PCSI Corrigé devoir maison n°7 jeudi 19/01/12
Exercice 1 : il existe une infinité de nombres premiers.
F
n
=2
2
n
+1,n
1-Démontrons la relation :
k
=
0
n1
F
k
=F
n
2,n1
Démontrons la relation précédente par récurrence.
Montrons la relation pour n=1.
k
=
0
11
F
k
=
k
=
0
0
F
k
=F
0
=2
2
0
+1=2
1
+1=3Et F
1
2=2
2
1
+12=2
2
+12=52=3
La relation est donc vraie pour n=1.
Supposons que la relation soit vraie pour n, et montrons là pour n+1.
On a :
k
=
0
n1
F
k
=F
n
2et on doit montrer que :
k
=
0
n+11
F
k
=F
n+1
2soit :
k
=
0
n
F
k
=F
n+1
2.
k
=
0
n
F
k
=F
n
×
k
=
0
n1
F
k
. En utilisant l'hypothèse de récurrence, on obtient :
k
=
0
n
F
k
=F
n
×(F
n
2)=(2
2
n
+1)(2
2
n
+12)=(2
2
n+1
+1)(2
2
n
1)=(2
2
n
)
2
1=2
2×2
n
1=2
2
n+1
1
k
=
0
n
F
k
=2
2
n+1
1=2
2
n+1
+12=F
n+1
2
La relation est vraie pour n+1, et :
k
=
0
n1
F
k
=F
n
2,n1
2- Déduisons que les nombres de Fermat sont premiers entre eux.
Soient deux nombres de Fermat
F
m
et
F
n
avec
m
n
. On peut supposer que
m
<
n
.
La relation précédente donne :
k
=
0
n1
F
k
=F
n
2.
Soit p un nombre premier qui divise
F
m
et
F
n
.
k
=
0
n1
F
k
=F
0
F
1
... F
m
....F
n
. On en déduit que p divise
k
=
0
n1
F
k
et on a supposé que p divise
F
n
.
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On a : p divise 2=F
n
k
=
0
n1
F
k
. Mais tous les nombres de Fermat sont impairs donc p ne peut être
égal à 2 et donc p=1.
On en déduit que le seul diviseur commun de deux nombres de Fermat distincts est 1.
Les nombres de Fermat sont premiers entre eux deux à deux.
3- Théorème : Tout nombre entier supérieur ou égal à 2possède un diviseur premier.
Donc à tout nombre de Fermat
F
n
on peut associer un nombre premier
p
n
.
Et tous les
p
n
sont différents. On en a donc une infinité.
On peut aussi considérer E l'application de l'ensemble des nombres de Fermat dans F l'ensemble des
nombres premiers qui à
F
n
associe son plus petit nombre premier
p
n
.
Cette application est injective.
Si une application u de E dans F est injective, alors
Card
(
F
)
Card
(
E
). Or E est un ensemble
infini, donc F est infini aussi.
Il existe une infinité de nombres premiers.
Remarque : C'est une deuxième démonstration du théorème d'Euclide (Voir cours). Il en existe
d'autres. Euler va plus loin et montre même que la série
1
2
+
1
3
+
1
5
+.+
1
p
diverge vers
+
.
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Exercice 2 : une propriété de la tangente à l'ellipse.
1- Montrons que :
d
dt
(
M(t)F
)
=
d
dt
(
M(t)F'
)
.
La relation de
C-h-a-s-le-s
donne :
M(t)F=
M(t)F'+
F'F
Le vecteur
FF
'
est constant et la dérivée d'une fonction constante est nulle.
Donc, en dérivant l'égalité précédente on obtient la relation :
d
dt
(
M(t)F
)
=
d
dt
(
M(t)F'
)
2- Montrons que le produit scalaire (
u
(
t
)+
v
(
t
))τ(
t
) est nul.
On a la relation
M
(
t
)
F
+
M
(
t
)
F
'
=
2a
M
(
t
)
F
+
M
(
t
)
F
'
=
2a
M
(
t
)
F
2+
M
(
t
)
F
'
2=
2a
.
Théorème : Si la fonction vectorielle f est dérivable et ne s'annule pas alors :
f'(t)=
f
(
t
)
f
'
(
t
)
f(t).
M(t) appartient à l'ellipse donc ce point est toujours différent de F et F', foyers de l'ellipse.
