Shortlist 2006, A3¶
Domaine : Algèbre · Difficulté : ★★★☆☆ · Proposé par : Russia
Concepts : Suites et récurrences · Principe extrémal
Solution officielle : Shortlist officielle 2006 (avec solutions), p. 10 (page 11 du PDF)
Énoncé¶
The sequence \(c_0, c_1, \ldots, c_n, \ldots\) is defined by \(c_0 = 1\), \(c_1 = 0\) and \(c_{n+2} = c_{n+1} + c_n\) for \(n \geq 0\). Consider the set \(S\) of ordered pairs \((x, y)\) for which there is a finite set \(J\) of positive integers such that \(x = \sum_{j \in J} c_j\), \(y = \sum_{j \in J} c_{j-1}\). Prove that there exist real numbers \(\alpha\), \(\beta\) and \(m\), \(M\) with the following property: An ordered pair of nonnegative integers \((x, y)\) satisfies the inequality
if and only if \((x, y) \in S\).
N. B. A sum over the elements of the empty set is assumed to be \(0\).
Indices : les idées clés
- Formule de Binet : \(c_n = \frac{\varphi^{n-1} - \psi^{n-1}}{\varphi - \psi}\) ; pour que \(\alpha c_n + \beta c_{n-1}\) reste borné, il faut \(\alpha\varphi + \beta = 0\), d'où le choix \(\alpha = \psi\), \(\beta = 1\) (suites récurrentes).
- Somme de puissances distinctes : \(\psi a_J + b_J = \sum_{j \in J}\psi^{j-1}\), qui est strictement compris entre \(-1\) et \(\varphi\) ; donc \(m = -1\), \(M = \varphi\).
- Réciproque : une représentation \(\psi x + y = \sum \psi^{i_r}\) de longueur minimale a des exposants distincts (grâce à \(2\psi^2 = 1 + \psi^3\) et \(1 + \psi = \psi^2\)) ; l'irrationalité de \(\psi\) identifie \((x, y)\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent la solution officielle de la Shortlist 2006 (une solution et une remarque).
Solution¶
Soient \(\varphi = (1 + \sqrt{5})/2\) et \(\psi = (1 - \sqrt{5})/2\) les racines de l'équation \(t^2 - t - 1 = 0\). On a donc \(\varphi\psi = -1\), \(\varphi + \psi = 1\) et \(1 + \psi = \psi^2\). Une récurrence facile montre que le terme général \(c_n\) de la suite donnée vérifie
Supposons que les nombres \(\alpha\) et \(\beta\) aient la propriété voulue, pour des \(m\) et \(M\) convenables. Comme \((c_n, c_{n-1}) \in S\) pour tout \(n\), l'expression
est bornée quand \(n\) tend vers l'infini. Comme \(\varphi > 1\) et \(-1 < \psi < 0\), cela implique \(\alpha\varphi + \beta = 0\).
Pour réaliser \(\alpha\varphi + \beta = 0\), on peut prendre par exemple \(\alpha = \psi\), \(\beta = 1\). Trouvons maintenant \(m\) et \(M\) convenables pour ce choix de \(\alpha\) et \(\beta\).
Remarquons d'abord que l'égalité ci-dessus donne \(c_n\psi + c_{n-1} = \psi^{n-1}\), \(n \geq 1\). Dans la suite, on note les couples de \(S\) sous la forme \((a_J, b_J)\), où \(J\) est une partie finie de l'ensemble \(\mathbb{N}\) des entiers strictement positifs, et \(a_J = \sum_{j \in J} c_j\), \(b_J = \sum_{j \in J} c_{j-1}\). Comme \(\psi a_J + b_J = \sum_{j \in J}(c_j\psi + c_{j-1})\), on obtient
D'autre part, vu \(-1 < \psi < 0\),
Donc, d'après (1),
Ainsi, \(m = -1\) et \(M = \varphi\) est un choix convenable.
Réciproquement, montrons que si un couple d'entiers positifs ou nuls \((x, y)\) vérifie l'inégalité \(-1 < \psi x + y < \varphi\), alors \((x, y) \in S\).
Lemme. Soient \(x\), \(y\) des entiers positifs ou nuls tels que \(-1 < \psi x + y < \varphi\). Il existe alors une partie \(J\) de \(\mathbb{N}\) telle que
Preuve. Pour \(x = y = 0\), il suffit de prendre pour \(J\) la partie vide de \(\mathbb{N}\) ; supposons donc que l'un au moins de \(x\), \(y\) est non nul. Il existe des représentations de \(\psi x + y\) de la forme
où \(i_1 \leq \cdots \leq i_k\) est une suite d'entiers positifs ou nuls, pas forcément distincts. Par exemple, on peut prendre \(x\) termes \(\psi^1 = \psi\) et \(y\) termes \(\psi^0 = 1\). Considérons toutes les représentations de ce type de longueur \(k\) minimale, et parmi elles celles pour lesquelles \(i_1\) a la plus petite valeur possible \(j_1\). Parmi celles-ci, considérons les représentations où \(i_2\) a la plus petite valeur possible \(j_2\). En choisissant de même \(j_3, \ldots, j_k\), on obtient une suite \(j_1 \leq \cdots \leq j_k\) qui vérifie évidemment \(\psi x + y = \sum_{r=1}^{k}\psi^{j_r}\). Pour prouver le lemme, il suffit de montrer que \(j_1, \ldots, j_k\) sont deux à deux distincts.
