2017-sept-france-metropolitaine-exo4

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France métrop olitaine/Réunion. Septembre 2017. Enseignement de
spécialité
EXERCICE 5 (5 points) (Candidats ayant suivi l’enseignementdespécialité)
Partie A
Dans l’espace rapporté à un repère orthonormé !O, −→ i,
−→j,
−→k",onconsidèrelespointsA(1 ; 5 ; 2),B(7 ; 1; 3)
et C(2; 7; 2) et on note Ple plan (ABC).
On cherche une équation cartésienne du plan Psous la forme : ax +by +cz =73,oùa,bet csont des nombres réels.
On note Xet Yles matrices colonnes : X=
a
b
c
et Y=
1
1
1
.
1) Montrer que Xrifie la relation : MX =73Y,oùMest la matrice M=
152
713
272
.
2) Soit Nla matrice : N=
19 4 13
86 17
47 17 36
.
Àlaidedunecalculatrice,onacalculélesproduitsM×Net N×M,etonaobtenulescopiesdécransuivantes:
Pour M×N:PourN×M:
Ans 123
173 0 0
2073 0
30073
Ans 123
173 0 0
2073 0
30073
Àlaidedecesinformations,justierquelamatriceMest inversible et exprimer sa matrice inverse M1en fonction
de la matrice N.
3) Montrer alors que : X=NY .
En déduire que le plan Padmet pour équation cartésienne : 10x+15y+6z=73.
Partie B
L’objectif de cette partie est l’étude des points à coordonnées entières du plan Payant pour équation cartésienne :
10x+15y+6z=73.
1) Soit M(x;y;z)un point appartenant au plan Pet au plan d’équation z=3.Onsupposequelescoordonnées
x,yet zappartiennent à l’ensemble Zdes entiers relatifs.
a) Montrer que les entiers xet ysont solutions de l’équation (E):2x+3y=11.
b) Justifier que le couple (7 ; 1) est une solution particulière de (E)puis résoudre l’équation (E)pour xet y
appartenant à Z.
c) Montrer qu’il existe exactement deux points appartenant au plan Pet au plan d’équation z=3et dont les
coordonnées appartiennent à l’ensemble Ndes entiers naturels.
Déterminer les coordonnées de ces deux points.
2) Dans cette question, on se propose de déterminer tous les points M(x;y;z)du plan Pdont les coordonnées sont
des entiers naturels.
Soient x,yet zdes entiers naturels tels que 10x+15y+6z=73.
a) Montrer que yest impair.
b) Montrer que : x1 [3].Onadmetque:z3 [5].
c) On pose alors : x=1+3p,y=1+2qet z=3+5r,oùp,qet rsont des entiers naturels.
Montrer que le point M(x;y;z)appartient au plan Psi et seulement si p+q+r=1.
d) En déduire qu’il existe exactement trois points du plan Pdont les coordonnées sont des entiers naturels.
Déterminer les coordonnées de ces points.
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EXERCICE 4 : corrigé
Partie A
1) On admet que les points A,Bet Cne sont pas alignés.
P=(ABC)
axA+byA+czA=73
axB+byB+czB=73
axC+byC+czC=73
a+5b2c=73
7ab+3c=73
2a+7b2c=73
152
713
272
a
b
c
=
73
73
73
MX =73Y.
2) Les résultats obtenus à la calculatrice fournissent MN =NM =73I3ou encore M(1
73N)=(1
73N)M=I3.
Donc, Mest inversible et M1=1
73N.
3) MX =73YM1MX =73M1YX=NY.Donc,
a
b
c
=
19 4 13
86 17
47 17 36
1
1
1
=
19 + 4 13
8+6+17
47 + 17 + 36
=
10
15
6
.
Ainsi, Pest nécessairement le plan d’équation 10x+15y+6z=73.Réciproquement,aprèsvéricationdelappartenance
des points A,Bet Càceplan,leplandéquation10x+15y+6z=73est eectivement le plan (ABC).
Partie B
1) a) Soit M(x, y, 3) un point du plan d’équation z=3àcoordonnéesentières.
MP10x+15y+6×3=7310x+15y=552x+3y=11.
b) 2×7+3×(1) = 14 3=11.Donc,lecouple(x0,y
0)=(7,1) est une solution particulière de l’équation (E).
Soit (x, y)un couple d’entiers relatifs.
2x+3y=112x+3y=2x0+3y02(xx0)=3(y0y)().
Si le couple (x, y)est un couple d’entiers relatifs solution de ().Alors,nécessairement3divise 2(xx0).Puisqueles
entiers 2et 3sont premiers entre eux (nombres premiers distincts), d’après le théorème de Gauss,3divise xx0et
donc il existe un entier relatif ktel que xx0=3kou encore x=x0+3k.
De même, l’entier 2divise y0yet donc il existe un entier ktel que y0y=2kou encore y=y02k.
Réciproquement, soient ket kdeux entiers relatifs puis x=x0+3ket y=y02k.
(x, y)solution de (E)2(xx0)=3(y0y)2×3k=3×2kk=k.
Les couples d’entiers relatifs solutions de (E)sont les couples de la forme (7 + 3k, 12k)kest un entier relatif.
c) Soit kun entier relatif. 7+3k!0k!7
3k!2et 12k!0⇔−1!2kk"1
2k"1.
En résumé, pour kentier relatif, 7+3ket 12ksont dans Nsi et seulement si 2"k"1.Cecifournitexactement
deux points, les points de coordonnées (1,3,3) et (4,1,3).
Il existe exactement deux points appartenant au plan Pet au plan d’équation z=3,dontlescoordonnéessontdes
entiers naturels : les points de coordonnées (1,3,3) et (4,1,3).
2) a) Soient x,yet ztrois entiers naturels.
10x+15y+6z=730×x+1×y+0×z1 [2] y1 [2] yimpair.
b) Soient x,yet ztrois entiers naturels. Puisque 10 = 3 ×3+1,15 = 3 ×5,6=3×2et 73 = 3 ×24 + 1,
10x+15y+6z=731×x+0×y+0×z1 [3] x1 [3].
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c)
MP10(1 + 3p)+15(1+2q)+6(3+5r)=7330p+30q+30r=30p+q+r=1.
d) Puisque p,qet rsont des entiers naturels, p+q+r=1équivaut à (p, q, r)=(1,0,0) ou (p, q, r)=(0,1,0) ou
(p, q, r)=(0,0,1).
Quand (p, q, r)=(1,0,0),onobtientlepointdecoordonnées(4,1,3),quand(p, q, r)=(0,1,0),onobtientlepointde
coordonnées (1,3,3) et quand (p, q, r)=(0,0,1),onobtientlepointdecoordonnées(1,1,8).
Il existe exactement trois points du plan Pdont les coordonnées sont des nombres entiers naturels : les points de
coordonnées respectives (4,1,3),(1,1,3) et (1,1,8).
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