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Corrigé détaillé · Terminale · spécialité maths

Récurrence et problème de Frobenius · Raisonnement par récurrence · Suites

Le dernier montant impossible

Après avoir cherché le sujet, comparez votre démarche avec cette correction et repérez les écarts de méthode, de précision ou de rédaction.

I — Cinq chaînes, un seul principe

On cherche les écritures n=5x+8yn=5x+8y avec x,yNx,y\in\mathbb N. Entre 20 et 32, une recherche systématique donne par exemple :

20=4×5,21=5+2×8,22: impossible,23=3×5+8,24=3×8,25=5×5,26=2×5+2×8,27: impossible,28=4×5+8,29=5+3×8,30=6×5,31=3×5+2×8,32=4×8.\begin{aligned} 20&=4\times5, & 21&=5+2\times8,\\ 22&:\ \text{impossible}, & 23&=3\times5+8,\\ 24&=3\times8, & 25&=5\times5,\\ 26&=2\times5+2\times8, & 27&:\ \text{impossible},\\ 28&=4\times5+8, & 29&=5+3\times8,\\ 30&=6\times5, & 31&=3\times5+2\times8,\\ 32&=4\times8.&& \end{aligned}

Pour 22 et 27, un balayage des quelques valeurs possibles de yy ne fournit aucune écriture. La suite 28,29,30,31,3228,29,30,31,32 est constituée de cinq montants consécutifs atteignables. À ce stade, on conjecture donc que 27 est le plus grand montant impossible ; la question 4 en donnera une preuve rigoureuse.

Soit nNn\in\mathbb N. Supposons PnP_n vraie. Il existe donc x,yNx,y\in\mathbb N tels que

n=5x+8y.n=5x+8y.

Alors

n+5=5(x+1)+8y,n+5=5(x+1)+8y,

et x+1,yNx+1,y\in\mathbb N. Donc Pn+5P_{n+5} est vraie. Ainsi

PnPn+5.P_n\Rightarrow P_{n+5}.

En revanche, en partant seulement de P28P_{28}, on obtient

P33,P38,P43,P_{33},P_{38},P_{43},\ldots

mais pas P29,P30,P31P_{29},P_{30},P_{31} ou P32P_{32}. Une hérédité de pas 5 ne parcourt donc qu'une seule des cinq chaînes possibles ; il faut cinq points de départ pour couvrir tous les entiers à partir de 28.

(a) Pour r=0r=0, posons

Ak(0):P28+5k.A_k^{(0)}: P_{28+5k}.

Initialisation. Pour k=0k=0, 28=4×5+828=4\times5+8, donc P28P_{28} est vraie. Ainsi A0(0)A_0^{(0)} est vraie.

Hérédité. Soit kNk\in\mathbb N. Supposons Ak(0)A_k^{(0)} vraie, c'est-à-dire P28+5kP_{28+5k} vraie. D'après la question 2,

P28+5kP28+5k+5=P28+5(k+1).P_{28+5k}\Rightarrow P_{28+5k+5}=P_{28+5(k+1)}.

Donc Ak+1(0)A_{k+1}^{(0)} est vraie.

Conclusion. Par récurrence, Ak(0)A_k^{(0)} est vraie pour tout kNk\in\mathbb N.

(b) Fixons r{1,2,3,4}r\in\{1,2,3,4\}. Les initialisations sont respectivement

29=5+3×8,30=6×5,31=3×5+2×8,32=4×8.29=5+3\times8,\qquad 30=6\times5,\qquad 31=3\times5+2\times8,\qquad 32=4\times8.

Soit kNk\in\mathbb N. Supposons P28+r+5kP_{28+r+5k} vraie. D'après la question 2,

P28+r+5kP28+r+5k+5=P28+r+5(k+1).P_{28+r+5k}\Rightarrow P_{28+r+5k+5}=P_{28+r+5(k+1)}.

L'hérédité est donc établie pour cette valeur arbitraire de rr. Par récurrence, pour tout kNk\in\mathbb N,

P28+5k, P29+5k, P30+5k, P31+5k, P32+5kP_{28+5k},\ P_{29+5k},\ P_{30+5k},\ P_{31+5k},\ P_{32+5k}

sont vraies.

(c) Soit n28n\ge 28. Effectuons la division euclidienne de n28n-28 par 5 : il existe kNk\in\mathbb N et r{0,1,2,3,4}r\in\{0,1,2,3,4\} tels que

n28=5k+r.n-28=5k+r.

