―  Chapitre 2 · Mathématiques approfondies  ―

Techniques et calculs

Récurrence · Produits · Sommes · Inégalités

Table des matières
I
Raisonnement par récurrence

C'est une technique de raisonnement utilisée pour démontrer une propriété vérifiée par des nombres entiers. Le raisonnement par récurrence se décompose en trois étapes : l'hérédité, l'initialisation et la conclusion. Ces trois étapes devront clairement apparaître dans la rédaction.

Dans la partie sur l'hérédité, on suppose que quelque chose est vrai pour un rang \(n\) quelconque fixé puis on démontre que, sous cette hypothèse, cela se transmet au rang suivant. Ce qui est supposé (noté \(\mathbf{HR_n}\)) pourra être une propriété faisant intervenir uniquement le rang \(``n"\) ou une propriété qui porte sur \(``n"\), \(``n-1"\), \(``n-2"\), etc. On utilisera le modèle suivant :

ÉtapeRédaction
1ère étape : l'hérédité On suppose que pour un certain rang \(n\) fixé, on a : \(\ldots\) (c'est \(HR_n\))
On sait que \(\ldots\)
Or, d'après \(HR_n\), on a \(\ldots\)
Ainsi, \(\ldots\) donc \(HR_{n+1}\) est vraie.
2ième étape : l'initialisation Ici, \(H_{n_0}\) est effectivement vraie.
3ième étape : la synthèse Conclusion : D'après le théorème de récurrence, on a pour tout \(n \geq n_0\), \(HR_n\) vraie.
II
Calcul de produits et factorielle
1 — Le symbole \(\Pi\)

Pour \(p, q\) deux entiers naturels avec \(p \leq q\) et \(a_p, a_{p+1}, \ldots, a_{q-1}, a_q\) des nombres réels, on note :

\[a_p \times a_{p+1} \times a_{p+2} \times \ldots \times a_{q-1} \times a_q = \prod_{k=p}^{q} a_k\]
L'expression \(\displaystyle\prod_{k=p}^{q} a_k\) se lit : « produit, pour \(k\) allant de \(p\) à \(q\), des quantités \(a_k\) ».
\(k\) s'appelle l'indice du produit ; \(p\) et \(q\) sont les bornes du produit.
L'indice du produit est muet : il peut être remplacé par n'importe quelle autre lettre. On a donc : \(\displaystyle\prod_{k=p}^{q} a_k = \prod_{i=p}^{q} a_i\).
2 — La factorielle
DéfinitionFactorielle

Pour \(n \in \mathbb{N}^*\), on pose :

\[n! = n \times (n-1) \times (n-2) \times \ldots \times 3 \times 2 \times 1\]

Ainsi, \(n! = 1 \times 2 \times 3 \times \ldots \times (n-1) \times n = \prod_{k=1}^{n} k\).   (\(n!\) se lit « factorielle \(n\) »)

Par convention, on pose \(\boxed{0! = 1}\).

Ainsi, on a : \(\boxed{\forall n \geq 1,\quad n! = n \times (n-1)!}\)

3 — Calcul d'un produit

Dans un produit de nombres réels, on peut déplacer les termes (car \(x \times y = y \times x\)).

Propriétés

Ainsi, \(\forall n \in \mathbb{N}^*\) :

\[\left(\prod_{k=1}^{n} a_k\right)\!\left(\prod_{k=1}^{n} b_k\right) = \prod_{k=1}^{n}(a_k b_k)\]
\[\prod_{k=1}^{n}(\lambda a_k) = \lambda^n \prod_{k=1}^{n} a_k\]
\[\prod_{k=1}^{n}\!\left(\frac{a_k}{b_k}\right) = \frac{\displaystyle\prod_{k=1}^{n} a_k}{\displaystyle\prod_{k=1}^{n} b_k}\]
Méthode
Calcul du nombre de termes d'un produit

La bonne méthode pour compter, c'est de commencer à 1 !!!

Lorsque l'indice \(k\) varie de \(p\) à \(n\), on va donc écrire les indices manquants (ceux de 1 à \(p-1\)) :

\[\underbrace{1 \quad 2 \quad 3 \quad \ldots \quad p-1}_{p-1\text{ entiers}} \;\Big|\; \underbrace{p \quad p+1 \quad \ldots \quad n}_{?\;=\;\text{nbre d'entiers cherché}}\]

Il y a \(n\) entiers dans \(\llbracket 1,n \rrbracket\) ; on enlève les entiers de 1 à \(p-1\) : il reste \(\boxed{n-(p-1)}\) entiers dans \(\llbracket p,n\rrbracket\).

