Ivan Shishkin, Rye (1878)

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L’imposteur en or

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Solution by ferntree · FR

  1. Il est naturel d’utiliser les logarithmes car les nombres binomiaux sont des produits. On calcule d’abord
    ln⁡Ln=ln⁡((∏k=0n(nk))1/(n+1))=1n+1∑k=0nln⁡(n!k!(n−k)!)=nn+1ln⁡(n!)−2n+1∑k=1nln⁡(k!)=∑k=1nln⁡(k)−2n+1∑k=1n∑i=1kln⁡(i)=∑k=1n(2kn+1−1)ln⁡k.\begin{align*} \ln L_{n} &= \ln\left(\left(\prod_{k = 0}^{n} \binom{n}{k}\right)^{1/(n+1)}\right) \\ &= \frac{1}{n+1}\sum_{k = 0}^{n} \ln\left(\frac{n!}{k! (n-k)!}\right) \\ &= \frac{n}{n+1}\ln(n!) - \frac{2}{n+1}\sum_{k = 1}^{n} \ln(k!) \\ &= \sum_{k = 1}^{n} \ln(k) - \frac{2}{n+1}\sum_{k = 1}^{n} \sum_{i = 1}^{k} \ln(i) \\ &= \sum_{k = 1}^{n} \left(\frac{2 k}{n + 1} - 1\right) \ln k. \end{align*}Ceci permet d’écrire
    ln⁡(Ln+1Ln)=nn+2ln⁡(n+1)−2(n+1)(n+2)∑k=1nkln⁡k.\ln\left(\frac{L_{n+1}}{L_{n}}\right) = \frac{n}{n + 2} \ln(n+1) - \frac{2}{(n + 1) (n + 2)} \sum_{k = 1}^{n} k \ln k.On veut maintenant trouver un encadrement de ∑k=1nkln⁡k\sum_{k = 1}^{n} k \ln k. En utilisant une comparaison série-intégrale avec la fonction x↦xln⁡xx \mapsto x \ln x, qui est croissante sur [1,+∞)[1, +\infty), on obtient
    ∫1nxln⁡x dx≤∑k=1nkln⁡k≤∫1n+1xln⁡x dx.\int_{1}^{n} x \ln x \, \mathrm{d} x \leq \sum_{k = 1}^{n} k \ln k \leq \int_{1}^{n+1} x \ln x \, \mathrm{d} x.Une intégration par parties donne ∫xtln⁡t dt=12x2ln⁡x−14x2\int^{x} t \ln t \, \mathrm{d} t = \frac{1}{2} x^{2} \ln x - \frac{1}{4} x^{2}. En reportant cette expression dans les inégalités ci-dessus, puis dans l’expression de ln⁡(Ln+1/Ln)\ln(L_{n+1} / L_{n}), on obtient après simplification
    −ln⁡(n+1)n+2−12(n+1)≤ln⁡(Ln+1Ln)−12≤nln⁡(n+1)(n+1)(n+2)+n2ln⁡(1+1/n)(n+1)(n+2)−32(n+2).-\frac{\ln(n+1)}{n+2} - \frac{1}{2 (n+1)} \leq \ln\left(\frac{L_{n+1}}{L_{n}}\right) - \frac{1}{2} \leq \frac{n \ln(n+1)}{(n+1)(n+2)} + \frac{n^{2} \ln(1 + 1/n)}{(n+1)(n+2)} - \frac{3}{2 (n+2)}.Les deux bornes tendent vers zéro, donc ln⁡(Ln+1/Ln)\ln(L_{n+1} / L_{n}) tend vers 1/21/2. Ceci prouve que Ln+1/LnL_{n+1}/L_{n} tend vers e1/2e^{1/2}.

  2. La limite obtenue à la question précédente, e1/2≈1.649e^{1/2} \approx 1.649, est proche du nombre d’or ϕ=(1+5)/2≈1.618\phi = (1 + \sqrt{5}) / 2 \approx 1.618.

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