Soit φ∈[0,π/2[, ρ∈[0,2cosφ[ et Δ(1,ρ,φ) la portion de secteur définie par : Δ(1,ρ,φ)={z∈C,z=1−reiθ,0≤r≤ρ,∣θ∣≤φ}. Montrer que : ∀z∈Δ(1,ρ,φ),1−∣z∣∣1−z∣≤2cosφ−ρ2.
Réflexes
Faire des dessins !
Il est toujours plus facile de calculer des modules au carré que des modules.
Corrigé
On a Δ(1,ρ,φ)⊂D(0,1) où D(0,1) est le disque unité fermé. Soit z∈Δ(1,ρ,φ). On a ∣1−z∣=r, et 1−∣z∣2=1−zz=1−(1−reiθ)(1−re−iθ)=r(eiθ+e−iθ)−r2. Donc 1−∣z∣2≥r(2cosφ−ρ) car r≤ρ et ∣θ∣≤φ implique cosθ≥cosφ. Avec 1+∣z∣≤2, on en déduit que 1−∣z∣∣1−z∣=1−∣z∣2∣1−z∣(1+∣z∣)≤2cosφ−ρ2.
Soit x1,⋯,xn des réels >0. Montrer que (x1x2⋯xn)1/n≤nx1+⋯+xn.
Réflexes
a1/n 👉 passage au log
Corrigé
En passant au log, il suffit de montrer que n1(log(x1)+⋯log(xn))≤log(nx1+⋯+xn), ce qui exprime la concavité du log.
Exercice 162 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️ Inégalité de Carleman, Sup/Spé/L2
Montrer que pour tous réels ak≥0 sommable, n=1∑∞(a1a2⋯an)1/n≤en=1∑∞an.
Commentaire sur un corrigé
Cette inégalité est un classique (difficile) qui a été donné il y a déjà pas mal d’années aux oraux X-ENS (cf Francinou p.208). La page wikipédia dédiée en donne une très jolie preuve, mais qu’il faut bien qualifier d’astucieuse ! Elle utilise l’inégalité arithmético-géométrique appliquée à des quantités très judicieusement choisies.
Exercice 163 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Inégalité de Hardy, Sup/Spé/L2
Montrer que pour tous réels a1,⋯,aN≥0, n=1∑N(na1+⋯+an)2≤4n=1∑Nan2.
Corrigé
Pour une suite (un), on note Δun=un−un−1. On pose xn=na1+⋯+an. Calculons : Δ(nxn2)(n−1)(Δxn)2==nxn2−(n−1)xn−12(n−1)(xn2−2xnxn−1+xn−12), d’où xn2+Δ(nxn2)+(n−1)(Δxn)2===2nxn2−2(n−1)xnxn−12xn(nxn−(n−1)xn−1)2xnan. On en déduit donc xn2+Δ(nxn2)≤2xnan, d’où n=1∑Nxn2+NxN2≤2n=1∑Nxnan.
Ainsi avec l’inégalité de Cauchy-Schwarz, on obtient n=1∑Nxn2≤2n=1∑Nxn2n=1∑Nan2, ce qui nous permet de conclure, en prenant le carré et en simplifiant.
Exercice 164 ⭐️⭐️ Inégalité de Hölder
Soit ai,bi, 1≤i≤n des réels positifs et p,q>0 tels que p1+q1=1.
Montrer que i=1∑naibi≤(i=1∑naip)1/p(i=1∑nbiq)1/q. On montrera d’abord que x1/py1/q≤px+qy avec x,y≥0.
A quelles inégalités correspondent le cas p=q=2 et le cas p=1, q=∞ ?
Corrigé
L’inégalité x1/py1/q≤px+qy est une conséquence de la concavité de la fonction ln (prendre le ln à gauche et à droite de l’inégalité). Posons xi=∑k=1nakpaip et yi=∑k=1nbkpbip. On applique l’inégalité précédente à xi et yi, puis on somme: i=1∑nxi1/pyi1/q≤p1i=1∑nxi+q1i=1∑nyi=p1+q1=1. On obtient alors l’inégalité de Hölder en multipliant par (i=1∑naip)1/p(i=1∑nbiq)1/q.
Le cas p=q=2 est la célèbre inégalité de Cauchy-Schwarz. Le cas p=1, q=∞ correspond au fait de majorer chaque aibi par ai∥b∥∞, i.e. le cas i=1∑naibi≤∥a∥1∥b∥∞.
