Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une drôle de somme

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Solution by the-other-sunny · FR

On note pip_{i} le ii-ème nombre premier.
On remarque que f(pi)pi−1=1pif(pi)1−1pi=1pif(pi−1)\displaystyle \frac{f(p_{i})}{p_{i} - 1} = \frac{1}{p_{i}} \frac{f(p_{i})}{1 - \frac{1}{p_{i}}} = \frac{1}{p_{i}} f(p_{i-1}).
De cette même relation découle:
f(pi)pi−1=f(pi−1)pi  ⟺  pif(pi)=(pi−1)f(pi−1)  ⟺  f(pi−1)pi=f(pi−1)−f(pi)  ⟺  f(pi)pi−1=f(pi−1)−f(pi)\begin{align} \displaystyle \frac{f(p_{i})}{p_{i} - 1} = \frac{f(p_{i-1})}{p_{i}} &\iff p_{i }f(p_{i}) = (p_{i} - 1) f(p_{i-1}) \\ &\iff \frac{f(p_{i-1})}{p_{i}} = f(p_{i-1}) - f(p_{i}) \\ &\iff \frac{f(p_{i})}{p_{i} - 1} = f(p_{i-1}) - f(p_{i}) \end{align}Il s’en suit par téléscopage que ∑i=1nf(pi)pi−1=1−f(pn)\displaystyle \sum_{i=1}^{n} \frac{f(p_{i})}{p_{i} - 1} = 1 - f(p_{n}).

Il nous reste à montrer que f(pn)→0f(p_{n}) \to 0. Pour cela je vais utiliser sans la redémontrer la divergence de la série ∑i1pi\displaystyle \sum_{i} \frac{1}{p_{i}}.
On a log⁡f(pn)=∑i=1nlog⁡(1−1pi)\displaystyle \log f(p_{n}) = \sum_{i = 1}^{n} \log\left(1 - \frac{1}{p_{i}}\right). Or log⁡(1−1pi)∼−1pi\displaystyle \log\left(1 - \frac{1}{p_{i}} \right) \sim -\frac{1}{p_{i}} , le théorème sommation des relations de comparaison permet d’affirmer que log⁡f(pn)∼−∑i=1n1pi→−∞\displaystyle \log f(p_{n}) \sim -\sum_{i = 1}^{n} \frac{1}{p_{i}} \to -\infty et par conséquent f(pn)→0f(p_{n}) \to 0.

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