Suite de double restes par division euclidienne

Aujourd’hui mon ami Fare de NYC, quelques jours en visite à Paris, m’a invité dans son cercle habituel d’amis libertaires (pour que je fasse contre-poids à leurs idées?). Mais on ne parlait pas uniquement d’interactions société/économie et d’un certain monde idéal, mais aussi un peu de math. Comme cadeau d’au-revoir il m’a posé ce joli problème que je souhaite partager avec vous:

un = (10n2+n mod 102n-10n-1) mod 10n.

(Comme d’habitude a mod b désigne le reste de la division euclidienne de a par b.)

Quelle est cette suite et pourquoi?

6 réponses
  1. bistraque
    bistraque dit :

    En posant \(v_n=10^n\) cela revient à évaluer $$(v_n^{n+1}\mod(v_n^2 – v_n -1))\mod v_n.$$ Avec \(w_{n,k} = v_n^k \mod (v_n^2 – v_n -1)\) on établit que
    \[w_{n,k+1} = (v_n^k + v_n^{k-1}) \mod (v_n^2 – v_n -1) = w_{n,k} +w_{n,k-1}.\]
    On reconnait une récurrence à la Fibonacci où \(w_{n,0}=1\) et \(w_{n,1}=v_n\). On démontre par récurrence que \(w_{n,k+1} = F_k v_n + F_{k-1}\) où \(F_k\) est la suite de Fibonacci. Donc \[w_{n,n+1} \mod v_n = (F_n v_n + F_{n-1}) \mod v_n = F_{n-1} \mod v_n.\]
    On démontre facilement que \(F_{n-1}\lt v_n.\) C’est donc la valeur cherchée.

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  2. bistraque
    bistraque dit :

    Je revenais sur la page pour voir si le pb tex avait été résolu, et me voilà sous le feu des questions. Je rajeunis de 40 ans 🙂 …

    J’ai en effet oublié de borner \(w_{n,n+1}\). Si on adopte \(2^n\) comme majorant de \(F_n\) (même démonstration que pour \(F_{n-1} < v_n\)), on a \[w_{n,n+1} \lt 2^n v_n + 2^{n-1} < 2^n (v_n + 1) \leq (v_n – 2)(v_n + 1) \lt v_n^2 – v_n – 1,\] pour tout \(n\geq1\) (oui il faut démontrer aussi que \(2^n \lt 10^n – 2\)).

    Concernant la valeur minimale de \(v_n\), je dirais \(3^n\) sans démonstration car le majorant ci-dessus ne marche qu’à partir de \(v_n = 4^n\).
    \(2^n\) ne marche pas car pour \(n=1\) on a \(u_n = 0\), par contre on retrouve \(u_n = F_{n-2}\) avec un décalage de 1 donc. Pour \(v_n = 3^n\), les valeurs de \(u_1\) et \(u_2\) semblent confirmer le résultat. Désolé pour ces réponses imprécises.

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  3. Faré
    Faré dit :

    1- La formule a été dérivée en partant de la série formelle \(S(X) = \sum(k,\operatorname{fib}(k) X^k)\). En utilisant la formule de récurrence et les deux premiers termes, on a \(S(X) = X + X S(X) + X^2 S(X)\) d’où \(S(X)=X/(1-X-X^2)\). Pour \(A\) assez grand, la partie entière à \(A^n S(1/A) = A^{n+1}/(A^2-A-1)\) est un nombre très grand dont les "chiffres" en base \(A\) sont les n premiers termes de la suite, et le chiffre des unités est \(\operatorname{fib}(n)\). Paul Hankin en tire la formule
    \[\operatorname{fib}(n) = (A^{n+1} \operatorname{div}(A^2-A-1)) \mod A,\]
    où div est le quotient de la division euclidienne. Mais cela nécessite de calculer un nombre énorme; et si on pouvait remplacer ce quotient par un reste? On peut! En effet, si \(A^{n+1} = q*(A^2-A-1) + r\), alors modulo A, on a \(0 = q*-1 + r\), et donc q = r. On peut donc utiliser \(\mod (A^2-A-1)\) au lieu de div\((A^2-A-1)\). Avec l’exponentiation rapide modulo \(A^2-A-1\), on obtient même un algorithme de calcul compétitif (si on a une bonne approximation supérieure pour \(\log_2(A)\)).

    2- La valeur minimale pour \(v_n\) est \(F_{n+1} + 2\). Prouvez-le.

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  4. Wàng
    Wàng dit :

    @Mathoman, s’il vous plait … notre ami Faré n’est pas libertaire, mais libertarien.

    Anarcho-capitaliste. Strictement rien à voir avec l’idéologie libertaire.

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