Exercice 165 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Inégalité de Hilbert, Sup/Spé/L2
Montrer qu’il existe C>0 tel que pour tous réels an≥0 et bn≥0 de carré sommable, m≥1∑n≥1∑m+nambn≤Cm≥1∑am2n≥1∑bn2
Réflexes
Une somme, des carrés, des racines 👉 Cauchy-Schwarz ! mais avec quelles quantités ?
Corrigé
On note m≥1∑n≥1∑=(m,n)∈Q∑. On veut bien sûr faire un Cauchy-Schwarz, mais les candidats naturels m+nam et m+nbn ne marchent pas car (m,n)∈Q∑m+nam2=∞ (en effet pour un am=0, on a n≥1∑m+nam2=∞). Il faut donc ruser !
Posons Am,n=m+nam(nm)a et Bm,n=m+nan(mn)a avec a>0. Cauchy-Schwarz nous donne alors ⎝⎛Q∑Am,nBm,n⎠⎞2≤Q∑Am,n2Q∑Bm,n2. Majorons Q∑Am,n2=m≥1∑am2n≥1∑m+n1(nm)2a. Comme la fonction x↦m+x1(xm)2a est décroissante, on obtient n≥1∑m+n1(nm)2a≤∫0∞m+x1(xm)2adx=∫0∞1+y1y2ady=C(a), en utilisant le changement de variable x=my. On remarque alors que C(a) ne dépend pas de m et que C(a)<∞ si 0<a<21. Par conséquent ⎝⎛Q∑m+nambn⎠⎞2=⎝⎛Q∑Am,nBm,n⎠⎞2≤C(a)2m≥1∑am2n≥1∑bn2, ce qu’on voulait.
Exercice 166 ⭐️⭐️⭐️ Inégalité 1+xayb, X, Spé/L2
Soit a+b=1 avec a,b≥0. Montrer que pour tout x,y≥0, 1+xayb≤(1+x)a(1+y)b.
Réflexes
ua 👉 Passage au log, écriture sous forme exponentielle ;
a+b=1 avec a,b≥0 👉 Inégalité de convexité !
Corrigé
1er réflexe - On passe au log. L’inégalité équivaut à ln(1+xayb)≤aln(1+x)+bln(1+y) et à droite on reconnait une combinaison convexe ; à gauche non par contre. 2ème réflexe - Écriture sous forme exponentielle : on a ln(1+xayb)=ln(1+ealnx+blny) et là on reconnait une combinaison convexe avec les points lnx et lny. On introduit donc la fonction f(z)=ln(1+ez). En dérivant deux fois, on voit que f est convexe, et donc f(alnx+blny)≤af(lnx)+bf(lny)=aln(1+x)+bln(1+y), ce qu’on voulait !
Montrer que 1−i=0∏p(1−xi)≤i=0∑pxi pour tout p∈N et tout xi∈[0,1], 0≤i≤n.
Réflexes
Vérifier pour p=0 👉 récurrence ?
Toujours penser à écrire 1=1−a+a.
Corrigé
Comme 1−(1−x0)=x0, l’inégalité est vraie pour p=0. Supposons la vraie pour un p∈N.
Écrivons 1−i=0∏p+1(1−xi)=1−xp+1−i=0∏p+1(1−xi)+xp+1=(1−xp+1)(1−i=0∏p(1−xi))+xp+1. En utilisant l’hypothèse de récurrence, on déduit : 1−i=0∏p+1(1−xi)≤(1−xp+1)i=0∑pxi+xp+1≤i=0∑p+1xi, la dernière inégalité provenant de −xp+1i=0∑pxi≤0. On a donc prouvé l’hérédité.
Conclusion : pour tout p∈N, 1−i=0∏p(1−xi)≤i=0∑pxi.
Nous remercions beaucoup Haithem Lamri de nous avoir transmis l’élégante preuve probabiliste suivante.
Supposons qu’il existe un espace probabilisé Ω sur lequel on a des événements indépendants A1,...,Ap tq P(Ai)=xi∈[0,1]. Soit A=∪i=1pAi. Alors son complémentaire s’écrit Ac=∩i=1pAic. Or on sait aussi que les Aic sont indépendants, donc P(Ac)=i=1∏pP(Aic)=i=1∏p(1−xi). Ainsi P(A)=1−i=1∏p(1−xi). Mais on a aussi P(A)≤i=1∑pxi en utilisant l’inégalité classique sur l’union. D’où le résultat.
On peut construire Ω en posant Ω=[0,1]p, et on prend Ai=[0,1]×⋯[0,xi]×⋯[0,1], où [0,xi] est à la i-ème place, et P est la mesure de Lebesgue produit. Par exemple P([a,b]×[c,d])=(b−a)(d−c) (et on voit bien que les événements sont indépendants).
