Sommes, produits et binôme en maths sup (MPSI) : cours et méthodes

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Dès les premières semaines, chaque colle demande de manipuler des symboles Σ et Π sans trembler. Ce cours de sommes binôme MPSI rassemble les outils de calcul indispensables : changement d’indice, télescopage, sommes de référence, sommes doubles et coefficients binomiaux. Nous y ajoutons la factorisation de an − bn, qui revient sans cesse en arithmétique et en analyse.

Le chapitre suit une logique de fiche méthode. Chaque technique est d’abord justifiée, puis appliquée sur un exemple guidé original. Ensuite, les pièges classiques de bornes et d’indices sont signalés au fil du texte.

Ces réflexes servent toute l’année. En effet, ils préparent les séries numériques, les polynômes, le calcul matriciel et les probabilités sur un univers fini.

Ce que vous saurez faire

  • Lire et écrire une somme ou un produit avec Σ et Π, en comptant correctement le nombre de termes.
  • Effectuer un changement d’indice sans erreur de bornes, y compris un retournement.
  • Repérer un télescopage dans une somme ou un produit, puis l’exploiter.
  • Utiliser les sommes de référence et la factorisation de an − bn.
  • Intervertir les deux sommes d’une somme triangulaire.
  • Calculer une somme grâce à la formule du binôme de Newton.

1. Les notations Σ et Π

Une somme de nombreux termes devient vite illisible avec des points de suspension. C’est pourquoi on adopte une écriture compacte. Elle précise la variable de sommation, ses bornes et le terme général.

1.1 Définitions et conventions

Définition :

Soient \(p \leqslant q\) deux entiers et \(a_p, a_{p+1}, \dots, a_q\) des nombres réels ou complexes. On note

\[\sum_{k=p}^{q} a_k = a_p + a_{p+1} + \cdots + a_q \quad \text{et} \quad \prod_{k=p}^{q} a_k = a_p \times a_{p+1} \times \cdots \times a_q.\]

Si \(p > q\), la somme vaut \(0\) et le produit vaut \(1\) par convention.

L’indice \(k\) est muet : on peut le remplacer par \(i\) ou \(j\) sans rien changer. En revanche, il n’existe plus en dehors du symbole. Ainsi, une écriture comme « la somme vaut \(k+1\) » n’a aucun sens.

À savoir :

La somme \(\displaystyle\sum_{k=p}^{q} a_k\) comporte exactement \(q – p + 1\) termes. Par exemple, \(\displaystyle\sum_{k=5}^{12} 3 = 3 \times 8 = 24\).

Piège à éviter :

Beaucoup d’étudiants comptent \(q – p\) termes. Pour s’en prémunir, on vérifie sur un cas simple : de \(k = 1\) à \(k = 3\), il y a bien trois termes, et non deux.

1.2 Règles de calcul

Propriété :

Pour tous nombres \(\lambda, \mu\) et toutes familles \((a_k)\), \((b_k)\) :

\[\sum_{k=p}^{q} (\lambda a_k + \mu b_k) = \lambda \sum_{k=p}^{q} a_k + \mu \sum_{k=p}^{q} b_k.\]

De même, \(\displaystyle\prod_{k=p}^{q} (a_k b_k) = \prod_{k=p}^{q} a_k \cdot \prod_{k=p}^{q} b_k\) et \(\displaystyle\prod_{k=p}^{q} \lambda a_k = \lambda^{q-p+1} \prod_{k=p}^{q} a_k\).

Enfin, pour \(p \leqslant r < q\), la relation de Chasles donne \(\displaystyle\sum_{k=p}^{q} a_k = \sum_{k=p}^{r} a_k + \sum_{k=r+1}^{q} a_k\).

Contre-exemple :

La somme d’un produit n’est pas le produit des sommes. Avec \(a_k = b_k = k\) et \(k\) de \(1\) à \(2\), on trouve \(\sum a_k b_k = 1 + 4 = 5\). Pourtant, \(\left(\sum a_k\right)\left(\sum b_k\right) = 3 \times 3 = 9\). De même, le produit d’une somme ne se distribue pas : \(\prod (a_k + b_k) \neq \prod a_k + \prod b_k\) en général.

