Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Sous-suite géométrique dans de l’arithmétique

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Solution

Solution by Hugues Hott · FR

On a uk=u0+kru_k = u_0 + kr et vk=v0rkv_k = v_0r^k, d’où en notant ϕ\phi l’extractrice (la fonction ϕ\phi telle que vk=uϕ(k)v_k = u_{\phi(k)}) :
u0+ϕ(k)r=v0rk∀k≥0u_0 + \phi(k)r = v_0r^k \qquad \forall k \geq 0D’où ϕ(k)=v0rk−1−u0r\phi(k) = v_0r^{k-1} - \frac{u_0}{r} pour tout k≥0k \geq 0. Posons pour tout k≥0k \geq 0, Δk=ϕ(k+1)−ϕ(k)\Delta_k = \phi(k+1) - \phi(k), alors :

Δk=v0rk−v0rk−1=v0(r−1)rk−1∀k≥0\Delta_k = v_0r^{k} - v_0r^{k-1} = v_0(r-1)r^{k-1} \qquad \forall k \geq 0 Avec donc Δ1=v0(r−1)\Delta_1 = v_0(r-1) et Δ2=v0(r−1)r\Delta_2 = v_0(r-1)r, tous deux dans N∗\mathbb N^* (par croissance stricte de ϕ\phi), d’où v0v_0 est non nul et r≠1r \neq 1. Il s’ensuit que r=Δ2Δ1r = \frac{\Delta_2}{\Delta_1} est rationnel.

De plus, Δk=Δ1rk−1∈N∗\Delta_k = \Delta_1 r^{k-1} \in \mathbb N^*, on en déduit que rr est un entier (Autrement, si r=abr = \frac{a}{b}, alors Δ1akbk\Delta_1 \frac{a^k}{b^k} est entier pour tout kk si et seulement si bkb^k divise Δ1\Delta_1 pour tout kk en supposant aa et bb premiers entre eux, absurde si b≠1b \neq 1). \newline

Par hypothèse, il existe c∈Nc \in \mathbb N non nul tel que ϕ(0)=v0−u0r=c\phi(0) = \frac{v_0-u_0}{r} = c, donc v0=cr+u0v_0 = cr + u_0.
En substituant, on a alors :
ϕ(1)=v0−u0r=cr+u0(r−1r)\phi(1) = v_0 - \frac{u_0}{r} = cr + u_0(\frac{r-1}{r})D’où u0r−1r∈N−cr⊂Zu_0\frac{r-1}{r} \in \mathbb N - cr \subset \mathbb Z.

Réciproquement, si K=u0r−1r∈ZK = u_0 \frac{r-1}{r} \in \mathbb Z et r∈N≥2r \in \mathbb N_{\geq 2}, il existe alors m∈Zm \in \mathbb Z tel que u0r−1r=mu_0 \frac{r-1}{r} = m, posons ϕ(k)=u0rk−1r+Ark\phi(k) = u_0 \frac{r^k-1}{r} + Ar^k où AA est à déterminer (on s’inspire bien sûr de ϕ(k)=v0rk−1−u0r=(ϕ(0)r+u0)rk−1−u0r=u0rk−1r+ϕ(0)rk\phi(k) = v_0r^{k-1} - \frac{u_0}{r} = (\phi(0)r + u_0)r^{k-1} - \frac{u_0}{r} = u_0\frac{r^k-1}{r} + \phi(0)r^k).

En écrivant u0rk−1r=(u0r−1r)⋅rk−1r−1=K⋅∑i=0k−1ri=K⋅Sk∈Zu_0 \frac{r^k - 1}{r} = \left( u_0 \frac{r-1}{r} \right) \cdot \frac{r^k - 1}{r-1} = K \cdot \sum_{i=0}^{k-1} r^i = K \cdot S_k \in \mathbb Z, on a alors ϕ(k)=K⋅Sk+Ark\phi(k) = K \cdot S_k + Ar^k et donc :
Δk=ϕ(k+1)−ϕ(k)=K(Sk+1−Sk)+A(rk+1−rk)=rn(K+A(r−1))∈Z\Delta_k = \phi(k+1) - \phi(k) = K(S_{k+1} - S_k) + A(r^{k+1}-r^k) = r^n(K + A(r-1)) \in \mathbb Z

D’où Δk>0\Delta_k > 0 si et seulement si A(r−1)>−KA(r-1) > -K, il suffit alors de poser A=max⁡(0,−K+1)A = \max(0, -K + 1) pour que ϕ\phi soit strictement croissante. Comme de plus ϕ(0)=A≥0\phi(0) = A \geq 0, alors ϕ\phi est bien à valeurs dans N\mathbb N. Enfin, on vérifie aisément que vn=uϕ(n)v_n = u_{\phi(n)} est bien géométrique de même raison rr.

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