Supposons au contraire que \(j_r = j_{r+1}\) pour un certain \(r = 1, \ldots, k - 1\). Considérons d'abord le cas \(j_r \geq 2\). Comme \(2\psi^2 = 1 + \psi^3\), remplaçons \(j_r\) et \(j_{r+1}\) par \(j_r - 2\) et \(j_r + 1\) respectivement. Comme
la nouvelle suite représente aussi \(\psi x + y\) comme voulu, et la valeur de \(i_r\) qu'elle donne contredit le choix minimal de \(j_r\).
Soit \(j_r = j_{r+1} = 0\). Alors la somme \(\psi x + y = \sum_{r=1}^{k}\psi^{j_r}\) contient au moins deux termes égaux à \(\psi^0 = 1\). D'autre part, \(j_s \neq 1\) pour tout \(s\), car l'égalité \(1 + \psi = \psi^2\) implique qu'une représentation de longueur minimale ne peut pas contenir des \(i_r\) consécutifs. Il s'ensuit que
ce qui contredit la condition du lemme.
Soit \(j_r = j_{r+1} = 1\) ; alors \(\sum_{r=1}^{k}\psi^{j_r}\) contient au moins deux termes égaux à \(\psi^1 = \psi\). Comme dans le cas \(j_r = j_{r+1} = 0\), on en déduit aussi que \(j_s \neq 0\) et \(j_s \neq 2\) pour tout \(s\). Donc
ce qui est de nouveau une contradiction. La conclusion en découle. \(\square\)
Soit maintenant un couple \((x, y)\) vérifiant \(-1 < \psi x + y < \varphi\) ; le lemme s'applique donc à \((x, y)\). Soit \(J \subset \mathbb{N}\) tel que (2) soit vrai. En comparant (1) et (2), on conclut que \(\psi x + y = \psi a_J + b_J\). Or \(x\), \(y\), \(a_J\) et \(b_J\) sont entiers, et \(\psi\) est irrationnel. La dernière égalité implique donc \(x = a_J\) et \(y = b_J\). Cela montre que les nombres \(\alpha = \psi\), \(\beta = 1\), \(m = -1\), \(M = \varphi\) conviennent. \(\blacksquare\)
Remarque¶
Voici une autre façon de prouver le lemme, en construisant l'ensemble \(J\) par récurrence. Pour \(x = y = 0\), on choisit \(J = \varnothing\). On procède par récurrence sur \(n = 3x + 2y\). Supposons qu'un ensemble \(J\) convenable existe quand \(3x + 2y < n\), et supposons maintenant \(3x + 2y = n > 0\). L'ensemble \(J\) cherché doit être
Ces ensembles conviennent si
respectivement ; il suffit donc de trouver un ensemble convenable pour \(\frac{\psi x + y}{\psi}\) ou pour \(\frac{\psi x + y - 1}{\psi}\) respectivement.
Considérons \(\frac{\psi x + y}{\psi}\). Sachant que
posons \(x' = y\), \(y' = x - y\) et testons l'hypothèse de récurrence sur ces nombres. On demande \(\frac{\psi x + y}{\psi} \in (-1, \varphi)\), ce qui équivaut à
La relation (3) implique \(y' = x - y \geq -\psi x - y > \psi > -1\) ; donc \(x', y' \geq 0\). De plus, \(3x' + 2y' = 2x + y \leq \frac{2}{3}n\) ; donc, si (3) est vraie, la récurrence s'applique : les nombres \(x'\), \(y'\) se représentent sous la forme voulue, donc \(x\), \(y\) aussi.
Considérons maintenant \(\frac{\psi x + y - 1}{\psi}\). Comme
posons \(x' = y - 1\) et \(y' = x - y + 1\). On demande de nouveau \(\frac{\psi x + y - 1}{\psi} \in (-1, \varphi)\), c'est-à-dire
Si (4) est vraie, alors \(y - 1 \geq \psi x + y - 1 > -1\) et \(x - y + 1 \geq -\psi x - y + 1 > -\varphi + 1 > -1\), donc \(x', y' \geq 0\). De plus, \(3x' + 2y' = 2x + y - 1 < \frac{2}{3}n\), et la récurrence fonctionne.
Enfin, \((-1, -\psi) \cup (0, \varphi) = (-1, \varphi)\), donc l'une au moins des relations (3) et (4) est vraie, et l'hérédité est justifiée.