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Sommes, télescopage et transformation d'Abel

Domaine : Algèbre · Niveau : débutant · Prérequis : aucun

L'idée

Si chaque terme d'une somme est une différence de deux termes consécutifs d'une même suite, presque tout se simplifie :

\[\sum_{k=1}^{n} \big(b_{k+1} - b_k\big) = (b_2 - b_1) + (b_3 - b_2) + \cdots + (b_{n+1} - b_n) = b_{n+1} - b_1.\]

C'est le télescopage. De même pour un produit : \(\displaystyle\prod_{k=1}^{n} \frac{b_{k+1}}{b_k} = \frac{b_{n+1}}{b_1}\).

Toute la difficulté est d'écrire le terme général comme une différence. Les décompositions les plus courantes :

Terme Différence
\(\dfrac{1}{k(k+1)}\) \(\dfrac{1}{k} - \dfrac{1}{k+1}\)
\(\dfrac{1}{k(k+2)}\) \(\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{k} - \dfrac{1}{k+2}\right)\)
\(\dfrac{1}{k(k+1)(k+2)}\) \(\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{k(k+1)} - \dfrac{1}{(k+1)(k+2)}\right)\)
\(k \cdot k!\) \((k+1)! - k!\)
\(\dfrac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+1}}\) \(\sqrt{k+1} - \sqrt{k}\) (quantité conjuguée)
\(1 - \dfrac{1}{k^2}\) (dans un produit) \(\dfrac{k-1}{k} \cdot \dfrac{k+1}{k}\)

Pour les inégalités, on ne cherche pas une égalité mais un encadrement du terme par des différences, par exemple \(\frac{1}{k^2} < \frac{1}{k-1} - \frac{1}{k}\) pour \(k \geq 2\). En sommant, on obtient une borne simple.

Sommes doubles

Une somme double \(\sum_{i} \sum_{j} a_{i,j}\) peut se calculer ligne par ligne ou colonne par colonne : on choisit l'ordre qui simplifie. C'est le même principe que le double comptage. Une identité à connaître :

\[\Big(\sum_{i=1}^n a_i\Big)^2 = \sum_{i=1}^n a_i^2 + 2 \sum_{1 \leq i < j \leq n} a_i a_j.\]

La transformation d'Abel

C'est le « télescopage pour les produits » : avec les sommes partielles \(B_i = b_1 + \cdots + b_i\),

\[\sum_{i=1}^{n} a_i b_i = \sum_{i=1}^{n-1} (a_i - a_{i+1})\,B_i + a_n B_n.\]

On l'obtient en écrivant \(b_i = B_i - B_{i-1}\) et en regroupant. Elle sert quand on contrôle les sommes partielles \(B_i\) (leur signe, une borne) et que les \(a_i\) sont monotones. Par exemple, si \(a_1 \geq a_2 \geq \cdots \geq a_n \geq 0\) et \(m \leq B_i \leq M\) pour tout \(i\), alors

\[m\,a_1 \leq a_1 b_1 + \cdots + a_n b_n \leq M\,a_1.\]

Exemple résolu

Problème

Soit \(S = \dfrac{1}{\sqrt{1}} + \dfrac{1}{\sqrt{2}} + \cdots + \dfrac{1}{\sqrt{10\,000}}\). Trouver la partie entière de \(S\).

Étape 1 : encadrer chaque terme par des différences. Par la quantité conjuguée, \(\sqrt{k+1} - \sqrt{k} = \frac{1}{\sqrt{k+1} + \sqrt{k}}\). Comme \(\sqrt{k-1} < \sqrt{k} < \sqrt{k+1}\) :

\[2\left(\sqrt{k+1} - \sqrt{k}\right) = \frac{2}{\sqrt{k+1} + \sqrt{k}} < \frac{1}{\sqrt{k}} < \frac{2}{\sqrt{k} + \sqrt{k-1}} = 2\left(\sqrt{k} - \sqrt{k-1}\right).\]

Étape 2 : minorer en sommant. La minoration, sommée de \(k = 1\) à \(10\,000\), télescope :

\[S > 2\left(\sqrt{10\,001} - 1\right) > 2(100 - 1) = 198.\]

Étape 3 : majorer en sommant. On garde le premier terme à part, qui vaut \(1\), et l'on somme la majoration de \(k = 2\) à \(10\,000\) :

\[S < 1 + 2\left(\sqrt{10\,000} - 1\right) = 1 + 198 = 199.\]

Conclusion. \(198 < S < 199\), donc la partie entière de \(S\) est \(198\).

Mettre le premier terme à part a fait gagner exactement ce qu'il fallait : la majoration est très grossière pour \(k = 1\) et fine ensuite. Les encadrements par télescopage sont des versions discrètes des intégrales : ici \(\int \frac{dx}{\sqrt{x}} = 2\sqrt{x}\), ce qui suggère la suite \(b_k = 2\sqrt{k}\).