On veut faire descendre les exposants 👉 Passer au logarithme, sans oublier de justifier qu’on peut le faire.
Corrigé
Pour x∈]0;1[, xx(1−x)1−x>0.
Comme ln est strictement croissante sur cet intervalle, l’inégalité à démontrer est équivalente à xln(x)+(1−x)ln(1−x)⩾−ln(2).
On pose, pour x∈]0;1[ : u(x)=xln(x)+(1−x)ln(1−x)+ln(2),
et on montre que u est positive sur ]0;1[. u est dérivable sur cet intervalle (par opérations), et u′(x)=ln(x)+1−ln(1−x)−1.
Ainsi u′(x)≥0⇔x≥1−x⇔x≥1/2.
Donc u atteint son minimum en 1/2, or u(1/2)=21ln(1/2)+21ln(1/2)+ln(2)=0, donc u est bien positive.
Exercice 296 ⭐️ Inégalités avec des racines, Terminale/Sup/L1
Montrer les inégalités suivantes : (1)∀a,b∈R+,a+b≤a+b(2)∀a,b∈R+,∣a−b∣≤∣a−b∣
Réflexes
(1) Quelle est l’arme contre la racine carrée 👉 Élever au carré !
(2) Séparer les cas a≥b et a<b.
Corrigé
(1) Pour a,b≥0, on a a+b≤a+b+2ab=(a+b)2.
La fonction ⋅ étant croissante sur R+, on a donc a+b≤a+b. (2) On peut supposer a≥b sans perte de généralité, les deux membres de l’inégalité étant des expressions symétriques en a et b.
Il s’agit donc de vérifier que a−b≤a−b.
Ceci découle de l’inégalité (1), appliquée aux réels a−b et b.
Exercice 297 ⭐️ Limite d’une somme par encadrement, Sup/L1
Montrer que ∀x≥0,x−6x3≤sin(x)≤x.
En déduire la limite, quand n→∞, de un=k=1∑nsin(n2k).
Réflexes
Quand on veut montrer une inégalité "pour tout x" 👉 On passe tout du même côté, on étudie le signe de la fonction obtenue, en commençant par ses variations.
Pour encadrer une somme 👉 On commence par encadrer l’expression dans la somme.
Corrigé
L’inégalité de droite se démontre aisément : pour x≥0, par croissance de l’intégrale : sin(x)=∫0x≤1cos(t)dt≤x On peut ensuite poser u(x)=sin(x)−x+6x3, pour x∈R+.
Il suffit de montrer que u≥0 sur R+. u est de classe C∞ et u′(x)=cos(x)−1+x2/2,u′′(x)=−sin(x)+x.u′′≥0 sur R+, donc u′ est croissante, ainsi : ∀x≥0,u′(x)≥u′(0)=0. u′≥0 sur R+, donc u est croissante, ainsi : ∀x≥0,u(x)≥u(0)=0.
L’encadrement de la question 1., appliqué à x=n2k et sommé pour k∈[[1,n]], donne : k=1∑nn2k−k=1∑n6n6k3≤un≤k=1∑nn2k2n2n(n+1)−6n61(2n(n+1))2≤un≤2n2n(n+1)
Par la règle des termes de plus hauts degrés, on obtient lim2n2n(n+1)=21,lim6n61(2n(n+1))2=0, donc finalement par le théorème des gendarmes :limun=21. Remarque. La formule donnant k=1∑nk3 n’était pas indispensable. Si on ne la connaissait pas, on pouvait se contenter de remarquer que 0≤k=1∑nk3≤n4 pour arriver à la même conclusion.
Exercice 298 ⭐️ Inégalités et partie entière, Sup/L1
Soient x,y∈R.
Montrer que ⌊x⌋+⌊y⌋≤⌊x+y⌋≤⌊x⌋+⌊y⌋+1.
Montrer que ⌊x⌋+⌊y⌋+⌊x+y⌋≤⌊2x⌋+⌊2y⌋.
Réflexes
Se rappeler de la définition de ⌊a⌋ : c’est le plus grand entier qui soit ≤a.
Décomposer x et y (en partie réelle + partie fractionnaire), pour se ramener au cas x,y∈[0;1[. Examiner alors les valeurs que peuvent prendre les deux membres de l’inégalité.
Corrigé
∙ On a ⌊x⌋≤x et ⌊y⌋≤y, donc ⌊x⌋+⌊y⌋≤x+y.
Mais ⌊x⌋+⌊y⌋∈Z donc ⌊x⌋+⌊y⌋≤⌊x+y⌋. ∙ On a x<⌊x⌋+1 et y<⌊y⌋+1, donc x+y<⌊x⌋+⌊y⌋+2.
