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Les sommes usuelles \( : \sum k, \ \sum k^2, \ \sum k^3, \ \sum (2k+1)... \)

Soient \((a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2\) deux entiers naturels.


La somme des entiers naturels \( : \sum k\)

  1. Les premiers termes
  2. La somme des \( (n + 1) \) premiers entiers naturels, à savoir de \(0\) à \(n\), vaut :

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n k = 1 + 2 \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} (n-1) + n \hspace{0.1em} \hspace{0.1em} = \frac{n(n+1)}{2} $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n
  4. De manière générale, cette somme allant de \((k = a) \) jusque \(n\) vaut :

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} k = \frac{(n + a)(n+1- a)}{2} $$


La somme des carrés d'entiers naturels \( : \sum k^2\)

  1. Les premiers termes
  2. La somme des \( (n + 1) \) premiers carrés naturels, à savoir de \(0\) à \(n\), vaut :

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n k^2 = \hspace{0.2em} 1 + \hspace{0.2em} 2^2 \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} (n-1)^2 + n^2 \hspace{0.1em} \hspace{0.1em} = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n
  4. De manière générale, cette somme allant de \((k = a) \) jusque \(n\) vaut :

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} k^2 = \frac{1}{6} \Bigl[ n+1-a\Bigr] \biggl[ n(2n+1) + a(2n +2a -1)\biggr] $$


La somme des cubes d'entiers naturels \( : \sum k^3\)

  1. Les premiers termes
  2. La somme des \( (n + 1) \) premiers cubes naturels, à savoir de \(0\) à \(n\), vaut :

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n k^3 = \hspace{0.2em} 1 + \hspace{0.2em} 2^3 \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} (n-1)^3 + n^3 \hspace{0.1em} \hspace{0.1em} = \frac{n^2 (n+1)^2 }{4} $$

    Et par ailleurs,

    $$ \sum_{k = 0}^n k^3 = \Biggl( \hspace{0.1em} \sum_{k = 0}^n k \hspace{0.1em} \Biggr)^2$$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n
  4. De manière générale, cette somme allant de \((k = a) \) jusque \(n\) vaut :

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} k^3 = \frac{1}{4} \Bigl[ n+1-a\Bigr] \biggl[ n^2(n+1) + a(n^2 + an +a^2 - a)\biggr] $$


La somme des nombres impairs \( : \sum (2k +1) \)

On caractérise un nombre impair \( I \) par le fait que :

$$ \forall k \in \mathbb{Z}, \enspace I = 2k +1 $$

  1. Les premiers termes
  2. La somme des \( (n + 1) \) premiers nombres impairs, à savoir de \(0\) à \(n\), vaut :

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (2k +1) = 1 + 3 \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} (2n+1) = (n+1)^2 $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n
  4. De manière générale, cette somme allant de \((k = a) \) jusque \(n\) vaut :

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} (2k +1) = (n + 1+ a)(n+1- a) $$


La somme des nombres pairs \( : \sum (2k) \)

On caractérise un nombre pair \( P \) par le fait que :

$$ \forall k \in \mathbb{Z}, \enspace P = 2k $$

  1. Les premiers termes
  2. La somme des \( (n + 1) \) premiers nombres pairs, à savoir de \(0\) à \(n\), vaut :

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (2k) = 2 + 4 \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} 2n = n(n+1) $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n
  4. De manière générale, cette somme allant de \((k = a) \) jusque \(n\) vaut :

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} (2k) = (n + a)(n+1- a) $$


La somme des termes d'une suite arithmétique \( : \sum (u_0 + kr) \)

Une suite arithmétique est définie par :

$$ \forall n \in \mathbb{N}, \enspace \forall (u_0, r) \in \hspace{0.05em} \mathbb{R}^2, \enspace u_n = u_0 + nr $$

  1. Les premiers termes
  2. La somme des \( (n + 1) \) premiers termes d'une suite arithmétique, à savoir de \(0\) à \(n\), vaut :

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, \enspace \forall (u_0, r) \in \hspace{0.05em} \mathbb{R}^2, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (u_0 + kr) = (n + 1) \Biggl[ \frac{u_0 + u_n}{2} \Biggr]$$

    $$ (avec \enspace u_n = u_0 + nr) $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n
  4. De manière générale, cette somme allant de \((k = a) \) jusque \(n\) vaut :

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

    $$ \sum_{k = a}^n (u_0 + kr) = \Bigl[n + 1 - a\Bigr] \Biggl[ \frac{u_0 + u_{n+a}}{2} \Biggr]$$

    $$ (avec \enspace u_n = u_0 + nr) $$


La somme des puissances naturelles d'un nombre réel \( : \sum q^k\)

