Fiche de révision : Sommes, produits et coefficients binomiaux

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PCSI1 Chapitre I : Complément de calcul algébrique et trigonométrie
Fiche de révision — 1
FICHE 1 Sommes, produits et coefficients binomiaux
1. Notation somme et règles d'écriture
Définition — Somme
∑(k=n₀ à n) aₖ = a(n₀) + a(n₀+1) + ... + a(n)
La variable k est muette : elle peut être renommée (i, ℓ, ♥...) sans changer le résultat.
Règles d'écriture à respecter absolument
Un terme dépendant de k ne peut jamais sortir de la somme indexée par k.
Ne pas oublier les parenthèses : ∑(2k−1) ≠ ∑2k − 1.
2. Sommes classiques à connaître par cœur
Somme
Résultat
∑(k=n₀ à n) c
(n−n₀+1)·c
∑(k=1 à n) k
n(n+1)/2
∑(k=1 à n) k²
n(n+1)(2n+1)/6
∑(k=0 à n) xᵏ (x ≠ 1)
(1−xⁿ⁺¹)/(1−x)
Formule de Bernoulli
aⁿ − bⁿ = (a−b)(aⁿ⁻¹+aⁿ⁻²b+...+bⁿ⁻¹) = (a−b)∑(k=0 à n−1) aⁿ⁻¹⁻ᵏbᵏ
Si n est impair : aⁿ + bⁿ = (a+b)(aⁿ⁻¹ − aⁿ⁻²b + ... + (−b)ⁿ⁻¹).
→ Corollaire : si P(x₀)=0 alors P(x) se factorise par (x−x₀).
3. Propriétés des sommes
Linéarité, inégalité triangulaire, Chasles
Linéarité : ∑(λaₖ+μbₖ) = λ∑aₖ + μ∑bₖ
Inégalité triangulaire : |∑aₖ| |aₖ|
Chasles : ∑(k=n₀ à n) aₖ = ∑(k=n₀ à N) aₖ + ∑(k=N+1 à n) aₖ
Changement d'indice : ∑(k=n₀ à n) aₖ = ∑(ℓ=0 à n−n₀) a(n₀+ℓ)
RÈGLE D'OR
Tous les termes doivent être comptabilisés UNE et UNE SEULE FOIS (sommation par paquets, partition
BC=A).
Somme télescopique grand classique
∑(k=n₀ à n) (u(k+1) − uₖ) = u(n+1) − u(n₀)
Exemple : ∑ 1/(k(k+1)) = ∑(1/k − 1/(k+1)) → converge vers 1 quand n→+∞ (série télescopique).
4. Sommes doubles
Sommes rectangulaires et triangulaires
Rectangle I=[[n₀,n]]×[[m₀,m]] : on peut sommer ligne par ligne OU colonne par colonne (Fubini discret) :
∑ sur (k,ℓ)I de a(k,ℓ) = ∑ₖ(∑ℓ a(k,ℓ)) = ∑ℓ(∑ₖ a(k,ℓ))
Cas produit : si a(k,ℓ)=bₖ·cℓ alors ∑ a(k,ℓ) = (∑bₖ)×(∑cℓ).
Triangle I={n₀kn} : sommer par lignes (ℓ de k à n) ou par colonnes (k de n₀ à ℓ) bien vérifier que
chaque couple (k,ℓ) est compté une seule fois.
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5. Produits
Définition — Produit
∏(k=n₀ à n) uₖ = u(n₀) × u(n₀+1) × ... × u(n)
Produit d'une suite constante : ∏ a = a^(n−n₀+1).
Produit télescopique : ∏(k=n₀ à N) u(k+1)/uₖ = u(N+1)/u(n₀).
Lien avec les sommes : ∏ a^(uk) = a^{∑uk} et ∑ ln(rₖ) = ln(∏rₖ).
6. Coefficients binomiaux et formule du binôme
Factorielle et coefficient binomial
n! = n×(n−1)×...×1, avec 0!=1.
(n p) = n! / (p!(n−p)!) = n(n−1)...(n−p+1) / p!
Interprétation : nombre de parties à p éléments d'un ensemble à n éléments.
Convention : (n p) = 0 si p<0 ou p>n. Symétrie : (n p) = (n, n−p).
Triangle de Pascal
(n p) = (n−1, p) + (n−1, p−1)
Théorème — Formule du binôme de Newton
(a+b)ⁿ = ∑(p=0 à n) (n p) aⁿ⁻ᵖbᵖ
Corollaires (a=b=1 puis a=1,b=−1) :
∑(p=0 à n) (n p) = 2ⁿ ∑(p=0 à n) (n p)(−1)ᵖ = 0
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FICHE 2 Systèmes linéaires à n équations, p inconnues (n,p
[[1,3]])
1. Définitions et interprétation géométrique
Système linéaire
Forme générale à 3 inconnues x,y,z : trois équations aᵢ₁x+aᵢ₂y+aᵢ₃z=bᵢ.
aᵢⱼ = coefficients, bᵢ = seconds membres. Toujours aligner en colonnes les coefficients d'une même inconnue.
