Nouveaux Eléments de Calculs Algébriques - Pascal Delahaye

Nouveaux El´ements de Calculs Alg´ebriques
MPSI-Cauchy Prytan´ee National Militaire
Pascal Delahaye
23 septembre 2016
Si le cours de maths de CPGE insiste beaucoup sur la pratique du raisonnement math´ematique, celui-ci ne peut
se faire sans passer par des ´etapes de calcul alg´ebrique. Il est donc imp´eratif de maˆıtriser les techniques usuelles de
calcul avec les fractions, les puissances, les factorisations et d´eveloppements, les fonctions logarithme et exponentielle...
Pour compl´eter les techniques pr´ec´edentes, nous allons apprendre dans ce chapitre :
`a maˆıtriser l’utilisation de la notation usuelle des ensembles,
`a maˆıtriser l’utilisation du symbole Σ pour la manipulation des sommes simples et doubles,
quelques formules utilis´ees tout au long de l’ann´ee,
`a maˆıtriser les propri´et´es et l’utilisation des coefficients binomiaux,
`a maˆıtriser la technique de Gauss pour la r´esolution des syst`emes lin´eaires.
1 Sommes et Produits
1.1 Ensembles et familles
La notion d’ensemble est une notion primitive de math´ematique et donc ne se d´efinit pas : elle est intuitive.
C’est `a partir de cette notion que l’ensemble Nest construit.
Exemple 1. Quelques ensembles math´ematiques : ,{},N,R,C,Mn(R), F(E, F ), RN,Sn,O(E)...
D´
efinition 1 : Notation des ensembles
Les ensembles sont tr`es souvent not´es de la fa¸con suivante :
{nature des ´el´ements de l’ensemble |Condition d’appartenance}
Exemple 2.
1. A={xR|cos x > 1
2}2. B={p2|pest un nombre premier}
Remarque 1.Vous avez remarqu´e que l’ensemble An’est autre que l’ensemble des solutions de l’´equation cos x > 1
2.
D´
efinition 2 : Ensembles produits
Soient A, B deux ensembles non vides.
Le produit cart´esien A×Best alors l’ensemble d´efini par :
A×B={(a, b)|aA, b B}
1
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Exemple 3. L’ensemble des solutions sur R2du syst`eme x+y= 1
2xy= 0 est : S={(x, y)R2|x+y= 1
2xy= 0 }.
Exemple 4. () D´eterminer C×Dlorsque C={1,3,7}et D={1,2,5}
Exemple 5. Les ensembles produits usuels : R2(le plan cart´esien), Z2(quadrillage du plan cart´esien), Rn(o`u nN).
D´
efinition 3 : Famille d’´el´ements
Soit Iun ensemble fini non vide et Aun ensemble non vide.
L’ensemble {aiA|iI}est appel´e :
”famille finie des ´el´ements aide l’ensemble Aindex´ee sur I et est not´e (ai)iI
Souvent, on prendra I= [[1, n]] avec nN.
On aura alors :
(ai)iI={a1, a2,..., an}
Exemple 6. Pest l’ensemble des nombres premiers.
1. E={i2|i[[1,10]]}= (i2)i[[1,10]] 2. F={p(p+ 1) |p∈ P} = (p(p+ 1))p∈P
Remarque 2.La suite (un)nNest une famille de nombres index´ee sur N.
Travail `a effectuer :
Prenez une feuille de brouillon et v´erifiez que vous ˆetes capables de d´evelopper chacun des points suivants :
D´efinitions Notations usuelles des ensembles - Ensemble produit - Famille d’´el´ements index´ee
sur I
Exercices Justifier que 0A
36∈ B, que (1,5) C×D
(0, i)R×Cet que 4E
16∈ F
1.2 Sommes
D´
efinition 4 : Sommes
Soit (ai)iIune famille finie de nombres complexes (ces nombres peuvent aussi ˆetre entiers, rationnels ou
eels).
