Exercice 01-11
Pour tout entier \(n\geqslant 0\), on définit
le nombre de Fermat \(F_{n}:=2^{(2^{n})}+1\).
Démontrer, pour \(n\geqslant 1\), l'identité
\[
F_n=2+\prod_{k=0}^{n-1}F_k.
\]
La méthode de preuve par récurrence est
décrite
ici.
Rappelons que
si \(a_1,a_2,\dots,a_n\) sont des réels, on écrit leur produit
\[
\prod_{k=1}^na_k:= a_1\cdot a_2\cdots a_n\,.
\]
Pour commencer...
Définir \(\mathcal{P}(n)\) comme la propriété
''\(F_n=2+\prod_{k=0}^{n-1}F_k\)''.
Si \(n=1\), on a d'une part que
\(F_1=2^{(2^{1})}+1=2^{2}+1=5\), et d'autre part que
\[
2+\prod_{k=0}^{0}F_k=2+F_0=2+3=5\,,
\]
donc \(\mathcal{P}(1)\) est vraie.
Si on suppose que \(\mathcal{P}(n)\) est vraie pour un certain \(n\),
\[
F_n=2+\prod_{k=0}^{n-1}F_k\,,
\]
alors on peut commencer par écrire
\[\begin{aligned}
F_{n+1}
&=2^{(2^{n+1})}+1\\
&=2^{\left( 2\cdot 2^{n}\right) }+1 \\
&=\bigl(
2^{(2^{n})}\bigr)^2+1\\
&=(F_n-1)^2+1 \\
&=F_n(F_n-2)+2 \,.
\end{aligned}\]
Si on utilise l'hypothèse de récurrence, on peut
remplacer \(F_n-2\) par le produit,
\[\begin{aligned}
F_n(F_n-2)+2
&=F_n\left(
\prod_{k=0}^{n-1}F_{k}\right) +2\\
&=\prod_{k=0}^nF_k+2\\
&=\prod_{k=0}^{(n+1)-1}F_{k}+2\,.
\end{aligned}\]
Ceci montre que
\[
F_{n+1}=2+\prod_{k=0}^{(n+1)-1}F_{k}\,,
\]
à savoir que \(\mathcal{P}(n+1)\) est vraie aussi.