Propriétés des nombres réels

Exercice 126 ⭐️ Irrationalité de 2\displaystyle \sqrt{2}, Terminale/Sup/L1

Montrer que 2\displaystyle \sqrt{2} est irrationnel.

Pas facile de travailler avec un irrationnel 👉 Preuve par l’absurde !

Par l’absurde, on suppose que 2=pq\displaystyle \sqrt{2}=\frac{p}{q} et que la fraction est irréductible. Alors p2=2q2\displaystyle p^2=2q^2, donc p2\displaystyle p^2 est pair et donc forcément p\displaystyle p aussi, i.e. p=2k\displaystyle p=2k. On obtient alors 4k2=2q2\displaystyle 4k^2=2q^2, i.e. q2=2k2\displaystyle q^2=2k^2, et donc q2\displaystyle q^2 est pair, et alors q\displaystyle q aussi. Mais on avait supposé que la fraction était irréductible, alors qu’on vient de voir qu’on peut simplifier par 2\displaystyle 2. Contradiction !

Exercice 229 ⭐️⭐️ Irrationalité de e\displaystyle e, Sup/L1

Soit un=1+11!+12!++1n!\displaystyle u_n=1+\frac{1}{1!}+\frac{1}{2!}+\cdots+\frac{1}{n!} et vn=un+1n!\displaystyle v_n=u_n+\frac{1}{n!}.

  1. Montrer que (un)\displaystyle (u_n) et (vn)\displaystyle (v_n) sont adjacentes. On note e\displaystyle e leur limite.
  2. Supposons que e=pq\displaystyle e=\frac{p}{q}. Donner alors un encadrement strict de p(q1)!\displaystyle p(q-1)! Conclure.
  1. On a un+1un=1(n+1)!>0\displaystyle u_{n+1}-u_n=\frac{1}{(n+1)!}>0, donc (un)\displaystyle (u_n) est strictement croissante. De plus, vnvn+1=unun+1+1n!1(n+1)!=1n!2(n+1)!=n1(n+1)!>0,\begin{aligned} v_n-v_{n+1} & = u_n-u_{n+1}+\frac{1}{n!}-\frac{1}{(n+1)!}\\ & = \frac{1}{n!}-\frac{2}{(n+1)!} \\ & = \frac{n-1}{(n+1)!}>0, \end{aligned} pour n2\displaystyle n\ge2. Donc (vn)\displaystyle (v_n) est strictement décroissante à partir de n=2\displaystyle n=2. Comme vnun=1n!0\displaystyle v_n-u_n=\frac{1}{n!}\to 0 quand n\displaystyle n\to\infty, on en déduit que les suites (un)\displaystyle (u_n) et (vn)\displaystyle (v_n) sont adjacentes. Elles convergent donc vers une limite, qu’on appelle e\displaystyle e.
  2. Supposons que e=pq\displaystyle e=\frac{p}{q}. On a uq<pq<uq+1q!\displaystyle u_q<\frac{p}{q}<u_q+\frac{1}{q!}, les inégalités étant strictes car les suites (un)\displaystyle (u_n) et (vn)\displaystyle (v_n) sont strictement monotones. D’où, q!uq<p(q1)!<q!uq+1\displaystyle q!u_q<p(q-1)!<q!u_q+1. Or q!uq\displaystyle q!u_q est un entier, donc l’entier p(q1)!\displaystyle p(q-1)! est strictement compris entre deux entiers consécutifs, ce qui est impossible. On en déduit que le nombre e\displaystyle e est irrationnel.

Exercice 278 ⭐️⭐️⭐️ Irrationalité de arccos(1/3)π\displaystyle \frac{\arccos(1/3)}{\pi}, Sup/L1

Soit r=1πarccos(1/3)\displaystyle r=\frac{1}{\pi}\arccos(1/3).