On notera : X
iI
aila somme des nombres ai
Lorsque I= [[m, n]] avec mnZ, cette quantit´e sera not´ee :
n
X
i=m
ai=am+am+1 +···+an
La variable ’i’ est dite muette.
Cela signifie qu’on peut la remplacer par n’importe quelle autre lettre.
i’ est aussi appel´e l’indice courant.
Remarque 3.Retenez que
n
X
k=m
ukest la somme de ”nm+ 1” termes !
Exemple 7. () Pour p, q N:
p
X
i=q
2 = (pq+ 1)2
2
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Proposition 1 : Sommes `a connaˆıtre IMPERATIVEMENT !
Pour nNet aC.
n
X
i=1
i= 1 + 2 + ···+n=n(n+ 1)
2
n
X
i=1
i2= 12+ 22+···+n2=n(n+ 1)(2n+ 1)
6
n
X
i=0
ai=1an+1
1a(si a6= 1)
n
X
i=0
ai=n+ 1 (si a= 1)
Preuve 1 : Facile par r´ecurrence !
Proposition 2 : Lin´earit´e de la somme
Soit Iun ensemble fini non vide, (ai)iI,(ai)iIdeux familles de nombres complexes et λ, µ C.
On a alors : X
iI
(λai+µbi) = λX
iI
ai+µX
iI
bi
Preuve 2 : Il suffit de l’´ecrire...
Remarque 4.
On ne peut mettre en facteur de la somme que les coefficients qui ne d´ependent pas de l’indice courant.
Exemple 8. () Calculer : S=
10
X
k=2
(2 + 3k5k2)
Exercice : 1
() Pour nN, calculer la somme : Sn=n+ 2(n1) + 3(n2) + ···+ (n1)2 + n.
D´
efinition 5 : Sommes t´elescopiques
Une somme t´elescopique est une somme de la forme :
n
X
k=m
(ak+1 ak) ou
n
X
k=m
(akak+1).
Ces sommes se simplifient facilement :
n
X
k=m
ak+1 ak=an+1 am
Exemple 9. () Soit nN. Calculer les sommes suivantes :
S1=
n
X
k=1
1
k(k+ 1) S2=
n
X
k=1
ln(1 + 1
k)S3=
n
X
k=0
k×k!
Proposition 3 : Chasles
Lorsque pq < n N, nous avons la propri´et´e suivante :
n
X
k=p
ak=
q
X
k=p
ak+
n
X
k=q+1
ak
Preuve 3 : Il suffit de l’´ecrire.
Exemple 10. () Pour nN, calculer les sommes suivantes :
1. S1=
2n
X
k=1
min(k, n) 2. S2=
2n
X
k=1
max(k, n)
3
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Remarque 5.Il est aussi possible de regrouper les termes d’indices pairs et les termes d’indices impairs :
n
X
k=p
ak=
n
X
k=p(pairs)
ak+
n
X
k=p(impairs)
ak
Exemple 11. () Calculer S=
100
X
k=1k
2o`u xrepr´esente la partie enti`ere d’un r´eel x.
Proposition 4 : D´ecalage d’indices
Soit p, q N,nZet (ai)iNune famille de nombres complexes.
On a alors : q
X
i=p
ai=
q+n
X
i=p+n
ain
Preuve 4 : Il suffit de l’´ecrire... en posant ´eventuellement j=i+n.
Exemple 12. () Calculer les sommes suivantes `a l’aide de changements d’indice :
1. S1=
n
X
k=1
1
k(k+ 1) 2. S2=
n
X
k=1
2
k(k+ 1)(k+ 2) 3. S3=
n
X
k=1 1
k1
n+ 1 k
Remarque 6.On ne peut faire que des ecalages d’indice ou ´eventuellement des ”inversions” d’indice (i=nj).
Impossible par contre de poser j= 2iou j=i
3.
Proposition 5 : Formule de factorisation
Pour nNet a, b C.
anbn= (ab)
n1
X
k=0
a(n1)kbkou anbn= (ab)(an1+an2b+···+abn2+bn1)
Que donne cette formule lorsque b= 1 ?
