Shortlist 2010, A7¶
Domaine : Algèbre · Difficulté : ★★★★☆ · Proposé par : Iran
Concepts : Suites et récurrences · Principe des tiroirs · Principe extrémal
Solution officielle : Shortlist officielle 2010 (avec solutions), p. 16 (page 17 du PDF)
Problème 6 de l'OIM 2010
Ce problème a été choisi parmi ceux de la shortlist pour l'épreuve de l'OIM 2010, où il était le problème 6 (jour 2).
Pas encore relu
Les concepts et la rédaction de cette page n'ont pas encore été vérifiés.
Énoncé¶
Let \(a_1, \ldots, a_r\) be positive real numbers. For \(n > r\), we inductively define
Prove that there exist positive integers \(\ell \leq r\) and \(N\) such that \(a_n = a_{n-\ell} + a_\ell\) for all \(n \geq N\).
Indices : les idées clés
- Décomposition : pour \(n > r\), \(a_n = \max\{a_{i_1} + \cdots + a_{i_k}\}\) sur les suites d'indices \(1 \leq i_j \leq r\) de somme \(n\) avec \(i_1 + i_2 > r\).
- Meilleur rapport : on fixe \(\ell \leq r\) maximisant \(\frac{a_i}{i}\) ; par les tiroirs, un indice \(j\) apparaît au moins \(\ell\) fois et peut être remplacé par \(j\) copies de \(\ell\).
- Solution 2 : \(b_n = a_n - sn\) vérifie la même récurrence, est négatif et ne prend qu'un nombre fini de valeurs, donc devient périodique de période \(\ell\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2010 (deux solutions).
Solution 1¶
D'abord, d'après les conditions du problème, chaque \(a_n\) (\(n > r\)) peut s'écrire \(a_n = a_{j_1} + a_{j_2}\) avec \(j_1, j_2 < n\), \(j_1 + j_2 = n\). Si, par exemple, \(j_1 > r\), on peut procéder de même avec \(a_{j_1}\), et ainsi de suite. Finalement, on écrit \(a_n\) sous la forme
De plus, si \(a_{i_1}\) et \(a_{i_2}\) sont les nombres de (2) obtenus à la dernière étape, alors \(i_1 + i_2 > r\). On peut donc préciser (3) en
D'autre part, supposons que les indices \(i_1, \ldots, i_k\) vérifient les conditions (4). Alors, en notant \(s_j = i_1 + \cdots + i_j\), (1) donne
En résumant ces observations, on obtient le résultat suivant.
Affirmation. Pour tout \(n > r\), on a
Posons maintenant
et fixons un indice \(\ell \leq r\) tel que \(s = \frac{a_\ell}{\ell}\).
Considérons un \(n \geq r^2\ell + 2r\) et choisissons un développement de \(a_n\) de la forme (2), (4). On a alors \(n = i_1 + \cdots + i_k \leq rk\), donc \(k \geq n/r \geq r\ell + 2\). Supposons qu'aucun des nombres \(i_3, \ldots, i_k\) ne soit égal à \(\ell\). Par le principe des tiroirs, il existe un indice \(1 \leq j \leq r\) qui apparaît au moins \(\ell\) fois parmi \(i_3, \ldots, i_k\), et sûrement \(j \neq \ell\). Supprimons ces \(\ell\) occurrences de \(j\) de \((i_1, \ldots, i_k)\), et ajoutons à la place \(j\) occurrences de \(\ell\) ; on obtient une suite \((i_1, i_2, i'_3, \ldots, i'_{k'})\) qui vérifie aussi (4). D'après l'affirmation,
ou, après suppression des termes communs, \(\ell a_j \geq j a_\ell\), donc \(\frac{a_\ell}{\ell} \leq \frac{a_j}{j}\). Par définition de \(\ell\), cela signifie que \(\ell a_j = j a_\ell\), donc
Ainsi, pour tout \(n \geq r^2\ell + 2r\), on a trouvé une représentation de la forme (2), (4) avec \(i_j = \ell\) pour un certain \(j \geq 3\). Quitte à réordonner les indices, on peut supposer \(i_k = \ell\).
Enfin, remarquons que, dans cette représentation, les indices \((i_1, \ldots, i_{k-1})\) vérifient les conditions (4) avec \(n\) remplacé par \(n - \ell\). L'affirmation donne donc
ce qui, d'après (1), implique
comme voulu. \(\blacksquare\)
Solution 2¶
Comme dans la solution précédente, on utilise le développement (2), (3), et l'on fixe un indice \(1 \leq \ell \leq r\) tel que
Introduisons la suite \((b_n)\) définie par \(b_n = a_n - sn\) ; alors \(b_\ell = 0\).
Montrons par récurrence sur \(n\) que \(b_n \leq 0\) et que \((b_n)\) vérifie la même relation de récurrence que \((a_n)\). Les cas de base \(n \leq r\) découlent de la définition de \(s\). Pour \(n > r\), l'hypothèse de récurrence donne
comme voulu.
Si \(b_k = 0\) pour tout \(1 \leq k \leq r\), alors \(b_n = 0\) pour tout \(n\), donc \(a_n = sn\), et l'énoncé est trivial. Sinon, posons
Pour \(n > r\), on obtient
donc
Ainsi, d'après le développement (2), (3) appliqué à la suite \((b_n)\), chaque \(b_n\) appartient à l'ensemble
Montrons que cet ensemble est fini. En effet, pour tout \(x \in T\), écrivons \(x = b_{i_1} + \cdots + b_{i_k}\) (\(i_1, \ldots, i_k \leq r\)). Parmi les \(b_{i_j}\), il y a au plus \(\frac{M}{\varepsilon}\) termes non nuls (sinon \(x < \frac{M}{\varepsilon} \cdot (-\varepsilon) < -M\)). Donc \(x\) peut s'écrire de la même façon avec \(k \leq \frac{M}{\varepsilon}\), et il n'y a qu'un nombre fini de telles sommes.
Enfin, pour tout \(t = 1, 2, \ldots, \ell\), la suite
est croissante (au sens large) et ne prend qu'un nombre fini de valeurs ; elle est donc constante à partir d'un certain rang. La suite \((b_n)\) est donc périodique de période \(\ell\) à partir d'un certain indice \(N\), ce qui signifie que
et donc
comme voulu. \(\blacksquare\)