  1. En calculant eirπ\displaystyle e^{ir\pi}, montrer l’équivalence : rQ    \displaystyle r\in\Q \iff il existe un entier n1\displaystyle n\ge 1 tel que (1+22i)n=3n\displaystyle (1+2\sqrt{2}i)^n=3^n.
  2. Montrer qu’il existe des entiers an\displaystyle a_n et bn\displaystyle b_n tels que (1+22i)n=an+bn2i\displaystyle (1+2\sqrt{2}i)^n=a_n+b_n\sqrt{2}i et anbn=±1 [3]\displaystyle a_n-b_n=\pm 1\ [3]. En déduire : rQ\displaystyle r\notin\Q.
  • Calculer cos(rπ)\displaystyle \cos(r\pi) et sin(rπ)\displaystyle \sin(r\pi) ;
  • (a+b)n\displaystyle (a+b)^n 👉 Formule du binôme.
  1. On a cos(πr)=13\displaystyle \cos(\pi r)=\frac13. Comme arccos(1/3)[0,π]\displaystyle \arccos(1/3)\in[0,\pi], on a sin(πr)0\displaystyle \sin(\pi r)\ge0 et donc sin(πr)=1cos2(πr)=89=223\displaystyle \sin(\pi r)=\sqrt{1-\cos^2(\pi r)}=\sqrt{\frac89}=\frac{2\sqrt{2}}{3}, d’où eirπ=1+22 i3\displaystyle e^{ir\pi}=\frac{1+2\sqrt{2}\ i}{3}.
    Supposons rQ\displaystyle r\in\Q, i.e. r=pq\displaystyle r=\frac{p}{q}. Alors ei2qrπ=1\displaystyle e^{i2qr\pi}=1, et donc (1+22 i)2q=32q\displaystyle (1+2\sqrt{2}\ i)^{2q}=3^{2q}.
    Supposons que (1+22 i)n=3n\displaystyle (1+2\sqrt{2}\ i)^{n}=3^{n} pour un entier n1\displaystyle n\ge 1. Alors einrπ=1\displaystyle e^{inr\pi}=1 et donc nrπ=2kπ\displaystyle nr\pi=2k\pi, kZ\displaystyle k\in\Z. Ainsi rQ\displaystyle r\in\Q.
  2. Grâce à la formule du binôme, on obtient (1+22i)n=k=0n(nk)(22i)k.(1+2\sqrt{2}i)^n=\sum_{k=0}^n{n\choose k }(2\sqrt{2}i)^k. Si k=2q\displaystyle k=2q alors (22i)k=22q2q(1)qZ\displaystyle (2\sqrt{2}i)^k=2^{2q}2^q (-1)^q\in\Z. Si k=2q+1\displaystyle k=2q+1 alors (22i)k=22q+12q(1)q2 i\displaystyle (2\sqrt{2}i)^k=2^{2q+1}2^q (-1)^q\sqrt{2}\ i. Comme (nk)N\displaystyle {n\choose k }\in\N, on en déduit l’existence d’entiers an\displaystyle a_n et bn\displaystyle b_n tels que (1+22i)n=an+bn2 i\displaystyle (1+2\sqrt{2}i)^n=a_n+b_n\sqrt{2}\ i. Trouvons une relation de récurrence sur ces entiers. On a : (an+bn2 i)(1+22 i)=an4bn+(2an+bn)2 i\displaystyle (a_n+b_n\sqrt{2}\ i)(1+2\sqrt{2}\ i)=a_n-4b_n+(2a_n+b_n)\sqrt{2}\ i. Donc
    an+1=an4bnbn+1=2an+bn.\begin{aligned} a_{n+1}&=a_n-4b_n \\ b_{n+1}&=2a_n+b_n. \end{aligned} On en déduit que an+1bn+1=an5bn\displaystyle a_{n+1}-b_{n+1}=-a_n-5b_n, et an+1bn+1=an+bn [3]\displaystyle a_{n+1}-b_{n+1}=-a_n+b_n\ [3], i.e. an+1bn+1=(anbn) [3]\displaystyle a_{n+1}-b_{n+1}=-(a_n-b_n)\ [3]. Comme a1b1=12=1\displaystyle a_1-b_1=1-2=-1, il vient par récurrence anbn=±1 [3]\displaystyle a_n-b_n=\pm 1\ [3].
    Supposons qu’il existe un n\displaystyle n tel que an=3n\displaystyle a_n=3^n. Alors an=0 [3]\displaystyle a_n=0\ [3], et donc par ce qui précède on a nécessairement bn0\displaystyle b_n\neq 0. On ne peut donc pas trouver d’entier n\displaystyle n tel que (1+22i)n=3n\displaystyle (1+2\sqrt{2}i)^n=3^n. La question 1) nous permet donc de conclure que rQ\displaystyle r\notin\Q.

