Lumio

Calcul dans IR — exercices corrigés

2ème année · section Sciences. Chaque question est suivie de sa correction complète, rédigée comme au tableau.

Les exercices

Exercice 1

avance

On considère, pour tout réel x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[, les expressions :
A(x)=x2−2x+1−x2+2x+1A(x) = \sqrt{x^2 - 2x + 1} - \sqrt{x^2 + 2x + 1}
B(x)=x1+x−1−xB(x) = \frac{x}{\sqrt{1+x} - \sqrt{1-x}}

Pour tout entier naturel n≥1n \geq 1, on pose :
Sn=∑k=1n1k(k+1)S_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k(k+1)}

Pour tout entier naturel n≥2n \geq 2, on pose :
Pn=∏k=2n(1−1k2)P_n = \prod_{k=2}^{n} \left(1 - \frac{1}{k^2}\right)

  1. 1. Montrer que pour tout x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[, x2−2x+1=1−x\sqrt{x^2 - 2x + 1} = 1 - x.

    Indice — Que vaut le signe de x−1x - 1 lorsque x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[ ?

    Correction

    On reconnaît une identité remarquable : x2−2x+1=(x−1)2x^2 - 2x + 1 = (x - 1)^2, d'où x2−2x+1=∣x−1∣\sqrt{x^2 - 2x + 1} = |x - 1|. Comme x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[, on a x−1<0x - 1 < 0, ce qui donne ∣x−1∣=−(x−1)=1−x|x - 1| = -(x - 1) = 1 - x.

  2. 2. En déduire que pour tout x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[, A(x)=−2xA(x) = -2x.

    Indice — Que vaut x2+2x+1\sqrt{x^2 + 2x + 1} pour x>0x > 0 ?

    Correction

    De même, x2+2x+1=(x+1)2=∣x+1∣=x+1\sqrt{x^2 + 2x + 1} = \sqrt{(x+1)^2} = |x + 1| = x + 1 puisque x>0x > 0. En utilisant le résultat précédent, on obtient directement : A(x)=(1−x)−(x+1)=−2xA(x) = (1 - x) - (x + 1) = -2x.

  3. 3. Montrer que pour tout x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[, B(x)=1+x+1−x2B(x) = \frac{\sqrt{1+x} + \sqrt{1-x}}{2}.

    Indice — Que vaut (1+x−1−x)(1+x+1−x)(\sqrt{1+x} - \sqrt{1-x})(\sqrt{1+x} + \sqrt{1-x}) ?

    Correction

    On multiplie le numérateur et le dénominateur par l'expression conjuguée 1+x+1−x\sqrt{1+x} + \sqrt{1-x}. Le dénominateur se simplifie en (1+x)−(1−x)=2x(1+x) - (1-x) = 2x. En simplifiant par xx (non nul), on obtient B(x)=1+x+1−x2B(x) = \frac{\sqrt{1+x} + \sqrt{1-x}}{2}.

  4. 4. Montrer que pour tout entier n≥1n \geq 1, Sn=nn+1S_n = \frac{n}{n+1}.

    Indice — Écrire 1k(k+1)\dfrac{1}{k(k+1)} sous la forme 1k−1k+1\dfrac{1}{k} - \dfrac{1}{k+1}.

    Correction

    On utilise la décomposition en éléments simples 1k(k+1)=1k−1k+1\frac{1}{k(k+1)} = \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}. La somme est télescopique, tous les termes intermédiaires s'annulent : Sn=1−1n+1=nn+1S_n = 1 - \frac{1}{n+1} = \frac{n}{n+1}.

  5. 5. Montrer que pour tout entier n≥2n \geq 2, Pn=n+12nP_n = \frac{n+1}{2n}.

    Indice — Factoriser 1−1k21 - \dfrac{1}{k^2} sous la forme k−1k×k+1k\dfrac{k-1}{k} \times \dfrac{k+1}{k}.

    Correction

    Pour tout k≥2k \geq 2, on écrit 1−1k2=k2−1k2=k−1k×k+1k1 - \frac{1}{k^2} = \frac{k^2-1}{k^2} = \frac{k-1}{k} \times \frac{k+1}{k}. En réorganisant le produit PnP_n, les termes se simplifient par télescopage : le produit des facteurs k−1k\frac{k-1}{k} vaut 1n\frac{1}{n} et celui des facteurs k+1k\frac{k+1}{k} vaut n+12\frac{n+1}{2}. On obtient donc Pn=1n×n+12=n+12nP_n = \frac{1}{n} \times \frac{n+1}{2} = \frac{n+1}{2n}.