Piège à éviter :

Une constante sortie d’un produit est élevée à la puissance du nombre de facteurs. Ainsi, \(\prod_{k=1}^{n} 2k = 2^n\, n!\), et non \(2\, n!\).

Exemple guidé :

Exprimons \(I_n = 1 \times 3 \times 5 \times \cdots \times (2n-1) = \prod_{k=1}^{n} (2k-1)\) à l’aide de factorielles. L’idée consiste à compléter les facteurs manquants. En effet, le produit de tous les entiers de \(1\) à \(2n\) vaut \((2n)!\). Il se découpe en facteurs impairs et facteurs pairs. Or les facteurs pairs donnent \(\prod_{k=1}^{n} 2k = 2^n\, n!\). Par conséquent,

\[I_n = \frac{(2n)!}{2^n\, n!}.\]

Pour \(n = 3\), on obtient \(\frac{720}{8 \times 6} = 15\), qui vaut bien \(1 \times 3 \times 5\).

2. Changements d’indice et regroupements

Changer d’indice revient à renommer les termes d’une somme sans en modifier la valeur. Ensuite, on recalcule les bornes à partir de la relation entre l’ancien et le nouvel indice. Cette opération est le premier réflexe attendu en colle.

2.1 Translation de l’indice

Propriété :

Pour tout entier \(r\), on pose \(j = k + r\). Alors

\[\sum_{k=p}^{q} a_k = \sum_{j=p+r}^{q+r} a_{j-r}.\]

Comment faire :
  1. Choisir le nouvel indice, par exemple \(j = k – 3\), pour simplifier le terme général.
  2. Exprimer l’ancien indice : \(k = j + 3\).
  3. Calculer les nouvelles bornes en remplaçant \(k\) par ses valeurs extrêmes.
  4. Contrôler que le nombre de termes n’a pas changé.
Exemple guidé :

Calculons \(A = \displaystyle\sum_{k=4}^{9} (k-3)^2\). Nous posons \(j = k – 3\). Quand \(k\) vaut \(4\), \(j\) vaut \(1\) ; quand \(k\) vaut \(9\), \(j\) vaut \(6\). Par conséquent,

\[A = \sum_{j=1}^{6} j^2 = 1 + 4 + 9 + 16 + 25 + 36 = 91.\]

On compte six termes avant et après : le contrôle est réussi.

Remarque :

Le changement d’indice sert aussi à rassembler deux sommes décalées. Par exemple, pour comparer \(\sum_{k=0}^{n-1} (k+1)^2\) et \(\sum_{k=1}^{n} k^2\), on pose \(j = k + 1\) dans la première. On constate alors que les deux sommes sont égales. Cette manœuvre est exactement celle qui fait fonctionner les télescopages de la partie suivante.

2.2 Retournement de l’indice

Le retournement \(j = n – k\) parcourt les termes dans l’ordre inverse. Il est très utile quand le terme général dépend à la fois de \(k\) et de \(n – k\).

Propriété :
\[\sum_{k=0}^{n} a_k = \sum_{j=0}^{n} a_{n-j}.\]

L’astuce attribuée à Gauss repose sur cette idée. Notons \(S = 1 + 2 + \cdots + n\). En écrivant \(S\) à l’envers puis en ajoutant terme à terme, chaque paire donne \(n + 1\). Ainsi, \(2S = n(n+1)\). La figure suivante montre deux escaliers qui s’emboîtent en un rectangle.

Deux escaliers de cases emboîtés qui forment un rectangle de six colonnes et sept lignes

2.3 Séparer les indices pairs et impairs

Quand le terme général contient \((-1)^k\), on regroupe souvent les termes deux par deux. D’abord, on isole les indices pairs \(k = 2p\). Ensuite, on traite les indices impairs \(k = 2p + 1\) ou \(k = 2p – 1\).

Exemple guidé :

Calculons \(B_n = \displaystyle\sum_{k=1}^{2n+1} (-1)^{k+1} k^2 = 1 – 4 + 9 – \cdots + (2n+1)^2\). Nous groupons les termes d’indices \(2p – 1\) et \(2p\), pour \(p\) de \(1\) à \(n\). Il reste alors le dernier terme \((2n+1)^2\). Or \((2p-1)^2 – (2p)^2 = -(4p – 1)\). Par conséquent,

\[B_n = -\sum_{p=1}^{n} (4p – 1) + (2n+1)^2 = -n(2n+1) + (2n+1)^2 = (2n+1)(n+1).\]

Vérifions avec \(n = 1\) : \(1 – 4 + 9 = 6\) et \(3 \times 2 = 6\).

