Ivan Shishkin, Rye (1878)

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L’imposteur en or

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Solution by darktoaster · FR

Question 1

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Hyperfactorielles et superfactorielles

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On appelle pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} la superfactorielle de nn le nombre ∏k=0nk!\prod_{k = 0}^{n} k! et l’hyperfactorielle de n le nombre ∏k=0nkk\prod_{k = 0}^{n} k^{k} \newline

Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^{*}
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∏k=0n(nk)=∏k=0nn!k!(n−k)!=∏k=0nn!∏k=0nk!∏k=0n(n−k)!=(n!)n+1(∏k=0nk!)2\prod_{k = 0}^{n} \binom{n}{k} = \prod_{k = 0}^{n} \frac{n!}{k! (n-k)!} = \frac{\prod_{k = 0}^{n} n!}{\prod_{k = 0}^{n} k! \prod_{k = 0}^{n} (n-k)!} = \frac{(n!)^{n+1}}{(\prod_{k = 0}^{n} k!)^{2}}

∏k=0nk!=∏k=1nk!=∏k=1n∏j=1kj=∏j=1n∏k=jnj=∏j=1njn−j−1=∏k=1nkn+1kk=(n!)n+1∏k=1nkk\prod_{k = 0}^{n} k! = \prod_{k = 1}^{n} k! = \prod_{k = 1}^{n} \prod_{j = 1}^{k} j = \prod_{j = 1}^{n} \prod_{k = j}^{n} j = \prod_{j = 1}^{n} j^{n - j - 1} = \prod_{k = 1}^{n} \frac{k^{n+1}}{k^{k}} = \frac{(n!)^{n+1}}{\prod_{k = 1}^{n} k^k}

En passant en quotient :
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∏k=1n(nk)∏k=1nk!=∏k=1nkk(∏k=1nk!)2\frac{\prod_{k = 1}^{n} \binom{n}{k}}{\prod_{k = 1}^{n} k!} = \frac{\prod_{k = 1}^{n} k^{k}}{(\prod_{k = 1}^{n} k!)^{2}} et donc ∏k=1n(nk)=∏k=1nkk∏k=1nk!\prod_{k = 1}^{n} \binom{n}{k} = \frac{\prod_{k = 1}^{n} k^{k}}{\prod_{k = 1}^{n} k!}
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Equivalent de la moyenne géométrique via Stirling

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La formule de Stirling nous dit que n! ∼n→+∞ (ne)n2πnn! ~ \mathop{\sim}_{n \to +\infty} ~ (\frac n e )^{n} \sqrt{2 \pi n}
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On a la propriété suivante concernant les équivalents d’exponentielles :
Soient (un)n∈N,(vn)n∈N∈CN(u_{n})_{n \in \mathbb{N}}, (v_{n})_{n \in \mathbb{N}} \in \mathbb{C}^{\mathbb{N}} . On a l’équivalence suivante :
eun ∼n→+∞ evn⇔un=vn+o(1)e^{u_{n}} ~ \mathop{\sim}_{n \to +\infty} ~ e^{v_{n}} \Leftrightarrow u_{n} = v_{n} + o(1)
(En effet : eun ∼n→+∞ evn⇔eunevn→1⇔eun−vn→1⇔un−vn→0⇔un=vn+o(1)e^{u_{n}} ~ \mathop{\sim}_{n \to +\infty} ~ e^{v_{n}} \Leftrightarrow \frac{e^{u_{n}}}{e^{v_{n}}} \to 1 \Leftrightarrow e^{u_{n} - v_{n}} \to 1 \Leftrightarrow u_{n} - v_{n } \to 0 \Leftrightarrow u_{n} = v_{n} + o(1))
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Via cette propriété, on a : ln⁡(n!)=nln⁡(n)−n+12ln⁡(n)+12ln⁡(2π)+o(1)\ln (n!) = n \ln(n) - n + \frac 1 2 \ln(n) + \frac 1 2 \ln (2\pi) + o(1)
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(Remarque : c’est ce développement asymptotique qui nous permet de montrer l’équivalent de Stirling, et ce développement est obtenu en étudiant la différence ∑k=1nln⁡(k)−∫1nln⁡(t)dt\sum_{k=1}^{n} \ln(k) - \int_{1}^{n} \ln(t) dt et grâce aux intégrales de Walis )
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Par le théorème de sommation dans les relations asymptotiques (ou bien le lemme de Cesàro qui est un cas particulier) :
1n∑k=1nln⁡(k!)=1n∑k=1n(kln⁡(k)−k+12ln⁡(k)+12ln⁡(2π))+o(1)\frac 1 n \sum_{k=1}^{n} \ln(k!) = \frac 1 n \sum_{k=1}^{n} (k \ln(k) - k + \frac 1 2 \ln(k) + \frac 1 2 \ln (2\pi)) + o(1)

