Langage de la logique et des ensembles

Raisonnement par récurrence - Exercice 7

25 min
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Question 1

Montrer que : nN, k=02n1(1)kk+1=k=n+12n1k\forall n\in {\mathbb{N}}^*,\ \sum^{2n-1}_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}=\sum^{2n}_{k=n+1}{\frac{1}{k}}

Correction
Soit nn un entier naturel non nul.
Notons par P(n)P(n) la propriété associée à la formule suivante : k=02n1(1)kk+1=k=n+12n1k \sum^{2n-1}_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}=\sum^{2n}_{k=n+1}{\frac{1}{k}}
Etape1:Linitialisation{\color{green}{\bf{\blacktriangleright \,Etape \,\, 1 : L'initialisation}}}
Soit n=1n=1, on a :
D'une part : k=02×11(1)kk+1=k=01(1)kk+1\sum^{2\times 1-1}_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}=\sum^1_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}
                                      =112=12\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;=1-\frac{1}{2}=\frac{1}{2}
D'autre part : k=1+12×11k=k=221k=12\sum^{2\times 1}_{k=1+1}{\frac{1}{k}}=\sum^2_{k=2}{\frac{1}{k}}=\frac{1}{2}
Etape2:Latransmission{\color{blue}{\bf{\blacktriangleright \blacktriangleright \,Etape \,\, 2 : La \,\, transmission}}}
Dans cette deuxième étape de la démonstration, nous allons supposer que la propriété P(n)P(n) est vraie, et sous cette vérité, démontrer que la propriété P(n+1)P(n+1) est également vraie. Autrement dit, nous allons démontrer que P(n)P(n+1)P(n) \Longrightarrow P(n+1).
Nous voulons donc démontrer que k=02×(n+1)1(1)kk+1=k=n+1+12×(n+1)1k \sum^{2\times \left(n+1\right)-1}_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}=\sum^{2\times \left(n+1\right)}_{k=n+1+1}{\frac{1}{k}} autrement dit k=02n+1(1)kk+1=k=n+22n+21k \sum^{2n+1}_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}=\sum^{2n+2}_{k=n+2}{\frac{1}{k}}
Nous avons déterminer l'expression de P(n+1)P(n+1), et vérifions sa vérité. On a alors :
k=02n+1(1)kk+1=k=02n1(1)kk+1+12n+112n+2\sum^{2n+1}_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}=\red{\sum^{2n-1}_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}}+\frac{1}{2n+1}-\frac{1}{2n+2} . D'après l'hypothèse de récurrence, on a : k=02n1(1)kk+1=k=n+12n1k\red{\sum^{2n-1}_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}}=\purple{\sum^{2n}_{k=n+1}{\frac{1}{k}}}
                                  =k=n+12n1k+12n+112n+2\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;=\purple{\sum^{2n}_{k=n+1}{\frac{1}{k}}}+\frac{1}{2n+1}-\frac{1}{2n+2}
                                  =((k=n+22n1k)+1n+1)+12n+112n+2\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;=\left(\left(\purple{\sum^{2n}_{k=n+2}{\frac{1}{k}}}\right)+\purple{\frac{1}{n+1}}\right)+\frac{1}{2n+1}-\frac{1}{2n+2}

                                  =((k=n+22n1k)+12n+1)+1n+112n+2\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;=\left(\left(\pink{\sum^{2n}_{k=n+2}{\frac{1}{k}}}\right)+\pink{\frac{1}{2n+1}}\right)+\frac{1}{n+1}-\frac{1}{2n+2}
                                  =k=n+22n+11k+1n+112n+2\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;=\pink{\sum^{2n+1}_{k=n+2}{\frac{1}{k}}}+\frac{1}{n+1}-\frac{1}{2n+2}
                                  =k=n+22n+11k+22(n+1)12n+2\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;=\sum^{2n+1}_{k=n+2}{\frac{1}{k}}+\frac{2}{2\left(n+1\right)}-\frac{1}{2n+2}
                                  =k=n+22n+11k+22n+212n+2\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;=\sum^{2n+1}_{k=n+2}{\frac{1}{k}}+\frac{2}{2n+2}-\frac{1}{2n+2}
                                  =k=n+22n+11k+12n+2\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;=\sum^{2n+1}_{k=n+2}{\frac{1}{k}}+\frac{1}{2n+2}
                                  =k=n+22n+11k+12(n+1)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;=\sum^{2n+1}_{k=n+2}{\frac{1}{k}}+\frac{1}{2\left(n+1\right)}
                                  =k=n+22n+21k\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;=\sum^{2n+2}_{k=n+2}{\frac{1}{k}}
On constate alors que la propriété P(n+1)P({\color{blue}{n+1}}) est donc bien vérifiée. On a donc bien démontré que P(n)P(n+1)P(n) \Longrightarrow P(n+1).
Etape3:Laconclusion{\color{red}{\bf{\blacktriangleright \blacktriangleright \blacktriangleright \,Etape \,\, 3 : La \,\, conclusion}}}
En vertu des axiomes de la récurrence la propriété P(n):k=02n1(1)kk+1=k=n+12n1kP(n) : \sum^{2n-1}_{k=0}{\frac{{\left(-1\right)}^k}{k+1}}=\sum^{2n}_{k=n+1}{\frac{1}{k}} est vraie pour tout entier naturel n0n \neq 0. {\color{red}{\blacksquare}}