Exercice 314 ⭐️⭐️ e\displaystyle e n’est pas algébrique d’ordre 2\displaystyle 2, Spé/L2

(d’après Gourdon, Analyse)

Le but de l’exercice est de montrer que e\displaystyle e n’est pas solution d’un polynôme de degré 2\displaystyle 2 non nul à coefficients entiers.
En d’autres termes, on souhaite montrer que si a,b,cZ\displaystyle a,b,c\in\Z vérifient ae2+be+c=0\displaystyle ae^2+be+c=0, alors a=b=c=0\displaystyle a=b=c=0.

  1. Soit f:xaex+cex\displaystyle f:x\mapsto ae^x+ce^{-x}. Calculer f(k)(0)\displaystyle f^{(k)}(0). Justifier que f(1)Z\displaystyle f(1)\in\Z.
  2. En utilisant la formule de Taylor-Lagrange, montrer qu’il existe αn]0;1[\displaystyle \alpha_n\in]0;1[ tel que f(n)(αn)nZ\displaystyle \frac{f^{(n)}(\alpha_n)}{n}\in\Z.
    (ATTENTION, Formule devenue hors-programme : énoncé à reformuler)
  3. Vérifier que la suite (f(n)(αn))\displaystyle (f^{(n)}(\alpha_n)) est bornée, puis en déduire que f(n)(αn)=0\displaystyle f^{(n)}(\alpha_n)=0 à partir d’un certain rang.
    Conclure.
  1. (rien à déclarer).
  2. Après avoir écrit la formule, au rang qu’il faut, entre 0\displaystyle 0 et 1\displaystyle 1, isoler f(n)(αn)\displaystyle f^{(n)}(\alpha_n). Que peut-on en dire ?
  3. Exprimer f(n)(αn)\displaystyle |f^{(n)}(\alpha_n)|, puis majorer. Que peut-on dire de la suite de terme général f(n)(αn)n\displaystyle \frac{f^{(n)}(\alpha_n)}{n} ?
    L’égalité f(n)(αn)=0\displaystyle f^{(n)}(\alpha_n)=0 , en revenant à l’expression de f(n)(x)\displaystyle f^{(n)}(x), doit vous permettre de conclure aisément.
  1. On a : xR\displaystyle \forall x\in\R, f(k)(x)=aex+(1)kcex\displaystyle f^{(k)}(x)=a e^x+(-1)^k ce^{-x}. En particulier f(k)(0)=a+(1)kc\displaystyle f^{(k)}(0)=a +(-1)^k c.
    On a donc f(1)=ae+ce=ae2+ce=bZ\displaystyle f(1)=ae+\frac ce = \frac{ae^2+c}{e}=-b\in\Z
  2. Soit nN\displaystyle n\in\N. f\displaystyle f étant de classe C\displaystyle \mathcal C^\infty sur R\displaystyle \R, la formule de Taylor-Lagrange, à l’odre n1\displaystyle n-1, entre 0\displaystyle 0 et 1\displaystyle 1, donne l’existence d’un réel αn]0;1[\displaystyle \alpha_n\in]0;1[ tel que f(1)=k=0n1f(k)(0)k!(10)k+f(n)(αn)n!(10)n.f(1)=\sum_{k=0}^{n-1}\frac{f^{(k)}(0)}{k!} (1-0)^k+ \frac{f^{(n)}(\alpha_n)}{n!}(1-0)^n. On peut isoler f(n)(αn)n\displaystyle \frac{f^{(n)}(\alpha_n)}{n} dans cette égalité : f(n)(αn)n=(n1)!f(1)k=0n1(n1)!k!f(k)(0).\frac{f^{(n)}(\alpha_n)}{n} = (n-1)!f(1)-\sum_{k=0}^{n-1}\frac{(n-1)!}{k!}f^{(k)}(0). Or (n1)!Z\displaystyle (n-1)!\in\Z,   f(1)Z  \displaystyle ~~f(1)\in\Z~~ et, pour k[ ⁣[0,n1] ⁣]\displaystyle k\in[\![0,n-1]\!], (n1)!k!Z\displaystyle \frac{(n-1)!}{k!}\in\Z et f(k)(0)=a+(1)kcZ\displaystyle f^{(k)}(0)=a +(-1)^k c\in\Z.
    Donc finalement f(n)(αn)nZ\displaystyle \frac{f^{(n)}(\alpha_n)}{n} \in\Z.
  3. Par inégalité triangulaire, f(n)(αn)aeαn+ceαnae+c\displaystyle |f^{(n)}(\alpha_n)| \leq ae^{\alpha_n}+c e^{-\alpha_n}\leq ae+c, puisque αn]0;1[\displaystyle \alpha_n\in]0;1[. Ainsi (f(n)(αn))\displaystyle \left(f^{(n)}(\alpha_n)\right) est une suite bornée.
    On en déduit que f(n)(αn)n0\displaystyle \frac{f^{(n)}(\alpha_n)}{n} \to 0. Comme f(n)(αn)nZ\displaystyle \frac{f^{(n)}(\alpha_n)}{n} \in\Z, on en déduit (en prenant ε=1/2\displaystyle \varepsilon=1/2 dans la définition de limite), qu’à partir d’un certain rang n0\displaystyle n_0, f(n)(αn)n=0\displaystyle \frac{f^{(n)}(\alpha_n)}{n} =0.
    Ainsi pour tout nn0\displaystyle n\ge n_0, aeαn+(1)nceαn=0\displaystyle ae^{\alpha_n}+(-1)^nce^{-\alpha_n}=0 donc a\displaystyle a et (1)nc\displaystyle (-1)^n c sont de signe opposé ce qui n’est possible que si a=c=0\displaystyle a=c=0. Il reste donc l’égalité be=0\displaystyle be=0 qui donne finalement b=0\displaystyle b=0.

