Somme des \(n\) premiers entiers
L’anecdote est célèbre dans le milieu des mathématiques. Alors que le jeune Carl Friedrich Gauss avait neuf ans, sont maître d’école demanda à toute la classe d’additionner les nombres de 1 à 100. Nous ne nous étendrons pas sur les méthodes pédagogiques en vigueur dans le Saint Empire romain germanique en 1786 mais cet instituteur, nommé Büttner, avait certainement envie de se reposer sur ses heures de classe. Bref. Il n’aurait fallu que quelques secondes à Gauss pour donner la réponse, soit 5 050.
Il existe plusieurs techniques pour parvenir au résultat et nous ne savons pas laquelle a été utilisée par le jeune génie.
Le contenu de cette page est du niveau d'une première générale.
Suite arithmétique
La suite \((u_n)\) des premiers entiers naturels est une suite arithmétique de premier terme \(u_0 = 0\) (ou \(u_1 = 1,\) cela ne change rien à notre affaire) et de raison \(r = 1.\)
Soit \(S_n\) la somme de ces entiers : \(S_n\) \(= 0 + 1 + 2 + … + n\)
Il faut l’exprimer en fonction de \(n.\) La formule est \(S_n = \frac{n(n + 1)}{2}.\)
Elle est démontrée en page de démonstrations sur les suites.
Donc, si l’on doit additionner les entiers de 1 à 100, on obtient \(100 × 101,\) c’est-à-dire 10 100, que l’on divise par 2, soit 5 050.
Série
Le terme de série n’est pas aux programmes du secondaire. Il s’agit d’une suite de sommes de premiers termes d’une suite.
En l’occurrence, nous obtenons \(S_0 = 0,\) \(S_1 = 1,\) \(S_2 = 3,\) \(S_3 = 6,\) \(S_4 = 10,\) etc.
Obtenir la liste des premiers termes de cette série est ce que l’on peut faire de plus simple avec un tableur.
| un | Sn |
| 0 | 0 |
| 1 | 1 |
| 2 | 3 |
| 3 | 6 |
| 4 | 10 |
| 5 | 15 |
| 6 | 21 |
| 7 | 28 |
| 8 | 36 |
| 9 | 45 |
| 10 | 55 |
| 11 | 66 |
| 12 | 78 |
| 13 | 91 |
| 14 | 105 |
| 15 | 120 |
Nombres triangulaires
De même qu'il existe des nombres carrés (1, 4, 9, 16, 25...) il en existe des triangulaires. Ils ne figurent pas au programme de première mais un peu de culture mathématique ne peut pas faire de mal.
Si vous disposez des billes de façon à obtenir un triangle équilatéral, il vous faudra toujours un nombre de billes donné par \(S_n.\) Ceci est parfaitement logique puisque chaque étage du triangle possède une bille de plus que l’étage supérieur.
Ci-dessous sont illustrés les trois premiers triangles. Pour le premier, \(u_1 = 1\) et \(S_1 = 1.\) Le deuxième : \(u_2 = 2\) et \(S_2 = 3.\) Le troisième : \(u_3 = 3\) et \(S_3 = 6.\)
\(S_n\) est donc la suite des nombres triangulaires.
Par exemple, pour \(u_n = 7,\) \(S_n = 28.\)
Note : un nombre triangulaire ne se termine jamais par 2, 4, 7 ou 9.
Les nombres triangulaires sont tout simplement ceux de la série reprise plus haut dans le tableau. Par exemple, le quinzième nombre triangualire est 120.
Carrés
Poursuivons dans la visualisation mais pour des raisons pratiques nous remplacerons les billes par une mosaïque.
Si à chaque \(S_n\) nous ajoutons \(S_{n-1}\) que remarquons-nous ?
Eh oui ! Des carrés ! \(S_{n-1} + S_n = u_n^2\) !
Nous pouvons l’illustrer avec le tableur.
| un | Sn | Sn-1 + Sn = un² |
| 0 | 0 | |
| 1 | 1 | 1 |
| 2 | 3 | 4 |
| 3 | 6 | 9 |
| 4 | 10 | 16 |
| 5 | 15 | 25 |
| 6 | 21 | 36 |
| 7 | 28 | 49 |
| 8 | 36 | 64 |
| 9 | 45 | 81 |
| 10 | 55 | 100 |
| 11 | 66 | 121 |
| 12 | 78 | 144 |
| 13 | 91 | 169 |
| 14 | 105 | 196 |
| 15 | 120 | 225 |
Démonstration en page de nombres polygonaux.
Si avec ça vous ne trouvez pas que les maths c’est génial…
