Manipulations de sommes et de produits

Sommes doubles - Exercice 1

1 h
90
Il s'agit, au travers de cet exercice, de manipuler des sommes doubles élémentaires.
Il faut IMPERATIVEMENT toujours regarder la définition des deux indices de sommations.
Question 1

On défini l'ensemble EE comme étant : E={(i,j)N2;i+j3}E =\left\lbrace (i\,,\,j)\in \mathbb{N}^2 \,;\, i+j \leqslant 3 \right\rbrace . Calculer la somme S1S_1 suivante : S1=(i;j)E2i+jS_1 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j}

Correction
D'après la définition de EE, on a :
j=3ij = 3-i
Et de fait, on peut écrire que :
S1=(i;j)E2i+j=i=03j=03i2i+j=j=0320+j+j=0221+j+j=0122+j+j=0023+jS_1 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j} = \sum_{i=0}^{3} \sum_{j=0}^{3-i} 2^{i+j} = \sum_{j=0}^{3} 2^{0+j} + \sum_{j=0}^{2} 2^{1+j} + \sum_{j=0}^{1} 2^{2+j} + \sum_{j=0}^{0} 2^{3+j}
Ce qui nous donne :
S1=(i;j)E2i+j=(20+0+20+1+20+2+20+3)+(21+0+21+1+21+2)+(22+0+22+1)+(23+0)S_1 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j} = \left( 2^{0+0} + 2^{0+1} + 2^{0+2} + 2^{0+3} \right) + \left( 2^{1+0} + 2^{1+1} + 2^{1+2} \right) + \left( 2^{2+0} + 2^{2+1} \right) + \left( 2^{3+0} \right)
D'où :
S1=(i;j)E2i+j=(20+21+22+23)+(21+22+23)+(22+23)+(23)S_1 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j} = \left( 2^{0} + 2^{1} + 2^{2} + 2^{3} \right) + \left( 2^{1} + 2^{2} + 2^{3} \right) + \left( 2^{2} + 2^{3} \right) + \left( 2^{3} \right)
Ainsi :
S1=(i;j)E2i+j=(1+2+4+8)+(2+4+8)+(4+8)+(8)=15+14+12+8S_1 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j} = \left( 1 + 2 + 4 + 8 \right) + \left( 2 + 4 + 8 \right) + \left( 4 + 8 \right) + \left( 8 \right) = 15 + 14 + 12 + 8
Finalement :
S1=49{\color{red}{\boxed{S_1 = 49}}}
Question 2

Soit nn un nombre entier naturel. On défini l'ensemble EE comme étant : E={(i,j)N2;i+jn}E =\left\lbrace (i\,,\,j)\in \mathbb{N}^2 \,;\, i+j \leqslant n \right\rbrace . Calculer la somme S2S_2 suivante : S2=(i;j)E2i+jS_2 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j}

