Exercices corrig´es, tome 01 : les ´enonc´es
Table des mati`eres :
1. Les bases du raisonnement, p.2.
2. R´evisions de calcul, p.2.
3. L’ensemble des nombres complexes : C, p.3.
4. L’ensemble des r´eels : R, p.4.
5. L’ensemble des nombres entiers naturels : N, p.5.
6. Les fonctions, p.5.
7. Limites et d´eveloppements limit´es, p.7.
1
1 Les bases du raisonnement
Exercice 1 (+) (ensembles, r´eunion, intersection)
Soient Eun ensemble et (A, B)P(E)2. Prouver que : A=BAB=AB .
Exercice 2 (+) (ensembles)
Soient Fet Gdeux parties d’un ensemble E. Montrer que : F=FGFG.
Exercice 3 (++) (ensembles)
Soient A, B, C trois parties d’un ensemble E. Montrer que (AB)(AC)(BC).
Exercice 4 (+++) (ensembles)
Si Aest une partie de Ron dit que :
-Aest s´epar´ee si : ε > 0,(x, y)A2, x 6=y⇒ |xy|> ε ;
-Aest trou´ee si : (x, y)A2, x 6=y]x, y[A6=;
-Aest condens´ee si An’est pas s´epar´ee ;
1. Traduire ces trois d´efinitions en fran¸cais et/ou ’en quantificateurs’ et donner pour chacune trois
exemples et trois contre-exemples.
2. Donner, en les jutifiant, les liens entre ces notions.
3. Dessiner F={3 + 1
n, n N}.Fest-il s´epar´e ? trou´e ? condens´e ?
4. Mˆemes questions pour Q, puis R\Q, puis H={n2, n N}.
Exercice 5 (+++) (ensembles de fonctions)
On consid`ere les ensembles :
A={f:RR, f(0) = 0};B={f:RR,aR,xR, f(x) = ax}
C={f:RR,(a, b)R2,xR, f(x) = ax +b}
1. Expliquer avec des phrases `a quoi correspondent ces ensembles.
2. Donner les relations d’inclusions entre ces ensembles.
3. Ces ensembles sont-ils stables pour la composition des fonctions ?
2 R´evisions de calcul
Exercice 6 (+) (r´esolution d’´equation)
R´esoudre en fonction du param`etre m:ex+mexm1 = 0.
Exercice 7 (+) (r´esolution d’´equation)
D´eterminer les anec´edents de 0 dans R
+par la fonction : x7→ x2xxx2.
Exercice 8 (++) (r´esolution d’´equation)
R´esoudre dans R: 5sin x+2
5sin x= 3.
Exercice 9 (++) (calculs avec des puissances)
Soient b > 0 et x > 0. D´emontrer que : x4
52b2x2
5+b4= 0 x=b5.
Exercice 10 (++) (r´esolution d’in´equation)
R´esoudre dans Rl’in´equation : 2(ln x)35(ln x)2+ 2 ln x0.
2
Exercice 11 (++) (d´emonstration d’in´egalit´es)
Soit aun r´eel strictement positif.
1. D´emontrer que : x > 0,2x+a
3x2
3a1
3avec ´egalit´e si et seulement si x=a.
2. Soient bet cdeux r´eels strictement positifs. En appliquant le r´esultat pr´ec´edent avec x=b+c
2,
prouver que : a+b+c
33
abc (in´egalit´e arithm´etico-g´eom´etrique)
Etudier le cas d’´egalit´e.
Exercice 12 (++) (fonctions puissances)
Soit αun r´eel strictement positif. On d´efinit la fonction fsur ]0,+[ par :
f(x) = (1 + x)αxα1.
1. Dresser le tableau de variation de fen distinguant deux cas : 0 < α 1 et α > 1.
2. En d´eduire que :
. Pour 0 < α 1, (1 + x)α1 + xαquelquesoit xpositif ;
. Pour α > 1, (1 + x)α1 + xαquelquesoit xpositif.
3. Soit (a, b)(R
+)2. Comparer (a+b)αet aα+bα.
3 L’ensemble des nombres complexes : C
Exercice 13 (+) (trigonom´etrie, transformation de acos x+bsin x)
R´esoudre l’´equation : 2 cos(t)2 sin(t) = 6.
Exercice 14 (+) (trigonom´etrie, transformation de cos(nx))
R´esoudre l’´equation : cos(3x) = 2 cos(x).
Exercice 15 (+) (´ecriture exponentielle)
D´eterminer l’ensemble F={nN,(1 + i)nR}.
Exercice 16 (+) (Module)
Soit zC. Montrer que : |zi|=|z+i| ⇔ zR.
Exercice 17 (+) (r´esolution d’´equation de degr´e 2)
Soient u=2+2i3
33i3et v=1
23+2i.
R´esoudre dans Cl’´equation : z2=u4v3.
Exercice 18 (++) (´ecritures alg´ebriques et exponentielles, un classique)
On donne les complexes suivants :
z1= 26(1 + i), z2=2(1 + i3) , z =z1
z2
.