Interprétation géométrique
1 équation à 2 inconnues (x,y) : une droite du plan ℝ².
1 équation à 3 inconnues (x,y,z) : un plan de l'espace ℝ³.
2 équations à 3 inconnues : intersection de 2 plans P₁∩P₂ → soit (plans parallèles distincts, système
incompatible), soit une droite D (cas générique), soit un plan (équations proportionnelles).
2. Opérations élémentaires
Les 3 opérations élémentaires sur les lignes
Lᵢ ↔ Lⱼ : échange de deux lignes
Lᵢ ← Lᵢ + λLⱼ (i≠j) : ajout d'un multiple d'une autre ligne
Lᵢ ← λLᵢ, λ≠0 : multiplication par un facteur non nul
Attention
Lᵢ ← λLⱼ (i≠j) et Lᵢ ← 0×Lᵢ NE SONT PAS des opérations élémentaires : elles peuvent changer l'ensemble des
solutions !
Proposition
Deux systèmes qui diffèrent d'un nombre fini d'opérations élémentaires ont le même ensemble de solutions.
3. Échelonnement et pivot de Gauss
Système échelonné / échelonné réduit
Échelonné : à partir de la 2e ligne, le 1er coefficient non nul est strictement à droite de celui de la ligne
précédente ; les lignes nulles sont regroupées en bas.
Le premier coefficient non nul d'une ligne s'appelle le pivot.
Échelonné réduit : de plus, chaque pivot vaut 1 et est le seul coefficient non nul de sa colonne.
Méthode — Algorithme du pivot de Gauss
1) Repérer la première colonne non nulle Cⱼ, un coefficient non nul dedans → l'amener en L₁
(échange).
2) Normaliser : L₁ ← (1/a₁ⱼ)L₁ pour avoir un pivot = 1.
3) Annuler les autres coefficients de Cⱼ : Lᵢ ← Lᵢ − aᵢⱼL₁.
4) Recommencer sur le sous-système (on retire la 1ère ligne et les j premières colonnes).
5) Pour la forme réduite : remonter et annuler au-dessus de chaque pivot.
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FICHE 3 Inégalités
1. La relation d'ordre sur ℝ
Propriétés de
est réflexive, antisymétrique, transitive : c'est une relation d'ordre TOTALE sur ℝ (deux réels sont toujours
comparables).
RÈGLES D'OR — opérations sur les inégalités
Avant de multiplier une inégalité par λ : vérifier que λ > 0 (sinon, on inverse le sens).
Pour multiplier membre à membre : vérifier que TOUS les membres sont positifs.
NE JAMAIS soustraire ni diviser deux inégalités directement plantage assuré.
Pour encadrer x−y à partir d'encadrements de x et y : encadrer d'abord −y, puis additionner.
(xy) (−y−x) ; si 0<xy alors 0<1/y1/x (x−x et x1/x sont décroissantes).
2. Valeur absolue
Définition |x| = x si x0 , |x| = −x si x0 (distance de x à 0)
Propriétés de la valeur absolue
|x| 0, et |x|=0 x=0
|xy| = |x|·|y| (donc |−x|=|x|)
Inégalité triangulaire : |x+y| |x|+|y|
2e inégalité triangulaire : ||x|−|y|| |x+y|
Intervalle centré
L'ensemble des solutions de |x−c| r est l'intervalle [c−r, c+r] (centré en c, de rayon r).
3. Intervalles, parties majorées/minorées/bornées
Intervalles
]a,b[ = {xℝ : a<x<b} ; on définit de même [a,b], [a,b[, ]a,b].
Une partie I est un intervalle pour tous x,yI avec xy, [x,y]I (on dit alors que I est convexe).
Majorant / minorant / borné
A majorée : Mℝ, xA, xM
A minorée : mℝ, xA, xm
A bornée A majorée ET minorée M0, xA, |x|M
Maximum = majorant qui appartient à A (unique s'il existe). Idem minimum.
À retenir
Une partie peut être majorée sans avoir de maximum (ex : ]−∞,1[).
Toute partie non vide de ℕ admet un minimum toute partie non vide majorée de ℤ admet un maximum.
4. Partie entière
ℝ est archimédien / partie entière
Pour tout xℝ, il existe un unique nℤ (noté x ou E(x)) tel que :
x x < x + 1
x est le plus grand entier inférieur ou égal à x.
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5. Méthode générale pour une inéquation
Méthode
1) Déterminer le domaine de définition D des deux membres.
2) Si D est une réunion d'intervalles disjoints, résoudre sur chacun séparément.
3) Si on utilise une implication () et non une équivalence, vérifier ensuite quelles solutions obtenues
sont bien solutions du problème initial.
Valeur absolue dans une inéquation → élever au carré (en justifiant la positivité) ou distinguer les
signes.
Racine carrée → isoler la racine avant d'élever au carré (sous hypothèse de signe).
Outils : factorisation, étude de fonction (signe / dérivée), changement de variable, formule du conjugué
√a−√b = (a−b)/(√a+√b).
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