Récurrence

Bonjour,
Je n'arrive pas à prouver par récurrence sur $n$ l'inégalité suivante : $$
\prod_{i=1}^{n} (1-a_{i}) \ge 1-\sum_{i=1}^{n} a_{i},$$ pour $a_{1}, a_{2}, \ldots, a_{n}$ compris entre 0 et 1.

Réponses

  • Salut, moi je trouve ça plutôt facile. Il faudrait que tu précises les bornes en tous cas (simple souci de précision car il me semble (encore puis-je me tromper) que ça marche pour $1\leq i \leq n$, $0\leq a_i\leq 1$.

    Une petite mise sur la voie :

    Développer $(1-a_{n+1})\prod_{i=1}^n(1-a_i)$ et comparer avec $1-\sum_{i=1}^na_i-a_{n+1}$ en supposant vraie la propriété que tu cherches à démontrer à l'ordre $n$.
  • Pourtant, la récurrence est bien adaptée.

    L'inégalité de Weierstrass ici présente est une généralisation de l'inégalité de Bernoulli $(1-x)^n \geqslant 1-nx$ avec $x \in \left [ 0,1 \right ]$, laquelle est démontrée en terminale S par...récurrence.

    Voici le début du raisonnement, à compléter.

    L'inégalité est clairement vraie pour $n=1$. Si on suppose l'inégalité vraie au rang $n \geqslant 1$, alors, si $a_1,\dotsc,a_n,a_ {n+1} \in \left [ 0,1 \right ]$
    $$\prod_{i=1}^{n+1} (1-a_i) = (1-a_{n+1}) \prod_{i=1}^{n} (1-a_i) \geqslant (1-a_{n+1}) \left( 1 - \sum_{i=1}^n a_i \right) = \dotsc$$
    où l'on a utilisé $a_ {n+1} \in \left [ 0,1 \right ]$ dans la première inégalité.
  • Allez, une autre !

    Je pose $\Pi = \prod_{i=1}^{n} (1-a_{i})$ et $S =1-\sum_{i=1}^{n} a_{i}$.

    En supposant $\Pi \geqslant S$, je pose $f(x) = \Pi(1-x) - S - x$ qui est une fonction affine.
    $f(0) = \Pi - S \geqslant 0$ et $f(1) = 0 + 1 - S \geqslant 1 - \Pi \geqslant 0$.

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • Bonjour @ev,

    N'as-tu pas fait une typo ? On calcule, $\displaystyle f(1) = 0 - S -1$, puis $\displaystyle \Pi \geq S \implies - \Pi \leq -S $, et donc $\displaystyle f(1) \geq -\Pi - 1$, mais alors, comment conclure ?
  • Cette inégalité se prouve par une récurrence des plus simples, mais ce qui m'a étonné c'est son appellation "inégalité de Weierstrass". Les résultats "de Weierstrass" sont généralement d'une nature plus profonde ... Je la connaissais sous le nom d' " inégalité de Bernoulli généralisée".
    J'ai eu bien du mal pour en trouver une référence sous ce nom d' "inégalité de Weierstrass". J'en ai finalement trouvé une dans : Inequalities With Applications to Engineering, Cloud, Michael J., Drachman, Byron C., Lebedev, Leonid PL..., Springer 2014, p. 30.
    Cette inégalité est notamment utile pour prouver que si $ \displaystyle P_{n}(z)=\overset{n}{\underset{k=0}{\sum }}\frac{z^{k}}{k!}$ et si $Q_{n}(z)=(1+\frac{z}{n})^{n}$ alors : $\displaystyle \underset{n\rightarrow +\infty }{\lim }(Q_{n}(z)-P_{n}(z))=0$. Ceci peut servir dans un exposé sur la construction de la fonction exponentielle.
    Bonne soirée.
    Ch.
  • @Chaurien : je te suggère le livre P. S. Bullen, A Dictionary of Inequalities, Pitman Monographs, Addison Wesley Longman Limited 1998,
    dans lequel tu trouveras, classées par ordre alphabétique de leurs auteurs, les principales inégalités et leurs références.