Remarque — En fait e\displaystyle e n’est la racine d’aucun polynôme non nul à coefficents entiers (degré 2 ou pas). Cette propriété porte un nom : on dit que e\displaystyle e est transcendant. Mais pour le montrer, c’est un peu plus difficile !

Exercice 406 ⭐️⭐️ Irrationalité de ln(2)/ln(3)\displaystyle \ln(2)/\ln(3), Sup/L1

Montrer que ln(2)ln(3)\displaystyle \frac{\ln(2)}{\ln(3)} est irrationnel.

Irrationnalité 👉 Supposer une écriture comme fraction, et aboutir à une contradiction.

Raisonnons par l’absurde. Supposons ln(2)ln(3)Q\displaystyle \frac{\ln(2)}{\ln(3)}\in\Q.
Alors il existe aZ\displaystyle a\in\Z, bN\displaystyle b\in\N^* tels que ln(2)ln(3)=ab\displaystyle \frac{\ln(2)}{\ln(3)}=\frac ab (dans ce cas, aN\displaystyle a\in\N^* car ln(2)ln(3)>0\displaystyle \frac{\ln(2)}{\ln(3)}>0).
Alors b ln(2)=a ln(3)\displaystyle b~\ln(2)=a~\ln(3), et donc 2b=3a\displaystyle 2^b=3^a. Contradiction car 2b\displaystyle 2^b est pair, alors que 3a\displaystyle 3^a est impair.
Conclusion. ln(2)ln(3)Q\displaystyle \frac{\ln(2)}{\ln(3)}\notin\Q

Exercice 442 ⭐️⭐️⭐️ Théorème de Dirichlet, Sup/L1

Soit x\displaystyle x un réel.