  1. Les premiers termes
  2. La somme des \( (n + 1) \) premières puissances d'un nombre, à savoir de \(0\) à \(n\), vaut :

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, \enspace \forall q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] , $$

    $$ \sum_{k = 0}^n q^k = 1 + q + q^2 \enspace + ... + \enspace q^{n-1} + q^n = \frac{q^{n+1} - 1}{q-1} $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n
  4. De manière générale, cette somme allant de \((k = a) \) jusque \(n\) vaut :

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, \enspace \forall q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] , $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} q^k = \frac{q^{n+1} - q^{a}}{q-1} $$


La somme des termes d'une suite geométrique \( : \sum (v_0 . q^k) \)

Une suite géométrique est définie par :

$$ \forall n \in \mathbb{N}, \ \forall (v_0,\ q) \in \hspace{0.05em} \mathbb{R}^2 , \enspace v_n = v_0.q^n $$

  1. Les premiers termes
  2. La somme des \( (n + 1) \) premiers termes d'une suite géométrique, à savoir de \(0\) à \(n\), vaut :

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, \enspace \forall v_0 \in \hspace{0.05em} \mathbb{R}, \ \forall q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] , $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (v_0.q^k ) = v_0.\frac{1 - q^{n + 1}}{1 - q} $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n
  4. De manière générale, cette somme allant de \((k = a) \) jusque \(n\) vaut :

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, \enspace \forall v_0 \in \hspace{0.05em} \mathbb{R}, \ \forall q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] , $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} v_0.q^k = v_0.\frac{q^{n+1} - q^{a}}{q-1} $$


Démonstrations

Soient \((a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2\) deux entiers naturels.


La somme des entiers naturels \( : \sum k\)


  1. Les premiers termes

  2. On souhaite calculer la somme des premiers entiers naturels de \( 0\) jusqu'à \( n\) :

    $$ \sum_{k = 0}^n k = \enspace \underbrace{0 + 1 + 2 \ + \ ... \ + \ (n-1) + n} _\text{(n+1) termes} $$


    1. Par la méthode de Gauss
    2. Par définition, cette somme vaut :

      $$ \sum_{k = 0}^n k = \enspace \underbrace{0 + 1 + 2 \ + \ ... \ + \ (n-1) + n} _\text{(n+1) termes} $$

      Réécrivons cette même somme à l'envers :

      $$ \sum_{k = 0}^n k = n + (n-1) \enspace + \ ... \ + \enspace 2 + 1 + 0 $$

      On additionne les deux égalites en faisant correspondre les termes un à un.

      $$ \sum_{k = 0}^n k + \sum_{k = 0}^n k = \enspace \underbrace{(0 + n) + (1 + n - 1) \ + \ ... \ + \ (n - 1 + 1) + (n + 0)} _\text{(n+1) termes} $$

      Tous ces termes valent \( n \) :

      $$ \sum_{k = 0}^n k + \sum_{k = 0}^n k = \enspace \underbrace{ n + n \ + \ ... \ + \ n + n} _\text{(n+1) termes} $$

      Par suite,

      $$ 2\sum_{k = 0}^n k = n(n+1) $$

      Et finalement,

      $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

      $$ \sum_{k = 0}^n k = \frac{n(n+1)}{2} $$


    3. Par un téléscopage
    4. On sait par les identités remarquables que :

      $$ (k + 1)^2 = k^2 + 2k + 1$$

      $$ (k + 1)^2 - k^2 - 1= 2k $$

      Nous allons faire la somme de tous les termes des deux membres de \( (k =0) \) jusque \(n\).

      $$ \sum_{k=0}^n \Bigl[ (k + 1)^2 - k^2 \Bigr] - \sum_{k=0}^n 1= \sum_{k=0}^n 2k $$

      Or, on sait dans ce cas qu'il va se produire un téléscopage.

      $$\sum_{k=0}^n \bigl [ a_{k+1} - a_k \bigr] = \underbrace{a_{n+1}} _\text{premier terme} - \underbrace{a_{0}} _\text{dernier terme} $$

      Soit dans notre cas :

      $$\sum_{k=0}^n \Bigl[(k+1)^2 - k^2 \Bigr] = (n + 1)^2 - \ 0^2 $$

      Ce qui nous donne :

      $$ (n + 1)^2 -(n+1) = 2\sum_{k=0}^n k $$

      $$ (n+1)(n+1 - 1) = 2\sum_{k=0}^n k $$

      $$ \frac{n(n+1)}{2} = \sum_{k = 0}^n k$$

      Et finalement,

      $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

      $$ \sum_{k = 0}^n k = \frac{n(n+1)}{2} $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n

