Exercice 01-08
Montrer par récurrence que pour tout entier \(n\geqslant 1\), \[ 1^2+2^2+3^2+4^2+\cdots +n^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\,. \] Ensuite, donner la valeur de la somme \(\displaystyle\sum_{k=0}^{1000}(k+1)(3k+2)\).
La méthode de preuve par récurrence est décrite ici. Avant de commencer, on pourra relire la preuve (donnée dans le cours) de la formule \[ 1+2+3+4+\cdots +n=\frac{n(n+1)}{2}\,. \]

... on pourra nommer les deux membres de l'identité, en posant \[\begin{aligned} a_n&:= 1^2+2^2+3^2+4^2+\cdots +n^2\,,\\ b_n&:=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\,. \end{aligned}\]

On a donc l'impression qu'effectivement, pour tout \(n\) donné, on peut vérifier que \(a_n=b_n\), par calcul explicite. Mais ceci ne garantit pas, a priori, qu'il n'existe pas un \(n\) (éventuellement très grand) pour lequel \(a_n\neq b_n\)... On peut donc essayer de donner une preuve par récurrence de l'affirmation ''\(a_n=b_n\), pour tout \(n\in \mathbb{N}\)''.

... on pourra développer \((k+1)(3k+2)\), et utiliser les formules pour \(\sum_{k=1}^n1\), \(\sum_{k=1}^nk\) et \(\sum_{k=1}^nk^2\).

Posons \[\begin{aligned} a_n&:= 1^2+2^2+3^2+4^2+\cdots +n^2\,,\\ b_n&:=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\,, \end{aligned}\] et considérons la propriété définie par \(\mathcal{P}(n)=\)''pour l'entier \(n\), on a \(a_n=b_n\)''.

On rappelle que pour \(n=1\), on a \(a_1=1\) et \(b_1=1\), donc \(a_1=b_1\). Donc \(\mathcal{P}(1)\) est vraie,

Ensuite, supposons que pour un \(n\) donné, \(\mathcal{P}(n)\) est vérifiée, c'est-à-dire que \[ a_n=b_n\,. \] Essayons de montrer que ceci implique que \(\mathcal{P}(n+1)\) est vraie aussi, c'est-à-dire que \(a_{n+1}\) est égal à \(b_{n+1}\). Remarquons pour commencer que \[\begin{aligned}&= \frac{(n+1)(n+1+1)(2(n+1)+1)}{6}\\ &=\frac{(n+1)(n+2)(2n+3)}{6}\,. \end{aligned}\] Puis, écrivons \[\begin{aligned} a_{n+1}&=1^2+2^2+3^2+4^2+\cdots+ n^2+(n+1)^2\\ &=a_n+(n+1)^2\,. \end{aligned}\] Mais, puisque l'on suppose que \(a_n=b_n\), ceci implique \[\begin{aligned} a_{n+1}=b_n+(n+1)^2&=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}+(n+1)^2\\ &=(n+1)\Bigl( \frac{n(2n+1)}{6}+(n+1) \Bigr)\\ &=(n+1)\frac{2n^2+7n+6}{6}\\ &=\frac{(n+1)(n+2)(2n+3)}{6}=b_{n+1} \end{aligned}\] On a donc bien montré que \(a_{n+1}=b_{n+1}\). Ceci implique que si \(\mathcal{P}(n)\) est vraie, alors \(\mathcal{P}(n+1)\) est vraie aussi.

En se rappelant que \(\mathcal{P}(1)\) est vraie, ceci implique que \(\mathcal{P}(n)\) est vraie pour tout \(n\geqslant 1\).

Pour finir, calculons \(\displaystyle\sum_{k=0}^{1000}(k+1)(3k+2)\). Avec le changement de variable \(k':= k+1\), \[\begin{aligned} \sum_{k=0}^{1000}(k+1)(3k+2) &=\sum_{k'=1}^{1001}k'(3k'-1)\\ &=3 \sum_{k'=1}^{1001}k'^{2}-\sum_{k'=1}^{1001}k' \\ &=3\dfrac{1001\cdot 1002\cdot 2003}{6}-\dfrac{1001\cdot 1002}{2}\\ &=\dfrac{1001\cdot 1002}{2}\,(2003-1) \\ &=1001^{2}\cdot 1002 =1\,004\,005\,002. \end{aligned}\]