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Corrigé détaillé · Terminale · maths expertes

Des premières puissances complexes à de grandes sommes de coefficients binomiaux · Nombres complexes · Binôme de Newton · Dénombrement

Ce que cache (1+i)^n

Après avoir cherché le sujet, comparez votre démarche avec cette correction et repérez les écarts de méthode, de précision ou de rédaction.

I — Une puissance à observer

  1. On calcule successivement
(1+i)2=1+2i+i2=2i,(1+i)^2=1+2i+i^2=2i,

puis

(1+i)3=2i(1+i)=2+2i,(1+i)^3=2i(1+i)=-2+2i,

et

(1+i)4=(2+2i)(1+i)=4.(1+i)^4=(-2+2i)(1+i)=-4.

Cette dernière égalité permet d'obtenir

(1+i)5=4(1+i)=44i,(1+i)6=4(1+i)2=8i,(1+i)7=4(1+i)3=88i,(1+i)8=4(1+i)4=16.\begin{aligned} (1+i)^5&=-4(1+i)=-4-4i,\\ (1+i)^6&=-4(1+i)^2=-8i,\\ (1+i)^7&=-4(1+i)^3=8-8i,\\ (1+i)^8&=-4(1+i)^4=16. \end{aligned}

Les quatre nouvelles valeurs sont donc obtenues en multipliant les quatre précédentes par 4-4. On conjecture

(1+i)n+4=4(1+i)n.\boxed{(1+i)^{n+4}=-4(1+i)^n}.
  1. Pour tout nNn\in\mathbb N,
(1+i)n+4=(1+i)n(1+i)4=4(1+i)n.(1+i)^{n+4}=(1+i)^n(1+i)^4=-4(1+i)^n.

Si n=4q+rn=4q+r avec r{0,1,2,3}r\in\{0,1,2,3\}, alors

(1+i)n=((1+i)4)q(1+i)r=(4)q(1+i)r.(1+i)^n=\bigl((1+i)^4\bigr)^q(1+i)^r=(-4)^q(1+i)^r.

On obtient alors :

  • si n=4qn=4q,
(1+i)n=(4)q,An=(4)q,Bn=0;(1+i)^n=(-4)^q,\qquad A_n=(-4)^q,\qquad B_n=0 ;
  • si n=4q+1n=4q+1,
(1+i)n=(4)q(1+i),An=Bn=(4)q;(1+i)^n=(-4)^q(1+i),\qquad A_n=B_n=(-4)^q ;
  • si n=4q+2n=4q+2,
(1+i)n=2i(4)q,An=0,Bn=2(4)q;(1+i)^n=2i(-4)^q,\qquad A_n=0,\qquad B_n=2(-4)^q ;
  • si n=4q+3n=4q+3,
(1+i)n=(2+2i)(4)q,An=2(4)q,Bn=2(4)q.(1+i)^n=(-2+2i)(-4)^q,\qquad A_n=-2(-4)^q,\qquad B_n=2(-4)^q.

II — La même puissance, autrement

  1. La formule du binôme de Newton donne
(1+i)n=k=0n(nk)ik.(1+i)^n=\sum_{k=0}^{n}\binom nk i^k.

Pour jNj\in\mathbb N,

i2j=(i2)j=(1)j,i2j+1=i(i2)j=i(1)j.i^{2j}=(i^2)^j=(-1)^j, \qquad i^{2j+1}=i(i^2)^j=i(-1)^j.

Les termes d'indice pair forment donc la partie réelle

(n0)(n2)+(n4)(n6)+=Sn,\binom n0-\binom n2+\binom n4-\binom n6+\cdots=S_n,

et les termes d'indice impair forment la partie imaginaire

i((n1)(n3)+(n5)(n7)+)=iTn.i\left(\binom n1-\binom n3+\binom n5-\binom n7+\cdots\right)=iT_n.

Ainsi

(1+i)n=Sn+iTn.(1+i)^n=S_n+iT_n.

Comme (1+i)n=An+iBn(1+i)^n=A_n+iB_n, l'égalité de deux nombres complexes donne

An=Sn,Bn=Tn.\boxed{A_n=S_n,\qquad B_n=T_n}.

Pour n=0n=0, cela reste vrai puisque S0=1S_0=1 et T0=0T_0=0.

  1. En combinant les questions 2 et 3,
S4q=(4)q,T4q=0,\boxed{S_{4q}=(-4)^q,\qquad T_{4q}=0}, S4q+1=(4)q,T4q+1=(4)q,\boxed{S_{4q+1}=(-4)^q,\qquad T_{4q+1}=(-4)^q}, S4q+2=0,T4q+2=2(4)q,\boxed{S_{4q+2}=0,\qquad T_{4q+2}=2(-4)^q}, S4q+3=2(4)q,T4q+3=2(4)q.\boxed{S_{4q+3}=-2(-4)^q,\qquad T_{4q+3}=2(-4)^q}.

III — Deux sommes, une seule identité

  1. À partir de
(1+i)n+1=(1+i)(An+iBn),(1+i)^{n+1}=(1+i)(A_n+iB_n),

on obtient

(1+i)n+1=(AnBn)+i(An+Bn).\begin{aligned} (1+i)^{n+1} &=(A_n-B_n)+i(A_n+B_n). \end{aligned}

Par identification des parties réelle et imaginaire,

An+1=AnBn,Bn+1=An+Bn.A_{n+1}=A_n-B_n, \qquad B_{n+1}=A_n+B_n.

