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Raisonnement par récurrence

Initialisation, hérédité, conclusion : la rédaction type, puis les cas du bac, sommes, encadrements et sens de variation, formules explicites, divisibilité, inégalités et Bernoulli.

À propos de cette page
Un QCM sur le raisonnement par récurrence en trois niveaux de douze questions : principe et vocabulaire, calculs d’hérédité dans les cinq cas, puis pièges classiques (rang de départ, hérédité qui échoue, justification oubliée, fausses démonstrations). Chaque réponse est expliquée.

Les 36 questions du QCM en version texte

Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.

Niveau facile ★ — 12 questions
  1. Avant la conclusion, une démonstration par récurrence comporte deux étapes :

    • A. la conjecture et la vérification
    • B. l’initialisation et l’hérédité
    • C. le calcul et le contre-exemple
    • D. l’hypothèse et la déduction
    Réponse

    B. l’initialisation et l’hérédité — On vérifie P(n₀) (initialisation), puis on démontre que pour tout entier k ≥ n₀, si P(k) est vraie, alors P(k + 1) est vraie (hérédité). La conclusion s’appuie sur ces deux étapes.

  2. Dans l’hérédité, quelle phrase est correcte ?

    • A. « Supposons P(n) vraie pour tout entier naturel n. »
    • B. « Supposons P(k + 1) vraie, puis montrons P(k). »
    • C. « Soit k ≥ n₀ un entier fixé. On suppose P(k) vraie. »
    • D. « Supposons P(n₀) fausse et cherchons une erreur. »
    Réponse

    C. « Soit k ≥ n₀ un entier fixé. On suppose P(k) vraie. » — L’hypothèse de récurrence porte sur un seul entier k fixé. Supposer P(n) vraie pour tout n, c’est supposer ce qu’on veut démontrer ; supposer P(k + 1), c’est supposer le but de l’hérédité.

  3. Pour démontrer une propriété pour tout entier n ≥ 3, l’initialisation consiste à vérifier :

    • A. P(0)
    • B. P(1)
    • C. P(4)
    • D. P(3)
    Réponse

    D. P(3) — On initialise au rang de départ n₀ = 3 : on vérifie P(3), et l’hérédité est démontrée pour tout entier k ≥ 3.

  4. Dans l’image des dominos, l’hérédité correspond à :

    • A. chaque domino qui tombe renverse le suivant
    • B. on pousse le premier domino de la rangée
    • C. on compte les dominos un par un après la chute
    • D. les dominos sont tous posés à égale distance
    Réponse

    A. chaque domino qui tombe renverse le suivant — L’hérédité garantit que la chute se transmet d’un domino au suivant ; l’initialisation, c’est la poussée du premier domino.

  5. Une propriété héréditaire dont on n’a vérifié aucune initialisation permet de conclure :

    • A. que P(n) est vraie pour tout entier n
    • B. rien sur la vérité de la propriété
    • C. que P(n) est fausse pour tout entier n
    • D. que P(0) est vraie, grâce à l’hérédité
    Réponse

    B. rien sur la vérité de la propriété — Sans initialisation, on ne sait rien : « n + 1 ≤ n » est héréditaire et toujours fausse, tandis que « n ≥ 0 » est héréditaire et toujours vraie. L’hérédité seule ne tranche pas.

  6. Soit u₀ = 2 et, pour tout entier naturel n, uₙ₊₁ = 3uₙ − 1. Que vaut u₂ ?

    • A. 5
    • B. 15
    • C. 14
    • D. 17
    Réponse

    C. 14 — u₁ = 3 × 2 − 1 = 5, puis u₂ = 3 × 5 − 1 = 14.

  7. Pour tout entier n ≥ 1, la somme 1 + 2 + ⋯ + n est égale à :

    • A. n(n − 1)/2
    • B. n²
    • C. (n + 1)(n + 2)/2
    • D. n(n + 1)/2
    Réponse