3. Sommes et produits télescopiques

Le télescopage est l’outil le plus rentable du chapitre. En effet, une somme de différences consécutives se réduit à deux termes seulement. Toute la difficulté consiste donc à faire apparaître cette structure.

3.1 Le principe

Théorème :

Soit \((u_k)\) une suite de nombres. Pour \(p \leqslant q\),

\[\sum_{k=p}^{q} (u_{k+1} – u_k) = u_{q+1} – u_p.\]

De plus, si les \(u_k\) sont non nuls, \(\displaystyle\prod_{k=p}^{q} \frac{u_{k+1}}{u_k} = \frac{u_{q+1}}{u_p}\).

Preuve :

Par linéarité, la somme vaut \(\sum_{k=p}^{q} u_{k+1} – \sum_{k=p}^{q} u_k\). Dans la première somme, nous posons \(j = k + 1\) : elle devient \(\sum_{j=p+1}^{q+1} u_j\). Les termes d’indices \(p+1\) à \(q\) apparaissent dans les deux sommes et se compensent. Il reste donc \(u_{q+1} – u_p\). Pour le produit, le raisonnement est identique avec des quotients.

Comment faire :
  1. Chercher une écriture \(a_k = u_{k+1} – u_k\), parfois à un facteur constant près.
  2. Pour une fraction rationnelle, décomposer en éléments simples.
  3. Si les indices décalés diffèrent de \(2\) ou plus, séparer les sommes et écrire les termes restants un par un.
  4. Pour un produit, factoriser numérateur et dénominateur, puis télescoper chaque facteur séparément.

3.2 Télescopages par éléments simples

Exemple guidé :

Calculons \(S_n = \displaystyle\sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k^2 – 1}\) pour \(n \geqslant 2\). Comme \(k^2 – 1 = (k-1)(k+1)\), on vérifie que

\[\frac{1}{k^2-1} = \frac{1}{2}\left(\frac{1}{k-1} – \frac{1}{k+1}\right).\]

Les indices décalés diffèrent de \(2\). Nous séparons donc les deux sommes, puis nous posons \(j = k – 1\) dans la première et \(j = k + 1\) dans la seconde. Il vient

\[S_n = \frac{1}{2}\left(\sum_{j=1}^{n-1} \frac{1}{j} – \sum_{j=3}^{n+1} \frac{1}{j}\right) = \frac{1}{2}\left(1 + \frac{1}{2} – \frac{1}{n} – \frac{1}{n+1}\right).\]

Finalement, \(S_n\) tend vers \(\frac{3}{4}\) quand \(n\) tend vers l’infini.

La figure ci-dessous compare les sommes partielles calculées terme à terme avec la formule obtenue. Elles coïncident, et l’on voit nettement la limite \(\frac{3}{4}\).

Sommes partielles de un sur k carré moins un qui montent vers la limite trois quarts

Piège à éviter :

Quand l’écart entre les indices vaut \(2\), il reste deux termes au début et deux termes à la fin. Oublier l’un d’eux est l’erreur la plus fréquente. Pour l’éviter, on écrit les trois premiers et les trois derniers termes avant de conclure.

3.3 Produits télescopiques

Exemple guidé :

Calculons \(P_n = \displaystyle\prod_{k=2}^{n}\left(1 – \frac{4}{(k+1)^2}\right)\) pour \(n \geqslant 2\). D’abord, nous factorisons : \((k+1)^2 – 4 = (k-1)(k+3)\). Ainsi, chaque facteur s’écrit

\[\frac{(k-1)(k+3)}{(k+1)^2} = \frac{k-1}{k+1} \times \frac{k+3}{k+1}.\]

Ensuite, nous télescopons chaque produit séparément :

\[\prod_{k=2}^{n} \frac{k-1}{k+1} = \frac{1 \times 2}{n(n+1)}, \qquad \prod_{k=2}^{n} \frac{k+3}{k+1} = \frac{(n+2)(n+3)}{3 \times 4}.\]

Par conséquent, \(P_n = \dfrac{(n+2)(n+3)}{6n(n+1)}\), qui tend vers \(\frac{1}{6}\). Pour \(n = 2\), on retrouve bien \(1 – \frac{4}{9} = \frac{5}{9} = \frac{20}{36}\).