4 — Les puissances
Définition 1Puissances entière et réelle
Pour \(x \in \mathbb{R}\) et \(n \in \mathbb{N}\) :
\[x^n = \prod_{k=1}^{n} x \quad \text{(puissance entière)}\]
Pour \(x > 0\) et \(a \in \mathbb{R}\) :
\[x^a = e^{a\ln(x)} \quad \text{(puissance réelle)}\]

Les règles de calculs sur les puissances entières s'étendent aux puissances réelles :

Règles de calcul

\(\forall (\alpha, \beta) \in \mathbb{R}^2\), \(\forall (x, y) \in {]0,+\infty[}^2\) on a :

\[x^\alpha \times x^\beta = x^{\alpha+\beta}\]
\[(x^\alpha)^\beta = x^{\alpha\times\beta}\]
\[\frac{1}{x^\alpha} = x^{-\alpha}\]
\[\frac{x^\alpha}{x^\beta} = x^{\alpha-\beta}\]
\[(x \times y)^\alpha = x^\alpha \times y^\alpha\]
\[\left(\frac{x}{y}\right)^\alpha = \frac{x^\alpha}{y^\alpha}\]
On a donc : \(\forall x \in \mathbb{R},\; \forall n \in \mathbb{N},\quad (-x)^n = (-1)^n x^n\)
car \((-x)^n = \left[(-1)\times x\right]^n = (-1)^n \times x^n\).
5 — Coefficients binomiaux
Définition 2Coefficient binomial

Soient \(n\) et \(p\) deux entiers. On note \(\binom{n}{p}\) et on lit « \(p\) parmi \(n\) » le nombre défini par :

\[\forall n \in \mathbb{N},\; \forall p \in \mathbb{N}, \quad \binom{n}{p} = \begin{cases} \dfrac{n!}{p!\,(n-p)!} & \text{si } 0 \leq p \leq n \\ 0 & \text{sinon} \end{cases}\]
Proposition 1
Valeurs à connaître
\[\forall n \in \mathbb{N}, \quad \binom{n}{0} = 1 = \binom{n}{n}, \qquad \binom{n}{1} = \binom{n}{n-1} = n, \qquad \binom{n}{2} = \frac{n(n-1)}{2}\]
Proposition 2
Formules importantes

Pour tout \(n \in \mathbb{N}\) et tout \(k \in \mathbb{N}\), on a :

  1. Si \(k \in \llbracket 0,n \rrbracket\) alors \(\displaystyle\binom{n}{k} = \binom{n}{n-k}\)
  2. Si \(n \geq 1\) et si \(k \geq 1\) alors : \(\displaystyle\binom{n}{k} = \frac{n}{k}\binom{n-1}{k-1}\)
  3. Formule de Pascal : \(\forall n \in \mathbb{N}\) et \(\forall k \in \mathbb{N}\)   \(\displaystyle\binom{n}{k} + \binom{n}{k+1} = \binom{n+1}{k+1}\)
Construction du triangle de Pascal

La formule de Pascal permet de calculer la valeur des coefficients binomiaux pour des valeurs simples de \(n\) et \(k\).

Ligne \(n\)Triangle théoriqueValeurs numériques
\(n=0\)\(\binom{0}{0}\)1
\(n=1\)\(\binom{1}{0}\quad\binom{1}{1}\)1   1
\(n=2\)\(\binom{2}{0}\quad\binom{2}{1}\quad\binom{2}{2}\)1   2   1
\(n=3\)\(\binom{3}{0}\quad\binom{3}{1}\quad\binom{3}{2}\quad\binom{3}{3}\)1   3   3   1
\(n=4\)\(\binom{4}{0}\;\cdots\;\binom{4}{4}\)1   4   6   4   1
\(n=5\)\(\binom{5}{0}\;\cdots\;\binom{5}{5}\)1   5   10   10   5   1
\(n=6\)\(\binom{6}{0}\;\cdots\;\binom{6}{6}\)1   6   15   20   15   6   1
III
Calcul de sommes
1 — Utilisation du symbole \(\Sigma\)

Soient \(a_1, \ldots, a_n\) des nombres réels. La somme de ces nombres se note \(\displaystyle\sum_{k=1}^{n} a_k = a_1 + a_2 + \ldots + a_n\).

