Pour apprendre - Exercice 2

20 min
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Question 1

Calculer la somme SS suivante : S=∑k=26k2S=\sum_{k=2}^6 k^2

Correction
Il est important d'apprendre le sens du symbole de sommation discrète ∑\sum (à bien différentier de celui de la sommation continue ∫\int) et celui de produit ∏\prod.
Lorsqu'une somme discrète apparait vous devez, en premier lieu, observer l'indice de sommation et bien déterminer les quantité qui dépende de ce dernier.
Par exemple, l'écriture suivante ∑k=26k2\sum_{k=2}^6 k^2 signifie simplement que l'on va sommer la quantité k2k^2 en sommant sur les valeurs discrètes entières naturelles de kk, allant de 22 jusqu'à 66.
Ainsi, on obtient : ∑k=26k2=22+32+42+52+62=4+9+16+25+36=90\sum_{k=2}^6 k^2 = 2^2 + 3^2 + 4^2 + 5^2 + 6^2 = 4 + 9 + 16 + 25 + 36 = 90. Vous voyez, c'est SIMPLE !!!
Question 2

Calculer la somme S1S_1 suivante : S1=∑k=093S_1 = \sum_{k=0}^9 3.

Correction
On constate que dans cette somme S1S_1, la quantité sommée, à savoir 3{\color{blue}{3}}, ne dépend pas de l'indice de sommation kk. On a alors :
S1=∑k=093=3×∑k=091=3×(1+1+1+1+1+1+1+1+1+1)S_1 = \sum_{k=0}^9 {\color{blue}{3}} = {\color{blue}{3}} \times \sum_{k=0}^9 1 = {\color{blue}{3}} \times (1+1+1+1+1+1+1+1+1+1)
Le chiffre 11 se répète (9−0+1)\left(9-0+1\right) fois.
Ce qui nous donne :
S1=3×(10)S_1 = {\color{blue}{3}} \times (10)
Finalement :
S1=30{\color{red}{\boxed{S_1 = 30}}}
Pour savoir le nombre de termes présents dans une somme, faites le calcul suivant : grand indice−petit indice+1\text{grand indice} - \text{petit indice} +1
  • La somme S=u0+u1+u2+…+unS=u_{0} +u_{1} +u_{2} +\ldots +u_{n} comprend n+1n+1 termes. Ici le plus grand indice est nn , le plus petit indice est 00. Ainsi le nombre de termes est égale à : n−0+1=n+1n-0+1=n+1. Nous avons donc n+1n+1 termes.
  • La somme S=u1+u2+…+unS=u_{1} +u_{2} +\ldots +u_{n} comprend nn termes. Ici le plus grand indice est nn , le plus petit indice est 11. Ainsi le nombre de termes est égale à : n−1+1=nn-1+1=n. Nous avons donc nn termes.
  • La somme S=up+up+1+…+unS=u_{p} +u_{p+1} +\ldots +u_{n} comprend n−p+1n-p+1 termes. Ici le plus grand indice est nn , le plus petit indice est pp. Ainsi le nombre de termes est égale à : n−p+1=nn-p+1=n. Nous avons donc n−p+1n-p+1 termes.
  • La somme S=u5+u6+…+u22S=u_{5} +u_{6} +\ldots +u_{22} comprend 1818 termes. Ici le plus grand indice est 2222 , le plus petit indice est 55. Ainsi le nombre de termes est égale à : 22−5+1=1822-5+1=18. Nous avons donc 1818 termes.
  • Question 3

    Calculer la somme S2S_2 suivante : S2=∑k=04i2S_2 = \sum_{k=0}^4 i^2.

    Correction
    On constate que dans cette somme S2S_2, la quantité sommée, à savoir i2{\color{blue}{i^2}}, ne dépend pas de l'indice de sommation kk. On a alors :
    S2=∑k=04i2=i2×∑k=041=i2×(1+1+1+1+1)S_2 = \sum_{k=0}^4 {\color{blue}{i^2}} = {\color{blue}{i^2}} \times \sum_{k=0}^4 1 = {\color{blue}{i^2}} \times (1+1+1+1+1)
    Le chiffre 11 se répète (4−0+1)\left(4-0+1\right) fois.
    Ce qui nous donne :
    S2=i2×(5)S_2 = {\color{blue}{i^2}} \times (5)
    Finalement :
    S2=5i2{\color{red}{\boxed{S_2 = 5i^2}}}
    Pour savoir le nombre de termes présents dans une somme, faites le calcul suivant : grand indice−petit indice+1\text{grand indice} - \text{petit indice} +1
  • La somme S=u0+u1+u2+…+unS=u_{0} +u_{1} +u_{2} +\ldots +u_{n} comprend n+1n+1 termes. Ici le plus grand indice est nn , le plus petit indice est 00. Ainsi le nombre de termes est égale à : n−0+1=n+1n-0+1=n+1. Nous avons donc n+1n+1 termes.
  • La somme S=u1+u2+…+unS=u_{1} +u_{2} +\ldots +u_{n} comprend nn termes. Ici le plus grand indice est nn , le plus petit indice est 11. Ainsi le nombre de termes est égale à : n−1+1=nn-1+1=n. Nous avons donc nn termes.
  • La somme S=up+up+1+…+unS=u_{p} +u_{p+1} +\ldots +u_{n} comprend n−p+1n-p+1 termes. Ici le plus grand indice est nn , le plus petit indice est pp. Ainsi le nombre de termes est égale à : n−p+1=nn-p+1=n. Nous avons donc n−p+1n-p+1 termes.
  • La somme S=u5+u6+…+u22S=u_{5} +u_{6} +\ldots +u_{22} comprend 1818 termes. Ici le plus grand indice est 2222 , le plus petit indice est 55. Ainsi le nombre de termes est égale à : 22−5+1=1822-5+1=18. Nous avons donc 1818 termes.
  • Question 4