3.4 Débusquer un télescopage caché

Souvent, l’énoncé ne montre pas la différence. Il faut alors la fabriquer. Plusieurs familles de termes se prêtent bien à ce jeu, et il est utile de les reconnaître au premier coup d’œil.

Astuce :
  • Un quotient \(\frac{k}{(k+1)!}\) s’écrit \(\frac{(k+1) – 1}{(k+1)!} = \frac{1}{k!} – \frac{1}{(k+1)!}\).
  • Un logarithme \(\ln\left(1 + \frac{1}{k}\right)\) vaut \(\ln(k+1) – \ln k\).
  • Une puissance \(k\,q^k\) se télescope avec une suite de la forme \((ak + b)\,q^k\), comme le montre la fiche d’exercices.
  • Une racine \(\sqrt{k+1} – \sqrt{k}\) apparaît après multiplication par la quantité conjuguée.

Par exemple, la première ligne donne \(\sum_{k=1}^{n} \frac{k}{(k+1)!} = 1 – \frac{1}{(n+1)!}\). De même, la deuxième ligne montre que \(\sum_{k=1}^{n} \ln\left(1 + \frac{1}{k}\right) = \ln(n+1)\). Cette somme tend donc vers l’infini, bien que ses termes tendent vers \(0\). Ce constat sera précieux dans le chapitre sur les séries.

4. Sommes de référence et factorisation de an − bn

Quelques sommes reviennent dans tous les calculs. Il faut les connaître, mais aussi savoir les démontrer rapidement.

4.1 Sommes des k et des k²

Théorème :

Pour tout entier \(n \geqslant 1\),

\[\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2} \qquad \text{et} \qquad \sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}.\]

Preuve :

La première formule découle du retournement vu plus haut. Pour la seconde, nous télescopons \((k+1)^3 – k^3 = 3k^2 + 3k + 1\). En sommant de \(k = 1\) à \(n\), on obtient

\[(n+1)^3 – 1 = 3\sum_{k=1}^{n} k^2 + \frac{3n(n+1)}{2} + n.\]

Ensuite, nous isolons la somme cherchée, puis nous factorisons par \(n + 1\) :

\[3\sum_{k=1}^{n} k^2 = (n+1)^3 – (n+1) – \frac{3n(n+1)}{2} = (n+1)\left(n^2 + \frac{n}{2}\right) = \frac{n(n+1)(2n+1)}{2}.\]

On divise enfin par \(3\).

Remarque :

La même méthode avec \((k+1)^4 – k^4\) donne la somme des cubes, égale à \(\left(\frac{n(n+1)}{2}\right)^2\). Cette formule n’est pas exigible, mais elle se retrouve en quelques lignes.

4.2 Somme géométrique

Théorème :

Soit \(q\) un nombre réel ou complexe et \(n \in \mathbb{N}\). Si \(q \neq 1\), alors

\[\sum_{k=0}^{n} q^k = \frac{1 – q^{n+1}}{1 – q}.\]

Si \(q = 1\), la somme vaut simplement \(n + 1\).

Preuve :

Notons \(G\) la somme. Le produit \((1 – q)G\) est une somme télescopique : il vaut \(\sum_{k=0}^{n} (q^k – q^{k+1}) = 1 – q^{n+1}\). Comme \(q \neq 1\), on peut diviser par \(1 – q\).

Pour une somme qui ne commence pas à \(0\), on factorise par le premier terme. Autrement dit, on retient : premier terme fois \(\frac{1 – q^{N}}{1 – q}\), où \(N\) est le nombre de termes. Par exemple, \(\sum_{k=3}^{10} 2^k = 2^3 \times \frac{1 – 2^8}{1 – 2} = 8 \times 255 = 2040\).

