Produits doubles - Exercice 1

1 h
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Les doubles produits nécessitent une attention toutes particulières sur les indices de multiplication. Nous allons illustrer cela.
Question 1
Dans cet exercice nn est un nombre entier naturel supérieur ou égal à deux.

Calculer le double produit P1P_1 suivant : P1=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2ijP_1 = \prod_{(i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2} ij.

Correction
On a :
P1=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2ij=∏i=1n(∏j=1nij)P_1 = \prod_{(i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2} ij = \prod_{i=1}^{n} \left( \prod_{j=1}^{n} ij\right)
Le second produit ne porte que sur jj, donc le terme ii va pouvoir en sortir, cependant ce terme apparait nn fois. Donc :
P1=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2ij=∏i=1n(in(∏j=1nj))=∏i=1n(in(n !))P_1 = \prod_{(i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2} ij = \prod_{i=1}^{n} \left( i^n \left( \prod_{j=1}^{n} j \right) \right) = \prod_{i=1}^{n} \left( i^n \left( n \, !\right) \right)
Cette fois encore, le second produit ne porte que sur ii, donc le terme (n !)\left( n \, !\right) va pouvoir en sortir, cependant ce terme apparait nn fois. Donc :
P1=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2ij=(n !)n∏i=1ninP_1 = \prod_{(i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2} ij = \left( n \, !\right)^n \prod_{i=1}^{n} i^n
Mais, on a :
∏i=1nin=1n×2n×3n×⋯×nn=(1×2×3×⋯×n)n=(∏i=1ni)n=(n !)n \prod_{i=1}^{n} i^n = 1^n \times 2^n \times 3^n \times \cdots \times n^n = \left( 1 \times 2 \times 3 \times \cdots \times n \right)^n = \left( \prod_{i=1}^{n} i \right)^n = \left( n \, !\right)^n
Ainsi, on obtient :
P1=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2ij=(n !)n(n !)n=((n !)n)2P_1 = \prod_{(i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2} ij = \left( n \, !\right)^n \left( n \, !\right)^n = \left(\left( n \, !\right)^n \right)^2
Finalement :
P1=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2ij=(n !)2n{\color{red}{\boxed{P_1 = \prod_{(i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2} ij = \left( n \, !\right)^{2n}}}}
Question 2

Calculer le double produit P2P_2 suivant : P2=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2i≠jijP_2 = \prod_{\begin{array}{c} (i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2 \\ i \neq j \\ \end{array}} ij.

Correction
Ce double produit P2P_2 est contenu dan le double produit P1P_1 de la question précédente. En effet, on doit uniquement retirer les terme i=ji=j de P1P_1 puisque qu'ils ne sont pas présents dans la définition de P2P_2. On a alors :
P2=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2i≠jij=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2ij∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2i=jij=P1∏i=1ni2=(n !)2n∏i=1ni2P_2 = \prod_{\begin{array}{c} (i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2 \\ i \neq j \\ \end{array}} ij = \dfrac{\displaystyle{\prod_{(i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2} ij}}{\prod_{\begin{array}{c} (i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2 \\ i = j \\ \end{array}} ij} = \dfrac{P_1}{\displaystyle{\prod_{i=1}^{n}} i^2} = \dfrac{\left( n \, !\right)^{2n}}{\displaystyle{\prod_{i=1}^{n}} i^2}
De plus, on peut écrire que :
Mais, on a :
∏i=1ni2=12×22×32×⋯×n2=(1×2×3×⋯×n)2=(∏i=1ni)2=(n !)2 \prod_{i=1}^{n} i^2 = 1^2 \times 2^2 \times 3^2 \times \cdots \times n^2 = \left( 1 \times 2 \times 3 \times \cdots \times n \right)^2 = \left( \prod_{i=1}^{n} i \right)^2 = \left( n \, !\right)^2
Ainsi, on obtient :
P2=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2i≠jij=(n !)2n(n !)2=(n !)2n×(n !)−2=(n !)2n−2P_2 = \prod_{\begin{array}{c} (i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2 \\ i \neq j \\ \end{array}} ij = \dfrac{\left( n \, !\right)^{2n}}{\left( n \, !\right)^2} = \left( n \, !\right)^{2n} \times \left( n \, !\right)^{-2} = \left( n \, !\right)^{2n-2}
Finalement :
P2=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2i≠jij=(n !)2(n−1){\color{red}{\boxed{P_2 = \prod_{\begin{array}{c} (i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2 \\ i \neq j \\ \end{array}} ij = \left( n \, !\right)^{2(n-1)}}}}
Question 3

Calculer le double produit P3P_3 suivant : P3=∏1⩽i<j⩽nijP_3 = \prod_{1 \leqslant i < j \leqslant n} ij.