Correction
D'après la définition de EE, on a :
j=nij = n-i
Et de fait, on peut écrire que :
S2=(i;j)E2i+j=i=0nj=0ni2i+j=i=0nj=0ni2i2j=i=0n(2i(j=0ni2j))S_2 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j} = \sum_{i=0}^{n} \sum_{j=0}^{n-i} 2^{i+j} = \sum_{i=0}^{n} \sum_{j=0}^{n-i} 2^{i}2^{j} = \sum_{i=0}^{n} \left(2^{i} \left( \sum_{j=0}^{n-i} 2^{j} \right)\right)
Mais la somme j=0ni2j\sum_{j=0}^{n-i} 2^{j} est une somme géométrique de premier terme 20=12^0=1 et de raison 22. Donc, on a :
j=0ni2j=1×12ni+112=12ni+11=2ni+11\sum_{j=0}^{n-i} 2^{j} = 1 \times \dfrac{1-2^{n-i+1}}{1-2} = \dfrac{1-2^{n-i+1}}{-1} = 2^{n-i+1} - 1
Ce qui nous donne :
S2=(i;j)E2i+j=i=0n(2i(2ni+11))=i=0n(2i2ni+12i)=i=0n(2i+ni+12i)=i=0n(2n+12i)S_2 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j} = \sum_{i=0}^{n} \left(2^{i} \left( 2^{n-i+1} - 1 \right)\right) = \sum_{i=0}^{n} \left( 2^{i}2^{n-i+1} - 2^{i} \right) = \sum_{i=0}^{n} \left( 2^{i+n-i+1} - 2^{i} \right) = \sum_{i=0}^{n} \left( 2^{n+1} - 2^{i} \right)
Soit encore :
S2=(i;j)E2i+j=i=0n2n+1i=0n2i=2n+1i=0n120×12n+112=2n+1(n+1)1×12n+11S_2 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j} = {\color{red}{\sum_{i=0}^{n} 2^{n+1}}} - {\color{blue}{\sum_{i=0}^{n} 2^{i}}} = {\color{red}{2^{n+1}\sum_{i=0}^{n} 1}} - {\color{blue}{2^0 \times \dfrac{1-2^{n+1}}{1-2}}} = {\color{red}{2^{n+1}(n+1)}} - {\color{blue}{1 \times \dfrac{1-2^{n+1}}{-1}}}
Ce qui nous donne :
S2=(i;j)E2i+j=2n+1(n+1)+12n+1=2n+1n+2n+1+12n+1=2n+1n+1S_2 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j} = {\color{red}{2^{n+1}(n+1)}} + {\color{blue}{1-2^{n+1}}} = {\color{red}{2^{n+1}n}} + {\color{red}{2^{n+1}}} + {\color{blue}{1}} - {\color{blue}{2^{n+1}}} = {\color{red}{2^{n+1}n}} + {\color{blue}{1}}
Finalement :
S2=(i;j)E2i+j=1+2n+1n{\color{red}{\boxed{S_2 = \sum_{(i\,;\,j)\in E}2^{i+j} = 1 + 2^{n+1}n }}}
Question 3

Soit nn un nombre entier naturel. Déterminer l'expression de S3=i=0nk=in(ki)S_3 = \sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} \left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right).

Correction
On a :
S3=i=0nk=in(ki)=i=0nk=in((ki)×1)=i=0nk=in((ki)×1i×1ki)S_3 = \sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} \left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) = \sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} \left(\left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) \times 1 \right) = \sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} \left(\left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) \times 1^{i} \times 1^{k-i} \right)
Ceci ressemble à la formule du binôme de NewtonNewton, mais ce n'est pas cette formule ! Il suffit de regarder la plage des valeurs minimale et maximale (de début et d'arrêt) de l'indice de sommation kk. On devrait avoir i=0k((ki)×1i×1ki)\sum_{i=0}^{k} \left(\left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) \times 1^{i} \times 1^{k-i} \right) et nous avons k=in((ki)×1i×1ki)\sum_{k=i}^{n} \left(\left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) \times 1^{i} \times 1^{k-i} \right). Or, en observant les deux sommes qui définissent S3S_3, on constate que :
i=0nk=in=0iknn\sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} = \sum_{0 \leqslant i \leqslant k \leqslant n}^{n}
Donc, on peut écrire que :
i=0nk=in=0iknn=k=0ni=0k\sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} = \sum_{0 \leqslant i \leqslant k \leqslant n}^{n} = \sum_{k=0}^{n} \sum_{i=0}^{k}
Ce qui implique que :
S3=i=0nk=in(ki)=i=0nk=in((ki)×1i×1ki)=k=0ni=0k((ki)×1i×1ki)S_3 = \sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} \left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) = \sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} \left(\left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) \times 1^{i} \times 1^{k-i} \right) = \sum_{k=0}^{n} \sum_{i=0}^{k} \left(\left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) \times 1^{i} \times 1^{k-i} \right)
Selon la formule du binôme de NewtonNewton, on en déduit que :
i=0k((ki)×1i×1ki)=(1+1)k=2k\sum_{i=0}^{k} \left(\left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) \times 1^{i} \times 1^{k-i} \right) = (1+1)^k = 2^k
Ainsi, on obtient :
S3=i=0nk=in(ki)=k=0n2kS_3 = \sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} \left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) = \sum_{k=0}^{n} 2^k
On constate qu'il s'agit d'une somme géométrique de n+1n+1 termes, de premier terme 20=12^0 = 1 et de raison 22. On a alors :
S3=i=0nk=in(ki)=k=0n2k=20×12n+112=1×12n+11=(12n+1)S_3 = \sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} \left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) = \sum_{k=0}^{n} 2^k = 2^0 \times \dfrac{1-2^{n+1}}{1-2} = 1 \times \dfrac{1-2^{n+1}}{-1} = - \left( 1-2^{n+1} \right)
Finalement :
S3=i=0nk=in(ki)=2n+11{\color{red}{\boxed{S_3 = \sum_{i=0}^{n} \sum_{k=i}^{n} \left( \begin{array}{c} k \\ i \\ \end{array}\right) = 2^{n+1} - 1 }}}
Question 4

Soit nn un nombre entier naturel supérieur ou égal à 22. Déterminer l'expression de S4=1i<jnn(i+j)S_4 = \sum_{1 \leqslant i < j \leqslant n}^{n} \left( i+j\right).

