques et lemme LTE
2023 C2 ★☆☆☆☆ Principe des tiroirs
2022 C1 ★☆☆☆☆ Principe extrémal
2022 A2 ★☆☆☆☆ -
2021 C2 ★☆☆☆☆ Principe des tiroirs · Coloriages et pavages
2020 C1 ★☆☆☆☆ Bijections et dénombrement
2020 C2 ★☆☆☆☆ Principe des tiroirs
2019 C1 ★☆☆☆☆ Bijections et dénombrement
2019 C2 ★☆☆☆☆ Principe extrémal
2018 C1 ★☆☆☆☆ -
2015 C1 ★☆☆☆☆ Principe extrémal
2014 C1 ★☆☆☆☆ Double comptage
2013 C1 ★☆☆☆☆ Principe des tiroirs
2013 C2 · OIM P2 ★☆☆☆☆ Géométrie combinatoire : enveloppe convexe, points du réseau · Principe extrémal
2013 N2 · OIM P1 ★☆☆☆☆ Sommes, télescopage et transformation d'Abel · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2012 C2 ★☆☆☆☆ Double comptage
2011 C1 · OIM P4 ★☆☆☆☆ Bijections et dénombrement
2009 A1 ★☆☆☆☆ Principe extrémal
2025 C3 ★★☆☆☆ -
2024 C3 ★★☆☆☆ Double comptage · Invariants et monovariants · Principe extrémal
2024 A4 ★★☆☆☆ Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité · Partie entière et majorations · Principe extrémal
2023 C3 · OIM P5 ★★☆☆☆ Principe des tiroirs
2022 C4 ★★☆☆☆ Invariants et monovariants · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Polynômes à coefficients entiers
2021 A3 ★★☆☆☆ Partie entière et majorations · Sommes, télescopage et transformation d'Abel
2020 G4 ★★☆☆☆ Principe des tiroirs
2019 C3 · OIM P5 ★★☆☆☆ Invariants et monovariants · Bijections et dénombrement
2019 C4 ★★☆☆☆ Géométrie combinatoire : enveloppe convexe, points du réseau · Graphes : degrés, chemins, arbres · Invariants et monovariants
2018 G3 ★★☆☆☆ Géométrie combinatoire : enveloppe convexe, points du réseau
2018 N3 ★★☆☆☆ -
2017 C3 ★★☆☆☆ Suites et récurrences · Invariants et monovariants · Bijections et dénombrement
2017 C4 · OIM P5 ★★☆☆☆ Principe des tiroirs
2016 A3 ★★☆☆☆ Principe des tiroirs
2014 N1 ★★☆☆☆ Principe extrémal · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2014 A3 ★★☆☆☆ Principe extrémal
2014 C3 · OIM P2 ★★☆☆☆ Principe des tiroirs
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2013 C3 ★★☆☆☆ Graphes : degrés, chemins, arbres · Coloriages et pavages
2012 A1 · OIM P4 ★★☆☆☆ Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité
2010 C1 ★★☆☆☆ Bijections et dénombrement
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