  4. Adoptons le même raisonnement que précédemment mais cette fois de \((k = a) \) jusque \(n\).

    $$ \sum_{k = a}^n k = \enspace \underbrace{a + (a + 1) + (a + 2) \ + \ ... \ + \ (n-1) + n} _\text{(n+1) termes} $$

    1. Par un téléscopage
    2. $$ (k + 1)^2 = k^2 + 2k + 1$$

      $$ (k + 1)^2 - k^2 - 1= 2k $$

      $$ \sum_{k=a}^n \Bigl[ (k + 1)^2 - k^2 \Bigr] - \sum_{k=a}^n 1= \sum_{k=a}^n 2k $$

      $$ (n + 1)^2 - a^2 - (n+1 -a )= 2\sum_{k=a}^n k $$

      On factorise l'identité remarquable du membre de gauche :

      $$ (n + 1 - a)(n+1+a) - (n+1 -a )= 2\sum_{k=a}^n k $$

      On factorise cette fois toute la partie de gauche et on obitent :

      $$ (n + 1 - a)(n+a)= 2\sum_{k=a}^n k $$

      $$ \frac{(n + 1 - a)(n+a)}{2}= \sum_{k=a}^n k $$


      Soit finalement,

      $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

      $$ \sum_{k =a}^{n} k = \frac{(n + a)(n+1- a)}{2} $$


La somme des carrés d'entiers naturels \( : \sum k^2\)

  1. Les premiers termes

  2. On souhaite calculer la somme des premiers carrés d'entiers naturels de \( 0\) jusqu'à \( n\) :

    $$ \sum_{k = 0}^n k^2 = \enspace \underbrace{0 + 1 + 4 + 9 \ + \ ... \ + \ (n-1)^2 + n^2} _\text{(n+1) termes} $$


    On sait que grâce au binôme de Newton que :

    $$ (k + 1)^3 = \binom{3}{0} k^3 + \binom{3}{1}k^2 + \binom{3}{2}k + \binom{3}{3}$$

    $$ (k + 1)^3 = k^3 + 3k^2 + 3k + 1$$

    $$ (k + 1)^3 - k^3 - 3k -1 = 3k^2 $$

    Nous allons faire la somme des deux membres de \( (k =0) \) jusque \(n\).

    Or on sait dans ce cas qu'il va se produire un téléscopage, et qu'il ne restera plus que deux termes :

    $$\sum_{k=0}^n \bigl [ a_{k+1} - a_k \bigr] = a_{n+1} - a_{0} $$

    Soit ici,

    $$\sum_{k=0}^n \Bigl[(k+1)^3 -k^3 \Bigr] = (n + 1)^3 - 0 $$

    Ce qui nous amène à :

    $$ (n + 1)^3 -(n+1) -3\sum_{k=0}^n k = 3\sum_{k=0}^n k^2 $$

    La somme des premiers entiers naturels a été calculée plus haut. Remplaçons-la par sa valeur.

    $$ (n + 1)^3 -(n+1) -3 \Biggl[ \frac{n(n+1)}{2} \Biggr] = 3\sum_{k=0}^n k^2 $$

    $$ (n+1)\Bigl((n + 1)^2 -1 - \frac{3n}{2} \Bigr) = 3\sum_{k=0}^n k^2 $$

    $$ \frac{1}{2}(n+1)\Bigl(2n^2 +4n - 3n\Bigr) = 3\sum_{k=0}^n k^2 $$

    $$ \frac{1}{6}(n+1)\Bigl(2n^2 +n\Bigr) = \sum_{k=0}^n k^2 $$

    $$ \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} = \sum_{k=0}^n k^2 $$


    Et finalement,

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n

  4. Adoptons le même raisonnement que précédemment mais cette fois de \((k = a) \) jusque \(n\).

    $$ \sum_{k = a}^n k^2 = \enspace \underbrace{a^2 + (a + 1)^2 + (a + 2)^2 \ + \ ... \ + \ (n-1)^2 + n^2} _\text{(n+1) termes} $$

    1. Par un téléscopage
    2. $$ (k + 1)^3 = k^3 + 3k^2 + 3k + 1$$

      $$ (k + 1)^3 - k^3 -3 k - 1 = 3k^2 $$

      $$ \sum_{k=a}^n \Bigl[(k + 1)^3 - k^3 \Bigr] -\sum_{k=a}^n 3 k -\sum_{k=a}^n 1 = \sum_{k=a}^n 3k^2 $$