Exemple guidé :

Calculons \(W_n = \displaystyle\sum_{k=1}^{2n} (-3)^k\). D’abord, la raison vaut \(q = -3\), qui est bien différente de \(1\). Ensuite, le premier terme vaut \(-3\) et la somme compte \(2n\) termes. Par conséquent,

\[W_n = -3 \times \frac{1 – (-3)^{2n}}{1 – (-3)} = -3 \times \frac{1 – 9^n}{4} = \frac{3(9^n – 1)}{4}.\]

Pour \(n = 1\), on vérifie que \(-3 + 9 = 6\) et que \(\frac{3 \times 8}{4} = 6\). On note au passage que \((-3)^{2n} = 9^n\), car l’exposant est pair.

Piège à éviter :

Une raison négative ne pose aucun problème, mais une raison égale à \(1\) interdit la formule. Ainsi, pour une somme \(\sum x^k\) où \(x\) est un paramètre, on traite toujours le cas \(x = 1\) à part. De même, une somme comme \(\sum 2^k 3^{-k}\) se ramène d’abord à une seule raison, ici \(\frac{2}{3}\), avant tout calcul.

4.3 Factorisation de an − bn

Proposition :

Pour tous nombres \(a, b\) et tout entier \(n \geqslant 1\),

\[a^n – b^n = (a – b)\sum_{k=0}^{n-1} a^{k} b^{n-1-k} = (a-b)\left(a^{n-1} + a^{n-2}b + \cdots + b^{n-1}\right).\]

Preuve :

Développons \((a – b)\sum_{k=0}^{n-1} a^k b^{n-1-k}\). On obtient \(\sum_{k=0}^{n-1} a^{k+1}b^{n-1-k} – \sum_{k=0}^{n-1} a^k b^{n-k}\). Posons \(u_k = a^k b^{n-k}\). Alors la différence s’écrit \(\sum_{k=0}^{n-1} (u_{k+1} – u_k)\), qui télescope en \(u_n – u_0 = a^n – b^n\).

Exemple guidé :

Montrons que \(11^n – 4^n\) est divisible par \(7\) pour tout \(n \geqslant 1\). La proposition donne \(11^n – 4^n = (11 – 4) \times \sum_{k=0}^{n-1} 11^k 4^{n-1-k}\). Or la somme est un entier. Par conséquent, \(11^n – 4^n\) est un multiple de \(7\), sans aucune récurrence.

Remarque :

Pour \(n\) impair, on remplace \(b\) par \(-b\). On obtient alors la factorisation de \(a^n + b^n\) par \(a + b\). Par exemple, \(x^3 + 27 = (x + 3)(x^2 – 3x + 9)\).

5. Sommes doubles et sommes triangulaires

Une somme double porte sur des couples d’indices \((i, j)\). On la calcule en fixant un indice, puis en sommant sur l’autre. Tout dépend alors de la forme de l’ensemble des couples.

5.1 Sommes rectangulaires

Propriété :

Si \(i\) parcourt \([\![1, n]\!]\) et \(j\) parcourt \([\![1, m]\!]\) indépendamment, l’ordre de sommation est libre :

\[\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m} a_{i,j} = \sum_{j=1}^{m}\sum_{i=1}^{n} a_{i,j}.\]

De plus, si \(a_{i,j} = x_i y_j\), la somme vaut \(\left(\sum_{i} x_i\right)\left(\sum_{j} y_j\right)\).

Par exemple, \(\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n} (i + j)\) se découpe en deux sommes. Chacune vaut \(n \times \frac{n(n+1)}{2}\). Ainsi, le total est \(n^2(n+1)\).

Exemple guidé :

Calculons \(K_n = \displaystyle\sum_{i=0}^{n}\sum_{j=0}^{n} 2^{i}\,3^{j}\). Ici, le terme général est un produit d’un facteur en \(i\) par un facteur en \(j\). Par conséquent, la somme double se factorise en produit de deux sommes géométriques :

\[K_n = \left(\sum_{i=0}^{n} 2^i\right)\left(\sum_{j=0}^{n} 3^j\right) = \left(2^{n+1} – 1\right) \times \frac{3^{n+1} – 1}{2}.\]

Pour \(n = 1\), on trouve \(1 + 3 + 2 + 6 = 12\), et la formule donne bien \(3 \times 4 = 12\). En revanche, cette factorisation échoue dès que le terme général mélange les indices, comme \(2^{ij}\) ou \(\min(i, j)\).