  6. 6. Montrer que pour tout entier n≥2n \geq 2 et pour tout x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[, Sn⋅Pn⋅(B(x))2=1+1−x24S_n \cdot P_n \cdot \left(B(x)\right)^2 = \frac{1 + \sqrt{1-x^2}}{4}.

    Indice — Que vaut le produit Sn⋅PnS_n \cdot P_n après simplification ?

    Correction

    On sait que Sn=nn+1S_n = \frac{n}{n+1}, d'où Sn⋅Pn=nn+1×n+12n=12S_n \cdot P_n = \frac{n}{n+1} \times \frac{n+1}{2n} = \frac{1}{2}. En multipliant le numérateur et le dénominateur de B(x)B(x) par son expression conjuguée, on trouve B(x)=1+x+1−x2B(x) = \frac{\sqrt{1+x} + \sqrt{1-x}}{2}. En élevant au carré, (B(x))2=1+1−x22(B(x))^2 = \frac{1 + \sqrt{1-x^2}}{2}. Ainsi, Sn⋅Pn⋅(B(x))2=12×1+1−x22=1+1−x24S_n \cdot P_n \cdot (B(x))^2 = \frac{1}{2} \times \frac{1 + \sqrt{1-x^2}}{2} = \frac{1 + \sqrt{1-x^2}}{4}.

  7. 7. Déterminer la valeur du réel x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[ vérifiant Sn⋅Pn⋅(B(x))2=38S_n \cdot P_n \cdot \left(B(x)\right)^2 = \frac{3}{8}.

    Indice — Isoler 1−x2\sqrt{1-x^2} dans l'égalité obtenue à la question précédente.

    Correction

    L'égalité s'écrit 1+1−x24=38\frac{1 + \sqrt{1-x^2}}{4} = \frac{3}{8}, ce qui donne 1−x2=12\sqrt{1-x^2} = \frac{1}{2}. En élevant au carré, on obtient 1−x2=141 - x^2 = \frac{1}{4}, soit x2=34x^2 = \frac{3}{4}. Comme x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[, la seule solution est x=32x = \frac{\sqrt{3}}{2}.

  8. 8. Calculer A(x)A(x) pour le réel xx déterminé à la question 7.

    Indice — Remplacer xx par la valeur trouvée dans l'égalité de la question 2.

    Correction

    Pour tout x∈]0 ; 1[x \in ]0\,;\,1[, l'expression se simplifie en A(x)=∣x−1∣−∣x+1∣=(1−x)−(x+1)=−2xA(x) = |x-1| - |x+1| = (1-x) - (x+1) = -2x. Pour x=32x = \frac{\sqrt{3}}{2}, on a donc A(32)=−2×32=−3A\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = -2 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = -\sqrt{3}.

Exercice 2

avance

On considère diverses expressions numériques et algébriques dans R\mathbb{R}.

  1. 1. Soit k∈N∗k \in \mathbb{N}^*. Montrer que 1k+k+1=k+1−k\frac{1}{\sqrt{k}+\sqrt{k+1}} = \sqrt{k+1} - \sqrt{k}.

    Indice — 1k+k+1=k+1−k(k+1+k)(k+1−k)\frac{1}{\sqrt{k}+\sqrt{k+1}} = \frac{\sqrt{k+1}-\sqrt{k}}{(\sqrt{k+1}+\sqrt{k})(\sqrt{k+1}-\sqrt{k})}

    Correction

    On multiplie le numérateur et le dénominateur de l'expression par la quantité conjuguée du dénominateur, soit k+1−k\sqrt{k+1} - \sqrt{k}. On obtient alors : k+1−k(k+1+k)(k+1−k)=k+1−k(k+1)−k=k+1−k\frac{\sqrt{k+1}-\sqrt{k}}{(\sqrt{k+1}+\sqrt{k})(\sqrt{k+1}-\sqrt{k})} = \frac{\sqrt{k+1}-\sqrt{k}}{(k+1)-k} = \sqrt{k+1} - \sqrt{k}.

  2. 2. Pour tout entier n≥1n \ge 1, calculer S=∑k=1n1k+k+1S = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{\sqrt{k}+\sqrt{k+1}}.

    Indice — Utilise le résultat de la question précédente pour réécrire chaque terme de la somme.