L'écriture \(\displaystyle\sum_{k=1}^{n} a_k\) se lit : « somme pour \(k\) allant de 1 à \(n\) des quantités \(a_k\) ».
\(k\) s'appelle l'indice de sommation ; il est muet : on peut le remplacer par n'importe quelle autre lettre. Ainsi \(\displaystyle\sum_{k=1}^{n} x_k = \sum_{i=1}^{n} x_i\). On dit que 1 et \(n\) sont les bornes de la somme.
2 — Sommes finies de référence à connaître
a) Sommes des entiers, des carrés et des cubes
Proposition 1
Sommes fondamentales

Pour tout entier \(N\), on a les formules suivantes :

SommeFormule
Somme des entiers\(\displaystyle\sum_{k=0}^{N} k = \frac{N(N+1)}{2}\)
Somme des carrés d'entiers\(\displaystyle\sum_{k=0}^{N} k^2 = \frac{N(N+1)(2N+1)}{6}\)
Somme des cubes d'entiers\(\displaystyle\sum_{k=0}^{N} k^3 = \left(\frac{N(N+1)}{2}\right)^2\)
Seul l'indice de départ pose problème ; pour l'indice d'arrivée, on choisit le « \(N\) » adapté.
b) Sommes des termes d'une suite géométrique
Proposition 2
Somme géométrique

Pour tout \((N, p) \in \mathbb{N}^2\) avec \(p \leq N\), et pour tout \(x \in \mathbb{R}\) avec \(x \neq 1\) :

\[x^p + x^{p+1} + \ldots + x^N = \sum_{k=p}^{N} x^k = \frac{x^p - x^{N+1}}{1-x} = \frac{1^{\text{er}}\text{ présent} - 1^{\text{er}}\text{ absent}}{1-\text{raison}}\]

En particulier, \(\forall x \neq 1\) et \(\forall N \in \mathbb{N}\) :

\[\boxed{\sum_{k=0}^{N} x^k = \frac{1 - x^{N+1}}{1-x}}\]

Et si \(x = 1\) alors \(\displaystyle\sum_{k=0}^{N} 1^k = N+1\).

c) Formule du binôme
Proposition 3
Formule du binôme de Newton

Soient \(A\), \(B\) deux réels et \(N \in \mathbb{N}\). On a :

\[\sum_{k=0}^{N} \binom{N}{k} A^k B^{N-k} = (A+B)^N\]
Les valeurs de « \(N\) », « \(A\) » et « \(B\) » sont choisies à partir de la quantité à sommer. Les bornes du \(\sum\) n'interviennent qu'après avoir fait ce choix.
Proposition 4
Identités remarquables

Soient \(A\), \(B\) deux réels. On a :

\[(A+B)^2 = A^2 + 2AB + B^2\]
\[(A+B)^3 = A^3 + 3A^2B + 3AB^2 + B^3\]
Pour développer \((A+B)^4\), on utilise la formule du binôme et les coefficients binomiaux sont calculés à l'aide du triangle de Pascal.
3 — Techniques de calcul de sommes
a) Mise en facteur dans la quantité à sommer

Dans une somme, on peut mettre une constante en facteur :

\[\sum_{k=0}^{n}(\lambda a_k) = \lambda \left(\sum_{k=0}^{n} a_k\right) \quad \text{avec } \lambda = \text{cte indépendante de } k\]
Cas d'une quantité à sommer constante :
\[\boxed{\sum_{k=p}^{n} \text{cste} = \text{cste} \times \text{nbre de termes}}\]
b) Découpage en plusieurs sommes

Dans une somme, on peut découper la somme au niveau de la quantité à sommer :

\[\sum_{k=0}^{n}(a_k + b_k) = \left(\sum_{k=0}^{n} a_k\right) + \left(\sum_{k=0}^{n} b_k\right)\]
(!) Les bornes sont recopiées à l'identique dans chacun des \(\sum\).

On peut aussi découper la somme au niveau des indices :

\[\sum_{k=0}^{n+1} a_k = \sum_{k=0}^{3} a_k + \sum_{k=4}^{n-2} a_k + \sum_{k=n-1}^{n+1} a_k \qquad (\text{ici, on suppose } n \geq 7)\]
(!) La quantité à sommer est recopiée à l'identique dans chacun des \(\sum\).
c) Le changement d'indice

On a : \(\displaystyle\sum_{k=1}^{n+1}(k-1)^2 = 0^2 + 1^2 + 2^2 + \ldots + n^2 = \sum_{j=0}^{n} j^2\). Ainsi, cette somme est une somme connue.

Le passage du premier \(\Sigma\) au deuxième se fait par changement d'indice : on introduit un nouvel indice \(j\) qui s'exprime en fonction de l'ancien \(k\) à l'aide d'une égalité du type \(j = k + M\) ou \(j = M - k\) (avec \(M\) entier). Ceci modifie les bornes du second \(\Sigma\).

