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 avec . Entre 20 et 32, une recherche systématique donne par exemple :
Pour 22 et 27, un balayage des quelques valeurs possibles de ne fournit aucune écriture. La suite 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 . Supposons vraie. Il existe donc tels que
Alors
et . Donc est vraie. Ainsi
En revanche, en partant seulement de , on obtient
mais pas ou . 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 , posons
Initialisation. Pour , , donc est vraie. Ainsi est vraie.
Hérédité. Soit . Supposons vraie, c'est-à-dire vraie. D'après la question 2,
Donc est vraie.
Conclusion. Par récurrence, est vraie pour tout .
(b) Fixons . Les initialisations sont respectivement
Soit . Supposons vraie. D'après la question 2,
L'hérédité est donc établie pour cette valeur arbitraire de . Par récurrence, pour tout ,
sont vraies.
(c) Soit . Effectuons la division euclidienne de par 5 : il existe et tels que
Ainsi
La proposition correspondante a été démontrée en (a) ou (b), donc est vraie. Finalement,
Supposons, pour obtenir une contradiction, que 27 soit atteignable. Il existerait tels que
Comme , on a nécessairement . On examine ces quatre cas :
Aucun de ces quatre entiers n'est un multiple de 5. Il est donc impossible d'avoir avec .
Ainsi 27 n'est pas atteignable. Comme tous les entiers le sont d'après la question 3, on a bien
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
Donc remplacer trois pièces de 5 par deux pièces de 8 augmente le total de 1 centime.
Dans l'autre sens,
Donc remplacer trois pièces de 8 par cinq pièces de 5 augmente également le total de 1 centime.
Les deux égalités utiles sont donc
Soit un entier tel que . Supposons vraie. Il existe donc tels que
(a) Si , alors et . De plus,
Donc est vraie.
(b) Si et , alors
(c) Or on sait que . Le cas et est donc impossible. Par conséquent, si , il faut nécessairement avoir .
Dans ce cas, et , et
Donc est encore vraie.
Ainsi, quelle que soit la représentation , l'une des deux transformations permet d'obtenir une représentation de .
(d) On rédige maintenant la récurrence complète.
Propriété. Pour , signifie : « il existe tels que ».
Initialisation. On a
Donc est vraie.
Hérédité. Soit un entier tel que . Supposons vraie. Il existe tels que . Si , la question (a) donne . Si , alors la question (b), combinée à , impose , et la question (c) donne encore . Dans tous les cas, .
Conclusion. Par récurrence,
L'hypothèse affirme l'existence d'une représentation
Les entiers et sont donc des témoins de l'atteignabilité de .
Si , on transforme le couple en
ce qui augmente la valeur totale de 1. Si , alors la taille de force , et on transforme le couple en
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
Donc sont vraies.
(b) Soit un entier tel que . Supposons vraies toutes les propriétés
Comme , on a
De plus , donc fait partie des propriétés supposées vraies. Il existe donc tels que
En ajoutant une pièce de 5,
Ainsi est vraie.
(c) Les cinq cas initiaux sont vrais et l'hérédité forte est établie. Par récurrence forte,
La preuve de la question 8 ne se sert pas de pour construire . Elle se sert de .
Or l'hypothèse ordinaire « est vraie » ne contient aucune information sur . La récurrence forte fournit précisément cette information, puisqu'elle suppose simultanément vraies toutes les propriétés depuis le premier rang considéré jusqu'au rang .
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,
La question 8(a) montre donc que est vraie.
Soit maintenant un entier tel que . Supposons vraie. On sait alors en particulier que est vraie, puisque . Comme dans la question 8, on ajoute une pièce de 5 et on obtient .
L'hypothèse contenait déjà ; en ajoutant , on obtient donc . Ainsi
Par récurrence ordinaire, est vraie pour tout . Cela entraîne en particulier pour tout .
La récurrence forte de la question 8 peut donc être vue ici comme une récurrence ordinaire sur la propriété renforcée
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 :
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 :
donc remplacer une pièce de 11 par deux pièces de 6 fait gagner 1 centime ; et
donc remplacer neuf pièces de 6 par cinq pièces de 11 fait également gagner 1 centime.
Montrons par récurrence que est vraie pour tout .
Initialisation. , donc est vraie.
Hérédité. Soit un entier tel que . Supposons vraie. Il existe tels que
Si , on remplace une pièce de 11 par deux pièces de 6 :
donc est vraie.
Si , alors . Comme est entier, on a nécessairement . On peut alors remplacer neuf pièces de 6 par cinq pièces de 11 :
Les coefficients sont non négatifs, donc est encore vraie.
Dans tous les cas, . Par récurrence,
Les six cas initiaux sont vrais d'après la question 11.
Soit un entier tel que . Supposons vraies toutes les propriétés
Alors
et , donc est vraie. Il existe tels que
En ajoutant une pièce de 6,
Donc est vraie.
Par récurrence forte,
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 :
avec . Comme , on a . Alors
Aucun de ces nombres n'est divisible par 6. Il n'existe donc pas de satisfaisant l'égalité.
Ainsi 49 n'est pas atteignable, tandis que tout entier l'est. Donc
Pour les pièces de 5 et 8, le dernier montant impossible vaut
Pour les pièces de 6 et 11,
On est donc naturellement conduit à conjecturer que, pour deux entiers sans facteur commun autre que 1, le dernier montant impossible est
Cette conjecture est vraie : lorsque et 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 avec vaut . 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