5.2 Interversion dans une somme triangulaire

Une somme triangulaire porte sur les couples tels que \(1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n\). Dans ce cas, les bornes de l’indice intérieur dépendent de l’indice extérieur. La figure suivante montre les deux façons de parcourir le triangle.

Points du triangle i inférieur ou égal à j parcourus par lignes à gauche et par colonnes à droite
Théorème :
\[\sum_{1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n} a_{i,j} = \sum_{j=1}^{n}\sum_{i=1}^{j} a_{i,j} = \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=i}^{n} a_{i,j}.\]

Pour une inégalité stricte \(i < j\), les bornes deviennent \(i \leqslant j – 1\) d’une part, \(j \geqslant i + 1\) d’autre part.

Comment faire :
  1. Écrire l’ensemble des couples sous forme de contraintes, par exemple \(1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n\).
  2. Choisir l’indice extérieur, celui qui rend la somme intérieure facile.
  3. Lire les bornes de l’indice intérieur directement dans la chaîne d’inégalités.
  4. Calculer la somme intérieure, puis la somme extérieure.
Exemple guidé :

Calculons \(T_n = \displaystyle\sum_{1 \leqslant i < j \leqslant n} ij\). Plutôt que d’intervertir, nous utilisons une astuce de symétrie. Le carré \(\left(\sum_{k=1}^{n} k\right)^2\) contient tous les produits \(ij\). Les termes diagonaux donnent \(\sum k^2\), et chaque produit avec \(i \neq j\) apparaît deux fois. Donc

\[T_n = \frac{1}{2}\left(\frac{n^2(n+1)^2}{4} – \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\right) = \frac{(n-1)n(n+1)(3n+2)}{24}.\]

Pour \(n = 2\), on retrouve \(T_2 = 1 \times 2 = 2\).

Exemple guidé :

Calculons \(H_n = \displaystyle\sum_{j=1}^{n}\sum_{i=j}^{n} \frac{1}{i}\). Sous cette forme, la somme intérieure est une somme harmonique partielle, sans formule simple. Nous intervertissons donc. Les couples vérifient \(1 \leqslant j \leqslant i \leqslant n\). Ainsi, pour \(i\) fixé, l’indice \(j\) va de \(1\) à \(i\). Il vient

\[H_n = \sum_{i=1}^{n} \frac{1}{i}\sum_{j=1}^{i} 1 = \sum_{i=1}^{n} \frac{1}{i} \times i = n.\]

Autrement dit, l’interversion a remplacé une somme difficile par une somme triviale. C’est le critère de choix de l’indice extérieur.

Piège à éviter :

Dans une somme triangulaire, on ne peut pas échanger les deux symboles Σ en gardant les bornes. Par exemple, \(\sum_{j=1}^{n}\sum_{i=1}^{j}\) ne devient jamais \(\sum_{i=1}^{j}\sum_{j=1}^{n}\), écriture qui n’a d’ailleurs aucun sens.

6. Factorielle, coefficients binomiaux et binôme de Newton

Les coefficients binomiaux relient le calcul des sommes au développement des puissances. Nous les définissons ici par une formule. Leur sens en dénombrement viendra plus tard dans l’année.

6.1 Factorielle et coefficients binomiaux

Définition :

Pour \(n \in \mathbb{N}\), on pose \(0! = 1\) et \(n! = \prod_{k=1}^{n} k\) si \(n \geqslant 1\). Pour \(0 \leqslant k \leqslant n\), le coefficient binomial est

\[\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!\,(n-k)!}.\]

Si \(k < 0\) ou \(k > n\), on convient que \(\binom{n}{k} = 0\).

En pratique, on simplifie avant de calculer. Par exemple, \(\binom{9}{3} = \frac{9 \times 8 \times 7}{3 \times 2 \times 1} = 84\). De même, \(\binom{n}{2} = \frac{n(n-1)}{2}\) pour tout \(n \geqslant 2\).