On a :
d
dt (M(t)F)=
M(t)F
d
dt
(
M(t)F
)
M(t)F=
M(t)F
M(t)F
d
dt
(
M(t)F
)
=(u(t))
τ(t)De même on trouve :
d
dt
(M(t)F ')=(
v(t))τ(t). On utilise
d
dt
(
M(t)F
)
=
d
dt
(
M(t)F'
)
=
τ(t)
En dérivant la relation :
M
(
t
)
F
+
M
(
t
)
F
'
=
2a
, on trouve :
(
u
(
t
)+
v
(
t
))τ(
t
)=
0
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3- En déduire que la tangente à (E) en M(t) est une bissectrice du couple de droites
((
M
(
t
)
F
)
(
M
(
t
)
F
'
)) .
Les vecteurs
u
et
v
sont des vecteurs unitaires des droites (MF) et (MF').
Par conséquent
u
+
v
est un vecteur unitaire de la bissectrice intérieure des droite (MF) et (MF').
La relation (
u
(
t
)+
v
(
t
))τ(
t
) montre que le vecteur tangent à l'ellipse τ(
t
) est orthogonal à la
bissectrice intérieure. Il est donc colinéaire à la bissectrice extérieure des droites (MF) et (MF').
La tangente en un point M d'une ellipse est la bissectrice extérieure des droites (MF) et (MF').
Remarque : cet exercice peut être posé à l'oral, et il faut retenir la méthode générale.
On trouve l'orthogonalité des vecteurs en dérivant la relation MF+MF'=2a.
La même méthode permet de prouver que la tangente en un point à une hyperbole, est la bissectrice
intérieure des droites (MF) et (MF'). On utilise cette fois la relation :
MF
MF
'
=
2a
.
Problème : Théorème de Schnirelmann
Partie I : Généralités, exemples.
1-Justifions la définition de σ(
A
).
Que représente
S
n
(
A
)
? C'est le nombre d'éléments de A compris entre 1 et n.
Que représente σ
n
(
A
) ? C'est la densité des éléments de A compris entre 1 et n.
n
1,
S
n
(
A
)
0
et donc : σ
n
(A)=
S
n
(
A
)
n
0
S=
{
S
n
(A)
n,n1
}
est une partie non vide de
et minorée par 0.
Elle admet donc une borne inférieure et on peut poser : σ(A)=inf
{
S
n
(A)
n, n1
}
.
On sait de plus que :
0
≤σ(
A
)
1
.
2-Que vaut σ(
A
) si
1
A
?
Si
1
A
, alors
S
1
(
A
)=
Card
(
1,1
A
)=
0
et donc :
S
1
(
A
)
1
=0.
Tous les éléments de S sont supérieurs ou égaux à 0. 0 est donc le plus petit élément de S, et donc sa
borne inférieure.
Si
1
A
, σ(
A
)=
0
.
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PCSI Corrigé devoir maison n°7 jeudi 19/01/12
3-À quelle condition a-t-on σ(
A
)=
1
?
S'il existe n tel que
S
n
(
A
)
n
<1, alors σ(
A
) qui est un minorant de l'ensemble S, vérifie :
σ(A)
S
n
(
A
)
n
<1. On en déduit que si σ(
A
)=
1
, on doit avoir : n∈ℕ ,n1,
S
n
(
A
)
n
=1
et donc :
n
1,
S
n
(
A
)=
n
. A est une partie
, et quelque soit
, le nombre d'éléments de A
compris entre 1 et n est n.
On en déduit que tous les entiers naturels supérieurs ou égaux à 1 appartiennent A.
σ(
A
)=
1
A
=
ou
A
=ℕ
4-Soit
A
B
, comparons σ(
A
) et σ(
B
).
AB1,nA⊂⟦1,n⟧∩BS
n
(A)S
n
(B)
S
n
(
A
)
n
S
n
(
B
)
n
Or σ(A)=inf
{
S
n
(A)
n,n1
}
. La borne inférieure est un minorant (le plus grand).
Donc : σ(A)
S
n
(
B
)
n
donc σ(
A
) est un minorant de
{
S
n
(B)
n,n1
}
. Or
σ(B)=inf
{
S
n
(B)
n,n1
}
σ(
B
)est le plus grand des minorants de
{
S
n
(B)
n,n1
}
d'où :
A
B
σ (
A
)σ(
B
)
5-Calculons σ(
A
) pour les parties A suivantes :
(a) A est une partie finie de
.
Soit
p
=
Card
(
A
). A est une partie finie donc p est un entier.
Soit N le plus grand élément de A. Pour
n
N
, on a :
S
n
(
A
)=
p
.
Donc : nN,
S
n
(
A
)
n
=p
n
. Et ǫ>0,n tel que
S
n
(
A
)
n
<ǫ .
Aucun nombre strictement positif n'est un minorant de l'ensemble S=
{
S
n
(A)
n,n1
}
.
Donc si A est une partie finie de
, σ(
A
)=
0
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