Inégalités

Exercice 87 ⭐️⭐️ Secteur dans un disque, Sup/L1

Soit φ[0,π/2[\displaystyle \varphi \in[0,\pi/2[, ρ[0,2cosφ[\displaystyle \rho \in [0,2\cos\varphi[ et Δ(1,ρ,φ)\displaystyle \Delta(1,\rho,\varphi) la portion de secteur définie par : Δ(1,ρ,φ)={zC, z=1reiθ,0rρ,θφ}.\Delta(1,\rho,\varphi)=\Big\{z\in\C,\ z=1-re^{i\theta}, 0\le r\le\rho, |\theta|\le\varphi \Big\}. Montrer que : zΔ(1,ρ,φ),1z1z22cosφρ\displaystyle \forall z\in \Delta(1,\rho,\varphi),\quad \frac{|1-z|}{1-|z|}\le \frac{2}{2\cos\varphi -\rho}.

  • Faire des dessins !
  • Il est toujours plus facile de calculer des modules au carré que des modules.

On a Δ(1,ρ,φ)D(0,1)\displaystyle \Delta(1,\rho,\varphi)\subset D(0,1)D(0,1)\displaystyle D(0,1) est le disque unité fermé. Soit zΔ(1,ρ,φ)\displaystyle z\in\Delta(1,\rho,\varphi). On a 1z=r\displaystyle |1-z|=r, et 1z2=1zz=1(1reiθ)(1reiθ)=r(eiθ+eiθ)r2.1-|z|^2=1-z\overline{z}=1-(1-re^{i\theta})(1-re^{-i\theta})=r(e^{i\theta}+e^{-i\theta})-r^2. Donc 1z2r(2cosφρ)\displaystyle 1-|z|^2\ge r(2\cos \varphi-\rho) car rρ\displaystyle r\le\rho et θφ\displaystyle |\theta|\le\varphi implique cosθcosφ\displaystyle \cos \theta\ge\cos \varphi. Avec 1+z2\displaystyle 1+|z|\le 2, on en déduit que 1z1z=1z(1+z)1z222cosφρ.\frac{|1-z|}{1-|z|}=\frac{|1-z|(1+|z|)}{1-|z|^2}\le \frac{2}{2\cos\varphi -\rho}.

Exercice 161 ⭐️ Inégalité arithmético-géométrique, Sup/L1

Soit x1,,xn\displaystyle x_1,\cdots,x_n des réels >0\displaystyle >0. Montrer que (x1x2xn)1/nx1++xnn\displaystyle (x_1x_2\cdots x_n)^{1/n}\le \frac{x_1+\cdots+x_n}{n}.

a1/n\displaystyle a^{1/n} 👉 passage au log\displaystyle \log

En passant au log\displaystyle \log, il suffit de montrer que 1n(log(x1)+log(xn))log(x1++xnn)\displaystyle \frac{1}{n}(\log(x_1)+\cdots \log(x_n))\le \log\left(\frac{x_1+\cdots+x_n}{n}\right), ce qui exprime la concavité du log\displaystyle \log.

Exercice 162 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️ Inégalité de Carleman, Sup/Spé/L2

Montrer que pour tous réels ak0\displaystyle a_k\ge0 sommable,
n=1(a1a2an)1/nen=1an.\sum_{n=1}^\infty\left(a_1a_2\cdots a_n\right)^{1/n} \le e \sum_{n=1}^\infty a_n.

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,,aN0\displaystyle a_1,\cdots, a_N\ge0,
n=1N(a1++ann)24n=1Nan2.\sum_{n=1}^N\left(\frac{a_1+\cdots+a_n}{n}\right)^2 \le 4 \sum_{n=1}^Na_n^2.