Comment le reconnaître

  • Une somme de \(n\) termes explicites dont on demande une forme close ou une valeur.
  • Des fractions dont le dénominateur est un produit de facteurs consécutifs, ou des racines carrées voisines.
  • Une inégalité sur une somme : on compare le terme général à une différence.
  • Une relation entre termes consécutifs d'une suite, à sommer sur tous les indices, ou sur une période.
  • Une somme de produits \(\sum a_i b_i\) dont on connaît les sommes partielles d'un des facteurs.

Techniques classiques

Situation Technique
Fraction rationnelle en \(k\) Décomposition en éléments simples, puis télescopage
Racines carrées Quantité conjuguée
Majorer ou minorer \(\sum f(k)\) Trouver \(g\) avec \(f(k) \leq g(k) - g(k-1)\) ; deviner \(g\) grâce à une primitive de \(f\)
Produit de quotients Produit télescopique
Somme double Échanger l'ordre de sommation
\(\sum a_i b_i\) avec sommes partielles \(B_i\) contrôlées Transformation d'Abel
Suite périodique, relations cycliques Sommer sur une période : les différences s'annulent

Exercices d'échauffement

  1. Calculer \(\displaystyle\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)}\).
  2. Calculer \(\displaystyle\sum_{k=1}^{n} k \cdot k!\).
  3. Calculer \(\displaystyle\prod_{k=2}^{n} \left(1 - \frac{1}{k^2}\right)\).
  4. Montrer que \(\displaystyle\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k^2} < \frac{7}{4}\) pour tout \(n \geq 1\). Indication : garder les deux premiers termes à part.
  5. Calculer \(\displaystyle\sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} \min(i, j)\). Indication : compter, pour chaque \(k\), les couples avec \(\min(i, j) \geq k\).

Télescopage dans la shortlist

  • 2020 A7, solution 1 : \(\frac{1}{\sqrt{i}} \leq 2\left(\sqrt{i} - \sqrt{i-1}\right)\), exactement la majoration de l'exemple résolu.
  • 2021 A5, solution 1 : avec \(s_k = a_1 + \cdots + a_k\), chaque terme est majoré par \(\frac{s_k^3 - s_{k-1}^3}{3}\), et ces majorants se télescopent.
  • 2015 A1 : en sommant les minorations obtenues pour chaque indice, on obtient \(a_1 + \cdots + a_m \geq \frac{m}{a_{m+1}}\).
  • 2018 A2, solution 2 : sommer les relations sur une période donne \(\sum (a_i - a_{i+3})^2 = 0\).
  • 2016 A8 : les inégalités se somment en télescopant, et les sommes \(\sum \frac{1}{k(k+1)}\), \(\sum \frac{1}{k(k+2)}\) se calculent par décomposition.

Pour approfondir : Objectif Olympiades de Mathématiques, tome 1 (M. Aassila), p. 9 à 16 (sommes et produits télescopiques), p. 17 à 22 (sommes doubles), p. 23 à 26 (méthodes, développement d'un produit de sommes) ; tome 2, p. 140 à 147 (formule sommatoire d'Abel, avec exemples).

Problèmes de la shortlist

17 problèmes · difficulté moyenne : ★★★★★ (2,7) · dont 3 choisis pour l'OIM
Répartition par difficulté : 1 ★ : 4 · 2 ★ : 4 · 3 ★ : 4 · 4 ★ : 3 · 5 ★ : 2

Problème Difficulté Concepts
2018 A2 · OIM P2 ★☆☆☆☆ Suites et récurrences
2015 A1 ★☆☆☆☆ Suites et récurrences · AM-GM et moyennes
2013 N2 · OIM P1 ★☆☆☆☆ Récurrence et constructions récursives · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2010 N1 ★☆☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2021 A3 ★★☆☆☆ Partie entière et majorations · Récurrence et constructions récursives
2020 C4 ★★☆☆☆ Graphes : degrés, chemins, arbres · Principe extrémal
2007 A3 ★★☆☆☆ Convexité, inégalité de Jensen, lissage
2006 A4 ★★☆☆☆ Cauchy-Schwarz et lemme de Titu
2024 A5 ★★★☆☆ AM-GM et moyennes · Suites et récurrences · Principe extrémal
2023 A4 ★★★☆☆ Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité
2021 A5 ★★★☆☆ Convexité, inégalité de Jensen, lissage
2009 A6 · OIM P3 ★★★☆☆ Suites et récurrences · Principe extrémal
2021 A7 ★★★★☆ Suites et récurrences · AM-GM et moyennes · Convexité, inégalité de Jensen, lissage
2020 A7 ★★★★☆ Cauchy-Schwarz et lemme de Titu
2015 A5 ★★★★☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité
2016 A8 ★★★★★ Cauchy-Schwarz et lemme de Titu
2015 A6 ★★★★★ Polynômes : racines, relations de Viète, factorisation