    D. n(n + 1)/2 — C’est la formule que l’on démontre par récurrence. Contrôle pour n = 3 : 1 + 2 + 3 = 6, et 3 × 4/2 = 6.

  8. On pose Sₖ = 1 + 3 + ⋯ + (2k − 1). Pour obtenir Sₖ₊₁, on ajoute à Sₖ :

    • A. 2k + 1
    • B. 2k
    • C. 2k − 1
    • D. 2k + 3
    Réponse

    A. 2k + 1 — Le terme de rang k + 1 s’obtient en remplaçant n par k + 1 dans 2n − 1 : 2(k + 1) − 1 = 2k + 1.

  9. Inégalité de Bernoulli : pour tout réel a > 0 et tout entier naturel n,

    • A. (1 + a)ⁿ ≤ 1 + na
    • B. (1 + a)ⁿ ≥ 1 + na
    • C. (1 + a)ⁿ ≥ n + a
    • D. (1 + a)ⁿ = 1 + na
    Réponse

    B. (1 + a)ⁿ ≥ 1 + na — (1 + a)ⁿ ≥ 1 + na : sa démonstration par récurrence est exigible au programme. Exemple : 2³ = 8 ≥ 1 + 3 = 4.

  10. Soit a un entier. « a est divisible par 3 » signifie :

    • A. il existe un entier m tel que 3 = am
    • B. le reste de la division de 3 par a est nul
    • C. le nombre a + 3 est un nombre pair
    • D. il existe un entier m tel que a = 3m
    Réponse

    D. il existe un entier m tel que a = 3m — C’est cette écriture a = 3m, avec m entier, que l’on manipule dans l’hérédité. Par exemple 0 = 3 × 0 est divisible par 3.

  11. Quelle est la conclusion correcte d’une récurrence initialisée au rang 1 ?

    • A. par récurrence, P(n) est vraie pour tout n ≥ 1
    • B. donc P(1) est vraie, ce qui démontre la propriété
    • C. donc P(k + 1) est vraie pour l’entier k choisi
    • D. donc la propriété est vraie pour les premiers entiers
    Réponse

    A. par récurrence, P(n) est vraie pour tout n ≥ 1 — La conclusion rappelle l’initialisation et l’hérédité, puis affirme la propriété pour tout entier n à partir du rang de départ.

  12. Soit u₀ = 4 et uₙ₊₁ = 2uₙ − 2. Pour démontrer « uₙ = 2ⁿ⁺¹ + 2 », dans l’hérédité on part :

    • A. de uₖ₊₁ = 2ᵏ⁺² + 2, que l’on vérifie ensuite au brouillon
    • B. de u₀ = 4, que l’on recalcule à chaque rang
    • C. de uₖ₊₁ = 2uₖ − 2, où l’on remplace uₖ par 2ᵏ⁺¹ + 2
    • D. de la limite de la suite (uₙ) quand n devient grand
    Réponse

    C. de uₖ₊₁ = 2uₖ − 2, où l’on remplace uₖ par 2ᵏ⁺¹ + 2 — On part de la relation de récurrence : uₖ₊₁ = 2(2ᵏ⁺¹ + 2) − 2 = 2ᵏ⁺² + 2. Partir du résultat attendu serait raisonner à l’envers.

Niveau moyen ★★ — 12 questions
  1. Soit u₀ = 2 et uₙ₊₁ = 3uₙ − 2. Si uₖ = 3ᵏ + 1, alors uₖ₊₁ est égal à :

    • A. 3ᵏ⁺¹ + 3
    • B. 3ᵏ⁺¹ − 1
    • C. 3ᵏ + 1
    • D. 3ᵏ⁺¹ + 1
    Réponse

    D. 3ᵏ⁺¹ + 1 — uₖ₊₁ = 3(3ᵏ + 1) − 2 = 3ᵏ⁺¹ + 3 − 2 = 3ᵏ⁺¹ + 1 : c’est la formule au rang k + 1.

  2. On suppose 6ᵏ − 1 = 5m, avec m entier. Alors 6ᵏ⁺¹ − 1 est égal à :

    • A. 5(6m + 1)
    • B. 6m − 1
    • C. 5m + 6
    • D. 30m
    Réponse

    A. 5(6m + 1) — 6ᵏ = 5m + 1, donc 6ᵏ⁺¹ − 1 = 6(5m + 1) − 1 = 30m + 5 = 5(6m + 1), avec 6m + 1 entier : la divisibilité par 5 se transmet.

