Cours – Calcul algébrique

Chapitre 02

Auteur·rice

Saîd MAHARI

Date de publication

19 septembre 2026

ECS (1re année) — Chapitre 02. Sommes, produits, factorielles, coefficients binomiaux, binôme de Newton.

Ce chapitre a été réalisé conformément au programme marocain de mathématiques de la filière ECS.

1 Sommes et produits finis

1.1 Notation sigma

Définition 1.1 — (Somme finie)

Soient a_p, a_{p+1}, \ldots, a_n des nombres réels. On note : \sum_{k=p}^n a_k = a_p + a_{p+1} + \cdots + a_n

Proposition 1.1 — (Propriétés)

  1. Linéarité : \sum_{k=1}^n (\lambda a_k + \mu b_k) = \lambda \sum_{k=1}^n a_k + \mu \sum_{k=1}^n b_k.
  2. Relation de Chasles : \sum_{k=p}^n a_k = \sum_{k=p}^m a_k + \sum_{k=m+1}^n a_k.
  3. Somme d’une constante : \sum_{k=1}^n c = nc.

1.2 Sommes de référence

Proposition 1.2 — (Sommes usuelles)

Pour tout n \in \mathbb{N}^* :

  1. \displaystyle\sum_{k=1}^n k = \frac{n(n+1)}{2}
  2. \displaystyle\sum_{k=1}^n k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}
  3. \displaystyle\sum_{k=1}^n k^3 = \left(\frac{n(n+1)}{2}\right)^2
  4. \displaystyle\sum_{k=0}^n q^k = \frac{1 - q^{n+1}}{1 - q} si q \neq 1

Exemple 1.1 — (Somme télescopique)

Pour tout n \in \mathbb{N}^* : \sum_{k=1}^n \frac{1}{k(k+1)} = \sum_{k=1}^n \left(\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}\right) = 1 - \frac{1}{n+1}

1.3 Notation produit

Définition 1.2 — (Produit fini)

\prod_{k=p}^n a_k = a_p \times a_{p+1} \times \cdots \times a_n

1.4 Factorielles

Définition 1.3 — (Factorielle)

Pour n \in \mathbb{N} : n! = 1 \times 2 \times \cdots \times n, \qquad 0! = 1

Proposition 1.3

n! = n \times (n-1)! pour tout n \geq 1.

2 Coefficients binomiaux

2.1 Définition

Définition 2.1 — (Coefficient binomial)

Pour n, k \in \mathbb{N} avec 0 \leq k \leq n : \binom{n}{k} = \frac{n!}{k!(n-k)!}

Proposition 2.1 — (Propriétés fondamentales)

  1. \binom{n}{0} = \binom{n}{n} = 1.
  2. \binom{n}{1} = \binom{n}{n-1} = n.
  3. Symétrie : \binom{n}{k} = \binom{n}{n-k}.
  4. Formule de Pascal : \binom{n+1}{k} = \binom{n}{k} + \binom{n}{k-1}.

Proposition 2.2 — (Somme des coefficients binomiaux)

\sum_{k=0}^n \binom{n}{k} = 2^n

Exemple 2.1 — (Triangle de Pascal)

Le triangle de Pascal permet de calculer les coefficients binomiaux :

n \setminus k 0 1 2 3 4
0 1
1 1 1
2 1 2 1
3 1 3 3 1
4 1 4 6 4 1

3 Binôme de Newton

Théorème 3.1 — (Binôme de Newton)

Pour tout n \in \mathbb{N} et tous a, b \in \mathbb{R} : (a + b)^n = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} a^k b^{n-k}

Preuve. Par récurrence sur n.

Initialisation : pour n = 0 : (a+b)^0 = 1 = \binom{0}{0} a^0 b^0. ✓

Hérédité : supposons (a+b)^n = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} a^k b^{n-k}. Alors : (a+b)^{n+1} = (a+b)(a+b)^n = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} a^{k+1} b^{n-k} + \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} a^k b^{n-k+1}

En regroupant les termes de même degré et en utilisant la formule de Pascal : (a+b)^{n+1} = \sum_{k=0}^{n+1} \binom{n+1}{k} a^k b^{n+1-k}

Exemple 3.1

(a+b)^3 = a^3 + 3a^2b + 3ab^2 + b^3 (a+b)^4 = a^4 + 4a^3b + 6a^2b^2 + 4ab^3 + b^4

Exemple 3.2 — (Conséquences)

  • Avec a = b = 1 : 2^n = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k}.
  • Avec a = 1, b = -1 : 0 = \sum_{k=0}^n (-1)^k \binom{n}{k} pour n \geq 1.

4 Exercices

Exercice 4.1

Calculer :

  1. \displaystyle\sum_{k=1}^{100} k
  2. \displaystyle\sum_{k=1}^{50} (2k-1)
  3. \displaystyle\sum_{k=0}^{10} 3^k

Exercice 4.2

Calculer \displaystyle\sum_{k=1}^n \frac{1}{k(k+1)} et \displaystyle\sum_{k=1}^n \frac{1}{k(k+2)}.

Exercice 4.3

Calculer :

  1. \binom{10}{3}
  2. \displaystyle\sum_{k=0}^{10} \binom{10}{k}
  3. \displaystyle\sum_{k=0}^{10} (-1)^k \binom{10}{k}

Exercice 4.4

Développer (2x+1)^5 et (x-1)^4.

Exercice 4.5

Montrer par récurrence que \displaystyle\sum_{k=1}^n k^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}.

Exercice 4.6

Montrer la formule de Pascal par un argument combinatoire.

Exercice 4.7

Calculer \displaystyle\prod_{k=2}^n \left(1 - \frac{1}{k^2}\right) pour n \geq 2.

Exercice 4.8

Montrer que \displaystyle\sum_{k=0}^n \binom{n}{k}^2 = \binom{2n}{n}.

Document en PDF

📝 Chapitre 02 : Calcul algébrique

Voir TD

✍️ TD 02 : Calcul algébrique