On simplifie en utilisant ∑k=1nln⁡(k)=ln⁡(∏k=1nk)=ln⁡(n!)\sum_{k=1}^{n} \ln(k) = \ln (\prod_{k=1}^{n} k) = \ln(n!) , ∑k=1n1=n\sum_{k=1}^{n} 1 = n et ∑k=1nk=n(n+1)2\sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}
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1n∑k=1nln⁡(k!)=1n∑k=1nkln⁡(k)−n+12+12ln⁡(n!)n+12ln⁡(2π)+o(1)\frac 1 n \sum_{k=1}^{n} \ln(k!) = \frac 1 n \sum_{k=1}^{n} k \ln(k) - \frac{n + 1}{2} + \frac 1 2 \frac {\ln(n!)}{n} + \frac 1 2 \ln (2\pi) + o(1)

Par les propriétés du logarithme, on reconnait les hyperfactorielles et superfactorielles qui vont ensuite nous servir à exprimer un équivalent de (Ln)(L_{n}) :
ln⁡((∏k=1nk!)1n)=ln⁡((∏k=1nkk)1n)−n+12+ln⁡((n!)12n)+12ln⁡(2π)+o(1)\ln( (\prod_{k=1}^{n} k!)^{\frac 1 n} ) = \ln( (\prod_{k=1}^{n} k^k)^{\frac 1 n} ) - \frac{n + 1}{2} + {\ln((n!) ^{\frac 1 {2n}})} + \frac 1 2 \ln (2\pi) + o(1)

On réutilise encore la propriété des équivalents d’exponentielles, ainsi :

(∏k=1nk!)1n∼(∏k=1nkk)1ne−n+12(n!)12n2π(\prod_{k=1}^{n} k!)^{\frac 1 n} \sim (\prod_{k=1}^{n} k^k)^{\frac 1 n} e^{ - \frac{n + 1}{2}} (n!) ^{\frac 1 {2n}} \sqrt{2\pi}

On simplifie :
(n!)12n=e12nln⁡(n!)=e12ln⁡(n)−12+o(1)∼e12ln⁡(n)−12=ne(n!)^{\frac 1 {2n}} = e^{\frac 1 {2n} \ln(n!)} = e^{\frac 1 2 \ln(n) - \frac 1 2 + o(1)} \sim e^{\frac 1 2 \ln(n) - \frac 1 2 } = \sqrt{\frac n e}

(∏k=1nk!)1n∼(∏k=1nkk)1ne−n22πne(\prod_{k=1}^{n} k!)^{\frac 1 n} \sim (\prod_{k=1}^{n} k^k)^{\frac 1 n} e^{ - \frac{n }{2}} \frac{ \sqrt{2\pi n} }{e}

Nous avons maintenant l’équivalent de la moyenne géométrique (Ln)(L_{n}) :
Ln∼e2πennL_{n} \sim \frac {e}{\sqrt{2 \pi}} \sqrt{\frac {e^{n}}{n}}

Calcul de la limite du ratio

Ln+1Ln∼en+1n+1nen∼e\frac{L_{n+1}}{L_{n}} \sim \sqrt{\frac{e^{n+1}}{n+1}} \sqrt \frac {n}{e^{n}} \sim \sqrt e

La limite du ratio est e\sqrt{e}

Question 2

Nous avons montré à la question précédente que ce rapport valait e\sqrt{e}, soit approximativement 1.64871.6487. Or le célèbre nombre d’or ϕ=1+52\phi = \frac{1 + \sqrt{5}}{2} vaut approximativement 1.6181.618. Deux nombres ayant la même valeur au dixième près.
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Mieux encore, on peut aussi faire apparaitre le nombre d’or à partir du triangle de Pascal.

Il est connu que le nombre d’or est lié à la suite de Fibonacci que l’on note (Fn)(F_{n}). On a en particulier lim⁡n→+∞Fn+1Fn=φ\lim\limits_{n \to +\infty} \frac{F_{n+1}}{F_{n}} = \varphi

La suite de Fibonacci est elle-même liée au triangle de Pascal. Nous pouvons montrer par récurrence double, via la série génératrice de la suite de Fibonacci ou bien par double comptage : ∀n∈N,Fn=∑k=0n−1(n−k−1k)\forall n \in \mathbb{N}, F_{n} = \sum_{k = 0}^{n-1} \binom{n-k-1}{k}.
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Cette relation est démontrée en détail à travers le problème suivant : Suite de Fibonacci et Triangle de Pascal

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