  3. Soit uₙ₊₁ = √(uₙ + 20). Pour passer de 20 ≤ uₖ + 20 ≤ 25 à √20 ≤ uₖ₊₁ ≤ 5, on utilise :

    • A. la décroissance de la fonction carré sur ℝ
    • B. le seul fait que uₖ est un nombre positif
    • C. la croissance de la racine carrée sur [0 ; +∞[
    • D. l’inégalité de Bernoulli avec a = 20
    Réponse

    C. la croissance de la racine carrée sur [0 ; +∞[ — Les nombres 20, uₖ + 20 et 25 sont positifs et la fonction racine carrée est croissante sur [0 ; +∞[ : elle conserve l’ordre.

  4. Pour démontrer 3ⁿ ≥ 2n + 1, on écrit 3ᵏ⁺¹ = 3 × 3ᵏ ≥ 3(2k + 1). Il reste à justifier :

    • A. 3ᵏ ≥ 3k pour tout entier k
    • B. 6k + 3 ≥ 2k + 3, car k ≥ 0
    • C. 3(2k + 1) = 2k + 3 pour tout k
    • D. 6k + 3 ≥ 3ᵏ⁺¹ pour tout entier k
    Réponse

    B. 6k + 3 ≥ 2k + 3, car k ≥ 0 — La cible au rang k + 1 est 2(k + 1) + 1 = 2k + 3, et 6k + 3 = (2k + 3) + 4k ≥ 2k + 3 car k ≥ 0.

  5. On a démontré que 0³ + 1³ + ⋯ + n³ = n²(n + 1)²/4. Combien vaut 1³ + 2³ + 3³ + 4³ ?

    • A. 64
    • B. 100
    • C. 36
    • D. 225
    Réponse

    B. 100 — Avec n = 4 : 4² × 5²/4 = 400/4 = 100. Contrôle : 1 + 8 + 27 + 64 = 100.

  6. Soit u₀ = 1 et uₙ₊₁ = uₙ/(1 + uₙ). Quelle formule faut-il démontrer par récurrence ?

    • A. uₙ = 1/n
    • B. uₙ = n/(n + 1)
    • C. uₙ = 1/2ⁿ
    • D. uₙ = 1/(n + 1)
    Réponse

    D. uₙ = 1/(n + 1) — u₁ = 1/2 et u₂ = 1/3 suggèrent uₙ = 1/(n + 1). Hérédité : uₖ > 0, donc 1 + uₖ ≠ 0, et (1/(k + 1)) ÷ ((k + 2)/(k + 1)) = 1/(k + 2).

  7. Quel est le plus petit entier n₀ ≥ 1 tel que n! ≥ 3ⁿ pour tout entier n ≥ n₀ ? (n! = 1 × 2 × ⋯ × n)

    • A. 5
    • B. 6
    • C. 7
    • D. 8
    Réponse

    C. 7 — 6! = 720 < 729 = 3⁶, mais 7! = 5 040 ≥ 2 187 = 3⁷. Hérédité pour k ≥ 7 : (k + 1)! = (k + 1) × k! ≥ (k + 1) × 3ᵏ ≥ 3 × 3ᵏ = 3ᵏ⁺¹, car k + 1 ≥ 3.

  8. On pose Sₖ = 1 + 2 + 2² + ⋯ + 2ᵏ. Pour obtenir Sₖ₊₁, on ajoute à Sₖ :

    • A. 2ᵏ⁺¹
    • B. 2ᵏ
    • C. 2ᵏ⁺²
    • D. 1
    Réponse

    A. 2ᵏ⁺¹ — Sₖ₊₁ = Sₖ + 2ᵏ⁺¹. Avec l’hypothèse Sₖ = 2ᵏ⁺¹ − 1, on obtient Sₖ₊₁ = 2 × 2ᵏ⁺¹ − 1 = 2ᵏ⁺² − 1.

  9. Avec a = 0,1 et n = 50, le minorant 1 + na donné par l’inégalité de Bernoulli pour 1,1⁵⁰ vaut :

    • A. 5
    • B. 6
    • C. 50
    • D. 1,5
    Réponse

    B. 6 — Avec a = 0,1 > 0 et n = 50 : (1 + 0,1)⁵⁰ ≥ 1 + 50 × 0,1 = 6. En réalité, 1,1⁵⁰ ≈ 117 : la minoration est grossière.