      Remplaçons toutes les sommes par leur valeur:

      $$ (n+1)^3 - a^3 - 3\frac{(n + a)(n+1- a)}{2} -(n+1-a) = 3\sum_{k=a}^n k^2 $$

      On sait par la formule de Bernouilli (ou identité géométrique) que :

      $$ \forall (a,b) \in \hspace{0.05em} \mathbb{R}^2, \enspace \forall n \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}, $$

      $$a^n - b^n = (a-b) \sum_{k=0}^{n-1} a^{n-k-1}b^k $$

      Soit dans notre cas :

      $$(n+1)^3 - a^3 = (n+1-a) \sum_{k=0}^{2} (n+1)^{2-k}a^k $$

      $$(n+1)^3 - a^3 = (n+1-a) \Bigl[ (n+1)^2 + a(n+1) +a^2 \Bigr]$$

      Ce qui nous amène à :

      $$ (n+1-a) \Bigl[ (n+1)^2 + a(n+1) +a^2 \Bigr] - 3\frac{(n + a)(n+1- a)}{2} -(n+1-a) = 3\sum_{k=a}^n k^2 $$

      On peut maintenant factoriser :

      $$ (n+1-a) \Bigl[(n+1)^2 + a(n+1) +a^2 - 3\frac{(n + a)}{2} -1 \Bigr] = 3\sum_{k=a}^n k^2 $$

      $$ \frac{ (n+1-a)}{2} \Bigl[2n^2 + 4n + 2 + 2an +2a + 2a^2 -3n -3a -2 \Bigr] = 3\sum_{k=a}^n k^2 $$

      $$ \frac{ (n+1-a)}{2} \Bigl[2n^2 + n + a(2n+ 2a - 1 ) \Bigr] = 3\sum_{k=a}^n k^2 $$


      Soit finalement,

      $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

      $$ \sum_{k =a}^{n} k^2 = \frac{1}{6} \Bigl[ n+1-a\Bigr] \biggl[ n(2n+1) + a(2n +2a -1)\biggr] $$


La somme des cubes d'entiers naturels \( : \sum k^3\)

  1. Les premiers termes

  2. On souhaite calculer la somme des premiers cubes d'entiers naturels de \( 0\) jusqu'à \( n\) :

    $$ \sum_{k = 0}^n k^3 = \enspace \underbrace{0 + 1 + 8 + 27 \ + \ ... \ + \ (n-1)^3 + n^3} _\text{(n+1) termes} $$


    On sait que grâce au binôme de Newton que :

    $$ (k + 1)^4 = \binom{4}{0} k^4 + \binom{4}{1}k^3 + \binom{4}{2}k^2 + \binom{4}{3}k + 1$$

    Soit,

    $$ (k + 1)^4 = k^4 + 4k^3 + 6k^2 + 4k + 1$$

    $$ (k + 1)^4 - k^4 - 6k^2 -4k -1 = 4k^3 $$

    Nous allons faire la somme des deux membres de \( (k =0) \) jusque \(n\).

    Or on sait dans ce cas qu'il va se produire un téléscopage, et qu'il ne restera plus que deux termes :

    $$\sum_{k=0}^n \bigl [ a_{k+1} - a_k \bigr] = a_{n+1} - a_{0} $$

    Soit dans notre cas,

    $$\sum_{k=0}^n \Bigl[(k+1)^4 -k^4 \Bigr] = (n + 1)^4 - 0 $$

    Ce qui nous donne par la suite :

    $$ (n + 1)^4 -(n+1) -6\sum_{k=0}^n k^2 -4\sum_{k=0}^n k = 4\sum_{k=0}^n k^3 $$

    La somme des premiers entiers naturels ainsi que la somme des premiers carrés naturels ont été calculées plus haut. Remplaçons-les par leur valeur respective.

    $$ (n + 1)^4 -(n+1) -6 \Biggl[\frac{n(n+1)(2n+1)}{6} \Biggr] -4 \Biggl[\frac{n(n+1)}{2} \Biggr] = 4\sum_{k=0}^n k^2 $$

    $$ (n+1)\Bigl((n + 1)^3 -1 -n(2n+1) -2n \Bigr) = 3\sum_{k=0}^n k^2 $$

    $$ (n+1)\Bigl(n^3 +3n^2 + 3n +1 -1 -2n^2 -n -2n^2 -2n \Bigr) = 3\sum_{k=0}^n k^2 $$

    $$ (n+1)(n^3+ n^2) = 3\sum_{k=0}^n k^2 $$


    Et finalement,

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n k^3 = \frac{n^2 (n+1)^2 }{4} $$

    On remarque par ailleurs que :

    $$ \sum_{k = 0}^n k^3 = \frac{n^2 (n+1)^2 }{4} = \Biggl(\frac{n(n+1)}{2} \Biggr)^2 $$