Ainsi

n=28+r+5k.n=28+r+5k.

La proposition correspondante a été démontrée en (a) ou (b), donc PnP_n est vraie. Finalement,

nN,n28Pn.\forall n\in\mathbb N,\qquad n\ge28\Rightarrow P_n.

Supposons, pour obtenir une contradiction, que 27 soit atteignable. Il existerait x,yNx,y\in\mathbb N tels que

27=5x+8y.27=5x+8y.

Comme 8y278y\le27, on a nécessairement y{0,1,2,3}y\in\{0,1,2,3\}. On examine ces quatre cas :

278y{27,19,11,3}.27-8y\in\{27,19,11,3\}.

Aucun de ces quatre entiers n'est un multiple de 5. Il est donc impossible d'avoir 5x=278y5x=27-8y avec xNx\in\mathbb N.

Ainsi 27 n'est pas atteignable. Comme tous les entiers n28n\ge28 le sont d'après la question 3, on a bien

27 est le dernier montant impossible.\boxed{27\text{ est le dernier montant impossible}.}

II — Gagner exactement un centime

On cherche d'abord à remplacer des pièces de 5 par des pièces de 8 tout en augmentant le total de 1. Or

2×8=16=15+1=3×5+1.2\times8=16=15+1=3\times5+1.

Donc remplacer trois pièces de 5 par deux pièces de 8 augmente le total de 1 centime.

Dans l'autre sens,

5×5=25=24+1=3×8+1.5\times5=25=24+1=3\times8+1.

Donc remplacer trois pièces de 8 par cinq pièces de 5 augmente également le total de 1 centime.

Les deux égalités utiles sont donc

2×8=3×5+1et5×5=3×8+1.2\times8=3\times5+1 \qquad\text{et}\qquad 5\times5=3\times8+1.

Soit nn un entier tel que n28n\ge28. Supposons PnP_n vraie. Il existe donc x,yNx,y\in\mathbb N tels que

n=5x+8y.n=5x+8y.

(a) Si x3x\ge3, alors x3Nx-3\in\mathbb N et y+2Ny+2\in\mathbb N. De plus,

5(x3)+8(y+2)=5x+8y15+16=n+1.5(x-3)+8(y+2)=5x+8y-15+16=n+1.

Donc Pn+1P_{n+1} est vraie.

(b) Si x2x\le2 et y2y\le2, alors

n=5x+8y5×2+8×2=26.n=5x+8y\le5\times2+8\times2=26.

(c) Or on sait que n28n\ge28. Le cas x2x\le2 et y2y\le2 est donc impossible. Par conséquent, si x2x\le2, il faut nécessairement avoir y3y\ge3.

Dans ce cas, x+5Nx+5\in\mathbb N et y3Ny-3\in\mathbb N, et

5(x+5)+8(y3)=5x+8y+2524=n+1.5(x+5)+8(y-3)=5x+8y+25-24=n+1.

Donc Pn+1P_{n+1} est encore vraie.

Ainsi, quelle que soit la représentation n=5x+8yn=5x+8y, l'une des deux transformations permet d'obtenir une représentation de n+1n+1.

(d) On rédige maintenant la récurrence complète.

Propriété. Pour n28n\ge28, PnP_n signifie : « il existe x,yNx,y\in\mathbb N tels que n=5x+8yn=5x+8y ».

Initialisation. On a

28=4×5+1×8,28=4\times5+1\times8,

Donc P28P_{28} est vraie.

Hérédité. Soit nn un entier tel que n28n\ge28. Supposons PnP_n vraie. Il existe x,yNx,y\in\mathbb N tels que n=5x+8yn=5x+8y. Si x3x\ge3, la question (a) donne Pn+1P_{n+1}. Si x2x\le2, alors la question (b), combinée à n28n\ge28, impose y3y\ge3, et la question (c) donne encore Pn+1P_{n+1}. Dans tous les cas, PnPn+1P_n\Rightarrow P_{n+1}.

Conclusion. Par récurrence,

Pn est vraie pour tout entier n28.P_n\text{ est vraie pour tout entier }n\ge28.

L'hypothèse PnP_n affirme l'existence d'une représentation

n=5x+8y.n=5x+8y.

Les entiers xx et yy sont donc des témoins de l'atteignabilité de nn.