Propriété :

Pour \(0 \leqslant k \leqslant n\) :

  • symétrie : \(\binom{n}{k} = \binom{n}{n-k}\) ;
  • formule du pion : \(k\binom{n}{k} = n\binom{n-1}{k-1}\) si \(k \geqslant 1\) ;
  • formule de Pascal : \(\binom{n}{k} + \binom{n}{k+1} = \binom{n+1}{k+1}\) si \(k + 1 \leqslant n\).
Preuve :

La symétrie se lit sur la définition. Pour la formule du pion, on écrit \(k \times \frac{n!}{k!(n-k)!} = \frac{n \times (n-1)!}{(k-1)!\,(n-k)!}\). On reconnaît alors \(n\binom{n-1}{k-1}\). Pour Pascal, nous réduisons au même dénominateur \((k+1)!\,(n-k)!\) :

\[\frac{n!\,(k+1) + n!\,(n-k)}{(k+1)!\,(n-k)!} = \frac{n!\,(n+1)}{(k+1)!\,(n-k)!} = \binom{n+1}{k+1}.\]

La formule de Pascal permet de construire les coefficients ligne par ligne. Chaque nombre est la somme des deux nombres situés au-dessus de lui, comme le montre la figure.

Triangle de Pascal jusqu'à la ligne sept avec la formule de Pascal mise en évidence sur la ligne cinq

Remarque :

Cette construction montre aussi que chaque \(\binom{n}{k}\) est un entier. En effet, il s’obtient par additions successives à partir de la ligne \(n = 0\).

À savoir :

Sur une ligne, les coefficients croissent jusqu’au milieu puis décroissent. En effet, pour \(0 \leqslant k < n\), le quotient \(\binom{n}{k+1} \big/ \binom{n}{k}\) vaut \(\frac{n-k}{k+1}\). Il est supérieur à \(1\) si et seulement si \(k < \frac{n-1}{2}\). Par conséquent, le plus grand coefficient de la ligne \(n\) est \(\binom{n}{\lfloor n/2 \rfloor}\). Par exemple, sur la ligne \(7\), on lit le maximum \(35\), atteint deux fois.

6.2 La formule du binôme de Newton

Théorème :

Soient \(a\) et \(b\) deux nombres réels ou complexes et \(n \in \mathbb{N}\). Alors

\[(a + b)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^k b^{n-k}.\]

Preuve :

Nous raisonnons par récurrence sur \(n\). Pour \(n = 0\), les deux membres valent \(1\). Supposons la formule vraie au rang \(n\). Alors \((a+b)^{n+1} = a(a+b)^n + b(a+b)^n\). En développant, on obtient

\[\sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^{k+1} b^{n-k} + \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^k b^{n+1-k}.\]

Dans la première somme, nous posons \(j = k + 1\), qui varie de \(1\) à \(n + 1\). Ensuite, nous regroupons les termes de même puissance \(a^j b^{n+1-j}\). Leur coefficient vaut \(\binom{n}{j-1} + \binom{n}{j}\), soit \(\binom{n+1}{j}\) par Pascal. Les cas extrêmes \(j = 0\) et \(j = n+1\) donnent bien \(1\). La formule est donc vraie au rang \(n + 1\).

Par exemple, \((x + 2)^5 = x^5 + 10x^4 + 40x^3 + 80x^2 + 80x + 32\). On lit les coefficients \(1, 5, 10, 10, 5, 1\) sur la ligne \(5\), puis on les multiplie par les puissances de \(2\).

6.3 Calculer une somme grâce au binôme

Comment faire :
  1. Repérer le coefficient \(\binom{n}{k}\) et le mettre en facteur des puissances de \(k\).
  2. Identifier \(a^k\) et \(b^{n-k}\), quitte à écrire \(1 = 1^{n-k}\).
  3. Si un facteur \(k\) gêne, utiliser la formule du pion pour l’absorber.
  4. Appliquer la formule du binôme, puis simplifier.
Exemple guidé :

Calculons \(C_n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} \frac{(-1)^k}{2^k}\). Nous posons \(a = -\frac{1}{2}\) et \(b = 1\). Le binôme donne directement \(C_n = \left(1 – \frac{1}{2}\right)^n = \frac{1}{2^n}\).