Correction
On a :
S4=1i<jnn(i+j)S_4 = \sum_{1 \leqslant i < j \leqslant n}^{n} \left( i+j\right)
Cette somme est incluse dans la double somme s=i=1nj=1n(i+j)s = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} (i+j). Cette dernière somme ss est plus facile à déterminer. En effet, on a :
s=i=1nj=1n(i+j)=i=1nj=1ni+i=1nj=1nj=i=1nij=1n1+i=1nj=1nj=i=1nin+i=1nn(n+1)2s = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} (i+j) = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} i + \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} j = \sum_{i=1}^{n} i {\color{red}{\sum_{j=1}^{n} 1}} + \sum_{i=1}^{n} {\color{blue}{\sum_{j=1}^{n} j}} = \sum_{i=1}^{n} i{\color{red}{n}} + \sum_{i=1}^{n} {\color{blue}{\dfrac{n(n+1)}{2}}}
Ce qui nous donne :
s=i=1nj=1n(i+j)=ni=1ni+n(n+1)2i=1n1=nn(n+1)2+n(n+1)2n=n2(n+1)2+n2(n+1)2=n2(n+1)s = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} (i+j) = {\color{red}{n}}\sum_{i=1}^{n} i + {\color{blue}{\dfrac{n(n+1)}{2}}}\sum_{i=1}^{n} 1 = {\color{red}{n}} \dfrac{n(n+1)}{2} + {\color{blue}{\dfrac{n(n+1)}{2}}} n = \dfrac{n^2(n+1)}{2} + \dfrac{n^2(n+1)}{2} = n^2(n+1)
En distinguant, dans ss, les situations iji \neq j et i=ji=j, on a alors :
s=i=1nj=1n(i+j)=i=1nj(i)=1n(i+j)Situation pour laquelle ij+i=1n(i+i)Situation pour laquelle i=j=i=1nj(i)=1n(i+j)Situation pour laquelle ij+i=1n2iSituation pour laquelle i=js = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} (i+j) = \underbrace{\sum_{i=1}^{n} \sum_{j(\neq i)=1}^{n} (i+j) }_{\text{Situation pour laquelle }i \neq j} + \underbrace{\sum_{i=1}^{n} \left( i+i\right) }_{\text{Situation pour laquelle }i = j} = \underbrace{\sum_{i=1}^{n} \sum_{j(\neq i)=1}^{n} (i+j) }_{\text{Situation pour laquelle }i \neq j} + \underbrace{\sum_{i=1}^{n} 2i }_{\text{Situation pour laquelle }i = j}
Ce qui nous donne :
s=i=1nj=1n(i+j)=i=1nj(i)=1n(i+j)Situation pour laquelle ij+2i=1niSituation pour laquelle i=js = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} (i+j) = \underbrace{\sum_{i=1}^{n} \sum_{j(\neq i)=1}^{n} (i+j) }_{\text{Situation pour laquelle }i \neq j} + \underbrace{2\sum_{i=1}^{n} i }_{\text{Situation pour laquelle }i = j}
Puis, en constatant dans ss que les lettres ii et jj ont exactement les mêmes rôles, on a :
i=1nj(i)=1n(i+j)Situation pour laquelle ij=j=1ni(j)=1n(i+j)=2j=1ni=1j(i+j)=21i<jn(i+j)\underbrace{\sum_{i=1}^{n} \sum_{j(\neq i)=1}^{n} (i+j) }_{\text{Situation pour laquelle }i \neq j} = \sum_{j=1}^{n} \sum_{i(\neq j)=1}^{n} (i+j) = 2\sum_{j=1}^{n} \sum_{i=1}^{j} (i+j) = 2\sum_{1 \leqslant i < j \leqslant n} \left( i+j\right)
Ainsi, on en déduit que :
s=2j=1ni=1j(i+j)=21i<jn(i+j)+2i=1ni=2(1i<jn(i+j)+i=1ni)=2(S4+n(n+1)2)s = 2\sum_{j=1}^{n} \sum_{i=1}^{j} (i+j) = 2\sum_{1 \leqslant i < j \leqslant n} \left( i+j\right) + 2\sum_{i=1}^{n} i = 2 \left( \sum_{1 \leqslant i < j \leqslant n} \left( i+j\right) + \sum_{i=1}^{n} i \right) = 2 \left( S_4 + \dfrac{n(n+1)}{2} \right)
On a alors l'égalité suivante :
n2(n+1)=2(S4+n(n+1)2)n2(n+1)=2S4+2n(n+1)2n^2(n+1) = 2 \left( S_4 + \dfrac{n(n+1)}{2} \right) \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, n^2(n+1) = 2 S_4 + 2\dfrac{n(n+1)}{2}
D'où :
n2(n+1)=2S4+n(n+1)n2(n+1)n(n+1)=2S4(n2n)(n+1)=2S4n^2(n+1) = 2 S_4 + n(n+1) \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, n^2(n+1) - n(n+1)= 2 S_4 \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, (n^2 - n)(n+1) = 2 S_4
Soit :
n(n1)(n+1)=2S4n(n - 1)(n+1) = 2 S_4
Finalement :
S4=1i<jnn(i+j)=n(n1)(n+1)2{\color{red}{\boxed{S_4 = \sum_{1 \leqslant i < j \leqslant n}^{n} \left( i+j\right)= \dfrac{n(n - 1)(n+1)}{2} }}}
Question 5

