Soit un entier naturel non nul. On considère le polynôme défini par :
Pour les racines, utiliser l'inégalité triangulaire sur l'égalité et étudier le cas d'égalité.
Pour la simplicité des racines, on pourra introduire le polynôme et étudier ses racines communes avec sa dérivée.
Pour la suite, traduire la relation à l'aide d'une matrice compagnon et utiliser la réduction pour obtenir la forme générale du terme .
Pour la limite, on pourra chercher une combinaison linéaire des termes qui reste invariante par la relation de récurrence.
Analyse du cas d'égalité dans l'inégalité triangulaire pour le module des racines.
Utilisation du lien entre racines multiples et racines du polynôme dérivé.
Diagonalisation d'une matrice compagnon dont le spectre est contrôlé.
Recherche d'un invariant pour une suite récurrente linéaire.
Résolution.
Supposons . Par l'inégalité triangulaire :
Or, comme , pour tout , on a . Ainsi :
En divisant par , on obtient , ce qui contredit l'hypothèse. \medskip Par conséquent, toutes les racines de sont dans le disque unité fermé :
Le cas d'égalité de l'inégalité triangulaire pour des nombres complexes non nuls impose que tous les termes soient colinéaires et de même sens. Comme , tous les doivent être des réels strictement positifs. Étant de module 1, on a nécessairement pour tout , d'où . Réciproquement, . L'unique racine de module 1 est donc :
Les racines de sont (de multiplicité ) et (simple). Or , donc n'est pas racine de . Concernant , on a et . Calculons :
Attention à ne pas oublier que l'équation caractéristique de la suite est et non . Bien que les racines soient les mêmes, la confusion peut mener à des erreurs de calcul dans l'invariant.