    À la lettre W, tu trouveras cette inégalité, et bien d'autres, estampillée "Weierstrass". Comme extension, on a
    $$\prod_{i=1}^n (1-a_i)^{w_i} > 1 - \sum_{i=1}^n w_i a_i$$
    où $a_i \in \left ]0,1 \right[$ et $w_i \geqslant 1$. Si, de plus, $\sum_{i=1}^n w_i a_i < 1$, alors
    $$\prod_{i=1}^n (1-a_i)^{w_i} < \left ( 1 + \sum_{i=1}^n w_i a_i \right)^{-1}.$$
    En posant $w_i = 1$ pour tout $i \in \{1,\dotsc,n \}$, on retrouve les inégalités de Weierstrass ci-dessus.
  • @ YvesM

    Me suis pris les sabots dans le tapis : $f(x) = \Pi(1-x) - S + x$ of course. Trop de signes moins (deux) à gérer pour moi !

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • Bonjour @ev

    Je ne comprends vraiment pas ton indication (pourtant j'ai cherché 10 minutes !). On présente une fonction affine ; sa pente est positive ; et comment ceci m'aide à prouver l'inégalité ? Je veux bien une indication précise ou même la démonstration entière...
  • Si $f(1)$ et $f(0)$ sont positifs, il en est de même pour tous les $f(x)$ avec $0 < x < 1$, en particulier $f(a_{n+1})$.

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • Bonjour @ev, merci.(tu)
  • Il me semble que pour acquérir la quasi-certitude de ce résultat sans passer par une récurrence, il suffit d'imaginer que chaque $a_i$ est la probabilité de l'évènement $A_i$.

    - [ $\prod_i (1-a_i)$] est la probabilité qu'aucun n'arrive en les supposant indépendants. (1)
    - [$1-\sum_i a_i$] est la probabilité qu'aucun n'arrive en les supposant 2 à 2 incompatibles (2)

    On a donc $(1)\geq (2)$.
    Aide les autres comme toi-même car ils sont toi, ils sont vraiment toi
  • Salut
    en regardant un peu, cette inégalité donne une comparaison entre un déterminant et sa trace
    Si A est une matrice de Edit $M_n(\R)$ edit ayant des valeurs propes comprises entre 0 et 1 alors $Tr(A)-Det(A)\leq n-1
    $

    Si ce résultat se démontre de façon purement algébrique, alors l’inégalité demandé est une trivialité ((il suffit de remplacer $1-a_i$ par $d_i$))
    Le 😄 Farceur


  • @gebrane: Je serais curieux de savoir comment tu définis une relation d'ordre $\leq$ dans $\C$ compatible avec les opérations.
  • désolé c'est $M_n(\R)$
    Le 😄 Farceur


  • Si A est une matrice de Edit $M_n(\R)$ alors $Tr(A)-Det(A)\leq n-1 $
    $$\begin{pmatrix}\frac1\varepsilon&0\\0&\varepsilon\end{pmatrix}$$
    avec $\varepsilon>0$ et aussi petit que l'on veut.
  • Merci Remarque c'est un contre exemple

    Voilà comment j'ai raisonné.
    Je suppose que $M$ admet que des valeurs propres réelles $(d_i)_{1\leq i\leq n}$
    : alors $\det(M)=d_1\ldots d_n$ et $Tr(M)=d_1+\cdots +d_n$.
    Si je remplace $1-a_i$ par $d_i$ dans l’inégalité $$\prod_{i=1}^{n} (1-a_{i}) \ge 1-\sum_{i=1}^{n} a_{i},$$ on obtient $$\prod_{i=1}^{n} d_i \ge 1-\sum_{i=1}^{n} (1-d_{i})$$ d'où $$\prod_{i=1}^{n} d_i \ge 1-n+\sum_{i=1}^{n} d_{i}$$ d'où $$ Det(M)\geq 1-n+Tr(M)$$ ce qui démontre le résultat.

