Shortlist 2014, A2¶
Domaine : Algèbre · Difficulté : ★★☆☆☆ · Proposé par : Denmark
Concepts : Suites et récurrences · Invariants et monovariants
Solution officielle : Shortlist officielle 2014 (avec solutions), p. 11 (page 12 du PDF)
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Énoncé¶
Define the function \(f : (0, 1) \to (0, 1)\) by
Let \(a\) and \(b\) be two real numbers such that \(0 < a < b < 1\). We define the sequences \(a_n\) and \(b_n\) by \(a_0 = a\), \(b_0 = b\), and \(a_n = f(a_{n-1})\), \(b_n = f(b_{n-1})\) for \(n > 0\). Show that there exists a positive integer \(n\) such that
Indices : les idées clés
- Traduire la conclusion : \(f(x) - x > 0\) sur \(I_1 = \left(0, \frac{1}{2}\right)\) et \(f(x) - x < 0\) sur \(I_2 = \left[\frac{1}{2}, 1\right)\) ; il faut donc qu'à un moment \(a_{n-1}\) et \(b_{n-1}\) soient dans des intervalles différents.
- Monovariant : par l'absurde, la distance \(d_k = \lvert a_k - b_k \rvert\) ne diminue jamais, et elle est multipliée par au moins \(1 + d_0\) toutes les deux étapes.
- Suite géométrique : \(d_{2m} \geq d_0 (1 + d_0)^m\) dépasse \(1\), alors que \(a_{2m}\) et \(b_{2m}\) sont dans \((0, 1)\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent la solution officielle de la Shortlist 2014 (une solution).
Solution¶
On remarque que \(f(x) - x = \frac{1}{2} > 0\) si \(x < \frac{1}{2}\), et \(f(x) - x = x^2 - x < 0\) si \(x \geq \frac{1}{2}\). Découpons donc \((0, 1)\) en deux intervalles \(I_1 = \left(0, \frac{1}{2}\right)\) et \(I_2 = \left[\frac{1}{2}, 1\right)\). L'inégalité
est vraie si et seulement si \(a_{n-1}\) et \(b_{n-1}\) sont dans des intervalles différents.
Supposons au contraire que \(a_k\) et \(b_k\) soient toujours dans le même intervalle, et considérons la distance \(d_k = \lvert a_k - b_k \rvert\). Si \(a_k\) et \(b_k\) sont tous deux dans \(I_1\), alors
Si au contraire \(a_k\) et \(b_k\) sont tous deux dans \(I_2\), alors \(\min(a_k, b_k) \geq \frac{1}{2}\) et \(\max(a_k, b_k) = \min(a_k, b_k) + d_k \geq \frac{1}{2} + d_k\), ce qui donne
La distance \(d_k\) est donc croissante (au sens large), et en particulier \(d_k \geq d_0 > 0\) pour tout \(k\).
On peut en dire plus. Si \(a_k\) et \(b_k\) sont dans \(I_2\), alors
Si \(a_k\) et \(b_k\) sont tous deux dans \(I_1\), alors \(a_{k+1}\) et \(b_{k+1}\) sont tous deux dans \(I_2\), et
Dans les deux cas \(d_{k+2} \geq d_k (1 + d_0)\), et par récurrence
Pour \(m\) assez grand, le membre de droite dépasse \(1\) ; mais \(a_{2m}\) et \(b_{2m}\) sont dans \((0, 1)\), donc \(d_{2m} < 1\), ce qui est absurde.
Il existe donc un entier \(n \geq 1\) tel que \(a_{n-1}\) et \(b_{n-1}\) ne sont pas dans le même intervalle, ce qui prouve le résultat. \(\blacksquare\)