    Soit,

    $$ \sum_{k = 0}^n k^3 = \Biggl( \hspace{0.1em} \sum_{k = 0}^n k \hspace{0.1em} \Biggr)^2$$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n

  4. Adoptons le même raisonnement que précédemment mais cette fois de \((k = a) \) jusque \(n\).

    $$ \sum_{k = a}^n k^3 = \enspace \underbrace{a^3 + (a + 1)^3 + (a + 2)^3 \ + \ ... \ + \ (n-1)^3 + n^3} _\text{(n+1) termes} $$

    1. Par un téléscopage
    2. $$ (k + 1)^4 = k^4 + 4k^3 + 6k^2 + 4k + 1$$

      $$ (k + 1)^4 - k^4 -6k^2 - 4k - 1 = 4k^3 $$

      Nous allons faire la somme des deux membres de \( (k =0) \) jusque \(n\).

      $$ \sum_{k=a}^n \Bigl[(k + 1)^3 - k^4 \Bigr] - \sum_{k=a}^n 6 k^2 - \sum_{k=a}^n 4k - \sum_{k=a}^n 1 = \sum_{k=a}^n 4k^3 $$

      On a calculé plus haut \(\sum k^2\) et \(\sum k\). Remplaçons-les.

      $$ (n+1)^4 - a^4 - 6 \times \frac{1}{6} \Bigl[ n+1-a\Bigr] \biggl[ n(2n+1) + a(2n +2a -1)\biggr] -4 \frac{(n + a)(n+1- a)}{2} -(n+1-a) = 4\sum_{k=a}^n k^3 $$

      On réutilise la la formule de Bernouilli. Ce qui dans notre cas nous donne :

      $$(n+1)^4 - a^4 = (n+1-a) \sum_{k=0}^{3} (n+1)^{3-k}a^k $$

      $$(n+1-a) \Bigl[ (n+1)^3 + a^2(n+1) +a(n+1)^2 + a^3 \Bigr]$$

      On a par la suite :

      $$(n+1-a) \Bigl[ (n+1)^3 + a^2(n+1) +a(n+1)^2 + a^3 \Bigr] - \Bigl[ n+1-a\Bigr] \biggl[ n(2n+1) + a(2n +2a -1)\biggr] -2 (n + a)(n+1- a) -(n+1-a) = 4\sum_{k=a}^n k^3 $$

      On peut maintenant factoriser :

      $$(n+1-a) \Biggl[ (n+1)^3 + a^2(n+1) +a(n+1)^2 + a^3 - \biggl[ n(2n+1) + a(2n +2a -1)\biggr] -2(n + a) -1 \Biggr] = 4\sum_{k=a}^n k^3 $$

      $$(n+1-a) \Bigl[ n^3 + 3n^2 + 3n + 1 + a^2n + a^2 +an^2 + 2an+a+a^3 - 2n^2 -n -2an -2a^2 +a -2n -2a \Bigr] = 4\sum_{k=a}^n k^3 $$

      $$(n+1-a) \biggl[n^2(n+1) + a(n^2 + an +a^2 - a)\biggr] = 4\sum_{k=a}^n k^3 $$


      Soit finalement,

      $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

      $$ \sum_{k =a}^{n} k^3 = \frac{1}{4} \Bigl[ n+1-a\Bigr] \biggl[ n^2(n+1) + a(n^2 + an +a^2 - a)\biggr] $$


La somme des nombres impairs \( : \sum (2k +1) \)

On caractérise un nombre impair \( I \) par le fait que :

$$ \forall k \in \mathbb{Z}, \enspace I = 2k +1 $$

  1. Les premiers termes

  2. On souhaite calculer la somme des premiers nombres impairs de \( 0\) jusqu'à \( n\) :

    $$ \sum_{k = 0}^n (2k +1) = \enspace \underbrace{1 + 3 \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} (2n+1) } _\text{(n+1) termes} $$

    On peut séparer cette somme en deux sommes :

    $$ \sum_{k = 0}^n (2k +1) = \sum_{k = 0}^n (2k) + \sum_{k = 0}^n 1 $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (2k +1) = 2\sum_{k = 0}^n k + \sum_{k = 0}^n 1 $$

    La somme des premier entiers naturels a été calculée plus haut, injectons-la :

    $$ \sum_{k = 0}^n (2k +1) = n(n+1) + (n+1) $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (2k +1) = (n+1)(n+1) $$


    Et finalement :

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (2k +1) = (n+1)^2 $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n