    Correction

    En utilisant le résultat de la question précédente, chaque terme de la somme SS se réécrit sous la forme k+1−k\sqrt{k+1} - \sqrt{k}. La somme devient télescopique : S=(2−1)+(3−2)+(4−3)+⋯+(n+1−n)S = (\sqrt{2}-1) + (\sqrt{3}-\sqrt{2}) + (\sqrt{4}-\sqrt{3}) + \dots + (\sqrt{n+1}-\sqrt{n}). Après simplification des termes intermédiaires, on obtient S=n+1−1S = \sqrt{n+1} - 1.

  3. 3. Montrer que, pour tout n≥1n \ge 1, 2−1≤S<n+1\sqrt{2}-1 \le S < \sqrt{n+1}.

    Indice — Utiliser n+1−1\sqrt{n+1} - 1.

    Correction

    Puisque n≥1n \ge 1, on a n+1≥2n+1 \ge 2, ce qui implique n+1≥2\sqrt{n+1} \ge \sqrt{2}. Ainsi, S=n+1−1≥2−1S = \sqrt{n+1} - 1 \ge \sqrt{2} - 1. Par ailleurs, S<n+1S < \sqrt{n+1}.

  4. 4. Écrire A=3−22A = \sqrt{3 - 2\sqrt{2}} sous la forme a2+ba\sqrt{2} + b avec a,b∈Za, b \in \mathbb{Z}.

    Indice — Calculer (2−1)2(\sqrt{2}-1)^2.

    Correction

    En élevant AA au carré, on a A2=3−22=2−22+1=(2)2−22×1+12=(2−1)2A^2 = 3 - 2\sqrt{2} = 2 - 2\sqrt{2} + 1 = (\sqrt{2})^2 - 2\sqrt{2}\times 1 + 1^2 = (\sqrt{2}-1)^2. Puisque AA est positif (3>223 > 2\sqrt{2}), on extrait la racine carrée pour obtenir A=2−1A = \sqrt{2} - 1.

  5. 5. Soit B=3−22−3+22B = \sqrt{3 - 2\sqrt{2}} - \sqrt{3 + 2\sqrt{2}}. Calculer B2B^2 puis donner la valeur exacte de BB.

    Indice — Calculer B2B^2.

    Correction

    On calcule B2B^2 en développant l'identité remarquable : B2=(3−22)+(3+22)−2(3−22)(3+22)=6−29−8=6−2(1)=4B^2 = (3 - 2\sqrt{2}) + (3 + 2\sqrt{2}) - 2\sqrt{(3 - 2\sqrt{2})(3 + 2\sqrt{2})} = 6 - 2\sqrt{9 - 8} = 6 - 2(1) = 4. Puisque 3−22<3+22\sqrt{3 - 2\sqrt{2}} < \sqrt{3 + 2\sqrt{2}}, le nombre BB est négatif. Ainsi, de B2=4B^2 = 4 on déduit la valeur exacte B=−2B = -2.

  6. 6. Déterminer l'encadrement de x2x^2 pour x∈[−2 ; 1]x \in [-2\,;\,1].

    Indice — Étudier la valeur absolue de xx.

    Correction

    Pour x∈[−2 ; 1]x \in [-2\,;\,1], la valeur absolue ∣x∣|x| appartient à l'intervalle [0 ; 2][0\,;\,2]. Par croissance de la fonction carrée sur les réels positifs, on obtient 0⩽x2⩽40 \leqslant x^2 \leqslant 4. L'encadrement de son carré est donc x2∈[0 ; 4]x^2 \in [0\,;\,4].

  7. 7. Comparer yy, y2y^2 et y\sqrt{y} pour y∈]0 ; 1[y \in ]0\,;\,1[.

    Indice — Comparer les puissances d'un nombre strictement compris entre 00 et 11.

    Correction

    Puisque y∈]0 ; 1[y \in ]0\,;\,1[, on a l'inégalité y2<y<yy^2 < y < \sqrt{y}. Par ordre croissant, les réels se rangent ainsi : y2<y<yy^2 < y < \sqrt{y}.

  8. 8. Déterminer le pourcentage global d'évolution d'un prix subissant une baisse de 20%20\% suivie d'une hausse de 20%20\%.

    Indice — Exprime le nouveau prix à l'aide des coefficients multiplicateurs.

    Correction

    Le coefficient multiplicateur associé à une baisse de 20%20\% est 0,80{,}8 et celui d'une hausse de 20%20\% est 1,21{,}2. Le coefficient global est le produit de ces deux coefficients : 0,8×1,2=0,960{,}8 \times 1{,}2 = 0{,}96. Le pourcentage global d'évolution est donc une baisse de 4%4\%.