1. Ecriture la forme alg´ebrique et la forme exponentielle de z.
2. En d´eduire cos( π
12) et sin( π
12).
3. D´eterminer cos(7π
12 ).
3
Exercice 19 (++) (´equations dans C)
R´esoudre dans Cl’´equation : (z1)6+ (z1)3+ 1 = 0.
Exercice 20 (++) (r´esolution d’´equation)
Soit λR. R´esoudre dans Cl’´equation d’inconnue zsuivante : z5λ= 0.
Exercice 21 (++) (calcul de sommes g´eom´etriques, ultra-classique)
Soient xR\ {2kπ, k Z}et nN. Calculer Sn=
n
X
k=0
cos(kx) et Tn=
n
X
k=0
sin(kx).
Exercice 22 (++) (trigonom´etrie)
R´esoudre l’´equation d’inconnue r´eelle : sin(6x)
sin x= 6 cos x .
Exercice 23 (++) (formules d’Euler)
Soit x]π, π[. On pose : t=ieix
2eix
2
eix
2+eix
2
.
1. Donner une expression simple de tavec la fonction tangente.
2. Simplifier la quantit´e 1t2
1 + t2.
3. En d´eduire une formule trigonom´etrique.
Exercice 24 (++) (´ecritures alg´ebriques et exponentielles)
1. Ecrire sous forme alg´ebrique et sous forme exponentielle : z=55i
3+3i.
2. En d´eduire une expression de cos( π
12).
3. D´eterminer ensuite les entiers nNpour que znR+.
Exercice 25 (++) (lin´earisation)
Lin´eariser cos3(x) sin(x).
Exercice 26 (+++) (r´esolution d’´equation : tr`es classique)
Soient aRet nN. R´esoudre dans Cl’´equation : (z+ 1)nei2na = 0.
Exercice 27 (+++) (´ecriture exponentielle, formules d’Euler, tr`es classique)
On consid`ere deux complexes uet vde module 1 tels que 1 + uv 6= 0.
Montrer que u+v
1 + uv R.
Exercice 28 (+++) (r´esolution d’´equation, tr`es classique)
Soit nN. R´esoudre dans Cl’´equation : (z+i)n(zi)n= 0.
4 L’ensemble des r´eels : R.
Exercice 29 (++) (borne sup´erieure)
Soient Aet Bdeux parties non vides de Rtelles que : (a, b)A×B, a b .
Montrer que sup(A) et inf(B) existent et que : sup(A)inf(B).
Exercice 30 (+++) (minimum, raisonnement par l’absurde)
Prouver que : x[0,1],0x(1 x)1
4.
En d´eduire que : (a, b, c)[0,1]3,min a(1 b), b(1 c), c(1 a)1
4.
4
5 L’ensemble des nombres entiers naturels : N.
Exercice 31 (+) (r´ecurrence)
D´emontrer que : nN,
n
X
i=1
i3=n2(n+ 1)2
4.
Exercice 32 (+) (r´ecurrence)
Montrer que : (x, y)R2,nN,(xy)
n1
Y
k=0 x2k+y2k=x2ny2n.
Exercice 33 (++) (partie enti`ere)
Prouver que : (a, b)R2, E(a) + E(b)E(a+b)E(a) + E(b)+1.
6 Les fonctions
Exercice 34 (+) (injectivit´e, surjectivit´e)
L’application qui `a tout nombre complexe associe son module est-elle une injection ? une surjection
sur R?
Exercice 35 (+) (bijectivit´e, compos´ee)
Soient f:NNet g:NNdeux applications d´efinies par :
nN, f(n) = n+ 1 et g(n) = 0 si n= 0,
n1 si n1.
1. Les applications fet gsont-elles bijectives ?
2. Peut-on d´efinir gfet fg? Si oui, d´eterminer ces applications.
Exercice 36 (+) (bijectivit´e, application r´eciproque)
On consid`ere la fonction : g:x7→ g(x) = x
1x.Montrer que gest une bijection entre deux parties
de R`a d´eterminer. D´eterminer sa bijection r´eciproque.
Exercice 37 (++) (bijection)
Soit f:R\ {−3
2} → R\ {9
4}d´efinie par : xR\ {−3
2}, f(x)=28x
4x+ 6 .
Prouver que fest bijective et d´eterminer f1.
Exercice 38 (++) (fonction caract´eristique)
On consid`ere un ensemble E. Si Aest une partie de E, on rappelle la d´efinition de la fonction
caract´eristique de A:
χA:E→ {0,1}, x 7→ χA(x) = n1 si xA.
0 si x /A.
Ici, E=Ret A={xR
+:|ln(x)| ≥ 2}.
Tracer la courbe repr´esentative de χAdans un rep`ere orthonorm´e.
Exercice 39 (++) (image directe, image r´eciproque, complexes)
On consid`ere l’application u:CCd´efinie par : zC, u(z) = z
|z|.
1. D´eterminer u(C) et u1({i}).
2. L’application uest-elle injective ? surjective ?
3. Prouver que uu=u.
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