    Calculer la somme S3S_3 suivante : S3=∑k=141kS_3 = \sum_{k=1}^4 \dfrac{1}{k}.

    Correction
    On constate que dans cette somme S3S_3, la quantité sommée, à savoir 1k{\color{blue}{\dfrac{1}{k}}}, dépend de l'indice de sommation kk. On a alors :
    S3=∑k=141k=11+12+13+14S_3 = \sum_{k=1}^4 {\color{blue}{\dfrac{1}{k}}} = \dfrac{1}{1} + \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{3} + \dfrac{1}{4}
    Ce qui nous donne :
    S3=1+12+13+14=32+712=1812+712S_3 = 1 + \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{3} + \dfrac{1}{4} = \dfrac{3}{2} + \dfrac{7}{12} = \dfrac{18}{12} + \dfrac{7}{12}
    Finalement :
    S3=2512{\color{red}{\boxed{S_3 = \dfrac{25}{12}}}}
    Question 5

    Calculer la somme S4S_4 suivante : S4=∑k=05(14)kS_4 = \sum_{k=0}^5 \left(\dfrac{1}{4}\right)^k.

    Correction
    On constate que dans cette somme S4S_4, la quantité sommée, à savoir (14)k{\color{blue}{\left(\dfrac{1}{4}\right)^k}}, dépend de l'indice de sommation kk. On a alors :
    S4=∑k=05(14)k=(14)0+(14)1+(14)2+(14)3+(14)4+(14)5S_4 = \sum_{k=0}^5 {\color{blue}{\left(\dfrac{1}{4}\right)^k}} = \left(\dfrac{1}{4}\right)^0 + \left(\dfrac{1}{4}\right)^1 + \left(\dfrac{1}{4}\right)^2 + \left(\dfrac{1}{4}\right)^3 + \left(\dfrac{1}{4}\right)^4 + \left(\dfrac{1}{4}\right)^5
    On remarque qu'il s'agit d'une somme qui est constituée par les six premiers termes d'une   suite geˊomeˊtrique{\color{blue}{\,\, \text{suite géométrique}}}, notée (un)n∈N(u_n)_{n\in \mathbb{N}}, de premier terme u0=(14)0=1u_0 = \left(\dfrac{1}{4}\right)^0 = 1, et de raison q=14q = \dfrac{1}{4}. Ce qui nous donne :
    S4=u0×1−q61−q=1×1−(14)61−14S_4 = u_0 \times \dfrac{1-q^6}{1-q} = 1 \times \dfrac{1-\left(\dfrac{1}{4}\right)^6}{1-\dfrac{1}{4}}
    Donc :
    S4=1−164634=1−1409634=4095409634=40954096×43=40951024×13=13651024×11S_4 = \dfrac{1-\dfrac{1^6}{4^6}}{\dfrac{3}{4}} = \dfrac{1-\dfrac{1}{4096}}{\dfrac{3}{4}} = \dfrac{\dfrac{4095}{4096}}{\dfrac{3}{4}} = \dfrac{4095}{4096} \times \dfrac{4}{3} = \dfrac{4095}{1024} \times \dfrac{1}{3} = \dfrac{1365}{1024} \times \dfrac{1}{1}
    Finalement :
    S4=13651024{\color{red}{\boxed{S_4 = \dfrac{1365}{1024}}}}
    Question 6

    Calculer la somme S5S_5 suivante : S5=∑k=05(1k)kS_5 = \sum_{k=0}^5 \left(\dfrac{1}{k}\right)^k.

    Correction
    Cette somme S5S_5 n'existe pas ! En effet, le premier terme de cette sommation est (10)0\left(\dfrac{1}{0}\right)^0. Ce terme fait apparaitre une division par 00, et de fait ce terme n'existe pas !
    Finalement :
    ∄ S5∈R{\color{red}{\boxed{\nexists \, S_5 \in \mathbb{R}}}}
    Question 7

    Calculer le produit P1P_1 suivant : P1=∏k=093P_1 = \prod_{k=0}^9 3.