Pour une suite (un)\displaystyle (u_n), on note Δun=unun1\displaystyle \Delta u_n=u_n-u_{n-1}. On pose xn=a1++ann\displaystyle x_n=\frac{a_1+\cdots+a_n}{n}. Calculons :
Δ(nxn2)=nxn2(n1)xn12(n1)(Δxn)2=(n1)(xn22xnxn1+xn12),\begin{array}{ccl} \Delta (nx_n^2) & = & nx_n^2-(n-1)x_{n-1}^2 \\ (n-1)(\Delta x_n)^2 & = & (n-1)(x_n^2-2x_nx_{n-1}+x_{n-1}^2), \end{array} d’où
xn2+Δ(nxn2)+(n1)(Δxn)2=2nxn22(n1)xnxn1=2xn(nxn(n1)xn1)=2xnan.\begin{array}{ccl} x_n^2+\Delta (nx_n^2) +(n-1)(\Delta x_n)^2 & = & 2nx_n^2-2(n-1)x_nx_{n-1} \\ & = & 2x_n(nx_n- (n-1)x_{n-1}) \\ & = & 2x_na_n. \end{array} On en déduit donc xn2+Δ(nxn2)2xnan\displaystyle x_n^2+\Delta (nx_n^2) \le 2x_na_n, d’où n=1Nxn2+NxN22n=1Nxnan\displaystyle \sum_{n=1}^Nx_n^2+Nx_N^2 \le 2\sum_{n=1}^Nx_na_n.
Ainsi avec l’inégalité de Cauchy-Schwarz, on obtient n=1Nxn22n=1Nxn2n=1Nan2,\sum_{n=1}^Nx_n^2 \le 2\sqrt{\sum_{n=1}^Nx_n^2}\sqrt{\sum_{n=1}^Na_n^2}, ce qui nous permet de conclure, en prenant le carré et en simplifiant.

Exercice 164 ⭐️⭐️ Inégalité de Hölder

Soit ai,bi\displaystyle a_i, b_i, 1in\displaystyle 1\le i\le n des réels positifs et p,q>0\displaystyle p,q>0 tels que 1p+1q=1\displaystyle \frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1.
Montrer que i=1naibi(i=1naip)1/p(i=1nbiq)1/q.\displaystyle \sum_{i=1}^n a_ib_i\le \left(\sum_{i=1}^n a_i^p\right)^{1/p} \left(\sum_{i=1}^n b_i^q\right)^{1/q}. On montrera d’abord que x1/py1/qxp+yq\displaystyle x^{1/p}y^{1/q}\le \frac{x}{p}+\frac{y}{q} avec x,y0\displaystyle x,y\ge 0.
A quelles inégalités correspondent le cas p=q=2\displaystyle p=q=2 et le cas p=1\displaystyle p=1, q=\displaystyle q=\infty ?

L’inégalité x1/py1/qxp+yq\displaystyle x^{1/p}y^{1/q}\le\frac{x}{p}+\frac{y}{q} est une conséquence de la concavité de la fonction ln\displaystyle \ln (prendre le ln\displaystyle \ln à gauche et à droite de l’inégalité). Posons xi=aipk=1nakp\displaystyle x_i=\frac{a_i^p}{\sum_{k=1}^n a_k^p} et yi=bipk=1nbkp\displaystyle y_i=\frac{b_i^p}{\sum_{k=1}^n b_k^p}. On applique l’inégalité précédente à xi\displaystyle x_i et yi\displaystyle y_i, puis on somme: i=1nxi1/pyi1/q1pi=1nxi+1qi=1nyi=1p+1q=1.\sum_{i=1}^n x_i^{1/p}y_i^{1/q}\le \frac1p\sum_{i=1}^n x_i+\frac1q\sum_{i=1}^n y_i=\frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1. On obtient alors l’inégalité de Hölder en multipliant par (i=1naip)1/p(i=1nbiq)1/q.\displaystyle \left(\sum_{i=1}^n a_i^p\right)^{1/p} \left(\sum_{i=1}^n b_i^q\right)^{1/q}.
Le cas p=q=2\displaystyle p=q=2 est la célèbre inégalité de Cauchy-Schwarz. Le cas p=1\displaystyle p=1, q=\displaystyle q=\infty correspond au fait de majorer chaque aibi\displaystyle a_ib_i par aib\displaystyle a_i\|b\|_\infty, i.e. le cas i=1naibia1b\displaystyle \sum_{i=1}^n a_ib_i\le \|a\|_1\|b\|_\infty.

Exercice 165 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Inégalité de Hilbert, Sup/Spé/L2

Montrer qu’il existe C>0\displaystyle C>0 tel que pour tous réels an0\displaystyle a_n\ge0 et bn0\displaystyle b_n\ge0 de carré sommable,
m1n1ambnm+nCm1am2n1bn2\sum_{m\ge1}\sum_{n\ge1}\frac{a_mb_n}{m+n} \le C\sqrt{\sum_{m\ge1}a_m^2}\sqrt{\sum_{n\ge1}b_n^2}

Une somme, des carrés, des racines 👉 Cauchy-Schwarz ! mais avec quelles quantités ?