  4. Adoptons le même raisonnement que précédemment mais cette fois de \((k = a) \) jusque \(n\).

    $$ \sum_{k = a}^n (2k +1) = \enspace \underbrace{ (2a+1) + \Bigl[2(a+1) +1 \Bigr] \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} (2n+1) } _\text{(n+1 -a) termes} $$

    $$ \sum_{k = a}^n (2k +1) = \sum_{k = a}^n (2k) + \sum_{k = a}^n 1 $$

    $$ \sum_{k = a}^n (2k +1) = 2\sum_{k = a}^n k + \sum_{k = a}^n 1 $$

    $$ \sum_{k = a}^n (2k +1) = (n + a)(n+1- a) + (n+1- a) $$

    $$ \sum_{k = a}^n (2k +1) = (n+1- a) (n + 1 +a) $$


    Et finalement,

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} (2k +1) = (n + 1 + a)(n+1- a) $$


La somme des nombres pairs \( : \sum (2k) \)

On caractérise un nombre pair \( P \) par le fait que :

$$ \forall k \in \mathbb{Z}, \enspace P = 2k $$

  1. Les premiers termes

  2. On souhaite calculer la somme des premiers nombres impairs de \( 0\) jusqu'à \( n\).

    $$ \sum_{k = 0}^n 2k = \enspace \underbrace{2 +4 \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} 2n } _\text{(n+1) termes} $$

    $$ \sum_{k = 0}^n 2k = 2\sum_{k = 0}^n k $$

    La somme des premier entiers naturels a été calculée plus haut, injectons-la :

    $$ \sum_{k = 0}^n 2k = n(n+1) $$


    Et finalement,

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n 2k= n(n+1) $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n

  4. Adoptons le même raisonnement que précédemment mais cette fois de \((k = a) \) jusque \(n\).

    $$ \sum_{k = a}^n 2k = \enspace \underbrace{2a +4a \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} 2n } _\text{(n+1) termes} $$

    $$ \sum_{k = a}^n 2k = 2\sum_{k = a}^n k = (n + a)(n+1- a) $$


    Et finalement,

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} (2k) = (n + a)(n+1- a) $$


La somme des termes d'une suite arithmétique \( : \sum (u_0 + kr) \)

Soit \( (u_n)_{n \in \mathbb{N}}\) une suite arithmétique de raison \( r \in \mathbb{R}\) et de premier terme \( u_0\in \mathbb{R}\).

  1. Les premiers termes

  2. On souhaite calculer la somme des termes de cette suite de \( 0\) jusqu'à \( n\):

    $$ \sum_{k = 0}^n (u_0 + kr) = u_0 + (u_0 + r) + (u_0 + 2r) \enspace + \enspace ... \enspace + \enspace \Bigl[u_0 + (n -1)r \Bigr] + (u_0 + nr) $$

    Soit,

    $$ \sum_{k = 0}^n (u_0 + kr) = u_0(n + 1) + r \bigl(1 + 2 \enspace + \enspace ... \enspace + \enspace (n -1) + n \bigr) $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (u_0 + kr) = u_0(n + 1) + r \Biggl[ \sum_{k = 0}^n k \Biggr] $$

    La somme des premiers entiers naturels a été calculée plus haut, injectons-la :

    $$ \sum_{k = 0}^n (u_0 + kr) = u_0(n + 1) + r\Biggl[\frac{n(n + 1)}{2}\Biggr]$$

    On factorise par \( (n + 1) \) et obtient :

    $$ \sum_{k = 0}^n (u_0 + kr) = (n + 1)\Biggl[u_0 + \frac{ nr}{2}\Biggr] $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (u_0 + kr) = (n + 1)\Biggl[\frac{ 2 u_0 + nr}{2}\Biggr] $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (u_0 + kr) = (n + 1)\Biggl[\frac{ u_0 + u_n}{2}\Biggr] $$

    Et finalement,

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, \enspace \forall (u_0, r) \in \hspace{0.05em} \mathbb{R}^2, $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (u_0 + kr) = (n + 1) \Biggl[ \frac{u_0 + u_n}{2} \Biggr]$$

    $$ (avec \enspace u_n = u_0 + nr) $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n

  4. Adoptons le même raisonnement que précédemment mais cette fois de \((k = a) \) jusque \(n\).

    $$ \sum_{k = a}^n (u_0 + kr) = (u_0 + ar) + \Bigl[u_0 + (a+1)r \Bigl] \enspace + \enspace... \enspace + \enspace \Bigl[u_0 + (n -1)r \Bigl] + (u_0 + nr) $$

