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\renewenvironment{proof}{\par$\square$ \footnotesize\textit{Démonstration.}}{\begin{flushright}$\blacksquare$\end{flushright}\par}
\title{Induction}
\author{William Hergès\thanks{Sorbonne Université}}
\begin{document}
\maketitle
\newpage
\begin{defn}
Soient $E$ un ensemble, $X_0$ une partie de $E$ et $\mathcal{F}$ un ensemble de règles données sous la forme
d'applications distinctes $f:E^{a(f)}\to E$, avec $a(f)$ l'arité de l'application $f$.
L'ensemble définie inductivement à l'aide de $E$, $X_0$ et $\mathcal{F}$, est le plus petit ensemble $X$ de $E$
vérifiant~:
\begin{itemize}
\item $X_0\subseteq X$
\item pour toute application $f$ d'arité $n$ de $\mathcal{F}$, pour tous $x_1,\ldots,x_{n}$, si
$(x_1,\ldots,x_n)\in X^{n}$, alors $f(x_1,\ldots,x_{n})$ est dans $X$.
\end{itemize}
\end{defn}
\begin{exemple}
L'ensemble $X$ des entiers pairs est définissable comme~:
$$ X \left\{\begin{matrix}X_0 &= \{0\}\\ \mathcal{F} &= \{x\longmapsto x+2\} \end{matrix}\right. $$
\end{exemple}
\begin{defn}
Soit $X$ un ensemble défini par induction structurelle à partir de $E$, $X_0$ et $\mathcal{F}$.
On peut définir par une fonction $g$ par induction structurelle de la façon suivante~:
\begin{itemize}
\item tous les $x$ dans $X_0$ doivent être données explicitement
\item pour toute règle $f$ dans $\mathcal{F}$ d'arité $n$, on donne
$$ g(f(x_1,\ldots,x_n)) = h(x_1,\ldots,x_n,g(x_1),\ldots,g(x_n)) $$
\end{itemize}
\end{defn}
\begin{exemple}
La hauteur $h$ d'un arbre binaire est définie par~:
\begin{itemize}
\item $h(\varnothing) = 0$
\item $h((a,g,d)) = 1+\max(h(g), h(d))$
\end{itemize}
Le nombre d'éléments $\mathcal{N}$ d'un arbre binaire est défini par~:
\begin{itemize}
\item $\mathcal{N}(\varnothing) = 0$
\item $\mathcal{N}(a,g,d) = 1+\mathcal{N}(g)+\mathcal{N}(d)$
\end{itemize}
\end{exemple}
\begin{thm}
Soit $X$ un ensemble défini par induction structurelle à partir de $E$, $X_0$ et $F$.
Soit $P$ une propriété vraie sur les éléments de $X$.
\fbox{Base} Si $P(x)$ est vraie pour tout $x\in X_0$,
\fbox{Induction} Si, pour tout $f$ dans $\mathcal{F}$ d'arité $n$, pour tous $x_1,\ldots,x_n\in X$, \textbf{si}
$P(x_1),\ldots,P(x_n)$ sont vraies, \textbf{alors} $P(f(x_1,\ldots,x_n))$ est vraie.
Alors pour tous $x$ dans $X$, $P(x)$ est vraie.
\end{thm}
Il s'agit de la preuve par induction structurelle.
\begin{proof}
Soit $V=\{x\in X | P(x)\}$.
\begin{itemize}
\item $V\subseteq X$
\item Par la base, on a $X_0\subseteq V$. Soient $f$ dans $\mathcal{F}$ d'arité $n$ et
$(x_1,\ldots,x_n)\in V^n$.
Alors, par induction, $P(f(x_1,\ldots,x_n))$ est vraie.
Donc $f(x_1,\ldots,x_n)$ est dans $V$.
Par définition, $X$ est le plus petit ensemble de vérifiant ces conditions, alors $X\subseteq V$
\end{itemize}
Ainsi, $X=V$ et $P(x)$ est vraie pour tout $x$ dans $X$.
\end{proof}
\end{document}
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