Soit ii, jj et nn trois nombres entiers naturels non nuls, tels que i+j=ni+j=n et (i;j)[ ⁣[1;n] ⁣]2(i\,;\,j)\in [\![1;n]\!]^2. Calculer la somme S5S_5 suivante :
S5=(i;j)[ ⁣[1;n] ⁣]2i+j=n(i×j)S_5 = \sum_{\begin{array}{c} (i\,;\,j)\in [\![1;n]\!]^2 \\ i+j=n \\ \end{array}} (i \times j)

Correction
On sait que i+j=ni+j=n, ce qui implique que j=nij=n-i. Ainsi, on en déduit que :
S5=(i;j)[ ⁣[1;n] ⁣]2i+j=n(i×j)=(i;j)[ ⁣[1;n] ⁣]2i+j=n(i×(ni))S_5 = \sum_{\begin{array}{c} (i\,;\,j)\in [\![1;n]\!]^2 \\ i+j=n \\ \end{array}} (i \times j) = \sum_{\begin{array}{c} (i\,;\,j)\in [\![1;n]\!]^2 \\ i+j=n \\ \end{array}} (i \times (n-i))
La sommation sur jj à disparue dans la contrainte j=nij=n-i, et de fait, on obtient :
S5=(i;j)[ ⁣[1;n] ⁣]2i+j=n(i×j)=i=1n(i×(ni))=i=1n(nii2)=ni=1nii=1ni2S_5 = \sum_{\begin{array}{c} (i\,;\,j)\in [\![1;n]\!]^2 \\ i+j=n \\ \end{array}} (i \times j) = \sum_{i=1}^{n}(i \times (n-i)) = \sum_{i=1}^{n}(ni-i^2) = n \sum_{i=1}^{n}i - \sum_{i=1}^{n}i^2
Ce qui nous donne :
S5=(i;j)[ ⁣[1;n] ⁣]2i+j=n(i×j)=nn(n+1)2n(n+1)(2n+1)6=3nn(n+1)6n(n+1)(2n+1)6S_5 = \sum_{\begin{array}{c} (i\,;\,j)\in [\![1;n]\!]^2 \\ i+j=n \\ \end{array}} (i \times j) = n \dfrac{n(n+1)}{2} - \dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6} = 3n \dfrac{n(n+1)}{6} - \dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6}
Donc :
S5=(i;j)[ ⁣[1;n] ⁣]2i+j=n(i×j)=n(n+1)6(3n(2n+1))=n(n+1)6(3n2n1)=n(n+1)6(n1)S_5 = \sum_{\begin{array}{c} (i\,;\,j)\in [\![1;n]\!]^2 \\ i+j=n \\ \end{array}} (i \times j) = \dfrac{n(n+1)}{6} \left( 3n - (2n+1) \right) = \dfrac{n(n+1)}{6} \left( 3n - 2n - 1 \right) = \dfrac{n(n+1)}{6} \left( n - 1 \right)
Finalement :
S5=(i;j)[ ⁣[1;n] ⁣]2i+j=n(i×j)=n(n1)(n+1)6{\color{red}{\boxed{S_5 = \sum_{\begin{array}{c} (i\,;\,j)\in [\![1;n]\!]^2 \\ i+j=n \\ \end{array}} (i \times j) = \dfrac{n(n - 1)(n+1)}{6} }}}
Question 6