Si x3x\ge3, on transforme le couple (x,y)(x,y) en

(x3,y+2),(x-3,y+2),

ce qui augmente la valeur totale de 1. Si x2x\le2, alors la taille de nn force y3y\ge3, et on transforme le couple en

(x+5,y3).(x+5,y-3).

Dans les deux cas, l'hypothèse de récurrence fournit des objets concrets que l'on modifie pour fabriquer ceux du rang suivant. C'est l'utilisation effective de l'hypothèse qui constitue le cœur de l'hérédité.

III — Quand le rang précédent ne suffit pas

(a) On a déjà les cinq représentations

28=4×5+8,29=5+3×8,28=4\times5+8,\qquad 29=5+3\times8, 30=6×5,31=3×5+2×8,30=6\times5,\qquad 31=3\times5+2\times8, 32=4×8.32=4\times8.

Donc P28,P29,P30,P31,P32P_{28},P_{29},P_{30},P_{31},P_{32} sont vraies.

(b) Soit nn un entier tel que n32n\ge32. Supposons vraies toutes les propriétés

P28,P29,,Pn.P_{28},P_{29},\ldots,P_n.

Comme n32n\ge32, on a

n428.n-4\ge28.

De plus n4nn-4\le n, donc Pn4P_{n-4} fait partie des propriétés supposées vraies. Il existe donc x,yNx,y\in\mathbb N tels que

n4=5x+8y.n-4=5x+8y.

En ajoutant une pièce de 5,

n+1=(n4)+5=5(x+1)+8y.n+1=(n-4)+5=5(x+1)+8y.

Ainsi Pn+1P_{n+1} est vraie.

(c) Les cinq cas initiaux sont vrais et l'hérédité forte est établie. Par récurrence forte,

Pn est vraie pour tout entier n28.P_n\text{ est vraie pour tout entier }n\ge28.

La preuve de la question 8 ne se sert pas de PnP_n pour construire Pn+1P_{n+1}. Elle se sert de Pn4P_{n-4}.

Or l'hypothèse ordinaire « PnP_n est vraie » ne contient aucune information sur Pn4P_{n-4}. La récurrence forte fournit précisément cette information, puisqu'elle suppose simultanément vraies toutes les propriétés depuis le premier rang considéré jusqu'au rang nn.

Cela ne signifie pas que la récurrence ordinaire est moins puissante : on peut enrichir la propriété sur laquelle on effectue la récurrence, ce qui est l'objet de la question suivante.

Par définition,

Q32:P28,P29,P30,P31,P32 sont toutes vraies.Q_{32}: P_{28},P_{29},P_{30},P_{31},P_{32}\text{ sont toutes vraies}.

La question 8(a) montre donc que Q32Q_{32} est vraie.

Soit maintenant nn un entier tel que n32n\ge32. Supposons QnQ_n vraie. On sait alors en particulier que Pn4P_{n-4} est vraie, puisque 28n4n28\le n-4\le n. Comme dans la question 8, on ajoute une pièce de 5 et on obtient Pn+1P_{n+1}.

L'hypothèse QnQ_n contenait déjà P28,,PnP_{28},\ldots,P_n ; en ajoutant Pn+1P_{n+1}, on obtient donc Qn+1Q_{n+1}. Ainsi

QnQn+1.Q_n\Rightarrow Q_{n+1}.

Par récurrence ordinaire, QnQ_n est vraie pour tout n32n\ge32. Cela entraîne en particulier PnP_n pour tout n28n\ge28.

La récurrence forte de la question 8 peut donc être vue ici comme une récurrence ordinaire sur la propriété renforcée

Qn=P28P29Pn.Q_n=P_{28}\land P_{29}\land\cdots\land P_n.

IDÉEUne difficulté fréquente en récurrence vient d'une hypothèse trop pauvre. Lorsqu'elle ne contient pas assez d'information pour construire le rang suivant, une stratégie générale consiste à renforcer la propriété que l'on veut transmettre.

IV — Changer de monnaie

On vérifie :

50=6+4×11,51=3×6+3×11,50=6+4\times11,\qquad 51=3\times6+3\times11, 52=5×6+2×11,53=7×6+11,52=5\times6+2\times11,\qquad 53=7\times6+11, 54=9×6,55=5×11.54=9\times6,\qquad 55=5\times11.

