PROBLÈME D'ALGÈBRE : SOMMES ET COEFFICIENTS BINOMIAUX

Un panorama progressif des techniques de sommation en classe de MPSI.

Partie I : Les Fondations et la Formule du Binôme

Soit n un entier naturel. On rappelle la formule du binôme de Newton permettant de développer (1 + x)n pour tout réel x.

  1. En évaluant judicieusement la fonction f : x ↦ (1 + x)n, déterminer la valeur de la somme des coefficients binomiaux :
    \[S_0 = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k}\]
  2. De même, pour n ≥ 1, calculer la somme alternée suivante et donner son interprétation en termes de cardinaux de sous-ensembles :
    \[A_0 = \sum_{k=0}^{n} (-1)^k \binom{n}{k}\]
  3. En déduire les valeurs respectives de la somme des coefficients pairs \(\sum_{p=0}^{\lfloor n/2 \rfloor} \binom{n}{2p}\) et de la somme des coefficients impairs \(\sum_{p=0}^{\lfloor (n-1)/2 \rfloor} \binom{n}{2p+1}\).

Partie II : Techniques Dérivées et Identité du Pion

L'objectif de cette partie est l'étude de la présence d'un facteur polynomial devant le coefficient binomial. Soit n ≥ 1.

  1. L'identité d'absorption (ou du pion) : Montrer algébriquement que pour tout entier k tel que 1 ≤ k ≤ n, on a :
    \[k \binom{n}{k} = n \binom{n-1}{k-1}\]
  2. En déduire, par un changement d'indice rigoureux, la valeur de la somme :
    \[S_1 = \sum_{k=0}^{n} k \binom{n}{k}\]

    Retrouver ce résultat en dérivant la fonction f introduite à la Partie I.

  3. En écrivant le polynôme k2 sous la forme k(k - 1) + k, établir que :
    \[S_2 = \sum_{k=0}^{n} k^2 \binom{n}{k} = n(n+1)2^{n-2}\]

Partie III : Sommation sur l'Indice Supérieur

On s'intéresse ici aux sommes où l'indice supérieur du coefficient binomial varie. Soit p un entier naturel fixé.

  1. Rappeler la formule de Pascal reliant \(\binom{k}{p}\), \(\binom{k}{p+1}\) et \(\binom{k+1}{p+1}\).
  2. À l'aide d'un télescopage, démontrer la formule dite de la crosse de hockey pour tout entier n ≥ p :
    \[S_3 = \sum_{k=p}^{n} \binom{k}{p} = \binom{n+1}{p+1}\]

Partie IV : Convolution et Identité de Vandermonde

Soient n, m et r trois entiers naturels.

  1. En développant de deux manières différentes l'expression polynomiale (1 + X)n(1 + X)m = (1 + X)n+m, démontrer l'identité de Vandermonde :
    \[\sum_{k=0}^{r} \binom{n}{k} \binom{m}{r-k} = \binom{n+m}{r}\]
  2. En utilisant la propriété de symétrie des coefficients binomiaux, en déduire la valeur remarquable de la somme des carrés :
    \[S_4 = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k}^2 = \binom{2n}{n}\]

Partie V : Sauts d'Indices et Racines de l'Unité (Ouverture)

On cherche à calculer la somme \(\binom{n}{0} + \binom{n}{3} + \binom{n}{6} + \dots\) en sommant de 3 en 3. On note j = e2iπ/3.

  1. Déterminer la valeur de la somme 1 + jk + j2k selon les valeurs de l'entier k modulo 3.
  2. En développant (1 + 1)n + (1 + j)n + (1 + j2)n à l'aide du binôme de Newton, exprimer la somme suivante sous forme réelle :
    \[S_5 = \sum_{k=0}^{\lfloor n/3 \rfloor} \binom{n}{3k}\]

