Le téléscopage de termes d'une série numérique récurrente
Soit une suite numérique \( (a_n)_{n \in \mathbb{N}} \).
Lorsque l'on souhaite calculer la série \( \sum \bigl [a_{k+1} - a_k \bigr] \), il y aura un téléscopage de termes tel que :
$$ \sum_{k=0}^n \Bigl [a_{k+1} - a_k \Bigr] = a_{n+1} - a_{0} $$
Il ne restera plus que le le dernier moins le premier de la série.
Démonstration
On souhaite calculer la série \( \sum \bigl [a_{k+1} - a_k \bigr] \) de \( k = 0 \) jusque \( n \).
On aura,
$$ \sum_{k=n_0}^n \Bigl [a_{k+1} - a_k \Bigr] = a_{1} - a_{0} + a_{2} - a_{1} \hspace{0.2em} + \hspace{0.2em} ... \hspace{0.2em} + \hspace{0.2em} a_{n_{k}} - a_{n_{k-1}} + a_{n_{k+1}} - a_{n_{k}} $$
En arrageant l'expression, les termes vont s'annihiler un à un.
$$ \sum_{k=n_0}^n \Bigl [a_{k+1} - a_k \Bigr] = a_{k+1} + \underbrace{a_{k} - a_{k}} _\text{ \(= 0\)} + \underbrace{ a_{k-1} - a_{k-1}} _\text{ \(= 0\)} \hspace{0.2em} + \hspace{0.2em} ... \hspace{0.2em} + \underbrace{a_2 - a_2} _\text{ \(= 0\)} + \underbrace{a_1 - a_1} _\text{ \(= 0\)} - a_0 $$
Il ne restera plus que le le dernier moins le premier de la série. Soit finalement,
$$ \sum_{k=0}^n \Bigl [a_{k+1} - a_k \Bigr] = a_{n+1} - a_{0} $$
Exemple
Calculons la somme partielle la série suivante :
$$S_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k(k+1)}$$
Pour effectuer ce calcul, il faut d'abord effectuer une décomposition en éléments simples de cette fraction.
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Décomposition en éléments simples
Posons la fonction \(F(X) \) :
$$F(X) = \frac{1}{X(X+1)} \qquad (F(X))$$
Nous allons chercher les réels \( a \) et \(b\) tels que :
$$F(X) = \frac{a}{X} + \frac{b}{X+1}$$
En mettant au même dénominateur, on a :
$$F(X) = \frac{a(X+1) + b X}{X(X+1)} \qquad (\tilde{F}(X)) $$
L'idée est d'utiliser les deux formes \( (F(X)) \) et \( (\tilde{F}(X)) \) pour obtenir une équivalence et déterminer \( a \) et \(b\), on a :
$$F(X) X = \frac{1}{(X+1)} \qquad (F(X))$$
$$F(X) X = \frac{a(X+1) + b X}{(X+1)} \qquad (\tilde{F}(X)) $$
Alors,
$$ F(X) X = \frac{1}{(X+1)}= \frac{a(X+1) + b X}{(X+1)} $$
$$ F(X) X = \frac{1}{(X+1)}= a + \frac{ b X}{(X+1)} $$
En faisant \( (X = 0)\), on détermine \( a \) :
$$ \underset{(X=0)}{F(X)} X = \frac{1}{(X+1)}= a \Longrightarrow (a = 1) $$
On peut faire maintenant la même chose pour déterminer \(b\), en faisant \( (X = -1)\) il restera \( b \) :
$$ \underset{(X=-1)}{F(X)} (X+1) = \frac{1}{X}= b \Longrightarrow (b = - 1) $$
On alors notre couple de solutions :
$$ \Biggl \{ \begin{gather*}
a = 1 \\
b = -1 \end{gather*} $$
Alors, \(F(X) \) peut s'écrire :
$$F(X) = \frac{1}{X} - \frac{1}{X+1}$$
-
Calcul de la somme partielle de la série par téléscopage
Grâce à la décomposition en éléments simples :
$$F(X) = \frac{1}{X(X+1)} =\frac{1}{X} - \frac{1}{X+1}$$
Notre série :
$$S_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k(k+1)}$$
devient,
$$S_n = \sum_{k=0}^n \Biggl[ \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1} \Biggr]$$
On retire le signe \((-)\) pour avoir une suite de type \( \bigl [a_{k+1} - a_k \bigr] \).
$$S_n = -\sum_{k=1}^n \Biggl[ \frac{1}{k+1} -\frac{1}{k} \Biggr]$$
On pose :
$$ a_k = \frac{1}{k} $$
Pour avoir :
$$\sum_{k=1}^n \Biggl[ \frac{1}{k+1} -\frac{1}{k} \Biggr] = \sum_{k=0}^n \Bigl [a_{k+1} - a_k \Bigr]$$
Ensuite on applique :
$$\sum_{k=0}^n \Bigl [a_{k+1} - a_k \Bigr] = a_{n+1} - a_{0} $$
On peut maintenant effectuer le télescopage.
$$S_n = -\Biggl[ \frac{1}{n+1} -\frac{1}{1} \Biggr]$$
$$S_n = 1 -\frac{1}{n+1} $$
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