On dispose donc de six montants consécutifs atteignables à partir de 50. Cela suggère fortement que 49 pourrait être le dernier montant impossible.

Deux échanges augmentant le total de 1 sont particulièrement simples :

2×6=12=11+1,2\times6=12=11+1,

donc remplacer une pièce de 11 par deux pièces de 6 fait gagner 1 centime ; et

5×11=55=54+1=9×6+1,5\times11=55=54+1=9\times6+1,

donc remplacer neuf pièces de 6 par cinq pièces de 11 fait également gagner 1 centime.

Montrons par récurrence que RnR_n est vraie pour tout n50n\ge50.

Initialisation. 50=6+4×1150=6+4\times11, donc R50R_{50} est vraie.

Hérédité. Soit nn un entier tel que n50n\ge50. Supposons RnR_n vraie. Il existe x,yNx,y\in\mathbb N tels que

n=6x+11y.n=6x+11y.

Si y1y\ge1, on remplace une pièce de 11 par deux pièces de 6 :

n+1=6(x+2)+11(y1),n+1=6(x+2)+11(y-1),

donc Rn+1R_{n+1} est vraie.

Si y=0y=0, alors n=6x50n=6x\ge50. Comme xx est entier, on a nécessairement x9x\ge9. On peut alors remplacer neuf pièces de 6 par cinq pièces de 11 :

n+1=6(x9)+11(y+5)=6(x9)+55.n+1=6(x-9)+11(y+5)=6(x-9)+55.

Les coefficients sont non négatifs, donc Rn+1R_{n+1} est encore vraie.

Dans tous les cas, RnRn+1R_n\Rightarrow R_{n+1}. Par récurrence,

Rn est vraie pour tout entier n50.R_n\text{ est vraie pour tout entier }n\ge50.

Les six cas initiaux R50,R51,,R55R_{50},R_{51},\ldots,R_{55} sont vrais d'après la question 11.

Soit nn un entier tel que n55n\ge55. Supposons vraies toutes les propriétés

R50,R51,,Rn.R_{50},R_{51},\ldots,R_n.

Alors

n550n-5\ge50

et n5nn-5\le n, donc Rn5R_{n-5} est vraie. Il existe x,yNx,y\in\mathbb N tels que

n5=6x+11y.n-5=6x+11y.

En ajoutant une pièce de 6,

n+1=(n5)+6=6(x+1)+11y.n+1=(n-5)+6=6(x+1)+11y.

Donc Rn+1R_{n+1} est vraie.

Par récurrence forte,

Rn est vraie pour tout entier n50.R_n\text{ est vraie pour tout entier }n\ge50.

Cette preuve demande six cas initiaux mais son hérédité est très courte. La preuve ordinaire de la question 12 ne demande qu'un seul cas initial, mais son hérédité exige une analyse des représentations disponibles.

Supposons que 49 soit atteignable :

49=6x+11y,49=6x+11y,

avec x,yNx,y\in\mathbb N. Comme 11y4911y\le49, on a y{0,1,2,3,4}y\in\{0,1,2,3,4\}. Alors

4911y{49,38,27,16,5}.49-11y\in\{49,38,27,16,5\}.

Aucun de ces nombres n'est divisible par 6. Il n'existe donc pas de xNx\in\mathbb N satisfaisant l'égalité.

Ainsi 49 n'est pas atteignable, tandis que tout entier n50n\ge50 l'est. Donc

49 est le dernier montant impossible.\boxed{49\text{ est le dernier montant impossible}.}

Pour les pièces de 5 et 8, le dernier montant impossible vaut

27=5×858.27=5\times8-5-8.

Pour les pièces de 6 et 11,

49=6×11611.49=6\times11-6-11.

On est donc naturellement conduit à conjecturer que, pour deux entiers a,b2a,b\ge2 sans facteur commun autre que 1, le dernier montant impossible est

abab.ab-a-b.

Cette conjecture est vraie : lorsque aa et bb n'ont aucun facteur commun supérieur à 1 (on dit qu'ils sont premiers entre eux), le plus grand entier non représentable sous la forme ax+byax+by avec x,yNx,y\in\mathbb N vaut ababab-a-b. C'est le cas à deux valeurs du problème des pièces de Frobenius.

Sources

[SOURCE] J. L. Ramírez Alfonsín et M. Skałba — Primes in numerical semigroups, Comptes Rendus Mathématique 358 (2020), publié en 2021. Lien direct