Preuve 5 : Il suffit de evelopper en effectuant un changement d’indice.
Exemple 13. () Factoriser a5+b5lorsque a, b C.
Exercice : 2
() Pour tout nN, prouver que N= 5n+1 3n+1 n’est pas un nombre premier.
Travail `a effectuer :
Prenez une feuille de brouillon et v´erifiez que vous ˆetes capables de d´evelopper chacun des points suivants :
D´efinitions Connaˆıtre les notations X
iI
aiet
b
X
i=a
ai
Propri´et´es Lin´earit´e de la somme - Relation de Chasles - Changement d’indices -
D´ecomposition selon la parit´e de l’indice - nombre d’´el´ements d’une somme
Formules
n
X
i=1
i-
n
X
i=1
i2-
n
X
i=0
ai- Sommes t´elescopiques - Formule de factorisation
Exercices Etre capable de refaire chacun des exercices pr´ec´edents
D´emonstrations Savoir justifier chacune des propret´es pr´ec´edentes
ethodes Savoir ediger proprement une r´ecurrence simple
4
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D´
efinition 6 : Sommes doubles rectangulaires
Soit Iet Jdes ensembles finis et (ai,j )(i,j)I×June famille finie de nombres complexes.
On remarque que l’on peut noter :
X
(i,j)I×J
ai,j =X
iIX
jJ
ai,j qui est aussi ´egale `a = X
jJX
iI
ai,j
Dans le cas o`u I= [[p, n]] et J= [[q, m]], on peut aussi noter :
X
(i,j)[[p,n]]×[[q,m]]
ai,j =
n
X
i=p
m
X
j=q
ai,j (par ligne) =
m
X
j=q
n
X
i=p
ai,j (par colonne)
Remarque 7.I×Jrepr´esente l’ensemble des couples de la forme (i, j) o`u iIet jJ.
i\j r r+ 1 . . . j . . . s
pap,r X . . . X . . . ap,s
p+1 X X . . . X . . . X
.
.
..
.
..
.
..
.
..
.
..
.
..
.
.
i X X . . . ai,j . . . X
.
.
..
.
..
.
..
.
..
.
..
.
..
.
.
qaq,r X . . . X . . . aq,s
Tableau des termes en´eraux d’une somme rectangulaire
Exemple 14. () Soit nN. Calculer :
1. S1=X
1i,jn
ij 2. S2=X
1i,jn
(i+j)23. S3=X
1i,jn
min(i, j)
Proposition 6 : Produit de deux sommes rectangulaires finies
Soit Iet Jdeux ensembles finis non vides et (ai)iI,(bj)jJdeux familles de nombres complexes.
On a alors :
X
iI
aiX
jJ
bj=X
(i, j)I×J
aibj=X
jJ
bjX
iI
ai
Preuve 6 : Il suffit de l’´ecrire...
Remarque 8.
Ne surtout pas ´ecrire que les quantit´es X
iI
aiX
iI
biet X
iI
aibisont ´egales ! Contre-exemple ?
Exemple 15. () Soient p, q Net (ai)i[[1,p]],(bi)i[[1,q]] deux familles finies de complexes.
Exprimer sous la forme d’une somme, le produit des deux expressions polynˆomiales suivantes : A(x) = a0+a1x+···+apxp
B(x) = b0+b1x+···+bqxq
Proposition 7 : Sommes triangulaires
Soit nNet (ai,j )(i,j)[[p,q]]2une famille de nombres complexes.
On distingue 2 types de sommes triangulaires :
1. En incluant la diagonale : X
pjiq
ai,j =
q
X
i=p
i
X
j=p
ai,j (par ligne) =
n
X
j=p
q
X
i=j
ai,j (par colonne) .
2. En excluant la diagonale : X
pj<iq
ai,j =
q
X
i=p+1
i1
X
j=p
ai,j (par ligne) =
q1
X
j=p
q
X
i=j+1
ai,j (par colonne)
5
1 / 19 100%

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