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Niveau Maths sup
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Somme k/4^k

Posté par
wsscr
11-11-15 à 11:53

Bonjour,
Je suis n'arrive pas à un exercice :
- ( de 1 à n ) k/4^k


La somme de k = somme usuelle
4^k= suite géométrique de raison 4

Sachant que je ne peut pas l'encadrer, faire un somme Riemann ....
Je dois donner la somme en fonction de n

Merci d'avance pour votre aide !

Posté par
verdurin
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 12:02

Bonjour,
il y a une astuce classique.
On considère la fonction f définie pour  x\in\left]-1;1\right[ par

f(x)=\sum_{k=0}^n x^k=\dfrac{1-x^{n+1}}{1-x}

et on calcule  xf'(x) de deux façons.

Posté par
wsscr
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 18:15

Merci de votre réponse.
Il s'agit bien d'une suite géométrique la formule que vous m'avez donné ?
Je ne comprend pas "on calcule xf '(x) de deux façon.
Il faut dériver ??
Merci

Posté par
blumaise
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 18:16

Oui, dériver f(x) en utilisant chacune des deux expressions données par verdurin.

Posté par
wsscr
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 18:38

Je ne comprend pas pourquoi dériver.
Surtout qu'en dérivant \dfrac{1-x^{n+1}}{1-x}
Je trouve \dfrac{-(n+1)x^{n}{1-x}-(1-x^{n+1})

Posté par
wsscr
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 18:41

Désolé pour la fraction j'arrive pas à trouver comment faire ...

Posté par
blumaise
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 18:43

La somme des kxk-1 est la dérivée de la somme des xk, donc elle est égale à la dérivée de (1-xn+1)/(1-x)

Il suffit ensuite d'appliquer à x=1/4.

Posté par
pommedeterre
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 19:24

on a fait une translation d'indice
on se retrouve avec somme des k/4^k+1/4^k  
donc on doit se débarrasser du somme des 1/4^k
on voudrait calculer cette somme pour k allant de 0 a n, comme ca on pourrait le soustraire a la fin
somme des 1/4^k=somme des (1/4)^k
= suite geometrique de raison 1/4
est ce bien ?

Posté par
etniopal
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 20:05

Si Sn = x + 2x² + 3x3 +....+ nxn  on a:
(1 - x)Sn = 1 + x + x² +...+ xn  - (n + 1)xn+1  donc
(1 - x)²Sn= 1 - xn+1 - (n + 1)(1 - x)xn+1

Posté par
verdurin
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 20:44

Un peu tard.
f(x)=\sum_{k=0}^n x^k
donc
f'(x)=\sum_{k=1}^n kx^{k-1}
et
xf'(x)=\sum_{k=1}^n kx^{k}
or , comme somme d'une suite géométrique,
f(x)=\dfrac{1-x^{n+1}}{1-x}
On a donc un formule close pour xf'(x).

Il ne reste plus qu'a remplacer x par 1/4.

Posté par
lafol Moderateur
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 22:03

Bonjour
autre méthode, sans utiliser de dérivée, qui rejoint ce que proposait pommedeterre :

si on pose S_n = \sum_{k=0}^n\dfrac{k}{4^k}=\sum_{k=1}^n\dfrac{k}{4^k}, alors
4S_{n} = \sum_{k=1}^{n}\dfrac{k}{4^{k-1}} 
 \\ = \sum_{p=0}^{n-1}\dfrac{p+1}{4^p} en posant p = k-1

du coup
4S_{n} = S_{n-1} + \sum_{p=0}^{n-1}\dfrac{1}{4^p}  
 \\ =  S_{n-1} + \dfrac{1-\frac{1}{4^n}}{1-\frac 14}
 \\ =  S_{n-1} + \dfrac{4-\frac{1}{4^{n-1}}}{3}

or S_n-S_{n-1} = \dfrac{n}{4^n}, donc en ôtant S_n des deux côtés à la dernière égalité :

3S_n =  \dfrac{-n}{4^n}+ \dfrac{4-\frac{1}{4^{n-1}}}{3}

et donc S_n = \dfrac{-n}{3\times 4^n}+ \dfrac{4-\frac{1}{4^{n-1}}}{3^2}

Posté par
wsscr
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 22:18

En fait c'est que je travail avec "pommedeterre" sur cet exo.
Du coup ce qu'on a fait ( ou bien ce qu'on a compris qu'il fallait faire ^^ ) :
On a dérivé x^k et 1-x^n+1/1-x
On a remplacé x par 1/4 dans les deux sommes
on  a donc obtenu par translation d'indice  : k+1/4^k  
puis on soustrait la somme de la suite géométrique de raison 1/4
puisque k+1/4^k = k/4^k + 1/4^k

Au final :
Sn = Dérivée de 1-x^n+1/1-x      -    somme de la suite géométrique ( 1/4^k)

Je préfère pas donner l'expression trouvée car elle n'est vraiment pas propre et fausse ( en comparant à la main, on ne trouve pas le bon résultat ) on va vérifier si il n'y a pas d'erreur de calcul. Sinon le raisonnement est juste ?

Merci encore pour votre aide!

Posté par
wsscr
re : Somme k/4^k 11-11-15 à 22:23

La version de verdurin si je comprend bien revient au lieu de soustraire la somme de la suite géométrique ( 1/4^k )  à multiplier par 1/4 ?
C'est peut être pour ça que notre résultat semble faux



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