On note m1n1=(m,n)Q\displaystyle \sum_{m\ge1}\sum_{n\ge1}=\sum_{(m,n)\in Q}. On veut bien sûr faire un Cauchy-Schwarz, mais les candidats naturels amm+n\displaystyle \frac{a_m}{\sqrt{m+n}} et bnm+n\displaystyle \frac{b_n}{\sqrt{m+n}} ne marchent pas car (m,n)Qam2m+n=\displaystyle \sum_{(m,n)\in Q} \frac{a_m^2}{m+n}=\infty (en effet pour un am0\displaystyle a_m\neq 0, on a n1am2m+n=\displaystyle \sum_{n\ge1}\frac{a_m^2}{m+n}=\infty). Il faut donc ruser !
Posons Am,n=amm+n(mn)a\displaystyle A_{m,n}=\frac{a_m}{\sqrt{m+n}}\left(\frac{m}{n}\right)^a et Bm,n=anm+n(nm)a\displaystyle B_{m,n}=\frac{a_n}{\sqrt{m+n}}\left(\frac{n}{m}\right)^a avec a>0\displaystyle a>0. Cauchy-Schwarz nous donne alors (QAm,nBm,n)2QAm,n2QBm,n2.\left(\sum_Q A_{m,n}B_{m,n}\right)^2\le \sum_Q A_{m,n}^2\sum_Q B_{m,n}^2. Majorons QAm,n2=m1am2n11m+n(mn)2a\displaystyle \sum_Q A_{m,n}^2=\sum_{m\ge1}a_m^2\sum_{n\ge1}\frac{1}{m+n}\left(\frac{m}{n}\right)^{2a}. Comme la fonction x1m+x(mx)2a\displaystyle x\mapsto \frac{1}{m+x}\left(\frac{m}{x}\right)^{2a} est décroissante, on obtient n11m+n(mn)2a01m+x(mx)2adx=011+ydyy2a=C(a),\sum_{n\ge1}\frac{1}{m+n}\left(\frac{m}{n}\right)^{2a}\le \int_0^\infty\frac{1}{m+x}\left(\frac{m}{x}\right)^{2a}dx=\int_0^\infty\frac{1}{1+y}\frac{dy}{y^{2a}}=C(a), en utilisant le changement de variable x=my\displaystyle x=my. On remarque alors que C(a)\displaystyle C(a) ne dépend pas de m\displaystyle m et que C(a)<\displaystyle C(a)<\infty si 0<a<12\displaystyle 0<a<\frac12. Par conséquent (Qambnm+n)2=(QAm,nBm,n)2C(a)2m1am2n1bn2,\left(\sum_{Q}\frac{a_mb_n}{m+n}\right)^2 =\left(\sum_Q A_{m,n}B_{m,n}\right)^2\le C(a)^2\sum_{m\ge1}a_m^2\sum_{n\ge1}b_n^2, ce qu’on voulait.

Exercice 166 ⭐️⭐️⭐️ Inégalité 1+xayb\displaystyle 1+x^ay^b, X, Spé/L2

Soit a+b=1\displaystyle a+b=1 avec a,b0\displaystyle a,b\ge0. Montrer que pour tout x,y0\displaystyle x,y\ge0, 1+xayb(1+x)a(1+y)b.1+x^ay^b\le (1+x)^a(1+y)^b.

  • ua\displaystyle u^a 👉 Passage au log\displaystyle \log, écriture sous forme exponentielle ;
  • a+b=1\displaystyle a+b=1 avec a,b0\displaystyle a,b\ge0 👉 Inégalité de convexité !

1er réflexe - On passe au log. L’inégalité équivaut à ln(1+xayb)aln(1+x)+bln(1+y)\displaystyle \ln(1+x^ay^b)\le a\ln(1+x)+b\ln(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)\displaystyle \ln(1+x^ay^b)=\ln(1+e^{a\ln x+b\ln y}) et là on reconnait une combinaison convexe avec les points lnx\displaystyle \ln x et lny\displaystyle \ln y. On introduit donc la fonction f(z)=ln(1+ez)\displaystyle f(z)=\ln(1+e^z). En dérivant deux fois, on voit que f\displaystyle f est convexe, et donc f(alnx+blny)af(lnx)+bf(lny)=aln(1+x)+bln(1+y)\displaystyle f(a\ln x+b\ln y)\le af(\ln x)+bf(\ln y)=a\ln(1+x)+b\ln(1+y), ce qu’on voulait !