Un changement d'indice est forcément du type \(\boxed{i = k + \text{cte} \text{ ou } i = \text{cte} - k}\) (avec \(i\) = nouvel indice et \(k\) = ancien indice).
On fait un changement d'indice pour faire apparaître une quantité à sommer de référence.
On peut être amené à faire plusieurs changements d'indices différents pour une même somme.
d) Calcul de sommes par télescopage
\[\sum_{k=1}^{n}\left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}\right) = \left(1-\frac{1}{2}\right)+\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\right)+\ldots+\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right) = 1 - \frac{1}{n+1}\]

Ce type de somme s'appelle une somme télescopique. Elles se calculent en découpant le \(\Sigma\) initial en deux \(\Sigma\) puis en faisant apparaître, par changement d'indice, la même quantité à sommer dans chacun des deux nouveaux \(\Sigma\). Pour les indices communs aux deux sommes, la quantité disparaît.

Ainsi, dans l'exemple précédent :

\[S = \sum_{k=1}^{n}\left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}\right) = \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k} - \sum_{i=2}^{n+1}\frac{1}{i} \qquad (\text{en posant } i = k+1 \text{ dans la deuxième somme})\]

On fait alors apparaître la même quantité à sommer (\(1/k\) ou \(1/i\)) dans les deux \(\Sigma\). Pour les indices communs aux deux sommes (ici c'est entre 2 et \(n\)), la quantité disparaît.

4 — Programmation Python

On peut écrire un programme Python pour calculer la valeur d'une somme ou d'un produit. Ainsi, les instructions ci-contre permettent de calculer \(s_n = \displaystyle\sum_{k=1}^{n} \ln k\) :

def somme(n):
    S = 0
    for k in range(1, n+1):
        S = S + np.log(k)  # S = S + ln(k)
    return(S)
IV
Inégalités

Les exemples suivants présentent quelques-uns des outils qui pourront nous permettre de prouver des inégalités.

MéthodesOutils pour obtenir une inégalité
Se ramener à 0 pour faire une étude de signe (quitte à étudier la fonction créée)
Utiliser la monotonie des fonctions
Utiliser la nature de la quantité à encadrer (somme ? produit ? quotient ?…)
1) Se ramener à 0 pour faire une étude de signe

On étudie le signe de la différence des deux membres de l'inégalité à démontrer.

2) Utiliser la monotonie des fonctions
Propriété

Lorsque \(f\) est une fonction croissante sur \(I\) on a : pour tout \((a,b) \in I^2\), \[\boxed{\text{si } a \leq b \text{ alors } f(a) \leq f(b)}\]

Lorsque \(f\) est une fonction décroissante sur \(I\) on a : pour tout \((a,b) \in I^2\), \[\boxed{\text{si } a \leq b \text{ alors } f(a) \geq f(b)}\]

3) Encadrer une somme, un produit, un quotient
Pour encadrer une somme, on encadre la quantité à sommer puis on somme les inégalités obtenues.
Pour encadrer un produit, on encadre la quantité du produit puis on multiplie entre elles ces inégalités.

En effet, on peut additionner entre elles des inégalités :

Propriété — Somme d'inégalités
\[\text{Si } \forall k \in \llbracket 1,n \rrbracket,\; a_k \leq b_k \quad \text{alors} \quad \sum_{k=1}^{n} a_k \leq \sum_{k=1}^{n} b_k\]

On peut les multiplier entre elles si elles portent sur des nombres positifs :

Propriété — Produit d'inégalités positives
\[\text{Si } \forall k \in \llbracket 1,n \rrbracket,\; 0 \leq a_k \leq b_k \quad \text{alors} \quad 0 \leq \prod_{k=1}^{n} a_k \leq \prod_{k=1}^{n} b_k\]

Pour majorer un quotient \(\dfrac{N}{D}\) avec \(N \geq 0\) et \(D > 0\), on peut :

Technique 1
Majorer le numérateur \(N\)

ex. : Montrer que \(\forall x > 2\), \[\frac{x+2}{x^2+x} \leq \frac{x+x}{x(x+1)} = \frac{2}{x+1}\]

Technique 2
Minorer le dénominateur \(D\)

ex. : Montrer que \(\forall x > 2\), \[\frac{x+2}{x^2+x} \leq \frac{x+2}{x} = 1 + \frac{2}{x}\]

4) Inégalité et valeur absolue
Proposition 1
Inégalité Triangulaire
\(\forall (a,b) \in \mathbb{R}^2\), \(\quad |a+b| \leq |a| + |b|\)   (C'est l'inégalité triangulaire)
Généralisation : \(\forall (a_0, a_1, \ldots, a_n) \in \mathbb{R}^n\), \(\quad \displaystyle\left|\sum_{k=0}^{n} a_k\right| \leq \sum_{k=0}^{n} |a_k|\)