  1. Montrer que pour tout entier q02\displaystyle q_0\geq 2, il existe un nombre rationnel pq\displaystyle \frac pq, avec qq0\displaystyle q\leq q_0, tel que : xpq1q0q.\left|x-\frac pq\right|\leq\frac{1}{q_0q}.
  2. En déduire qu’il existe une infinité de rationnels pq\displaystyle \frac pq vérifiant xpq1q2\displaystyle \left|x-\frac pq\right|\leq\frac{1}{q^2}.

On peut reformuler cette condition en d(qx,Z)1q0\displaystyle d(qx,\Z)\leq\frac 1{q_0}, où d(,Z)\displaystyle d(\cdot,\Z) désigne la fonction “distance aux entiers”.
On peut réfléchir à la répartition des réels kxkx\displaystyle kx-\lfloor kx\rfloor (parties fractionnaires des multiples de x\displaystyle x), dans l’intervalle [0;1]\displaystyle [0;1].

  1. Notons {t}=tt\displaystyle \{t\}=t-\lfloor t\rfloor la partie fractionnaire d’un réel t\displaystyle t.
    Fixons q0\displaystyle q_0 un entier tel que q02\displaystyle q_0\geq 2. Alors les (q0+1)\displaystyle (q_0+1) nombres 0, {x}, {2x},{q0x}\displaystyle 0,~\{x\},~\{2x\},\dots\{q_0x\} sont tous dans [0,1]\displaystyle [0,1]. Un des q0\displaystyle q_0 intervalles [mq0, m+1q0]\displaystyle \left[\frac m{q_0},~\frac{m+1}{q_0}\right], avec m[ ⁣[0,q01] ⁣]\displaystyle m\in[\![0,q_0-1]\!], doit donc contenir deux de ces nombres. Il existe donc deux entiers k1,k2\displaystyle k_1, k_2, avec 0k1<k2q0\displaystyle 0\leq k_1< k_2\leq q_0 tels que ; {k2x}{k1x}1q0.\bigg|\{k_2x\}-\{k_1x\}\bigg|\leq\frac 1{q_0}. (k2k1)x(k2xk1x)1q0.\bigg|(k_2-k_1)x-\left(\lfloor k_2x\rfloor-\lfloor k_1x\rfloor\right)\bigg|\leq\frac 1{q_0}. En posant q=k2k1\displaystyle q=k_2-k_1 et p=k2xk1x\displaystyle p=\lfloor k_2x\rfloor-\lfloor k_1x\rfloor, on a donc qxp1q0,doncxpq1q0q.\left|qx-p\right|\leq\frac 1{q_0},\qquad\text{donc}\qquad\left|x-\frac pq\right|\leq\frac 1{q_0q}.
  2. Dans le résultat précédent, on a 1q0q1q2\displaystyle \frac 1{q_0q}\leq\frac {1}{q^2} ce qui montre l’existence d’un tel rationnel pq\displaystyle \frac pq. Supposons, par l’absurde, que l’ensemble Q\displaystyle \mathcal Q des rationnels vérifiant cette propriété soit fini (on considère que les rationnels sont systématiquement écrits sous forme irréductible). Alors en notant D=minrQxr\displaystyle D=\min_{r\in\mathcal Q}|x-r|, il suffit de choisir q0>1/D\displaystyle q_0>1/D dans la question précédente ce qui assure l’existence d’un rationnel sQ\displaystyle s\in\mathcal Q vérifiant xs<D\displaystyle |x-s|<D, contradiction.

Exercice 477 ⭐️ πe<eπ\displaystyle \pi^e<e^\pi, Terminale/Sup/L1

Montrer que πe<eπ\displaystyle \pi^e<e^\pi. On montrera d’abord que ex>1+x\displaystyle e^x>1+x si x>0\displaystyle x>0.

  • Étude de fonction ;
  • Trouver un bon x\displaystyle x.

Une jolie preuve sur ce lien ! Ils utilisent le développement en série de ex\displaystyle e^x, mais on peut montrer classiquement que ex>1+x\displaystyle e^x>1+x si x>0\displaystyle x>0 de façon élémentaire avec une étude de fonction. Soit f(x)=exx1\displaystyle f(x)=e^x-x-1 pour x0\displaystyle x\ge0. On a f(0)=0\displaystyle f(0)=0 et f(x)=ex1>0\displaystyle f'(x)=e^x-1>0 si x>0\displaystyle x>0. Donc f\displaystyle f est strictement croissante sur R+\displaystyle \R^+. Donc f(x)>0\displaystyle f(x)>0 si x>0\displaystyle x>0. Ils prennent ensuite x=π/e1.\displaystyle x=\pi/e-1.