    Soit,

    $$ \sum_{k = a}^n (u_0 + kr) = u_0(n + 1-a) + r \Bigl[a + (a+1) \enspace + \enspace ... \enspace + \enspace (n -1) + n \Bigr] $$

    $$ \sum_{k = a}^n (u_0 + kr) = u_0(n + 1-a) + r \Biggl[ \sum_{k = a}^n k \Biggr] $$

    $$ \sum_{k = a}^n (u_0 + kr) = u_0(n + 1-a) + r \Biggl[\frac{ (n + a)(n+1- a)}{2}\Biggr] $$

    $$ \sum_{k = a}^n (u_0 + kr) = \Bigl[n + 1 - a\Bigr] \Biggl[ u_0 + \frac{ (n+a)r}{2}\Biggr] $$

    $$ \sum_{k = a}^n (u_0 + kr) = \Bigl[n + 1 - a\Bigr] \Biggl[ \frac{ 2u_0 + (n+a)r}{2}\Biggr] $$

    $$ \sum_{k = a}^n (u_0 + kr) = \Bigl[n + 1 - a\Bigr] \Biggl[ \frac{ u_0 + u_{n+a}}{2}\Biggr] $$


    Soit finalement,

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, $$

    $$ \sum_{k =a}^n (u_0 + kr) = \Bigl[n + 1 - a\Bigr] \Biggl[ \frac{u_0 + u_{n+a}}{2} \Biggr]$$

    $$ (avec \enspace u_n = u_0 + nr) $$


La somme des puissances naturelles d'un nombre réel \( : \sum q^k\)

Soit \( q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] , \) un nombre réel.

  1. Les premiers termes

  2. On souhaite calculer la somme des premières puissances de \(q\) de \( 0\) jusqu'à \( n\) :

    $$ \sum_{k = 0}^n q^k = \enspace \underbrace{1 + q + q^2 \enspace + ... + \enspace q^{n-1} + q^n} _\text{(n+1) termes} \qquad (1) $$


    On multiplie tout par \( q \) :

    $$ q.\left[\sum_{k = 0}^n q^k \right] = q.(1 + q + q^2 \enspace + ... + \enspace q^{n-1} + q^n) $$

    On développe le membre de droite :

    $$ q.\left[\sum_{k = 0}^n q^k \right] = q + q^2 + q^3 \enspace + ... + \enspace q^n + q^{n+1} \qquad (2) $$


    On s'aperçoit, en soutrayant \( (1) \) à \( (2) \), qu'il se produit un téléscopage :

    $$ q.\left[\sum_{k = 0}^n q^k \right] - \left[\sum_{k = 0}^{n} q^k \right] = q^{n+1} - 1 $$

    Enfin, on factorise par \( \sum q^k \) et :

    $$ (q - 1).\left[\sum_{k = 0}^n q^k \right] = q^{n+1} - 1 $$


    Finalement,

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, \enspace \forall q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] , $$

    $$ \sum_{k = 0}^n q^k = \frac{q^{n+1} - 1}{q-1} $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n

  4. Adoptons le même raisonnement que précédemment mais cette fois de \((k = a) \) jusque \(n\).

    $$ \sum_{k = a}^n q^k = \enspace \underbrace{q^a + q^{a+1} + q^{a+2} \enspace + ... + \enspace q^{n-1} + q^n} _\text{(n+1- a) termes} $$

    $$ q \Biggl[ \sum_{k = a}^n q^k \Biggr] = q(q^a + q^{a+1} + q^{a+2} \enspace + ... + \enspace q^{n-1} + q^n) $$

    $$ q \Biggl[ \sum_{k = a}^n q^k \Biggr] = q^{a+1} + q^{a+2} + q^{a+3} \enspace + ... + \enspace q^{n} + q^{n+1} $$

    $$ q.\left[\sum_{k = a}^n q^k \right] - \left[\sum_{k = a}^{n} q^k \right] = q^{n+1} - q^a $$

    $$ \sum_{k = a}^n q^k = \frac{q^{n+1} - q^a }{q-1} $$


    Et finalement,

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, \enspace \forall q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] , $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} q^k = \frac{q^{n+1} - q^{a}}{q-1} $$



La somme des termes d'une suite geométrique \( : \sum (v_0 . q^k) \)

Soit \( (v_n)_{n \in \mathbb{N}}\) une suite géométrique de raison \( q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] \) et de premier terme \( v_0\in \mathbb{R}\).

