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Exercices sur les coefficients binomiaux - 01 - Math-OS

Neuf exercices de difficulté graduée sur les coefficients binomiaux (fiche n° 1)

  • Comment calculer le coefficient binomial ?

    Le coefficient binomial s'écrit (nk) ou Ckn C n k se lit k parmi n et est défini par la formule (nk)=nk (n?k) ( n k ) = n k ( n ? k )
  • Quand utiliser le coefficient binomial ?

    Le coefficient binomial est très utilisé en probabilité, et permet notamment de résoudre des problèmes sans faire d'arbre pondéré (qui peuvent atteindre des tailles très grandes). Le coefficient binomial est défini comme le nombre de chemins conduisant à k succès.
  • Comment se servir du triangle de Pascal ?

    sur les faces du tétra?re, chaque nombre d'une ligne est la somme des deux nombres directement au-dessus de lui – autrement dit, chaque face du tétra?re (autre que la base) est un triangle de Pascal; chaque nombre à l'intérieur du tétra?re est la somme des trois nombres directement au-dessus de lui.
  • {(n-k)} A n k = n ( n ? k ) représente les arrangements ordonnés de k éléments parmi un ensemble de n éléments.

Lycée Pierre de Fermat2021/2020

MPSI 1TD

Manipulation des coefficients binômiaux

1 Formule du binôme de Newton

?Exercice1.1.Calculer les quantités suivantes : n k=0(⎷

2)n-k?n

k? ,2n?k=0(-3)k?2n k? ,2n?k=0(-3)n-k?2n k? ,2n? k=0(-3)2n-k?2n k? ,2n?k=03 n-2k?2n k? ?Exercice1.2.

1. (a) Soitn?N?. Montrer que, pour toutk?[[1,n]],?n

k? =n k? n-1 k-1? (b) En déduire les égalités suivantes, pour toutn?N?, n k=0k?n k? =n2n-1,sin?2,n? k=0(-1)kk?n k? = 0.

2. En considérant la fonctionf(x) = (1+x)n, en la développant par la formule du binôme, en dérivant, puis

en l"évaluant pour des valeurs particulières dex, retrouver les deux expressions obtenues dans la question

précédente.

3. Établir les égalités suivantes, pour toutn?N?,

n k=0k?n k? =n2n-1,sin?2,n?k=0(-1)kk?n k? = 0, sin?2,n? k=0 k≡0[2]k?n k? =n2n-2,n? k=0 k≡1[2]k?n k? =n2n-2.

4. En déduire la somme

n?k=0(-1)k(n-k)?n k?

?Exercice1.3.En adaptant la méthode de l"exercice précédent consistant àconsidérer la fonctionf(x) =

(1 +x)n, montrer que n k=01 k+ 1? n k? =2n+1-1n+ 1etn? k=0(-1)kk+ 1? n k? =1n+ 1. ?Exercice1.4.Soitx?R.

1. Calculer :

n?k=0? n k? cos(kx) etn?k=0? n k? sin(kx).

2. En déduire

n? k=0k?n k? sin(kx) etn? k=0? n k? cos

2(kx).

2 Sélection des termes d"une somme de coefficients binomiaux

?Exercice2.1.

1. Calculer, pour toutn?N?, les quantités suivantes :

I n=? n-1

2??k=0(-1)k?n

2k+ 1?

etRn=? n2?? k=0(-1)k?n 2k?

2. Démontrer queR2n+I2n= 2n.

1 ?Exercice2.2.Calculer, pourn?N, les sommes qui suivent : n k=0 k≡0[3]? n k? ,n? k=0 k≡1[3]? n k? ,n? k=0 k≡2[3]? n k? ?Exercice2.3.Démontrer la relation : ?n?N?,? n 2?? k=0(-1)k3k?n 2k?

0?2k?n(-1)k3k?n

2k? = 2 ncos?nπ 3?

3 Relations combinatoires

?Exercice3.1.Démontrer, pour tout (n, p, q)?N3,n?p,n?q, n k=0? p k?? q n-k? =?p+q n?

Comment cette propriété s"illustre-t-elle sur le trianglede Pascal? en déduire une expression simple pour

n k=0? n k? 2 ?Exercice3.2.Démontrer, pour tout (n, p)?N2tels que 0?p?n, p k=0? n k?? n-k p-k? = 2 p?n p? ?Exercice3.3.Démontrer, de plusieurs manières, pour tout (n, p)?N2tel que 0?n?p, p k=n? k n? =?p+ 1 n+ 1? et interpréter cette relation sur le triangle de Pascal.

4 Estimations des coefficients binomiaux

?Exercice4.1.Démontrer par récurrence les inégalités suivantes, pour toutn?N?, 1) 4n

2n??2n

n? ?4n22)4n2⎷n??2n n? ?4nn13

5 Identités impliquant des coefficients binomiaux

?Exercice5.1.

1. Soientn?N?, (x1, x2,···xn)?Rn, montrer que

x

1+ (1-x1)x2+···+ (1-x1)(1-x2)···(1-xn-1)xn+ (1-x1)(1-x2)···(1-xn-1)(1-xn) = 1.

2. En déduire que, pour toutn?N?,n?k=1kk!

nk? n k? =n. ?Exercice5.2.Montrer l"identité : ?n?N?,n? k=1(-1)k+1 k? n k? =n? k=11k. 2

Correction des exercices

?Corrigé de l"exercice 1.1 •n?k=0(⎷2)n-k?n k? =n?k=0(⎷2)n-k?n k? 1 k×(⎷2)n-k= (1 +⎷2)n.

2n?k=0(-3)k?2n

k? =2n?k=0? 2n k? (-3)k×12n-k= (-3 + 1)2n= 4n.

2n?k=0(-3)n-k?2n

k? =1 (-3)n2n? k=0? 2n k? 1 k×(-3)2n-k=(1-3)2n(-3)n=? -43? n ou bien

2n?k=0(-3)n-k?2n

k? = (-3)n2n?k=0? 2n k?? -1 3? k

×12n-k= (-3)n?

1-13? 2n -43? n

2n?k=0(-3)2n-k?2n

k? =2n?k=0? 2n k? 1 k×(-3)2n-k= (1-3)2n= 4n ou bien

2n?k=0(-3)2n-k?2n

k? = (-3)2n2n?k=0? 2n k?? -1 3? k

×12n-k= (-3)2n(-13+ 1)2n= 4n.

2n?k=03

n-2k?2n k? =1

33n2n?

k=0? 2n k? 1 k×34n-2k=133n2n?k=0? 2n k? 1 k×92n-k=(1 + 9)2n27n=?10027? n ou bien

2n?k=03

n-2k?2n k? = 3 n2n? k=0? 2n k?? 1 9? k

×12n-k= 3n×?19+ 1?

2n =?10027? n ou bien

2n?k=03

n-2k?2n k? =1 3n2n? k=0? 2n k?? 13? k

×32n-k=13n×?13+ 3?

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