Il est important de savoir se tester très sérieusement afin de se préparer convenablement à un devoir sur table.
Question 1
Soit n∈N⋆. Calculer la somme s=1⩽p<q⩽n∑pq.
Correction
La difficulté de cet exercice réside dans la compréhension de la condition de sommation, à savoir 1⩽p<q⩽n. On a : s=1⩽p<q⩽n∑pq=p=1∑n−1(q=p+1∑npq) La seconde somme portant sur l'indice q il est donc possible de sortir le terme p. On obtient alors : s=p=1∑n−1(pq=p+1∑nq) Puis, en remarquant que s=q=p+1∑nq=q=1∑nq−q=1∑pq, cela permet de faire apparaître deux sommes de type Gauss. On a alors : s=p=1∑n−1(p(2n(n+1)−2p(p+1))) Ce qui se sépare en deux contributions : s=p=1∑n−1(p(2n(n+1)))−p=1∑n−1(p(2p(p+1))) Soit encore : s=2n(n+1)p=1∑n−1p−21p=1∑n−1p2(p+1) Avec p=1∑n−1p=2(n−1)n, et en développant la seconde somme, on obtient : s=2n(n+1)×2(n−1)n−21(p=1∑n−1p3+p=1∑n−1p2) En faisant usage des résultats classiques suivants : ⎩⎨⎧p=1∑n−1p3p=1∑n−1p2==4(n−1)2n26(n−1)n(2n−1) On obtient alors : s=2n(n+1)×2(n−1)n−21(4(n−1)2n2+6(n−1)n(2n−1)) Ce qui nous donne donc, en factorisant par n(n−1), l'expression suivante : s=2(n−1)n(2n(n+1)−21(2(n−1)n+3(2n−1))) Soit encore : s=2(n−1)n(2n(n+1)−123(n−1)n+2(2n−1)) Donc : s=2(n−1)n(126n(n+1)−123(n−1)n+2(2n−1)) Ainsi : s=24(n−1)n(6n(n+1)−3(n−1)n−2(2n−1)) En développant dans la parenthèse la plus grande, on trouve que : s=24(n−1)n(6n2+6n−3n2+3n−4n+2) A savoir : s=24(n−1)n(3n2+5n+2) Or le polynôme, du second degré en n, 3n2+5n+2 admet pour racines réelles −1 et −32. Donc : 3n2+5n+2=3(n+32)(n+1)=(3n+2)(n+1) On a alors : s=24(n−1)n(3n+2)(n+1) Puis, comme (n−1)(n+1)=(n2−12) Finalement, on obtient : s=24(n2−1)(3n+2)n