    @Remarque Ta matrice a bien des valeurs propres réelles, alors je ne comprends plus rien. Help
    Le 😄 Farceur


  • Bonjour,

    Une hypothèse est que $0 < d < 1$ qui n'est plus vérifiée quand $\epsilon$ tend vers $0$, n'est-ce pas ? Donc il n'y a pas de contradiction. Mais @gebrane0, tu oublies les hypothèses qui permettent d'écrire l'inégalité : ::o.
  • Je me corrige c'est bete de ma part il faut que les d_i soit comprise entre 0 et 1
    (td)
    Le 😄 Farceur


  • j'ai vu ma betise avant que tu postes
    vraiment je ne me comprend plus des fois
    Le 😄 Farceur


  • Si $n$ désigne un entier naturel non nul, en reprenant les notations de Chaurien,
    $$
    \lvert P_n(z)-Q_n(z)\rvert
    =\left\lvert\sum_{k=1}^n\left(1-\binom nk\frac{k!}{n^k}\right)\frac{z^k}{k!}\right\rvert
    =\left\lvert\sum_{k=1}^n\biggl(1-\prod_{j=0}^{k-1}\left(1-\frac{j}{n}\biggr)\right)\frac{z^k}{k!}\right\rvert
    \leqslant\sum_{k=1}^n\biggl(1-\prod_{j=0}^{k-1}\left(1-\frac{j}{n}\biggr)\right)\frac{\lvert z\rvert^k}{k!}
    $$
    puisque les produits sont majorés par 1 ; on utilise alors cette inégalité de Bernoulli généralisée pour les minorer : pour tout entier $1\leqslant k\leqslant n$,
    $$
    \prod_{j=0}^{k-1}\left(1-\frac jn\right)\geqslant 1-\sum_{j=0}^{k-1}\frac jn=1-\frac{k(k-1)}{2n}
    $$
    d'où, pour tout entier $n\geqslant 2$,
    $$
    \lvert P_n(z)-Q_n(z)\rvert
    \leqslant\sum_{k=1}^n\frac{k(k-1)}{2n}\frac{\lvert z\rvert^k}{k!}
    =\frac{\lvert z\rvert^2}{2n}\sum_{k=0}^{n-2}\frac{\lvert z\rvert^k}{k!}\xrightarrow[n\to+\infty]{}0\,.
    $$
    D'une autre manière, je viens de croiser ici la minoration suivante, au moyen de l'inégalité de Bernoulli :
    $$
    \prod_{j=0}^{k-1}\left(1-\frac jn\right)\geqslant \left(1-\frac {k-1}n\right)^k\geqslant 1-\frac{k(k-1)}{n}.
    $$
    Voilà, c'était juste pour le signaler...
  • La voie royale pour la construction de l'exponentielle complexe est certainement la série entière, avec le produit de Cauchy qui fournit l'équation fonctionnelle $\exp(z+z')=(\exp z)( \exp z')$.
    J'ai déjà signalé qu'il n'est pas nécessaire de recourir à la théorie des séries entières, car la théorie des séries numériques (réelles ou complexes) suffit. En effet, si l'on définit : $\displaystyle \exp z=\overset{+\infty }{\underset{n=0}{\sum }}\frac{z^{n}}{n!}$, il est clair que $e=\exp 1$ est entre 2 et 3, et alors on a pour $\left\vert z\right\vert \leq 1$ la belle inégalité : $\left\vert (\exp z)-1-z\right\vert \leq \left\vert z\right\vert ^{2}$ qui donne la dérivabilité, et hop ! la classe $\mathcal C^\infty$.
    Dans les classes prépas où le produit de Cauchy n'est pas au programme, j'avais choisi d'utiliser $\displaystyle P_{n}(z)=\overset{n}{\underset{k=0}{\sum }}\frac{z^{k}}{k!}$ et $\displaystyle Q_{n}(z)=(1+\frac{z}{n})^{n}$, le premier donnant l'existence de la limite et le second l'équation fonctionnelle.
    L'inégalité : $\left\vert P_{n}(z)-Q_{n}(z)\right\vert \leq \frac{\left\vert z\right\vert ^{2}}{2n}P_{n-2}(\left\vert z\right\vert )\leq \frac{\left\vert z\right\vert^{2}}{2n}\exp (\left\vert z\right\vert )$ permet de prouver que $Q_{n}(z)$ a une limite finie, et que c'est la même que celle de $P_{n}(z)$
    Cette inégalité : $\left\vert P_{n}(z)-Q_{n}(z)\right\vert \leq ...$ se prouve comme nous l'avons vu au moyen de l'inégalité de Bernoulli généralisée, dite aussi paraît-il de Weierstrass. Et cette dernière se prouve très simplement par récurrence, je ne vois pas pourquoi lui chercher d'autres preuves.
    Ainsi peut-on construire à moindres frais l'exponentielle complexe, et montrer qu'elle est la limite de $Q_{n}(z)$, ce qui ne va pas de soi.
    J'avais trouvé l'idée dans : Georges Papelier, Précis d'Algèbre, d'Analyse et de Trigonométrie à l'usage des Élèves de Mathématiques Spéciales, Librairie Vuibert, 1941, dont un vieux professeur m'avait fait cadeau quand j'avais seize ans.
    Bonne journée.
    Fr. Ch.
    13/05/2018
    Bonne fête nationale de Jeanne d'Arc ( loi du 10 juillet 1920 ).
  • @Cher Chaurien
    "Ainsi peut-on construire à moindres frais l'exponentielle complexe, et montrer qu'elle est la limite de Qn(z), ce qui ne va pas de soi."

