Subjects algebra

Recurrence Sum 0Fefc2

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Question: Démonstration par récurrence Professeur : Mohamed El Maazouzi Année scolaire : 2026-2027 Proposition : Pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $P(n)$ : $\sum_{k=0}^n \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n}$ C’est-à-dire : $1 - \frac{1}{3} + \frac{1}{9} + \cdots + \left(-\frac{1}{3}\right)^n = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n}$ 1) Initialisation Pour $n = 0$ : $\sum_{k=0}^0 \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \left(-\frac{1}{3}\right)^0 = 1$ $\frac{3}{4} - \frac{(-1)^{0+1}}{4 \times 3^0} = \frac{3}{4} - \frac{-1}{4} = \frac{3}{4} + \frac{1}{4} = 1$ $P(0)$ est vraie 2) Hérédité Soit $n \in \mathbb{N}$. Supposons $P(n)$ vraie : $\sum_{k=0}^n \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n}$ (HR) Montrons que $P(n + 1)$ est vraie : $P(n + 1)$ : $\sum_{k=0}^{n+1} \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+2}}{4 \times 3^{n+1}}$ Démonstration : $S_{n+1} = \sum_{k=0}^{n+1} \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \sum_{k=0}^n \left(-\frac{1}{3}\right)^k + \left(-\frac{1}{3}\right)^{n+1}$ $= \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n} + \frac{(-1)^{n+1}}{3^{n+1}}$ On met le dernier terme au même dénominateur $4 \times 3^{n+1}$ : $S_{n+1} = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n} + \frac{4 \times (-1)^{n+1}}{4 \times 3^{n+1}}$ Or $4 \times 3^{n+1} = 12 \times 3^n$, donc : $S_{n+1} = \frac{3}{4} + \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n} \left( -1 + \frac{4 \times 3^n}{3^{n+1}} \right)$ Simplifions : $\frac{4 \times 3^n}{3^{n+1}} = \frac{4}{3}$, donc : $S_{n+1} = \frac{3}{4} + \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n} \times \left( -1 + \frac{4}{3} \right) = \frac{3}{4} + \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n} \times \frac{1}{3} = \frac{3}{4} + \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^{n+1}}$ Or $(-1)^{n+1} = -(-1)^{n+2}$, donc : $S_{n+1} = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+2}}{4 \times 3^{n+1}}$ $P(n + 1)$ est vraie 3) Conclusion D’après le principe de récurrence : $\forall n \in \mathbb{N} : \sum_{k=0}^n \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n}$
1. **Énoncé du problème** : Montrer par récurrence que pour tout $n \in \mathbb{N}$, la somme $S_n = \sum_{k=0}^n \left(-\frac{1}{3}\right)^k$ vérifie la formule $$S_n = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n}.$$ 2. **Initialisation** : Pour $n=0$, calculons $S_0$ : $$S_0 = \sum_{k=0}^0 \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \left(-\frac{1}{3}\right)^0 = 1.$$ Calculons le membre de droite pour $n=0$ : $$\frac{3}{4} - \frac{(-1)^{0+1}}{4 \times 3^0} = \frac{3}{4} - \frac{-1}{4} = \frac{3}{4} + \frac{1}{4} = 1.$$ Donc $P(0)$ est vraie. 3. **Hérédité** : Supposons que $P(n)$ est vraie, c'est-à-dire que $$\sum_{k=0}^n \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n}.$$ Montrons que $P(n+1)$ est vraie : $$\sum_{k=0}^{n+1} \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+2}}{4 \times 3^{n+1}}.$$ 4. **Calcul de $S_{n+1}$** : $$S_{n+1} = \sum_{k=0}^{n+1} \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \sum_{k=0}^n \left(-\frac{1}{3}\right)^k + \left(-\frac{1}{3}\right)^{n+1}.$$ Par hypothèse de récurrence (HR), on remplace la somme partielle : $$S_{n+1} = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n} + \frac{(-1)^{n+1}}{3^{n+1}}.$$ 5. **Mise au même dénominateur** : Le dernier terme s'écrit avec dénominateur $4 \times 3^{n+1}$ : $$\frac{(-1)^{n+1}}{3^{n+1}} = \frac{4 \times (-1)^{n+1}}{4 \times 3^{n+1}}.$$ Donc $$S_{n+1} = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n} + \frac{4 \times (-1)^{n+1}}{4 \times 3^{n+1}}.$$ 6. **Simplification** : On remarque que $4 \times 3^{n+1} = 4 \times 3 \times 3^n = 12 \times 3^n$. On factorise le terme en $(-1)^{n+1}$ : $$S_{n+1} = \frac{3}{4} + \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n} \left(-1 + \frac{4}{3}\right).$$ Calculons l'expression entre parenthèses : $$-1 + \frac{4}{3} = \frac{-3 + 4}{3} = \frac{1}{3}.$$ Donc $$S_{n+1} = \frac{3}{4} + \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n} \times \frac{1}{3} = \frac{3}{4} + \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^{n+1}}.$$ 7. **Changement de signe** : On utilise la propriété $(-1)^{n+1} = -(-1)^{n+2}$ : $$S_{n+1} = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+2}}{4 \times 3^{n+1}}.$$ Cela correspond exactement à la formule $P(n+1)$. 8. **Conclusion** : Par le principe de récurrence, la formule est vraie pour tout $n \in \mathbb{N}$ : $$\boxed{\sum_{k=0}^n \left(-\frac{1}{3}\right)^k = \frac{3}{4} - \frac{(-1)^{n+1}}{4 \times 3^n}}.$$
Proposition et formulePour tout n ∈ ℕ :∑(k=0 to n) (-1/3)^k = 3/4 - (-1)^(n+1) / (4 × 3^n)Conclusion∀n ∈ ℕ : ∑(k=0 to n) (-1/3)^k = 3/4 - (-1)^(n+1) / (4 × 3^n)