Soit ii, jj et nn trois nombres entiers naturels non nuls. Calculer la somme S6S_6 suivante : S6=i=1nj=ini1+jS_6 = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=i}^{n} \dfrac{i}{1+j}.

Correction
On a :
S6=i=1nj=ini1+j=1ijni1+j=j=1ni=1ji1+j=j=1ni=1j(11+j×i)S_6 = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=i}^{n} \dfrac{i}{1+j} = \sum_{1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n} \dfrac{i}{1+j} = \sum_{j=1}^{n} \sum_{i=1}^{j} \dfrac{i}{1+j} = \sum_{j=1}^{n} \sum_{i=1}^{j} \left( \dfrac{1}{1+j} \times i \right)
La seconde somme ne porte que sur l'indice ii, donc va pouvoir écrire que :
S6=i=1nj=ini1+j=j=1n(11+ji=1ji)=j=1n(11+jj(j+1)2)S_6 = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=i}^{n} \dfrac{i}{1+j} = \sum_{j=1}^{n} \left( \dfrac{1}{1+j}\sum_{i=1}^{j} i \right) = \sum_{j=1}^{n} \left( \dfrac{1}{1+j} \dfrac{j(j+1)}{2} \right)
En simplifiant, on obtient :
S6=i=1nj=ini1+j=j=1n(j2)=12j=1nj=12n(n+1)2S_6 = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=i}^{n} \dfrac{i}{1+j} = \sum_{j=1}^{n} \left( \dfrac{j}{2} \right) = \dfrac{1}{2} \sum_{j=1}^{n} j = \dfrac{1}{2} \dfrac{n(n+1)}{2}
Finalement :
S6=i=1nj=ini1+j=n(n+1)4{\color{red}{\boxed{S_6 = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=i}^{n} \dfrac{i}{1+j}= \dfrac{n(n + 1)}{4} }}}
Question 7

Soit ii, jj et nn trois nombres entiers naturels non nuls. Calculer la somme S7S_7 suivante : S7=i=1nj=1nln(ik)S_7 = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \ln \left( i^k \right).

Correction
On a :
S7=i=1nj=1nln(ik)=i=1nj=1nkln(i)S_7 = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \ln \left( i^k \right) = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} k \ln \left( i \right)
Le terme ln(i)\ln\left( i \right) est indépendant de l'indice de sommation kk. On peut donc écrire que :
S7=i=1nj=1nln(ik)=(i=1nln(i))×(j=1nk)=(i=1nln(i))×n(n+1)2S_7 = \sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \ln \left( i^k \right) = \left( \sum_{i=1}^{n} \ln \left( i \right) \right) \times\left( \sum_{j=1}^{n} k \right) = \left(\sum_{i=1}^{n} \ln \left( i \right) \right) \times \dfrac{n(n+1)}{2}
Or, on a :
i=1nln(i)=ln(1)+ln(2)+ln(3)++ln(n1)+ln(n)=ln(1×2×3××(n1)×n)=ln(i=1ni)\sum_{i=1}^{n} \ln \left( i \right) = \ln(1) + \ln(2) + \ln(3) + \cdots + \ln(n-1) + \ln(n) = \ln(1 \times 2 \times 3 \times \cdots \times (n-1) \times n) = \ln \left( \prod_{i=1}^n i\right)
Donc :
i=1nln(i)=ln(n!)\sum_{i=1}^{n} \ln \left( i \right) = \ln \left( n \, !\right)
Finalement :
S7=i=1nj=1nln(ik)=n(n+1)2ln(n!){\color{red}{\boxed{S_7 =\sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \ln \left( i^k \right) = \dfrac{n(n + 1)}{2} \ln \left( n \, !\right)}}}