ça tombe vite avec les réflexes, non ? 😎

Exercice 228 ⭐️⭐️ Inégalité Somme Produit, Terminale/Sup/L1

Montrer que 1i=0p(1xi)i=0pxi\displaystyle 1-\prod_{i=0}^p(1-x_i)\le \sum_{i=0}^p x_i pour tout pN\displaystyle p\in\N et tout xi[0,1]\displaystyle x_i\in[0,1], 0in\displaystyle 0\le i\le n.

  • Vérifier pour p=0\displaystyle p=0 👉 récurrence ?
  • Toujours penser à écrire 1=1a+a\displaystyle 1=1-a+a.

Comme 1(1x0)=x0\displaystyle 1-(1-x_0)=x_0, l’inégalité est vraie pour p=0\displaystyle p=0. Supposons la vraie pour un pN\displaystyle p\in\N.
Écrivons 1i=0p+1(1xi)=1xp+1i=0p+1(1xi)+xp+1=(1xp+1)(1i=0p(1xi))+xp+1\displaystyle 1-\prod_{i=0}^{p+1}(1-x_i)=1-x_{p+1}-\prod_{i=0}^{p+1}(1-x_i)+x_{p+1}=(1-x_{p+1})\left(1-\prod_{i=0}^p(1-x_i)\right)+x_{p+1}. En utilisant l’hypothèse de récurrence, on déduit : 1i=0p+1(1xi)(1xp+1)i=0pxi+xp+1i=0p+1xi\displaystyle 1-\prod_{i=0}^{p+1}(1-x_i)\le(1-x_{p+1})\sum_{i=0}^p x_i+x_{p+1}\le \sum_{i=0}^{p+1} x_i, la dernière inégalité provenant de xp+1i=0pxi0\displaystyle -x_{p+1}\sum_{i=0}^p x_i\le 0. On a donc prouvé l’hérédité.
Conclusion : pour tout pN\displaystyle p\in\N, 1i=0p(1xi)i=0pxi\displaystyle 1-\prod_{i=0}^p(1-x_i)\le \sum_{i=0}^p x_i.

Nous remercions beaucoup Haithem Lamri de nous avoir transmis l’élégante preuve probabiliste suivante.

Supposons qu’il existe un espace probabilisé Ω\displaystyle \Omega sur lequel on a des événements indépendants A1,...,Ap\displaystyle A_{1},...,A_{p} tq P(Ai)=xi[0,1]\displaystyle P(A_{i})=x_{i}\in[0,1]. Soit A=i=1pAi\displaystyle A=\cup_{i=1}^p A_i. Alors son complémentaire s’écrit Ac=i=1pAic\displaystyle A^c=\cap_{i=1}^p A_i^c. Or on sait aussi que les Aic\displaystyle A_i^c sont indépendants, donc P(Ac)=i=1pP(Aic)=i=1p(1xi).P(A^c)=\prod_{i=1}^p P(A_i^c)=\prod_{i=1}^p (1-x_i). Ainsi P(A)=1i=1p(1xi)\displaystyle P(A)=1-\prod_{i=1}^p (1-x_i). Mais on a aussi P(A)i=1pxi\displaystyle P(A)\le \sum_{i=1}^p x_i en utilisant l’inégalité classique sur l’union. D’où le résultat.

On peut construire Ω\displaystyle \Omega en posant Ω=[0,1]p\displaystyle \Omega=[0,1]^p, et on prend Ai=[0,1]×[0,xi]×[0,1]\displaystyle A_i=[0,1]\times\cdots [0,x_i]\times\cdots[0,1], où [0,xi]\displaystyle [0,x_i] est à la i-ème place, et P\displaystyle P est la mesure de Lebesgue produit. Par exemple P([a,b]×[c,d])=(ba)(dc)\displaystyle P([a,b]\times[c,d])=(b-a)(d-c) (et on voit bien que les événements sont indépendants).