CORRIGÉ COMPACT : SOMMES ET COEFFICIENTS BINOMIAUX

Partie I : Les Fondations et la Formule du Binôme

  1. En évaluant \(f(x)=(1+x)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} x^k\) en \(x = 1\) :
    \[S_0 = (1+1)^n = \mathbf{2^n}\]
  2. En évaluant \(f(x)\) en \(x = -1\) pour \(n \ge 1\) :
    \[A_0 = (1-1)^n = \mathbf{0}\]
    Interprétation : Il y a autant de sous-ensembles de cardinal pair que de sous-ensembles de cardinal impair.
  3. Par combinaisons linéaires \(\frac{S_0 + A_0}{2}\) et \(\frac{S_0 - A_0}{2}\) :
    \[\sum_{p=0}^{\lfloor n/2 \rfloor} \binom{n}{2p} = \mathbf{2^{n-1}} \quad \text{et} \quad \sum_{p=0}^{\lfloor (n-1)/2 \rfloor} \binom{n}{2p+1} = \mathbf{2^{n-1}}\]

Partie II : Techniques Dérivées et Identité du Pion

  1. Par définition factorielle pour \(1 \le k \le n\) :
    \[k \binom{n}{k} = k \frac{n!}{k!(n-k)!} = \frac{n \cdot (n-1)!}{(k-1)!(n-1-(k-1))!} = \mathbf{n \binom{n-1}{k-1}}\]
  2. Le terme pour \(k=0\) étant nul, l'identité du pion et le changement d'indice \(j=k-1\) donnent :
    \[S_1 = \sum_{k=1}^{n} n \binom{n-1}{k-1} = n \sum_{j=0}^{n-1} \binom{n-1}{j} = \mathbf{n 2^{n-1}}\]

    Alternative : Obtenu directement en évaluant la dérivée \(f'(x) = n(1+x)^{n-1}\) en \(x=1\).

  3. En écrivant \(k^2 = k(k-1) + k\) et en appliquant deux fois l'identité du pion :
    \[S_2 = \sum_{k=2}^{n} n(n-1)\binom{n-2}{k-2} + S_1 = n(n-1)2^{n-2} + n2^{n-1} = \mathbf{n(n+1)2^{n-2}}\]

Partie III : Sommation sur l'Indice Supérieur

  1. Formule de Pascal écrite sous forme de différence :
    \[\binom{k}{p} = \binom{k+1}{p+1} - \binom{k}{p+1}\]
  2. Par télescopage de la relation précédente pour \(k\) allant de \(p\) à \(n\) :
    \[S_3 = \sum_{k=p}^{n} \left[\binom{k+1}{p+1} - \binom{k}{p+1}\right] = \binom{n+1}{p+1} - \binom{p}{p+1} = \mathbf{\binom{n+1}{p+1}} \quad \text{car } \binom{p}{p+1}=0\]

Partie IV : Convolution et Identité de Vandermonde

  1. Par identification du coefficient de \(X^r\) dans l'égalité \((1+X)^n(1+X)^m = (1+X)^{n+m}\) développé via le produit de Cauchy :
    \[\sum_{k=0}^{r} \binom{n}{k} \binom{m}{r-k} = \mathbf{\binom{n+m}{r}}\]
  2. En posant \(m=n\) et \(r=n\), et en utilisant la symétrie \(\binom{n}{n-k}=\binom{n}{k}\) :
    \[S_4 = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} \binom{n}{n-k} = \mathbf{\binom{2n}{n}}\]

Partie V : Sauts d'Indices et Racines de l'Unité

  1. Comme \(1+j+j^2=0\) et \(j^3=1\), la somme \(1+j^k+j^{2k}\) vaut \(\mathbf{3}\) si \(k \equiv 0 \pmod 3\), et \(\mathbf{0}\) sinon.
  2. En sommant les trois développements binomiaux de \((1+1)^n\), \((1+j)^n\) et \((1+j^2)^n\) :
    \[2^n + (1+j)^n + (1+j^2)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} (1+j^k+j^{2k}) = 3 \sum_{p=0}^{\lfloor n/3 \rfloor} \binom{n}{3p} = 3 S_5\]
    Avec \(1+j = e^{i\pi/3}\) et \(1+j^2 = e^{-i\pi/3}\), la formule trigonométrique donne :
    \[S_5 = \mathbf{\frac{1}{3} \left( 2^n + 2\cos\left(\frac{n\pi}{3}\right) \right)}\]