I — Une puissance à observer
- On calcule successivement
(1+i)2=1+2i+i2=2i,
puis
(1+i)3=2i(1+i)=−2+2i,
et
(1+i)4=(−2+2i)(1+i)=−4.
Cette dernière égalité permet d'obtenir
(1+i)5(1+i)6(1+i)7(1+i)8=−4(1+i)=−4−4i,=−4(1+i)2=−8i,=−4(1+i)3=8−8i,=−4(1+i)4=16.
Les quatre nouvelles valeurs sont donc obtenues en multipliant les quatre précédentes par −4. On conjecture
(1+i)n+4=−4(1+i)n.
- Pour tout n∈N,
(1+i)n+4=(1+i)n(1+i)4=−4(1+i)n.
Si n=4q+r avec r∈{0,1,2,3}, alors
(1+i)n=((1+i)4)q(1+i)r=(−4)q(1+i)r.
On obtient alors :
(1+i)n=(−4)q,An=(−4)q,Bn=0;
(1+i)n=(−4)q(1+i),An=Bn=(−4)q;
(1+i)n=2i(−4)q,An=0,Bn=2(−4)q;
(1+i)n=(−2+2i)(−4)q,An=−2(−4)q,Bn=2(−4)q.
II — La même puissance, autrement
- La formule du binôme de Newton donne
(1+i)n=k=0∑n(kn)ik.
Pour j∈N,
i2j=(i2)j=(−1)j,i2j+1=i(i2)j=i(−1)j.
Les termes d'indice pair forment donc la partie réelle
(0n)−(2n)+(4n)−(6n)+⋯=Sn,
et les termes d'indice impair forment la partie imaginaire
i((1n)−(3n)+(5n)−(7n)+⋯)=iTn.
Ainsi
(1+i)n=Sn+iTn.
Comme (1+i)n=An+iBn, l'égalité de deux nombres complexes donne
An=Sn,Bn=Tn.
Pour n=0, cela reste vrai puisque S0=1 et T0=0.
- En combinant les questions 2 et 3,
S4q=(−4)q,T4q=0,
S4q+1=(−4)q,T4q+1=(−4)q,
S4q+2=0,T4q+2=2(−4)q,
S4q+3=−2(−4)q,T4q+3=2(−4)q.
III — Deux sommes, une seule identité
- À partir de
(1+i)n+1=(1+i)(An+iBn),
on obtient
(1+i)n+1=(An−Bn)+i(An+Bn).
Par identification des parties réelle et imaginaire,
An+1=An−Bn,Bn+1=An+Bn.
D'où
Cn+1=An+12+Bn+12=(An−Bn)2+(An+Bn)2=2(An2+Bn2)=2Cn.
La suite (Cn) est donc géométrique de raison 2. Comme
C0=A02+B02=1,
on a, pour tout n∈N,
An2+Bn2=2n.
Avec An=Sn et Bn=Tn, cela devient
Sn2+Tn2=2n.
IV — Ce que comptent ces sommes
(a) Pour chaque k∈{0,…,n}, le coefficient (kn) est le nombre de parties de E ayant exactement k éléments. Ainsi,
N0=(0n)+(4n)+(8n)+⋯,N2=(2n)+(6n)+(10n)+⋯.
En soustrayant,
Sn=N0−N2.
De même,
Tn=N1−N3.
(b) Fixons x∈E. Toute partie F ne contenant pas x est appariée avec F∪{x}. Ces deux parties ont des cardinaux consécutifs : l'une est paire et l'autre impaire. Réciproquement, chaque partie de E appartient à une unique paire de cette forme.
Il y a autant de telles paires que de parties de E∖{x}, soit 2n−1. Chaque paire contient exactement une partie de cardinal pair et une de cardinal impair. Donc
N0+N2=N1+N3=2n−1.
(c) On dispose des deux systèmes
N0+N2=2n−1,N0−N2=Sn,
et
N1+N3=2n−1,N1−N3=Tn.
En les résolvant,
N0=2n−2+2Sn,N2=2n−2−2Sn,
N1=2n−2+2Tn,N3=2n−2−2Tn.
(d) Puisque Sn=N0−N2 et Tn=N1−N3, l'identité de la question 5 devient
(N0−N2)2+(N1−N3)2=N0+N1+N2+N3.
Le membre de droite est le nombre total de parties de E, donc 2n.
Les deux différences du membre de gauche mesurent deux déséquilibres : le premier entre les parties dont le cardinal est de la forme 4q et celles dont le cardinal est de la forme 4q+2 ; le second entre les parties de cardinal 4q+1 et celles de cardinal 4q+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,−i des puissances de i.
V — Un ensemble de 1000 éléments
(a) Comme
1000=4×250,
la question 4 donne
Σ=S1000=(−4)250=4250=2500,
donc
Σ=2500.
Cette somme comporte 501 coefficients binomiaux, mais aucun n'a été calculé individuellement.
Toujours parce que 1000=4×250,
Θ=T1000=0,
donc
Θ=0.
(b) Pour un ensemble à 1000 éléments, les formules de la question 6 donnent
N0N2N1N3=2998+22500=2998+2499,=2998−22500=2998−2499,=2998+20=2998,=2998−20=2998.
Ainsi,
N0=2998+2499,N1=2998,
N2=2998−2499,N3=2998.
En particulier, parmi les 21000 parties d'un ensemble à 1000 éléments, exactement
2998+2499
ont un cardinal divisible par 4.