Exercice 480 ⭐️ ln(1+2+3)\displaystyle \ln(1+2+3), Terminale

Montrer que ln(1+2+3)=ln1+ln2+ln3\displaystyle \ln(1+2+3)=\ln 1+\ln 2+\ln 3. Cette identité est-elle vraie pour d’autres entiers ?

ln\displaystyle \ln 👉 ln(ab)=ln(a)+ln(b)\displaystyle \ln(ab)=\ln(a)+\ln(b), a,b>0\displaystyle a,b>0.

Nous avons réalisé l’existence de cette simple et jolie identité par ce post. On remarque que 1+2+3=6=23\displaystyle 1+2+3=6=2\cdot3, et on a ln(23)=ln(2)+ln(3)\displaystyle \ln(2\cdot3)=\ln(2)+\ln(3). Comme ln(1)=0\displaystyle \ln(1)=0, on en déduit l’identité désirée.

De telles égalités sont vraies pour des entiers a,b,c\displaystyle a,b,c tels que a+b+c=abc\displaystyle a+b+c=abc. Y a-t-il d’autres entiers que (1,2,3)\displaystyle (1,2,3) qui vérifient cette identité ? Il y a bien sûr (0,0,0)\displaystyle (0,0,0) et sinon ils doivent tous être 1\displaystyle \ge1. On peut toujours supposer abc\displaystyle a\le b\le c. Fixons alors les couples (a,b)\displaystyle (a,b) et résolvons en c\displaystyle c. On exclut les cas (1,1)\displaystyle (1,1), (2,2)\displaystyle (2,2) et (2,3)\displaystyle (2,3) ; on sait déjà que (1,2)\displaystyle (1,2) marche avec c=3\displaystyle c=3. Supposons donc a2\displaystyle a\ge2 et b4\displaystyle b\ge4. On peut écrire : c=a+bab1.c=\frac{a+b}{ab-1}. Or (a1)(b1)=abab+1>2\displaystyle (a-1)(b-1)=ab-a-b+1>2. Donc c<1\displaystyle c<1, impossible !

Exercice 487 ⭐️⭐️ Approximation de π\displaystyle \pi par 22/7\displaystyle 22/7, Sup/L1

Montrer que 01x4(1x)41+x2dx=227π\displaystyle \int_0^1\frac{x^4(1-x)^4}{1+x^2}dx=\frac{22}{7}-\pi, et donc que π<227\displaystyle \pi<\frac{22}{7}.

Fraction rationnelle 👉 Décomposition de éléments simples !

Il s’agit de décomposer en éléments simples la fraction. Au vu des degrés, il y aura une partie principale !

La preuve est très bien faite sur cette page wikipedia, avec plein de commentaires intéressants. Cette identité fournit une approximation (connue depuis l’antiquité !), à la fois simple et très bonne de π\displaystyle \pi.

Exercice 505 ⭐️ 1n\displaystyle \frac 1n nombre décimal, Terminale/Sup

Quels sont les entiers n\displaystyle n strictement positifs pour lesquels 1n\displaystyle \frac 1n est décimal ?

Revenir à la définition de nombre décimal, puis… réfléchir.

1n\displaystyle \frac 1n est décimal si et seulement si il existe kN\displaystyle k\in\N et pN\displaystyle p\in\N tels que 1n=k10p\displaystyle \frac{1}{n}=\frac{k}{10^p}.
C’est le cas si et seulement si il existe pN\displaystyle p\in\N tel que n\displaystyle n divise 10p\displaystyle 10^p.
Comme 10=2×5\displaystyle 10=2\times 5, cette condition équivaut à ce que n\displaystyle n soit de la forme : n=2i5j,i,jN.n=2^i5^j,\quad i,j\in\N.