De même, calculons \(D_n = \sum_{k=1}^{n} k\binom{n}{k}5^k\). La formule du pion transforme le terme général en \(n\binom{n-1}{k-1}5^k\). Nous posons ensuite \(j = k – 1\) :

\[D_n = 5n\sum_{j=0}^{n-1} \binom{n-1}{j} 5^j = 5n \times 6^{n-1}.\]

Remarque :

Deux évaluations reviennent sans cesse. D’abord, avec \(a = b = 1\), on obtient \(\sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} = 2^n\). Ensuite, avec \(a = -1\) et \(b = 1\), on obtient \(\sum_{k=0}^{n} (-1)^k\binom{n}{k} = 0\) pour \(n \geqslant 1\). En ajoutant puis en soustrayant ces deux égalités, on sépare les coefficients d’indice pair et impair : chaque groupe vaut \(2^{n-1}\).

Piège à éviter :

La formule du binôme exige que \(a\) et \(b\) commutent. Pour des nombres, c’est toujours vrai. En revanche, pour deux matrices \(A\) et \(B\), il faut vérifier \(AB = BA\) avant de l’appliquer.

Les erreurs fréquentes

  • Compter \(q – p\) termes au lieu de \(q – p + 1\), notamment dans une somme géométrique.
  • Changer d’indice dans le terme général sans recalculer les bornes.
  • Oublier un terme restant dans un télescopage dont l’écart entre indices vaut \(2\).
  • Appliquer la somme géométrique avec \(q = 1\), ou oublier de le signaler.
  • Garder les mêmes bornes en intervertissant une somme triangulaire.
  • Écrire \(\sum a_k b_k = \sum a_k \sum b_k\), ou sortir une constante d’un produit sans puissance.

Fiche mémo

  • \(\sum_{k=p}^{q} a_k\) compte \(q – p + 1\) termes ; somme vide égale à \(0\), produit vide égal à \(1\).
  • Translation \(j = k + r\) : on décale les deux bornes de \(r\).
  • Retournement \(j = n – k\) : \(\sum_{k=0}^{n} a_k = \sum_{j=0}^{n} a_{n-j}\).
  • Télescopage : \(\sum_{k=p}^{q} (u_{k+1} – u_k) = u_{q+1} – u_p\).
  • \(\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}\) et \(\sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\).
  • Pour \(q \neq 1\) : \(\sum_{k=0}^{n} q^k = \frac{1 – q^{n+1}}{1 – q}\).
  • \(a^n – b^n = (a – b)\sum_{k=0}^{n-1} a^k b^{n-1-k}\).
  • Triangle : \(\sum_{1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n} = \sum_{j=1}^{n}\sum_{i=1}^{j} = \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=i}^{n}\).
  • Pascal : \(\binom{n}{k} + \binom{n}{k+1} = \binom{n+1}{k+1}\) ; pion : \(k\binom{n}{k} = n\binom{n-1}{k-1}\).
  • Binôme : \((a+b)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^k b^{n-k}\) si \(ab = ba\).

Questions fréquentes

Comment savoir si une somme est télescopique ?

On cherche à écrire le terme général comme une différence u(k+1) − u(k), ou u(k) − u(k+1). Une fraction rationnelle se décompose souvent ainsi, tout comme une expression du type k·k! ou un logarithme de quotient. Si les termes intermédiaires se simplifient deux à deux, la somme se réduit au premier et au dernier terme.

Faut-il connaître par cœur la somme des cubes ?

Le programme exige surtout les sommes des k et des k², ainsi que la somme géométrique. La somme des cubes, égale au carré de n(n+1)/2, est très utile, et il vaut mieux savoir la retrouver par un télescopage. Ce calcul est d’ailleurs un exercice classique de colle.

Quelle est la différence entre une somme double rectangulaire et triangulaire ?

Dans une somme rectangulaire, les deux indices varient indépendamment, donc on peut sommer dans n’importe quel ordre sans changer les bornes. Dans une somme triangulaire, une contrainte du type i ≤ j lie les indices. Pour intervertir, il faut alors réécrire les bornes : la borne de l’indice intérieur dépend de l’indice extérieur.

Pourquoi le binôme de Newton exige-t-il que a et b commutent ?

La preuve par récurrence regroupe des produits comme ab et ba en un seul terme. Ce regroupement n’est valable que si ab = ba. Avec des réels ou des complexes, c’est automatique. En revanche, pour des matrices, il faut vérifier cette commutation avant d’appliquer la formule.

Pour aller plus loin

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