    Correction
    On constate que dans ce produit P1P_1, la quantité sommée, à savoir 3{\color{blue}{3}}, ne dépend pas de l'indice de sommation kk. On a alors :
    P1=∏k=093=3×3×3×3×3×3×3×3×3×3P_1 = \prod_{k=0}^9 {\color{blue}{3}} = {\color{blue}{3}} \times {\color{blue}{3}} \times {\color{blue}{3}} \times {\color{blue}{3}} \times {\color{blue}{3}} \times {\color{blue}{3}} \times {\color{blue}{3}} \times {\color{blue}{3}} \times {\color{blue}{3}} \times {\color{blue}{3}}
    Ce qui nous donne :
    P1=310P_1 = {\color{blue}{3}}^{10}
    Finalement :
    P1=59049{\color{red}{\boxed{P_1 = 59049}}}
    Question 8

    Calculer le produit P2P_2 suivant : P2=∏k=13kk−1P_2 = \prod_{k=1}^3 k^{k-1}.

    Correction
    On constate que dans ce produit P2P_2, la quantité produite, à savoir kk−1{\color{blue}{k^{k-1}}}, dépend de l'indice de multiplication kk. On a alors :
    P2=∏k=13kk−1=11−1×22−1×33−1P_2 = \prod_{k=1}^3 {\color{blue}{k^{k-1}}} = {\color{blue}{1^{1-1}}} \times {\color{blue}{2^{2-1}}} \times {\color{blue}{3^{3-1}}}
    Ce qui nous donne :
    P2=∏k=13kk−1=10×21×32P_2 = \prod_{k=1}^3 {\color{blue}{k^{k-1}}} = {\color{blue}{1^0}} \times {\color{blue}{2^1}} \times {\color{blue}{3^2}}
    Soit encore :
    P2=∏k=13kk−1=1×2×9P_2 = \prod_{k=1}^3 {\color{blue}{k^{k-1}}} = {\color{blue}{1}} \times {\color{blue}{2}} \times {\color{blue}{9}}
    Finalement :
    P2=18{\color{red}{\boxed{P_2 = 18}}}
    Question 9

    Soit n∈N⋆n \in \mathbb{N}^\star. Calculer la somme S8S_8 suivante : S8=lim⁡n ⟶ +∞∑k=0n(14)kS_8 = \lim_{n \, \longrightarrow \, +\infty}\sum_{k=0}^n \left(\dfrac{1}{4}\right)^k.

    Correction
    On constate que dans cette somme S8S_8, la quantité sommée, à savoir (1n)k{\color{blue}{\left(\dfrac{1}{n}\right)^k}}, dépend de l'indice de sommation kk. On a alors :
    S8=lim⁡n ⟶ +∞((14)0+(14)1+(14)2+(14)3+⋯+(14)n−1+(14)n)S_8 = \lim_{n \, \longrightarrow \, +\infty} \left( \left(\dfrac{1}{4}\right)^0 + \left(\dfrac{1}{4}\right)^1 + \left(\dfrac{1}{4}\right)^2 + \left(\dfrac{1}{4}\right)^3 + \cdots + \left(\dfrac{1}{4}\right)^{n-1} + \left(\dfrac{1}{4}\right)^n \right)
    On remarque que l'expression dans la parenthèse est une somme qui est constituée par n+1n+1 termes d'une   suite geˊomeˊtrique{\color{blue}{\,\, \text{suite géométrique}}}, notée (un)n∈N(u_n)_{n\in \mathbb{N}}, de premier terme u0=(14)0=1u_0 = \left(\dfrac{1}{4}\right)^0 = 1, et de raison q=14q = \dfrac{1}{4}. Ce qui nous donne :
    S8=lim⁡n ⟶ +∞(u0×1−qn+11−q)=lim⁡n ⟶ +∞(1×1−(14)n+11−14)S_8 = \lim_{n \, \longrightarrow \, +\infty} \left(u_0 \times \dfrac{1-q^{n+1}}{1-q}\right) = \lim_{n \, \longrightarrow \, +\infty} \left(1 \times \dfrac{1-\left(\dfrac{1}{4}\right)^{n+1}}{1-\dfrac{1}{4}} \right)
    Donc :
    S8=1−lim⁡n ⟶ +∞(14)n+11−14S_8 = \dfrac{1- \displaystyle{\lim_{n \, \longrightarrow \, +\infty}} \left(\dfrac{1}{4}\right)^{n+1}}{1-\dfrac{1}{4}}
    Comme 14<1\dfrac{1}{4} < 1 alors lim⁡n ⟶ +∞(14)n+1=0\displaystyle{\lim_{n \, \longrightarrow \, +\infty}} \left(\dfrac{1}{4}\right)^{n+1} = 0. Ainsi :
    S8=1−01−14=11−14=134S_8 = \dfrac{1- 0}{1-\dfrac{1}{4}} = \dfrac{1}{1-\dfrac{1}{4}} = \dfrac{1}{\dfrac{3}{4}}
    Finalement :
    S8=43{\color{red}{\boxed{S_8 = \dfrac{4}{3}}}}

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