Mais ⌊x⌋+⌊y⌋+2∈Z donc ⌊x+y⌋≤(⌊x⌋+⌊y⌋+2)−1.
Notons x=k+a et y=ℓ+b, avec k,l∈Z et a,b∈[0;1[.
L’inégalité à démontrer s’écrit alors : 2k+2ℓ+⌊a⌋+⌊b⌋+⌊a+b⌋≤2k+2ℓ+⌊2a⌋+⌊2b⌋, ce qui équivaut à : ⌊a+b⌋≤⌊2a⌋+⌊2b⌋(⋆) Or ⌊a+b⌋=1 si a+b≥1, 0 sinon.
Mais lorsque a+b≥1 on a nécessairement a≥1/2 ou b≥1/2, donc ⌊2a⌋+⌊2b⌋≥1.
Notre inégalité (⋆) est donc toujours vérifiée.
Exercice 301 ⭐️ Partie entière, Sup/L1
Soit x∈R.
Montrer que ⌊x⌋+⌊x+21⌋=⌊2x⌋.
Montrer plus généralement que pour tout n≥2, k=0∑n−1⌊x+nk⌋=⌊nx⌋.
Réflexes
Décomposer x=⌊x⌋+{x} (partie entière + partie fractionnaire) permet de simplifier le problème.
Distinguer deux cas : {x}<1/2 et {x}≥1/2. Évaluer les deux membres de l’égalité dans chaque cas.
Remarquer que ⌊x+nk⌋ vaut ⌊x⌋ jusqu’à une certaine valeur de k, puis ⌊x⌋+1 ensuite.
Ceci permet d’évaluer la somme. On vérifie alors aisément qu’elle est égale à ⌊nx⌋.
Corrigé .
On note x=⌊x⌋+{x} avec {x}∈[0;1[.
∙ Si {x}<1/2, alors ⌊x⌋+⌊x+21⌋=2⌊x⌋, et ⌊2x⌋=⌊2⌊x⌋+2{x}⌋=2⌊x⌋ car 2{x}∈[0;1[.
Si {x}≥1/2, alors ⌊x⌋+⌊x+21⌋=2⌊x⌋+1, et ⌊2x⌋=⌊2⌊x⌋+2{x}⌋=2⌊x⌋+1 car 2{x}∈[1;2[.
Soit k0 le plus petit entier tel que {x}+nk≥1. On a donc 1−nk0≤{x}<1−nk0−1. ∙ D’une part, pour k∈[[0,n−1]], ⌊x+nk⌋=⌊x⌋ si k<k0,⌊x⌋+1 si k≥k0 donc k=0∑n−1⌊x+nk⌋=k0⌊x⌋+(n−k0)(⌊x⌋+1)=n⌊x⌋+(n−k0). ∙ D’autre part, ⌊nx⌋=⌊n⌊x⌋+n{x}⌋=n⌊x⌋+⌊n{x}⌋.
Or n−k0≤n{x}<n−k0+1, donc ⌊n{x}⌋=n−k0.
D’où l’égalité voulue.
Exercice 302 ⭐️ Comparaison Notions de moyenne, Terminale/Sup/L1
Soient x et y deux réels tels que 0<x≤y. On pose: m=2x+y,g=xy,h1=21(x1+y1).Montrer que x≤h≤g≤m≤y.
Remarque — m, g et h sont appelées respectivement les moyennes arithmétique, géométrique et harmonique de x et y. Ici une jolie animation de g≤m.
Réflexes
Pour montrer A≥B 👉 On vérifie que A≥B.
On se souvient que le passage à l’inverse change le sens d’une inégalité (entre des nombres de même signe).
Corrigé
∙y1≤x1 donc h1≤21(x1+x1)=x1. Donc h≥x.
∙h1−g1=21(x1+y1)−x1y1=21(x21+y21−2x1y1)=21(x1−y1)2≥0.
Ainsi h1≥g1, donc h≤g.
∙m−g=21(x+y−2xy)=21(x−y)2≥0, donc m≥g.
∙y−m=2y−x≥0 donc y≥m.
Exercice 404 ⭐️ Nullité et petitesse, Terminale/Sup/L1
Soit a un réel. Démontrer l’implication : (∀ε>0,∣a∣≤ε)⇒a=0.
Réflexes
Une implication a toujours une formulation “contraposée”, qui permet parfois d’y voir plus clair.
Corrigé
Montrons la contraposée.
Supposons a=0. Alors ∣a∣>0, donc le réel ε=2∣a∣ vérifie 0<ε<∣a∣, et donc l’assertion (∀ε>0,∣a∣≤ε) est fausse.