  10. Soit u₀ = 1 et uₙ₊₁ = uₙ² + 1. On veut montrer uₙ ≥ 1. On suppose uₖ ≥ 1 (hypothèse de récurrence). Pourquoi a-t-on uₖ² ≥ 1 ?

    • A. car k ≥ 0, donc k + 1 > 0
    • B. car un carré est toujours supérieur ou égal à 1
    • C. car uₖ ≥ 1 ≥ 0 et x ↦ x² croît sur [0 ; +∞[
    • D. car uₖ² ≥ uₖ pour tout réel uₖ
    Réponse

    C. car uₖ ≥ 1 ≥ 0 et x ↦ x² croît sur [0 ; +∞[ — L’hypothèse donne uₖ ≥ 1 ≥ 0 ; la fonction carré étant croissante sur [0 ; +∞[, uₖ² ≥ 1² = 1, puis uₖ₊₁ = uₖ² + 1 ≥ 2 ≥ 1. Un carré n’est pas toujours supérieur ou égal à 1, et uₖ² ≥ uₖ est faux pour uₖ = 0,5 (0,25 < 0,5).

  11. On suppose k² + k = 2m, avec m entier. Alors (k + 1)² + (k + 1) est égal à :

    • A. 2m + 2k + 2
    • B. 2m + 1
    • C. 2m + k + 1
    • D. 4m
    Réponse

    A. 2m + 2k + 2 — (k + 1)² + (k + 1) = k² + 2k + 1 + k + 1 = (k² + k) + 2k + 2 = 2(m + k + 1) : le résultat est encore pair.

  12. Soit u₀ = 2 000 et uₙ₊₁ = 0,8uₙ + 300. On suppose uₖ ≥ 1 500. Comment obtient-on uₖ₊₁ ≥ 1 500 ?

    • A. on ajoute 300 à chaque membre, puis on multiplie par 0,8
    • B. on divise par 0,8, ce qui inverse le sens de l’inégalité
    • C. on multiplie par 0,8 > 0 (ordre conservé), puis on ajoute 300
    • D. on utilise seulement u₀ = 2 000, supérieur à 1 500
    Réponse

    C. on multiplie par 0,8 > 0 (ordre conservé), puis on ajoute 300 — 0,8 > 0, donc 0,8uₖ ≥ 1 200, puis 0,8uₖ + 300 ≥ 1 500, soit uₖ₊₁ ≥ 1 500. On reconstruit uₖ₊₁ dans l’ordre des opérations qui le définissent.

Niveau difficile ★★★ — 12 questions
  1. Soit P(n) : « 2ⁿ + 1 est divisible par 3 ». Que peut-on dire ?

    • A. elle est vraie pour tout n : l’hérédité est immédiate
    • B. elle est fausse pour tout entier naturel n
    • C. vraie pour n impair seulement : pas héréditaire
    • D. elle est vraie seulement pour n pair, à partir de 0
    Réponse

    C. vraie pour n impair seulement : pas héréditaire — 2⁰ + 1 = 2, 2¹ + 1 = 3, 2² + 1 = 5, 2³ + 1 = 9. Si 2ᵏ + 1 = 3m, alors 2ᵏ⁺¹ + 1 = 2(2ᵏ + 1) − 1 = 6m − 1, qui n’est pas un multiple de 3 : la propriété ne passe jamais d’un rang au suivant.

  2. Une propriété est héréditaire mais fausse au rang 0. Alors :

    • A. elle est fausse pour tout entier naturel n
    • B. elle est vraie à partir du rang 1, par hérédité
    • C. une telle propriété ne peut pas exister
    • D. elle peut être vraie à partir d’un rang n₀ > 0
    Réponse

    D. elle peut être vraie à partir d’un rang n₀ > 0 — Exemple : « 3ⁿ + 3 est divisible par 6 ». Elle est fausse en 0 (4), vraie en 1 (6), et héréditaire : si 3ᵏ + 3 = 6m, alors 3ᵏ⁺¹ + 3 = 3(6m − 3) + 3 = 18m − 6 = 6(3m − 1). Elle est donc vraie pour tout n ≥ 1.