Correction
En observant attentivement la définition des indices de sommation de P3P_3, à savoir 1⩽i<j⩽n1 \leqslant i < j \leqslant n, on constate que nous sommes conduit à une multiplication des termes ijij qui va contenir la moitié de (i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2  (i≠j)(i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2 \,\, (i \neq j) de P2P_2.
Il ne s'agit pas de multiplier par 22 (cela serait associeˊ aˋ la sommation∑)\left(\text{cela serait associé à la sommation} \sum\right) mais d'eˊlever au carreˊ{\color{red}{\text{élever au carré}}} car il s'agit ici d'un produit{\color{red}{\text{produit}}}.
On a alors :
(P3)2=P2>0(P_3)^2 = P_2 > 0
Ce qui nous donne :
P3=±P2P_3 = \pm \sqrt{P_2}
Or, dans la définition de P3P_3, on ne fait que multiplier entre eux des terme ijij poiur lesquels ii et jj sont positifs. Donc P3P_3 est positif. Ce qui implique que :
P3=+P2P_3 = + \sqrt{P_2}
D'où :
P3=∏(i ; j)∈[ ⁣[1;n] ⁣]2i≠jij=(n !)2(n−1)=((n !)n−1)2P_3 = \sqrt{\prod_{\begin{array}{c} (i\,;\,j) \in [\![1;n]\!]^2 \\ i \neq j \\ \end{array}} ij} = \sqrt{\left( n \, !\right)^{2(n-1)}} = \sqrt{\left( \left( n \, !\right)^{n-1} \right)^2}
Finalement :
P3=∏1⩽i<j⩽nij=(n !)n−1{\color{red}{\boxed{P_3 = \prod_{1 \leqslant i < j \leqslant n} ij = \left( n \, !\right)^{n-1}}}}
Question 4

Calculer le double produit P4P_4 suivant : P4=∏1⩽i⩽j⩽nijP_4 = \prod_{1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n} ij.

Correction
Cette fois, en observant attentivement la définition des indices de multiplications, on constate que le produit P4P_4 est similaire à P3P_3 (celui de la question précédente), auquel on rajoute les produits associés à la situations i=ji=j. En effet, on remarque que pour P3P_3 on avait 1⩽i  <  j⩽n1 \leqslant i \,\, {\color{red}{<}} \,\,j \leqslant n et pour P4P_4 on a 1⩽i  ⩽  j⩽n1 \leqslant i \,\, {\color{red}{\leqslant}} \,\,j \leqslant n.
Ceci nous permet d'écrire que :
P4=P3×(Tous les produits pour lesquels i=j)P_4 = {\color{red}{P_3}} \times ({\color{blue}{\text{Tous les produits pour lesquels }i=j}})
Soit :
∏1⩽i⩽j⩽nij=∏1⩽i<j⩽nij×∏i=1nii\prod_{1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n} ij = {\color{red}{\prod_{1 \leqslant i < j \leqslant n} ij }}\times {\color{blue}{\prod_{i=1}^n ii}}
Soit encore :
∏1⩽i⩽j⩽nij=∏1⩽i<j⩽nij×∏i=1ni2\prod_{1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n} ij = {\color{red}{\prod_{1 \leqslant i < j \leqslant n} ij }}\times {\color{blue}{\prod_{i=1}^n i^2}}
Mais, on a :
∏i=1ni2=12×22×32×⋯×n2=(1×2×3×⋯×n)2=(∏i=1ni)2=(n !)2{\color{blue}{ \prod_{i=1}^{n} i^2 = 1^2 \times 2^2 \times 3^2 \times \cdots \times n^2 = \left( 1 \times 2 \times 3 \times \cdots \times n \right)^2 = \left( \prod_{i=1}^{n} i \right)^2 = \left( n \, !\right)^2 }}
Et en tenant compte de la question précédente :
P3=∏1⩽i<j⩽nij=(n !)n−1{\color{red}{P_3 = \prod_{1 \leqslant i < j \leqslant n} ij = \left( n \, !\right)^{n-1}}}
Ce qui nous donne donc :
P4=∏1⩽i⩽j⩽nij=(n !)n−1×(n !)2P_4 = \prod_{1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n} ij = {\color{red}{\left( n \, !\right)^{n-1}}} \times {\color{blue}{ \left( n \, !\right)^2 }}
Ainsi :
P4=∏1⩽i⩽j⩽nij=(n !)n−1+2P_4 = \prod_{1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n} ij = \left( n \, !\right)^{{\color{red}{n-1}}{\color{blue}{+2}}}
Finalement :
P4=∏1⩽i⩽j⩽nij=(n !)n+1{\color{red}{\boxed{P_4 = \prod_{1 \leqslant i \leqslant j \leqslant n} ij = \left( n \, !\right)^{n+1}}}}

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