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 E comme étant : E={(i,j)∈N2;i+j⩽3}. Calculer la somme S1 suivante : S1=(i;j)∈E∑2i+j
Correction
D'après la définition de E, on a : j=3−i Et de fait, on peut écrire que : S1=(i;j)∈E∑2i+j=i=0∑3j=0∑3−i2i+j=j=0∑320+j+j=0∑221+j+j=0∑122+j+j=0∑023+j Ce qui nous donne : S1=(i;j)∈E∑2i+j=(20+0+20+1+20+2+20+3)+(21+0+21+1+21+2)+(22+0+22+1)+(23+0) D'où : S1=(i;j)∈E∑2i+j=(20+21+22+23)+(21+22+23)+(22+23)+(23) Ainsi : S1=(i;j)∈E∑2i+j=(1+2+4+8)+(2+4+8)+(4+8)+(8)=15+14+12+8 Finalement : S1=49
Question 2
Soit n un nombre entier naturel. On défini l'ensemble E comme étant : E={(i,j)∈N2;i+j⩽n}. Calculer la somme S2 suivante : S2=(i;j)∈E∑2i+j
Correction
D'après la définition de E, on a : j=n−i Et de fait, on peut écrire que : S2=(i;j)∈E∑2i+j=i=0∑nj=0∑n−i2i+j=i=0∑nj=0∑n−i2i2j=i=0∑n(2i(j=0∑n−i2j)) Mais la somme j=0∑n−i2j est une somme géométrique de premier terme 20=1 et de raison 2. Donc, on a : j=0∑n−i2j=1×1−21−2n−i+1=−11−2n−i+1=2n−i+1−1 Ce qui nous donne : S2=(i;j)∈E∑2i+j=i=0∑n(2i(2n−i+1−1))=i=0∑n(2i2n−i+1−2i)=i=0∑n(2i+n−i+1−2i)=i=0∑n(2n+1−2i) Soit encore : S2=(i;j)∈E∑2i+j=i=0∑n2n+1−i=0∑n2i=2n+1i=0∑n1−20×1−21−2n+1=2n+1(n+1)−1×−11−2n+1 Ce qui nous donne : S2=(i;j)∈E∑2i+j=2n+1(n+1)+1−2n+1=2n+1n+2n+1+1−2n+1=2n+1n+1 Finalement : S2=(i;j)∈E∑2i+j=1+2n+1n
Question 3
Soit n un nombre entier naturel. Déterminer l'expression de S3=i=0∑nk=i∑n(ki).
Correction
On a : S3=i=0∑nk=i∑n(ki)=i=0∑nk=i∑n((ki)×1)=i=0∑nk=i∑n((ki)×1i×1k−i) Ceci ressemble à la formule du binôme de Newton, 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 k. On devrait avoir i=0∑k((ki)×1i×1k−i) et nous avons k=i∑n((ki)×1i×1k−i). Or, en observant les deux sommes qui définissent S3, on constate que : i=0∑nk=i∑n=0⩽i⩽k⩽n∑n Donc, on peut écrire que : i=0∑nk=i∑n=0⩽i⩽k⩽n∑n=k=0∑ni=0∑k Ce qui implique que : S3=i=0∑nk=i∑n(ki)=i=0∑nk=i∑n((ki)×1i×1k−i)=k=0∑ni=0∑k((ki)×1i×1k−i) Selon la formule du binôme de Newton, on en déduit que : i=0∑k((ki)×1i×1k−i)=(1+1)k=2k Ainsi, on obtient : S3=i=0∑nk=i∑n(ki)=k=0∑n2k On constate qu'il s'agit d'une somme géométrique de n+1 termes, de premier terme 20=1 et de raison 2. On a alors : S3=i=0∑nk=i∑n(ki)=k=0∑n2k=20×1−21−2n+1=1×−11−2n+1=−(1−2n+1) Finalement : S3=i=0∑nk=i∑n(ki)=2n+1−1
Question 4
Soit n un nombre entier naturel supérieur ou égal à 2. Déterminer l'expression de S4=1⩽i<j⩽n∑n(i+j).