    C'est un exercice de L1, on démontre $(1+\frac{z}{n})^{n}$ tend vers $e^z$ en passant au module et l'argument
    Le 😄 Farceur


  • @ gebrane.

    Le module, je veux bien, mais comment définis-tu l'argument ?

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • l'argument est un abus de langage ( la notion d'argument est définie modulo $2\pi$)
    Le 😄 Farceur


  • @Chaurien : Je voulais simplement signaler que $\prod_{j=0}^{k-1}\left(1-\frac jn\right)$ peut être minoré par $1-\frac{k(k-1)}{n}$ au moyen de l'inégalité de Bernoulli, d'où $\lvert P_n(z)-Q_n(z)\rvert\leqslant \frac{\lvert z\rvert^2}{n}\exp(\lvert z\rvert)$, cette inégalité permettant de conclure, bref que l'on pouvait se passer de la version généralisée dans cette histoire...
  • @ gebrane

    OK smart Alec, comment définis-tu les arguments, et d'ailleurs comment définis-tu \( 2\pi \) sans exponentielle complexe ?

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • @ev

    En L1, on nous a raconté qu'un argument d'un complexe $z$ non nul est une mesure en radian de l' angle $\theta=(ox,oM)$ où $M$ est le point d'affixe $z$, ce qui permet d’écrire $z=\rho (\cos \theta + i \sin(\theta))$ modulo $2\pi$ . Cette définition était suffisante pour avancer. Il a donné (le prof) comme référence Rudin pour justifier l'existence de $\theta$.
    Le 😄 Farceur


  • Ce que veut faire Chaurien c'est définir sinius et cosinus ex nihilo. Il ne peut donc pas s'offrir ce genre d'argument.

    Si j'ose dire.

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • @ev
    On ne parle pas de la même chose, moi je répondais à sa deuxième question "et montrer qu'elle est la limite de $Q_n(z)$, ce qui ne va pas de soi"
    Partant de la définition $e^z=e^{a+ib}=e^a (\cos(a)+i\sin b)$
    Le 😄 Farceur


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