Série arithmétique

Série arithmétique

Suite arithmétique

En mathématique, une suite arithmétique est une suite définie sur \{n \in \mathbb N, n \geq n_0\} à valeurs dans un groupe additif E telle qu'il existe un élément \ r de \ E appelé raison pour lequel :

\forall n \geq n_0 \ \ \ u_{n+1} = u_n + r \,


En pratique E = \R ou \mathbb C. Mais on peut tout aussi bien rencontrer des suites arithmétiques à valeurs dans un espace vectoriel.

On dit alors que les termes \ u_n sont en « progression arithmétique ».


Exemple Si la raison \ r=2 et \ u_0=10 :

  • \ u_0=10
  • \ u_1=12
  • \ u_2=14
  • \vdots

Terme général

Si E est un groupe et si (u_n )_{n\in\mathbb N} est une suite arithmétique de E de raison r\in E alors, pour tout n\in\mathbb N :

u_n = u_0 + n.r \,

Plus généralement, si la suite est définie sur \{n \in \mathbb N, n \geq n_0\} et si n et p appartiennent à A alors :

u_n = u_p + (n - p).r \,

Une suite arithmétique est donc entièrement déterminée par la donnée de son premier terme u_{n_0} et par sa raison r.

Réciproquement, une suite définie sur \{n \in \mathbb N, n \geq n_0\} par

u_n = u_{n_0} + (n - n_0).r \,

est une suite arithmétique de raison r.

En analyse réelle ou complexe, la suite arithmétique est l'aspect discret de la fonction affine.

Sens de variation et convergence

Ce paragraphe concerne les suites arithmétiques à valeurs dans \R.

Si r > 0 la suite est croissante, si r < 0 la suite est décroissante et si r = 0 la suite est constante.

En général (si r est non nul), la suite arithmétique est divergente. Cependant elle admet une limite:

  • si r > 0 sa limite est + \infty
  • si r < 0 sa limite est - \infty.
  • Si la raison est nulle, la suite est constante et converge vers la constante.

Somme des termes

Si E = \R ou \mathbb C et si (u_n )_{n\in\mathbb N} est une suite arithmétique de E alors, pour tout n\in\mathbb N :

\sum_{0 \le p \le n}u_p={(n+1)\over 2}(u_0+u_n)

La légende veut que la méthode de calcul fut inventée par Carl Friedrich Gauss, élève dissipé qu'il s'agissait d'occuper et à qui l'on aurait confié la tâche de calculer la somme de tous les entiers de 1 à 100. En écrivant la somme deux fois, dans un ordre différent, il obtint :

S = 1 + 2 + 3 + .... + 98 + 99 + 100
S = 100 + 99 + 98 + ...+ 3 + 2 + 1

Puis, remarquant que 100 + 1 = 99 + 2 = 98 + 3 = ... = 101, il obtint facilement

2S = 100 × 101 donc S = 50 × 101.

Légende ou réalité, cette astuce est la méthode de démonstration pour calculer les somme des termes:

S = u0 + u1 + ... + un
S = un + un − 1 + ... + u0

Remarquant que up + un − p = u0 + un, il vient

2S = (n+1) \times (u_0+u_n)

Cette propriété s'applique pour calculer la somme des n premiers entiers

1 + 2 + 3 ... + n = \frac{n(n+1)}{2}

et se généralise à toute somme de termes consécutifs d'une suite arithmétique

u_p + u_{p+1} + ...+u_n = \frac{(n-p+1)(u_n + u_p)}{2}

Elle se généralise aussi à toute suite à valeurs dans un espace vectoriel sur un corps de caractéristique différente de 2

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