Manipulations de sommes et de produits

Sujet 11 - Exercice 1

20 min
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Il est important de savoir se tester très sérieusement afin de se préparer convenablement à un devoir sur table.
Question 1

Soit nNn \in \mathbb{N}^\star. Calculer la somme s=1p<qnpqs = \sum_{1 \leqslant p < q \leqslant n} pq.

Correction
La difficulté de cet exercice réside dans la compréhension de la condition de sommation, à savoir 1p<qn1 \leqslant p < q \leqslant n. On a :
s=1p<qnpq=p=1n1(q=p+1npq)s = \sum_{1 \leqslant p < q \leqslant n} pq = \sum_{p = 1}^{n-1} \left( \sum_{q = p + 1}^{n} pq \right)
La seconde somme portant sur l'indice qq il est donc possible de sortir le terme pp. On obtient alors :
s=p=1n1(pq=p+1nq)s = \sum_{p = 1}^{n-1} \left( p\sum_{q = p + 1}^{n} q \right)
Puis, en remarquant que s=q=p+1nq=q=1nqq=1pqs = \sum_{q = p + 1}^{n} q = \sum_{q = 1}^{n} q - \sum_{q = 1}^{p} q, cela permet de faire apparaître deux sommes de type Gauss{\color{red}{Gauss}}. On a alors :
s=p=1n1(p(n(n+1)2p(p+1)2))s = \sum_{p = 1}^{n-1} \left( p \left( \dfrac{n(n+1)}{2} - \dfrac{p(p+1)}{2} \right) \right)
Ce qui se sépare en deux contributions :
s=p=1n1(p(n(n+1)2))p=1n1(p(p(p+1)2))s = \sum_{p = 1}^{n-1} \left( p \left( \dfrac{n(n+1)}{2} \right) \right) - \sum_{p = 1}^{n-1} \left( p \left( \dfrac{p(p+1)}{2} \right) \right)
Soit encore :
s=n(n+1)2p=1n1p12p=1n1p2(p+1)s = \dfrac{n(n+1)}{2} \sum_{p = 1}^{n-1}p - \dfrac{1}{2} \sum_{p = 1}^{n-1} p^2(p+1)
Avec p=1n1p=(n1)n2\sum_{p = 1}^{n-1}p = \dfrac{(n-1)n}{2}, et en développant la seconde somme, on obtient :
s=n(n+1)2×(n1)n212(p=1n1p3+p=1n1p2)s = \dfrac{n(n+1)}{2} \times \dfrac{(n-1)n}{2} - \dfrac{1}{2} \left( \sum_{p = 1}^{n-1} p^3 + \sum_{p = 1}^{n-1} p^2\right)
En faisant usage des résultats classiques suivants :
{p=1n1p3=(n1)2n24p=1n1p2=(n1)n(2n1)6\left\lbrace \begin{array}{rcl} \displaystyle{\sum_{p = 1}^{n-1}} p^3 & = & \dfrac{(n-1)^2 n^2}{4} \\ & & \\ \displaystyle{\sum_{p = 1}^{n-1}} p^2 & = & \dfrac{(n-1) n (2n-1)}{6} \\ \end{array} \right.
On obtient alors :
s=n(n+1)2×(n1)n212((n1)2n24+(n1)n(2n1)6)s = \dfrac{n(n+1)}{2} \times \dfrac{(n-1)n}{2} - \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{(n-1)^2 n^2}{4} + \dfrac{(n-1) n (2n-1)}{6} \right)
Ce qui nous donne donc, en factorisant par n(n1)n(n-1), l'expression suivante :
s=(n1)n2(n(n+1)212((n1)n2+(2n1)3))s = \dfrac{(n-1)n}{2} \left( \dfrac{n(n+1)}{2} - \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{(n-1) n}{2} + \dfrac{(2n-1)}{3} \right) \right)
Soit encore :
s=(n1)n2(n(n+1)23(n1)n+2(2n1)12)s = \dfrac{(n-1)n}{2} \left( \dfrac{n(n+1)}{2} - \dfrac{3(n-1) n + 2(2n-1)}{12} \right)
Donc :
s=(n1)n2(6n(n+1)123(n1)n+2(2n1)12)s = \dfrac{(n-1)n}{2} \left( \dfrac{6n(n+1)}{12} - \dfrac{3(n-1) n + 2(2n-1)}{12} \right)
Ainsi :
s=(n1)n24(6n(n+1)3(n1)n2(2n1))s = \dfrac{(n-1)n}{24} \left( 6n(n+1) - 3(n-1) n - 2(2n-1) \right)
En développant dans la parenthèse la plus grande, on trouve que :
s=(n1)n24(6n2+6n3n2+3n4n+2)s = \dfrac{(n-1)n}{24} \left( 6n^2 + 6n - 3n^2 + 3n - 4n + 2 \right)
A savoir :
s=(n1)n24(3n2+5n+2)s = \dfrac{(n-1)n}{24} \left( 3n^2 + 5n + 2 \right)
Or le polynôme, du second degré en n, 3n2+5n+23n^2 + 5n + 2 admet pour racines réelles 1-1 et 23- \dfrac{2}{3}. Donc :
3n2+5n+2=3(n+23)(n+1)=(3n+2)(n+1)3n^2 + 5n + 2 = 3 \left( n + \dfrac{2}{3} \right) (n+1) = (3n + 2) (n+1)
On a alors :
s=(n1)n(3n+2)(n+1)24s = \dfrac{(n-1)n(3n + 2) (n+1)}{24}
Puis, comme (n1)(n+1)=(n212)(n-1)(n+1) =(n^2-1^2)
Finalement, on obtient :
s=(n21)(3n+2)n24\color{red}{\boxed{ s = \dfrac{(n^2-1)(3n + 2)n}{24}}}