Exercice 295 ⭐️ Une inéquation, Terminale/Sup/L1

Montrer l’inégalité suivante :
x]0,1[, xx(1x)1x12.\forall x \in \left] {0,1} \right[, ~x^x (1 - x)^{1 - x} \geq \frac{1}{2}.

On veut faire descendre les exposants 👉 Passer au logarithme, sans oublier de justifier qu’on peut le faire.

Pour x]0;1[\displaystyle x\in]0;1[, xx(1x)1x>0\displaystyle x^x(1 - x)^{1 - x}>0.
Comme ln\displaystyle \ln est strictement croissante sur cet intervalle, l’inégalité à démontrer est équivalente à xln(x)+(1x)ln(1x)ln(2).x\ln(x)+(1-x)\ln(1-x)\geqslant -\ln(2).
On pose, pour x]0;1[\displaystyle x\in]0;1[ : u(x)=xln(x)+(1x)ln(1x)+ln(2),u(x) = x\ln(x)+(1-x)\ln(1-x)+\ln(2),
et on montre que u\displaystyle u est positive sur ]0;1[\displaystyle ]0;1[. u\displaystyle u est dérivable sur cet intervalle (par opérations), et
u(x)=ln(x)+1ln(1x)1.u'(x) = \ln(x)+1 - \ln(1-x)-1.
Ainsi u(x)0x1xx1/2\displaystyle u'(x)\geq 0\Leftrightarrow x\geq 1-x\Leftrightarrow x\geq 1/2.
Donc u\displaystyle u atteint son minimum en 1/2\displaystyle 1/2, or u(1/2)=12ln(1/2)+12ln(1/2)+ln(2)=0\displaystyle u(1/2)= \frac 12\ln(1/2)+\frac 12\ln(1/2)+\ln(2)=0, donc u\displaystyle u est bien positive.

Exercice 296 ⭐️ Inégalités avec des racines, Terminale/Sup/L1

Montrer les inégalités suivantes :
(1)  a,bR+,  a+ba+b(1) ~~ \forall a,b \in \R_+, \; \sqrt{a+b} \leq \sqrt{a} + \sqrt{b} (2)  a,bR+,  abab(2)~~\forall a,b \in \R_+, \; |\sqrt{a} - \sqrt{b}| \leq \sqrt{|a-b|}

(1) Quelle est l’arme contre la racine carrée 👉 Élever au carré !
(2) Séparer les cas ab\displaystyle a\geq b et a<b\displaystyle a<b.

(1) Pour a,b0\displaystyle a,b\geq 0, on a a+ba+b+2ab=(a+b)2\displaystyle a+b\leq a+b+2\sqrt{ab} = \left( \sqrt{a} + \sqrt{b}\right)^2.
La fonction \displaystyle \sqrt{\cdot} étant croissante sur R+\displaystyle \R_+, on a donc a+ba+b\displaystyle \sqrt{a+b} \leq \sqrt{a} + \sqrt{b}.
(2) On peut supposer ab\displaystyle a\geq b sans perte de généralité, les deux membres de l’inégalité étant des expressions symétriques en a\displaystyle a et b\displaystyle b.
Il s’agit donc de vérifier que abab\displaystyle \sqrt{a} - \sqrt{b} \leq \sqrt{a-b}.
Ceci découle de l’inégalité (1), appliquée aux réels ab\displaystyle a-b et b\displaystyle b.

