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Terminale › Raisonnement par récurrence › Somme des premiers entiers

Somme des premiers entiers : énoncé (Terminale spé)

Propriété

Somme des premiers entiers

Pour tout entier $n\geq 1$, $$\sum_{k=1}^{n}k=1+2+\cdots+n=\frac{n(n+1)}{2}.$$

Démonstration : Somme des premiers entiers
Démonstration

Démonstration par récurrence

Pour $n\geq 1$, on note $P(n)$ : « $\sum_{k=1}^{n}k=\dfrac{n(n+1)}{2}$ ».

Initialisation. Pour $n=1$ : la somme vaut $1$ et $\dfrac{1\times 2}{2}=1$. $P(1)$ est vraie.

Hérédité. Soit $n\geq 1$ fixé. On suppose $\sum_{k=1}^{n}k=\dfrac{n(n+1)}{2}$. Montrons que $\sum_{k=1}^{n+1}k=\dfrac{(n+1)(n+2)}{2}$. $$\sum_{k=1}^{n+1}k=\sum_{k=1}^{n}k+(n+1)=\frac{n(n+1)}{2}+(n+1)=\frac{(n+1)(n+2)}{2}.$$ La dernière égalité s'obtient en factorisant par $n+1$ : $(n+1)\left(\dfrac{n}{2}+1\right)=(n+1)\dfrac{n+2}{2}$. $P(n+1)$ est vraie.

Conclusion. Par récurrence, la formule est vraie pour tout $n\geq 1$.

Exemple

Somme des premiers nombres impairs

Montrons que, pour tout $n\geq 1$, $\sum_{k=1}^{n}(2k-1)=1+3+\cdots+(2n-1)=n^2$.

Initialisation. Pour $n=1$ : $2\times 1-1=1=1^2$.

Hérédité. Soit $n\geq 1$ fixé, on suppose $\sum_{k=1}^{n}(2k-1)=n^2$. Le terme ajouté au rang $n+1$ est $2(n+1)-1=2n+1$. Donc $$\sum_{k=1}^{n+1}(2k-1)=n^2+2n+1=(n+1)^2.$$

Conclusion. Pour tout $n\geq 1$, $1+3+\cdots+(2n-1)=n^2$.

Exemple

Somme des carrés

Montrons que, pour tout $n\geq 1$, $$\sum_{k=1}^{n}k^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}.$$

Initialisation. Pour $n=1$ : la somme vaut $1$ et $\dfrac{1\times 2\times 3}{6}=1$.

Hérédité. Soit $n\geq 1$ fixé, on suppose la formule vraie au rang $n$. Le but est $\sum_{k=1}^{n+1}k^2=\dfrac{(n+1)(n+2)(2n+3)}{6}$. $$\begin{aligned}\sum_{k=1}^{n+1}k^2&=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}+(n+1)^2\\&=\frac{(n+1)\left[n(2n+1)+6(n+1)\right]}{6}\\&=\frac{(n+1)(2n^2+7n+6)}{6}.\end{aligned}$$ Or $(n+2)(2n+3)=2n^2+3n+4n+6=2n^2+7n+6$. Donc $\sum_{k=1}^{n+1}k^2=\dfrac{(n+1)(n+2)(2n+3)}{6}$.

Conclusion. La formule est vraie pour tout $n\geq 1$.

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Raisonnement par récurrence : Somme des premiers entiers