D'où

Cn+1=An+12+Bn+12=(AnBn)2+(An+Bn)2=2(An2+Bn2)=2Cn.\begin{aligned} C_{n+1} &=A_{n+1}^2+B_{n+1}^2\\ &=(A_n-B_n)^2+(A_n+B_n)^2\\ &=2(A_n^2+B_n^2)=2C_n. \end{aligned}

La suite (Cn)(C_n) est donc géométrique de raison 22. Comme

C0=A02+B02=1,C_0=A_0^2+B_0^2=1,

on a, pour tout nNn\in\mathbb N,

An2+Bn2=2n.\boxed{A_n^2+B_n^2=2^n}.

Avec An=SnA_n=S_n et Bn=TnB_n=T_n, cela devient

Sn2+Tn2=2n.\boxed{S_n^2+T_n^2=2^n}.

IV — Ce que comptent ces sommes

(a) Pour chaque k{0,,n}k\in\{0,\ldots,n\}, le coefficient (nk)\binom nk est le nombre de parties de EE ayant exactement kk éléments. Ainsi,

N0=(n0)+(n4)+(n8)+,N2=(n2)+(n6)+(n10)+.N_0=\binom n0+\binom n4+\binom n8+\cdots, \qquad N_2=\binom n2+\binom n6+\binom n{10}+\cdots.

En soustrayant,

Sn=N0N2.\boxed{S_n=N_0-N_2}.

De même,

Tn=N1N3.\boxed{T_n=N_1-N_3}.

(b) Fixons xEx\in E. Toute partie FF ne contenant pas xx est appariée avec F{x}F\cup\{x\}. Ces deux parties ont des cardinaux consécutifs : l'une est paire et l'autre impaire. Réciproquement, chaque partie de EE appartient à une unique paire de cette forme.

Il y a autant de telles paires que de parties de E{x}E\setminus\{x\}, soit 2n12^{n-1}. Chaque paire contient exactement une partie de cardinal pair et une de cardinal impair. Donc

N0+N2=N1+N3=2n1.\boxed{N_0+N_2=N_1+N_3=2^{n-1}}.

(c) On dispose des deux systèmes

N0+N2=2n1,N0N2=Sn,N_0+N_2=2^{n-1},\qquad N_0-N_2=S_n,

et

N1+N3=2n1,N1N3=Tn.N_1+N_3=2^{n-1},\qquad N_1-N_3=T_n.

En les résolvant,

N0=2n2+Sn2,N2=2n2Sn2,\boxed{N_0=2^{n-2}+\frac{S_n}{2}}, \qquad \boxed{N_2=2^{n-2}-\frac{S_n}{2}}, N1=2n2+Tn2,N3=2n2Tn2.\boxed{N_1=2^{n-2}+\frac{T_n}{2}}, \qquad \boxed{N_3=2^{n-2}-\frac{T_n}{2}}.

(d) Puisque Sn=N0N2S_n=N_0-N_2 et Tn=N1N3T_n=N_1-N_3, l'identité de la question 5 devient

(N0N2)2+(N1N3)2=N0+N1+N2+N3.\boxed{ (N_0-N_2)^2+(N_1-N_3)^2 =N_0+N_1+N_2+N_3.}

Le membre de droite est le nombre total de parties de EE, donc 2n2^n.

Les deux différences du membre de gauche mesurent deux déséquilibres : le premier entre les parties dont le cardinal est de la forme 4q4q et celles dont le cardinal est de la forme 4q+24q+2 ; le second entre les parties de cardinal 4q+14q+1 et celles de cardinal 4q+34q+3.

IDÉESous cette forme, l'identité est combinatoire, mais une preuve directe n'est pas évidente : le membre de gauche contient des différences puis des carrés, donc des annulations. Les nombres complexes encodent précisément ces annulations par le cycle 1,i,1,i1,i,-1,-i des puissances de ii.

V — Un ensemble de 1000 éléments

(a) Comme

1000=4×250,1000=4\times250,

la question 4 donne

Σ=S1000=(4)250=4250=2500,\Sigma=S_{1000}=(-4)^{250}=4^{250}=2^{500},

donc

Σ=2500.\boxed{\Sigma=2^{500}}.

Cette somme comporte 501501 coefficients binomiaux, mais aucun n'a été calculé individuellement.

Toujours parce que 1000=4×2501000=4\times250,

Θ=T1000=0,\Theta=T_{1000}=0,

donc

Θ=0.\boxed{\Theta=0}.

(b) Pour un ensemble à 10001000 éléments, les formules de la question 6 donnent

N0=2998+25002=2998+2499,N2=299825002=29982499,N1=2998+02=2998,N3=299802=2998.\begin{aligned} N_0&=2^{998}+\frac{2^{500}}2=2^{998}+2^{499},\\ N_2&=2^{998}-\frac{2^{500}}2=2^{998}-2^{499},\\ N_1&=2^{998}+\frac02=2^{998},\\ N_3&=2^{998}-\frac02=2^{998}. \end{aligned}

Ainsi,

N0=2998+2499,N1=2998,\boxed{N_0=2^{998}+2^{499}},\qquad \boxed{N_1=2^{998}}, N2=29982499,N3=2998.\boxed{N_2=2^{998}-2^{499}},\qquad \boxed{N_3=2^{998}}.

En particulier, parmi les 210002^{1000} parties d'un ensemble à 10001000 éléments, exactement

2998+2499\boxed{2^{998}+2^{499}}

ont un cardinal divisible par 44.