  1. Les premiers termes

  2. On souhaite calculer la somme des termes de cette suite de \( 0\) jusqu'à \( n\).

    $$ \sum_{k = 0}^n (v_0.q^k ) = v_0 + v_0.q + v_0.q^2 \enspace + ... + \enspace + v_0.q^{n - 1} + v_0.q^n $$

    Soit,

    $$ \sum_{k = 0}^n (v_0.q^k ) = v_0.\Biggl[ \sum_{k = 0}^n q^k \Biggr] $$

    La somme des premières puissances naturelles d'un nombre réel a déjà été calculée plus haut. Injectons-la:

    $$ \sum_{k = 0}^n (v_0.q^k ) = v_0.\frac{1 - q^{n + 1}}{1 - q} $$


    Et finalement,

    $$ \forall n \in \mathbb{N}, \enspace \forall v_0 \in \hspace{0.05em} \mathbb{R}, \ \forall q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] , $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (v_0.q^k ) = v_0.\frac{1 - q^{n + 1}}{1 - q} $$


  3. Généralisation : somme de a jusqu'à n

  4. Adoptons le même raisonnement que précédemment mais cette fois de \((k = a) \) jusque \(n\).

    $$ \sum_{k = a}^n (v_0.q^k ) = v_0q^a + v_0.q^{a+1} + v_0.q^{a+2} \enspace + ... + \enspace + v_0.q^{n - 1} + v_0.q^n $$

    $$ \sum_{k = a}^n (v_0.q^k ) = v_0.\Biggl[ \sum_{k = a}^n q^k \Biggr] $$

    $$ \sum_{k = 0}^n (v_0.q^k ) = v_0.\frac{q^{n+1} - q^{a}}{q-1}$$


    Finalement,

    $$ \forall (a,n) \in \hspace{0.05em} \mathbb{N}^2, \enspace \forall v_0 \in \hspace{0.05em} \mathbb{R}, \ \forall q \in \hspace{0.05em} \Bigl[ \mathbb{R} \backslash \bigl \{0,1 \bigr \} \Bigr] , $$

    $$ \sum_{k =a}^{n} v_0.q^k = v_0.\frac{q^{n+1} - q^{a}}{q-1} $$


Exemples

  1. Calculer une somme d'entiers naturels

  2. Calculons la somme \(S\) suivante :

    $$ S= \sum_{k =5}^{20} k = 5 + 6 + 7 \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} ... \hspace{0.1em} + \hspace{0.1em} 20 $$

    1. Calculer la somme de \(0\) à \(20\) et retirer la somme de \(0\) à \(4\)
    2. $$ \sum_{k =0}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2} $$

      Soit,

      $$ S = \Biggl[\sum_{k =0}^{20} k\Biggr] - \Biggl[\sum_{k =0}^{4} k \Biggr]$$

      $$ S = \frac{20 \times 21 }{2} - \frac{4 \times 5 }{2} $$

      $$ S = 210- 10 = 200 $$

    3. Calculer directement la somme de \(5\) à \(20\)
    4. À ce moment-là, on utilise la formule générale :

      $$ \sum_{k =a}^{n} k = \frac{(n + a)(n+1- a)}{2} $$

      Soit,

      $$ S = \sum_{k =5}^{20} k = \frac{(20 + 5)(20+1- 5)}{2} $$

      $$ S = \sum_{k =5}^{20} k = \frac{25 \times 16}{2} = 200$$

  3. Calculer une somme de cubes d'entiers naturels

  4. Calculons la somme \(S'\) suivante :

    $$ S'= \sum_{k =7}^{11} k^3 = \ 7^{3} + \ 8^{3} + \ 9^3 + \ 10^3 + \ 11^3 $$

    1. Calculer la somme de \(0\) à \(11\) et retirer la somme de \(0\) à \(6\)
    2. $$ \sum_{k = 0}^n k^3 = \frac{n^2 (n+1)^2 }{4} $$

      Soit,

      $$ S' = \Biggl[\sum_{k = 0}^{11} k^3 \Biggr] - \Biggl[\sum_{k = 0}^6 k^3 \Biggr]$$

      $$ S' = \frac{11^2 (11+1)^2 }{4}- \frac{6^2 (6+1)^2 }{4}$$

      $$ S' = \frac{121 \times 144}{4}- \frac{ 36 \times 49 }{4} = 3915$$

    3. Calculer directement la somme de \(7\) à \(11\)
    4. $$ \sum_{k =a}^{n} k^3 = \frac{1}{4} \Bigl[ n+1-a\Bigr] \biggl[ n^2(n+1) + a(n^2 + an +a^2 - a)\biggr] $$

      Soit,

      $$ S' = \sum_{k =7}^{11} k^3 = \frac{1}{4} \Bigl[ 11+1- 7\Bigr] \biggl[ 11^2 \times (11+1) + 7 \times (11^2 + \ 7 \times 11 + \ 7^2 - \ 7)\biggr] $$

      $$ S' = \sum_{k =7}^{11} k^3 = \frac{5}{4} \times \biggl[ 121 \times 12 + 7 \times ( 121 + 77 + 49 - 7)\biggr] $$

      $$ S' = \sum_{k =7}^{11} k^3 = \frac{5}{4} \times \biggl[ 1452 + 1680 \biggr] = 3915 $$

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