Exercice 297 ⭐️ Limite d’une somme par encadrement, Sup/L1

  1. Montrer que x0,  xx36sin(x)x\displaystyle \displaystyle{ \forall x \geq 0, \; x - \frac{x^3}{6} \leq \sin(x) \leq x }.
  2. En déduire la limite, quand n\displaystyle n\to\infty, de un=k=1nsin(kn2)\displaystyle \displaystyle{ u_n = \sum_{k=1}^n \sin \left( \frac{k}{n^2} \right) }.
  1. Quand on veut montrer une inégalité "pour tout x\displaystyle x" 👉 On passe tout du même côté, on étudie le signe de la fonction obtenue, en commençant par ses variations.
  2. Pour encadrer une somme 👉 On commence par encadrer l’expression dans la somme.
  1. L’inégalité de droite se démontre aisément : pour x0\displaystyle x\geq 0, par croissance de l’intégrale : sin(x)=0xcos(t)1dtx\sin(x)=\int_0^x\underbrace{\cos(t)}_{\leq 1}d t\leq x On peut ensuite poser u(x)=sin(x)x+x36\displaystyle u(x)=\sin(x)-x+\frac{x^3}{6}, pour xR+\displaystyle x\in\R_+.
    Il suffit de montrer que u0\displaystyle u\geq 0 sur R+\displaystyle \R_+. u\displaystyle u est de classe C\displaystyle \mathcal C^\infty et
    u(x)=cos(x)1+x2/2,u(x)=sin(x)+x.u'(x)=\cos(x)-1+x^2/2,\quad u''(x)=-\sin(x)+x. u0\displaystyle u''\geq 0 sur R+\displaystyle \R_+, donc u\displaystyle u' est croissante, ainsi : x0,u(x)u(0)=0\displaystyle \forall x\geq 0, u'(x)\geq u'(0)=0.
    u0\displaystyle u'\geq 0 sur R+\displaystyle \R_+, donc u\displaystyle u est croissante, ainsi : x0,u(x)u(0)=0\displaystyle \forall x\geq 0, u(x)\geq u(0)=0.
  2. L’encadrement de la question 1., appliqué à x=kn2\displaystyle x=\frac{k}{n^2} et sommé pour k[ ⁣[1,n] ⁣]\displaystyle k\in[\![1,n]\!], donne : k=1nkn2k=1nk36n6unk=1nkn2\sum_{k=1}^n \frac{k}{n^2}- \sum_{k=1}^n \frac{k^3}{6n^6} \leq u_n\leq \sum_{k=1}^n \frac{k}{n^2} n(n+1)2n216n6(n(n+1)2)2unn(n+1)2n2\frac{n(n+1)}{2n^2}- \frac{1}{6n^6} \left(\frac{n(n+1)}{2}\right)^2 \leq u_n\leq \frac{n(n+1)}{2n^2}
    Par la règle des termes de plus hauts degrés, on obtient limn(n+1)2n2=12,lim16n6(n(n+1)2)2=0,\lim \frac{n(n+1)}{2n^2} =\frac 12,\quad \lim \frac{1}{6n^6} \left(\frac{n(n+1)}{2}\right)^2 =0, donc finalement par le théorème des gendarmes :limun=12.\lim u_n=\frac 12.
    Remarque. La formule donnant k=1nk3\displaystyle \sum_{k=1}^n k^3 n’était pas indispensable. Si on ne la connaissait pas, on pouvait se contenter de remarquer que 0k=1nk3n4\displaystyle 0\leq\sum_{k=1}^n k^3 \leq n^4 pour arriver à la même conclusion.

Exercice 298 ⭐️ Inégalités et partie entière, Sup/L1

Soient x,yR\displaystyle x,y\in\R.

  1. Montrer que x+yx+yx+y+1.\displaystyle \lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\leq\lfloor x+y\rfloor\leq \lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor+1.
  2. Montrer que x+y+x+y2x+2y\displaystyle \lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor+\lfloor x+y\rfloor\leq \lfloor 2x\rfloor+\lfloor 2y\rfloor.
  1. Se rappeler de la définition de a\displaystyle \lfloor a\rfloor : c’est le plus grand entier qui soit a\displaystyle \leq a.
  2. Décomposer x\displaystyle x et y\displaystyle y (en partie réelle + partie fractionnaire), pour se ramener au cas x,y[0;1[\displaystyle x,y\in[0;1[. Examiner alors les valeurs que peuvent prendre les deux membres de l’inégalité.
  1. \displaystyle \bullet On a xx\displaystyle \lfloor x\rfloor\leq x et yy\displaystyle \lfloor y\rfloor\leq y, donc x+yx+y\displaystyle \lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\leq x+y.
    Mais x+yZ\displaystyle \lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\in\Z donc x+yx+y\displaystyle \lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\leq\lfloor x+y\rfloor.
    \displaystyle \bullet On a x<x+1\displaystyle x<\lfloor x\rfloor+1 et y<y+1\displaystyle y<\lfloor y\rfloor+1, donc x+y<x+y+2\displaystyle x+y <\lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor+2.
    Mais x+y+2Z\displaystyle \lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor+2\in\Z donc x+y(x+y+2)1\displaystyle \lfloor x+y\rfloor\leq (\lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor+2)-1.
  2. Notons x=k+a\displaystyle x=k+a et y=+b\displaystyle y=\ell+b, avec k,lZ\displaystyle k,l\in\Z et a,b[0;1[\displaystyle a,b\in[0;1[.
    L’inégalité à démontrer s’écrit alors : 2k+2+a+b+a+b2k+2+2a+2b,2k+2\ell+\lfloor a\rfloor+\lfloor b\rfloor+\lfloor a+b\rfloor\leq 2k+2\ell+\lfloor 2a\rfloor+\lfloor 2b\rfloor, ce qui équivaut à : a+b2a+2b()\lfloor a+b\rfloor\leq \lfloor 2a\rfloor+\lfloor 2b\rfloor\qquad(\star) Or a+b=1\displaystyle \lfloor a+b\rfloor = 1 si a+b1\displaystyle a+b\geq 1, 0\displaystyle 0 sinon.
    Mais lorsque a+b1\displaystyle a+b\geq 1 on a nécessairement a1/2\displaystyle a\geq 1/2 ou b1/2\displaystyle b\geq 1/2, donc 2a+2b1\displaystyle \lfloor 2a\rfloor+\lfloor 2b\rfloor\geq 1.
    Notre inégalité ()\displaystyle (\star) est donc toujours vérifiée.