  3. Soit uₙ₊₁ = f(uₙ) avec f décroissante sur un intervalle contenant tous les termes. Si uₖ ≤ uₖ₊₁, alors :

    • A. uₖ₊₁ ≥ uₖ₊₂
    • B. uₖ₊₁ ≤ uₖ₊₂
    • C. uₖ₊₂ = uₖ
    • D. on ne peut rien comparer
    Réponse

    A. uₖ₊₁ ≥ uₖ₊₂ — Une fonction décroissante inverse l’ordre : f(uₖ) ≥ f(uₖ₊₁), c’est-à-dire uₖ₊₁ ≥ uₖ₊₂. Avec f décroissante, « uₙ ≤ uₙ₊₁ » n’est donc pas héréditaire : la suite n’est en général pas monotone.

  4. Un élève démontre que P(k) entraîne P(k + 1) pour tout entier k ≥ 5, puis vérifie P(2). Que peut-il conclure ?

    • A. P(n) est vraie pour tout n ≥ 2
    • B. rien de général : il faut vérifier P(5)
    • C. P(n) est vraie pour tout n ≥ 5
    • D. P(n) est vraie pour n = 2 et n = 3 seulement
    Réponse

    B. rien de général : il faut vérifier P(5) — L’hérédité n’est établie qu’à partir de 5 : P(2) ne déclenche rien, car le passage de 2 à 3, puis à 4 et 5, n’est pas démontré. Il faut initialiser au rang 5.

  5. Soit u₀ = 5 et uₙ₊₁ = √uₙ. Un élève écrit seulement : « si uₖ ≥ 1, alors √uₖ ≥ 1, donc uₖ₊₁ ≥ 1 ». Sa preuve de « uₙ ≥ 1 » est :

    • A. complète : l’hérédité suffit quand la suite est définie
    • B. fausse, car √uₖ ≤ uₖ dès que uₖ ≥ 1
    • C. inutile, car la suite (uₙ) est constante
    • D. incomplète : initialisation et racine non justifiées
    Réponse

    D. incomplète : initialisation et racine non justifiées — Il faut vérifier u₀ = 5 ≥ 1 (initialisation) et justifier le passage uₖ ≥ 1 ⇒ √uₖ ≥ √1 par la croissance de la racine carrée sur [0 ; +∞[. Sans ces deux éléments, la démonstration n’est pas recevable.

  6. La démonstration de l’inégalité de Bernoulli multiplie l’hypothèse (1 + a)ᵏ ≥ 1 + ka par 1 + a sans changer le sens. Pour quels réels a cette étape est-elle valable ?

    • A. seulement pour a > 0
    • B. pour tout a ≥ −1
    • C. pour tout entier relatif a
    • D. pour tout a ≤ 1
    Réponse

    B. pour tout a ≥ −1 — Multiplier par 1 + a conserve l’ordre dès que 1 + a ≥ 0, c’est-à-dire a ≥ −1 ; le terme ka² est toujours positif. Le cours l’énonce pour a > 0 (le cas utile pour qⁿ avec q > 1), mais la preuve fonctionne pour a ≥ −1.

  7. La propriété « n² − n + 11 est un nombre premier » :

    • A. est fausse : n = 11 donne 121 = 11²
    • B. est vraie pour tout n, car vérifiée jusqu’à 10
    • C. se démontre par récurrence sur n
    • D. est vraie pour tout entier n ≥ 11
    Réponse

    A. est fausse : n = 11 donne 121 = 11² — Elle est vraie de n = 0 à n = 10 (11, 11, 13, 17, 23, 31, 41, 53, 67, 83, 101), mais 11² − 11 + 11 = 121 = 11 × 11. Des vérifications ne remplacent jamais une hérédité.

