Vers la Prépa (5) - Exercice 1

1 h
90
On rappelle la définition suivante :
(nk)=n !k ! (n−k) !\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) = \dfrac{n \, ! }{k \, ! \, (n-k) \, !}
Question 1
Soit nn un entier naturel supérieur ou égal à 22. Pour tout k∈Nk \in \mathbb{N} inférieur ou égal à nn, on pose :
Ik,n=∫01(nk)xk(1−x)n−k dxI_{k,n} = \int_{0}^{1} \left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) x^k (1-x)^{n-k} \, dx

Démontrer que : (nk+1)=n−kk+1(nk)\left( \begin{array}{c} n \\ k+1 \end{array} \right) = \dfrac{n-k}{k+1} \left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right)

Correction
On a :
(nk+1)=n ![k+1] ! (n−[k+1]) !=n !(k+1)k ! (n−[k+1]) !\left( \begin{array}{c} n \\ k+1 \end{array} \right) = \dfrac{n \, ! }{[k+1] \, ! \, (n-[k+1]) \, !} = \dfrac{n \, ! }{(k+1)k\, ! \, (n-[k+1]) \, !}
Soit encore :
(nk+1)=1k+1×n !k ! (n−k−1) !=1k+1×(n−k) n !k ! (n−k)(n−k−1) !\left( \begin{array}{c} n \\ k+1 \end{array} \right) = \dfrac{1}{k+1} \times \dfrac{n \, ! }{k\, ! \, (n-k-1) \, !} = \dfrac{1}{k+1} \times\dfrac{(n-k) \, n \, ! }{k\, ! \, (n-k)(n-k-1) \, !}
Qui peut encore être écrit comme :
(nk+1)=n−kk+1×n !k ! (n−k)(n−k−1) !\left( \begin{array}{c} n \\ k+1 \end{array} \right) = \dfrac{n-k}{k+1} \times \dfrac{ n \, ! }{k\, ! \, (n-k)(n-k-1) \, !}
D'où :
(nk+1)=n−kk+1×n !k ! (n−k) !\left( \begin{array}{c} n \\ k+1 \end{array} \right) = \dfrac{n-k}{k+1} \times \dfrac{ n \, ! }{k\, ! \, (n-k) \, !}
Finalement, on obtient :
(nk+1)=n−kk+1(nk)\left( \begin{array}{c} n \\ k+1 \end{array} \right) = \dfrac{n-k}{k+1}\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right)
Question 2

Comparer Ik,nI_{k,n} et Ik+1,nI_{k+1,n}.