Exercice 301 ⭐️ Partie entière, Sup/L1

Soit xR\displaystyle x\in \R.

  1. Montrer que x+x+12=2x\displaystyle \lfloor x \rfloor +\left\lfloor x+\frac{1}{2} \right\rfloor = \lfloor 2x \rfloor.
  2. Montrer plus généralement que pour tout n2\displaystyle n\geq 2, k=0n1x+kn=nx\displaystyle \sum_{k=0}^{n-1}\left\lfloor x+\frac{k}{n} \right\rfloor = \lfloor nx \rfloor.

Décomposer x=x+{x}\displaystyle x = \lfloor x \rfloor+\{x\} (partie entière + partie fractionnaire) permet de simplifier le problème.

  1. Distinguer deux cas : {x}<1/2\displaystyle \{x\}<1/2 et {x}1/2\displaystyle \{x\}\geq1/2. Évaluer les deux membres de l’égalité dans chaque cas.
  2. Remarquer que x+kn\displaystyle \left\lfloor x+\frac{k}{n} \right\rfloor vaut x\displaystyle \left\lfloor x\right\rfloor jusqu’à une certaine valeur de k\displaystyle k, puis x+1\displaystyle \left\lfloor x\right\rfloor+1 ensuite.
    Ceci permet d’évaluer la somme. On vérifie alors aisément qu’elle est égale à nx\displaystyle \left\lfloor nx\right\rfloor.

On note x=x+{x}\displaystyle x=\lfloor x\rfloor +\{x\} avec {x}[0;1[\displaystyle \{x\}\in[0;1[.

  1. \displaystyle \bullet Si {x}<1/2\displaystyle \{x\}<1/2, alors x+x+12=2x\displaystyle \lfloor x \rfloor + \lfloor x+\frac{1}{2} \rfloor =2 \lfloor x \rfloor, et 2x=2x+2{x}=2x\displaystyle \lfloor 2x \rfloor= \lfloor 2\lfloor x\rfloor +2\{x\} \rfloor = 2\lfloor x\rfloor car 2{x}[0;1[\displaystyle 2\{x\}\in[0;1[.
    Si {x}1/2\displaystyle \{x\}\geq 1/2, alors x+x+12=2x+1\displaystyle \lfloor x \rfloor + \lfloor x+\frac{1}{2} \rfloor =2 \lfloor x \rfloor+1, et 2x=2x+2{x}=2x+1\displaystyle \lfloor 2x \rfloor= \lfloor 2\lfloor x\rfloor +2\{x\} \rfloor = 2\lfloor x\rfloor+1 car 2{x}[1;2[\displaystyle 2\{x\}\in[1;2[.
  2. Soit k0\displaystyle k_0 le plus petit entier tel que {x}+kn1\displaystyle \{x\}+\frac kn\geq 1. On a donc 1k0n{x}<1k01n\displaystyle 1-\frac {k_0}n\leq\{x\}<1-\frac {k_0-1}n.
    \displaystyle \bullet D’une part, pour k[ ⁣[0,n1] ⁣]\displaystyle k\in[\![0,n-1]\!],
    x+kn=x si k<k0,  x+1 si kk0\left\lfloor x+\frac{k}{n} \right\rfloor = \lfloor x\rfloor \text{ si }k<k_0,~~ \lfloor x\rfloor +1\text{ si }k\geq k_0 donc k=0n1x+kn=k0x+(nk0)(x+1)=nx+(nk0)\displaystyle \sum_{k=0}^{n-1}\left\lfloor x+\frac{k}{n} \right\rfloor = k_0\lfloor x \rfloor + (n-k_0)(\lfloor x \rfloor +1) = n \lfloor x \rfloor +(n-k_0).
    \displaystyle \bullet D’autre part, nx=nx+n{x}=nx+n{x}\displaystyle \lfloor nx \rfloor = \lfloor n\lfloor x\rfloor+n\{x\}\rfloor = n \lfloor x \rfloor+ \lfloor n\{x\} \rfloor.
    Or nk0n{x}<nk0+1\displaystyle n-k_0\leq n\{x\}<n-k_0+1, donc n{x}=nk0\displaystyle \lfloor n\{x\} \rfloor = n-k_0.
    D’où l’égalité voulue.