Correction
On a : S4=1⩽i<j⩽n∑n(i+j) Cette somme est incluse dans la double somme s=i=1∑nj=1∑n(i+j). Cette dernière somme s est plus facile à déterminer. En effet, on a : s=i=1∑nj=1∑n(i+j)=i=1∑nj=1∑ni+i=1∑nj=1∑nj=i=1∑nij=1∑n1+i=1∑nj=1∑nj=i=1∑nin+i=1∑n2n(n+1) Ce qui nous donne : s=i=1∑nj=1∑n(i+j)=ni=1∑ni+2n(n+1)i=1∑n1=n2n(n+1)+2n(n+1)n=2n2(n+1)+2n2(n+1)=n2(n+1) En distinguant, dans s, les situations i=j et i=j, on a alors : s=i=1∑nj=1∑n(i+j)=Situation pour laquelle i=ji=1∑nj(=i)=1∑n(i+j)+Situation pour laquelle i=ji=1∑n(i+i)=Situation pour laquelle i=ji=1∑nj(=i)=1∑n(i+j)+Situation pour laquelle i=ji=1∑n2i Ce qui nous donne : s=i=1∑nj=1∑n(i+j)=Situation pour laquelle i=ji=1∑nj(=i)=1∑n(i+j)+Situation pour laquelle i=j2i=1∑ni Puis, en constatant dans s que les lettres i et j ont exactement les mêmes rôles, on a : Situation pour laquelle i=ji=1∑nj(=i)=1∑n(i+j)=j=1∑ni(=j)=1∑n(i+j)=2j=1∑ni=1∑j(i+j)=21⩽i<j⩽n∑(i+j) Ainsi, on en déduit que : s=2j=1∑ni=1∑j(i+j)=21⩽i<j⩽n∑(i+j)+2i=1∑ni=2(1⩽i<j⩽n∑(i+j)+i=1∑ni)=2(S4+2n(n+1)) On a alors l'égalité suivante : n2(n+1)=2(S4+2n(n+1))⟺n2(n+1)=2S4+22n(n+1) D'où : n2(n+1)=2S4+n(n+1)⟺n2(n+1)−n(n+1)=2S4⟺(n2−n)(n+1)=2S4 Soit : n(n−1)(n+1)=2S4 Finalement : S4=1⩽i<j⩽n∑n(i+j)=2n(n−1)(n+1)
Question 5
Soit i, j et n trois nombres entiers naturels non nuls, tels que i+j=n et (i;j)∈[[1;n]]2. Calculer la somme S5 suivante : S5=(i;j)∈[[1;n]]2i+j=n∑(i×j)
Correction
On sait que i+j=n, ce qui implique que j=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×(n−i)) La sommation sur j à disparue dans la contrainte j=n−i, et de fait, on obtient : S5=(i;j)∈[[1;n]]2i+j=n∑(i×j)=i=1∑n(i×(n−i))=i=1∑n(ni−i2)=ni=1∑ni−i=1∑ni2 Ce qui nous donne : S5=(i;j)∈[[1;n]]2i+j=n∑(i×j)=n2n(n+1)−6n(n+1)(2n+1)=3n6n(n+1)−6n(n+1)(2n+1) Donc : S5=(i;j)∈[[1;n]]2i+j=n∑(i×j)=6n(n+1)(3n−(2n+1))=6n(n+1)(3n−2n−1)=6n(n+1)(n−1) Finalement : S5=(i;j)∈[[1;n]]2i+j=n∑(i×j)=6n(n−1)(n+1)
Question 6
Soit i, j et n trois nombres entiers naturels non nuls. Calculer la somme S6 suivante : S6=i=1∑nj=i∑n1+ji.
Correction
On a : S6=i=1∑nj=i∑n1+ji=1⩽i⩽j⩽n∑1+ji=j=1∑ni=1∑j1+ji=j=1∑ni=1∑j(1+j1×i) La seconde somme ne porte que sur l'indice i, donc va pouvoir écrire que : S6=i=1∑nj=i∑n1+ji=j=1∑n(1+j1i=1∑ji)=j=1∑n(1+j12j(j+1)) En simplifiant, on obtient : S6=i=1∑nj=i∑n1+ji=j=1∑n(2j)=21j=1∑nj=212n(n+1) Finalement : S6=i=1∑nj=i∑n1+ji=4n(n+1)
Question 7
Soit i, j et n trois nombres entiers naturels non nuls. Calculer la somme S7 suivante : S7=i=1∑nj=1∑nln(ik).
Correction
On a : S7=i=1∑nj=1∑nln(ik)=i=1∑nj=1∑nkln(i) Le terme ln(i) est indépendant de l'indice de sommation k. On peut donc écrire que : S7=i=1∑nj=1∑nln(ik)=(i=1∑nln(i))×(j=1∑nk)=(i=1∑nln(i))×2n(n+1) Or, on a : i=1∑nln(i)=ln(1)+ln(2)+ln(3)+⋯+ln(n−1)+ln(n)=ln(1×2×3×⋯×(n−1)×n)=ln(i=1∏ni) Donc : i=1∑nln(i)=ln(n!) Finalement : S7=i=1∑nj=1∑nln(ik)=2n(n+1)ln(n!)
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