Correction
On a Ik+1,nI_{k+1,n} qui va s'écrire comme :
Ik+1,n=∫01(nk+1)xk+1(1−x)n−[k+1] dxI_{k+1,n} = \int_{0}^{1} \left( \begin{array}{c} n \\ k+1 \end{array} \right) x^{k+1} (1-x)^{n-[k+1]} \, dx
Soit encore :
Ik+1,n=∫01n−kk+1(nk)xk+1(1−x)n−k−1 dxI_{k+1,n} = \int_{0}^{1} \dfrac{n-k}{k+1}\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) x^{k+1} (1-x)^{n-k-1} \, dx
Ce qui nous donne :
Ik+1,n=n−kk+1(nk)∫01xk+1(1−x)n−k−1 dxI_{k+1,n} = \dfrac{n-k}{k+1}\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) \int_{0}^{1} x^{k+1} (1-x)^{n-k-1} \, dx
Effectuons une intégration par parties. On obtient alors :
Ik+1,n=n−kk+1(nk)∫01−(1−x)n−kn−k↑xk+1×(1−x)n−k−1↓(k+1)xk dxI_{k+1,n} = \dfrac{n-k}{k+1}\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) \int_{0}^{1} \begin{array}{c c c} & & -\dfrac{(1-x)^{n-k}}{n-k} \\ & & \uparrow \\ x^{k+1} & \times & (1-x)^{n-k-1} \\ \downarrow & & \\ (k+1) x^k & & \\ \end{array} \, dx
D'où :
Ik+1,n=n−kk+1(nk)([−xk+1(1−x)n−kn−k]01−∫01−(1−x)n−kn−k(k+1)xk dx)I_{k+1,n} = \dfrac{n-k}{k+1}\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) \left( \left[- x^{k+1} \dfrac{(1-x)^{n-k}}{n-k} \right]_{0}^{1} - \int_{0}^{1} -\dfrac{(1-x)^{n-k}}{n-k} (k+1) x^k \, dx \right)
Ce qui nous donne en simplifiant par n−kn-k la relation suivante :
Ik+1,n=1k+1(nk)([−xk+1(1−x)n−k]01+∫01(1−x)n−k(k+1)xk dx)I_{k+1,n} = \dfrac{1}{k+1}\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) \left( \left[- x^{k+1} (1-x)^{n-k} \right]_{0}^{1} + \int_{0}^{1} (1-x)^{n-k} (k+1) x^k \, dx \right)
Or, on constate que :
[−xk+1(1−x)n−k]01=(−1k+1(1−1)n−k)−(−0k+1(1−0)n−k)=0−0=0\left[- x^{k+1} (1-x)^{n-k} \right]_{0}^{1} = \left( - 1^{k+1} (1-1)^{n-k} \right) - \left( - 0^{k+1} (1-0)^{n-k} \right) = 0-0=0
Ce qui nous donne :
Ik+1,n=1k+1(nk)∫01(1−x)n−k(k+1)xk dxI_{k+1,n} = \dfrac{1}{k+1}\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) \int_{0}^{1} (1-x)^{n-k} (k+1) x^k \, dx
Soit encore :
Ik+1,n=k+1k+1(nk)∫01(1−x)n−kxk dx=(nk)∫01xk(1−x)n−k dxI_{k+1,n} = \dfrac{k+1}{k+1}\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) \int_{0}^{1} (1-x)^{n-k} x^k \, dx = \left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) \int_{0}^{1} x^k (1-x)^{n-k} \, dx
Mais comme le coefficient (nk)\left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) est indépendant de xx, on peut donc écrire que :
Ik+1,n=∫01(nk)xk(1−x)n−k dxI_{k+1,n} = \int_{0}^{1} \left( \begin{array}{c} n \\ k \end{array} \right) x^k (1-x)^{n-k} \, dx
Donc, on constate finalement que l'on a :
Ik+1,n=Ik,nI_{k+1,n} = I_{k,n}
Question 3

En déduire Ik,nI_{k,n} en fonction de nn

Correction
∀k≤n\forall k \leq n on a Ik+1,n=Ik,nI_{k+1,n} = I_{k,n}. Donc, on en déduit que :
Ik,n=I0,n=∫01(n0)x0(1−x)n−0 dx=∫01(n0<br/>)(1−x)n dxI_{k,n} = I_{0,n} = \int_{0}^{1} \left( \begin{array}{c} n \\ 0 \end{array} \right) x^0 (1-x)^{n-0} \, dx = \int_{0}^{1} \left( \begin{array}{c} n \\ 0<br />\end{array} \right) (1-x)^{n} \, dx
Mais, on a :
(n0)=n !0 ! (n−0) !=n !1×n !=n !n !=1\left( \begin{array}{c} n \\ 0 \end{array} \right) = \dfrac{n \, ! }{0 \, ! \, (n-0) \, !} = \dfrac{n \, ! }{1 \times n \, !} = \dfrac{n \, ! }{n \, !} = 1
Ce qui nous donne alors :
Ik,n=∫01(1−x)n dx=[−(1−x)n+1n+1]01=[(1−x)n+1n+1]10I_{k,n} = \int_{0}^{1} (1-x)^{n} \, dx = \left[ -\dfrac{(1-x)^{n+1}}{n+1} \right]_{0}^{1} = \left[ \dfrac{(1-x)^{n+1}}{n+1} \right]_{1}^{0}
on obtient alors :
Ik,n=((1−0)n+1n+1)−((1−1)n+1n+1)=1n+1n+1−0=1n+1I_{k,n} = \left( \dfrac{(1-0)^{n+1}}{n+1} \right) - \left( \dfrac{(1-1)^{n+1}}{n+1} \right) = \dfrac{1^{n+1}}{n+1} - 0 = \dfrac{1}{n+1}
Finalement, on en déduit l'expression de Ik,nI_{k,n} en fonction de nn recherchée :
Ik,n=1n+1I_{k,n} = \dfrac{1}{n+1}

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