Exercice 302 ⭐️ Comparaison Notions de moyenne, Terminale/Sup/L1

Soient x\displaystyle x et y\displaystyle y deux réels tels que 0<xy\displaystyle 0< x \leq y. On pose: m=x+y2,g=xy,1h=12(1x+1y).m = \frac{x+y}{2}, \quad g = \sqrt{xy},\quad \frac{1}{h} = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{x} + \frac{1}{y} \right).Montrer que xhgmy\displaystyle x \leq h \leq g \leq m \leq y.

Remarquem\displaystyle m, g\displaystyle g et h\displaystyle h sont appelées respectivement les moyennes arithmétique, géométrique et harmonique de x\displaystyle x et y\displaystyle y. Ici une jolie animation de gm\displaystyle g\le m.

Pour montrer AB\displaystyle A\geq B 👉 On vérifie que AB\displaystyle A\geq B.
On se souvient que le passage à l’inverse change le sens d’une inégalité (entre des nombres de même signe).

\displaystyle \bullet 1y1x\displaystyle \frac 1y\leq\frac 1x donc 1h12(1x+1x)=1x\displaystyle \frac 1h\leq\frac 12\left( \frac{1}{x} + \frac{1}{x} \right)=\frac 1x. Donc hx\displaystyle h\geq x.

\displaystyle \bullet 1h1g=12(1x+1y)1x 1y=12(1x2+1y221x 1y)=12(1x1y)20\displaystyle \frac 1h-\frac 1g = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{x} + \frac{1}{y} \right) - \frac{1}{\sqrt x}~\frac{1}{\sqrt y} = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{\sqrt x^2} + \frac{1}{\sqrt y^2} - 2\frac{1}{\sqrt x}~\frac{1}{\sqrt y}\right) = \frac 12\left(\frac{1}{\sqrt x}-\frac{1}{\sqrt y}\right)^2 \geq 0.
Ainsi 1h1g\displaystyle \frac 1h\geq\frac 1g, donc hg\displaystyle h\leq g.

\displaystyle \bullet mg=12(x+y2xy)=12(xy)20\displaystyle m-g=\frac 12\left(x+y-2\sqrt x\sqrt y\right) =\frac 12\left(\sqrt x-\sqrt y\right)^2\geq 0, donc mg\displaystyle m\geq g.

\displaystyle \bullet ym=yx20\displaystyle y-m=\frac{y-x}{2}\geq 0 donc ym\displaystyle y\geq m.

Exercice 404 ⭐️ Nullité et petitesse, Terminale/Sup/L1

Soit a\displaystyle a un réel. Démontrer l’implication :
(ε>0,aε)    a=0. \left( \forall \varepsilon > 0, |a| \leq\varepsilon\right) \; \Rightarrow \; a=0.

Une implication a toujours une formulation “contraposée”, qui permet parfois d’y voir plus clair.

Montrons la contraposée.
Supposons a0\displaystyle a\neq 0. Alors a>0\displaystyle |a|>0, donc le réel ε=a2\displaystyle \varepsilon=\frac{|a|}{2} vérifie 0<ε<a\displaystyle 0<\varepsilon <|a|, et donc l’assertion (ε>0,aε)\displaystyle \left( \forall \varepsilon > 0, |a| \leq\varepsilon\right) est fausse.