  8. Pour démontrer 2ⁿ ≥ 3n, l’hérédité utilise 2 × 3k ≥ 3(k + 1). Pour un entier naturel k, cette inégalité est vraie si et seulement si :

    • A. k ≥ 1
    • B. k ≥ 2
    • C. k ≥ 3
    • D. k ≥ 4
    Réponse

    A. k ≥ 1 — 6k − 3(k + 1) = 3k − 3, positif si et seulement si k ≥ 1. L’hérédité fonctionne donc dès k ≥ 1, mais P(1), P(2) et P(3) sont fausses (2 < 3, 4 < 6, 8 < 9) : on initialise au rang 4 (16 ≥ 12).

  9. « Dans tout groupe de n ≥ 1 personnes, toutes ont le même âge. » L’hérédité proposée retire une personne, puis une autre, et recolle les deux sous-groupes de k personnes. Où est l’erreur ?

    • A. l’initialisation au rang 1 est fausse
    • B. nulle part : la conclusion est correcte
    • C. l’hérédité de 1 à 2 : sous-groupes disjoints
    • D. l’hérédité échoue seulement pour de très grands groupes
    Réponse

    C. l’hérédité de 1 à 2 : sous-groupes disjoints — Le recollement suppose qu’une personne appartient aux deux sous-groupes. Pour k = 1, chaque sous-groupe est réduit à une personne différente : rien ne relie leurs âges. L’hérédité doit être valable pour tout k ≥ n₀.

  10. Pour démontrer 3ⁿ ≥ 2ⁿ + n, on écrit 3ᵏ⁺¹ = 3 × 3ᵏ ≥ 3(2ᵏ + k). Il reste à vérifier que :

    • A. 3 × 2ᵏ = 2ᵏ⁺¹ pour tout entier k
    • B. 3k ≥ k + 1 pour tout entier k
    • C. 3 × 2ᵏ + 3k ≥ 3 × 2ᵏ⁺¹ + 3(k + 1)
    • D. 3 × 2ᵏ + 3k ≥ 2ᵏ⁺¹ + k + 1
    Réponse

    D. 3 × 2ᵏ + 3k ≥ 2ᵏ⁺¹ + k + 1 — La cible au rang k + 1 est 2ᵏ⁺¹ + (k + 1). Or 3 × 2ᵏ + 3k − 2ᵏ⁺¹ − k − 1 = 2ᵏ + 2k − 1 ≥ 0 pour tout k ≥ 0 (car 2ᵏ ≥ 1).

  11. Soit u₁ = 5 et, pour tout n ≥ 1, uₙ₊₁ = uₙ + 3. Pour démontrer « uₙ = 3n + 2 », on initialise :

    • A. au rang 0, car la formule donne u₀ = 2
    • B. au rang 1, car la suite commence à u₁
    • C. au rang 2, premier terme que l’on calcule
    • D. à n’importe quel rang : c’est facultatif
    Réponse

    B. au rang 1, car la suite commence à u₁ — u₀ n’est pas défini : le rang de départ est n₀ = 1. On vérifie 3 × 1 + 2 = 5 = u₁, puis l’hérédité pour k ≥ 1 : uₖ₊₁ = 3k + 2 + 3 = 3(k + 1) + 2.

  12. Pour démontrer que 5 divise n⁵ − n, un élève écrit : « (k + 1)⁵ − (k + 1) = k⁵ − k + 5k⁴ + 10k³ + 10k² + 5k, c’est donc un multiple de 5 ». Que lui manque-t-il ?

    • A. rien : chaque terme est visiblement un multiple de 5
    • B. un autre développement, car celui de (k + 1)⁵ est faux
    • C. utiliser k⁵ − k = 5m et conclure par 5(m + k⁴ + 2k³ + 2k² + k)
    • D. diviser l’expression par 5 et vérifier que c’est positif
    Réponse

    C. utiliser k⁵ − k = 5m et conclure par 5(m + k⁴ + 2k³ + 2k² + k) — Le développement est juste, mais l’hypothèse de récurrence doit être écrite et utilisée : k⁵ − k = 5m, donc (k + 1)⁵ − (k + 1) = 5m + 5k⁴ + 10k³ + 10k² + 5k = 5(m + k⁴ + 2k³ + 2k² + k), avec m + k⁴ + 2k³ + 2k² + k entier.

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