  9. 9. Montrer que C=0,125×10−25−3C = \frac{0{,}125 \times 10^{-2}}{5^{-3}} appartient à D\mathbb{D}.

    Indice — Exprime le numérateur et le dénominateur sous forme de puissances de 2 et de 5.

    Correction

    On a 0,125=2−30{,}125 = 2^{-3} et 10−2=2−2×5−210^{-2} = 2^{-2} \times 5^{-2}. Le numérateur est 2−5×5−22^{-5} \times 5^{-2}. Le dénominateur est 5−35^{-3}. On a C=2−5×5−25−3=2−5×51=532=0,15625C = \frac{2^{-5} \times 5^{-2}}{5^{-3}} = 2^{-5} \times 5^1 = \frac{5}{32} = 0{,}15625. Le nombre CC appartient donc bien à l'ensemble D\mathbb{D}.

  10. 10. Calculer D=(2−1)2+12+1D = \sqrt{(\sqrt{2}-1)^2} + \frac{1}{\sqrt{2}+1} et préciser l'ensemble minimal auquel elle appartient.

    Indice — Simplifie chaque terme séparément.

    Correction

    On a (2−1)2=∣2−1∣=2−1\sqrt{(\sqrt{2}-1)^2} = |\sqrt{2}-1| = \sqrt{2}-1. Pour le second terme, 12+1=2−1\frac{1}{\sqrt{2}+1} = \sqrt{2}-1. En additionnant les deux termes, on obtient D=22−2D = 2\sqrt{2}-2. L'expression finale contient un radical non éliminé, ce qui implique que DD est un nombre irrationnel, appartenant à R\mathbb{R}.

Exercice 3

avance

Pour tout entier n≥2n \ge 2, on pose :
Sn=∑k=1n1k+k+1S_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+1}}
et
Pn=∏k=2n(1−1k2)P_n = \prod_{k=2}^n \left(1 - \frac{1}{k^2}\right)

  1. 1)a). Montrer que, pour tout entier k≥1k \ge 1, 1k+k+1=k+1−k\dfrac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+1}} = \sqrt{k+1} - \sqrt{k}.

    Indice — Considère le produit :
    (k+1+k)(k+1−k)(\sqrt{k+1} + \sqrt{k})(\sqrt{k+1} - \sqrt{k})

    Correction

    On multiplie le numérateur et le dénominateur par l'expression conjuguée k+1−k\sqrt{k+1} - \sqrt{k} :
    1k+k+1=k+1−k(k+1+k)(k+1−k)=k+1−k(k+1)−k=k+1−k\frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k+1}} = \frac{\sqrt{k+1} - \sqrt{k}}{(\sqrt{k+1} + \sqrt{k})(\sqrt{k+1} - \sqrt{k})} = \frac{\sqrt{k+1} - \sqrt{k}}{(k+1) - k} = \sqrt{k+1} - \sqrt{k}

  2. 1)b). Montrer que, pour tout entier n≥2n \ge 2, Sn=n+1−1S_n = \sqrt{n+1} - 1.

    Indice — Que devient la somme lorsqu'on remplace chaque terme par l'égalité obtenue en 1)a) ?

    Correction

    D'après la question 1)a), la somme devient télescopique :
    Sn=∑k=1n(k+1−k)=(2−1)+(3−2)+⋯+(n+1−n)S_n = \sum_{k=1}^n (\sqrt{k+1} - \sqrt{k}) = (\sqrt{2} - 1) + (\sqrt{3} - \sqrt{2}) + \dots + (\sqrt{n+1} - \sqrt{n})
    Par simplification des termes consécutifs opposés, il ne reste que le premier et le dernier terme, soit Sn=n+1−1S_n = \sqrt{n+1} - 1.

  3. 1)c). Déterminer l'entier nn tel que Sn=9S_n = 9.

    Indice — Résoudre dans N∗\mathbb{N}^* l'égalité :
    n+1−1=9\sqrt{n+1} - 1 = 9

    Correction

    D'après 1)b), Sn=9  ⟺  n+1−1=9  ⟺  n+1=10S_n = 9 \iff \sqrt{n+1} - 1 = 9 \iff \sqrt{n+1} = 10.
    En élevant au carré, on a n+1=100n+1 = 100, d'où n=99n = 99.

  4. 2)a). Montrer que, pour tout entier k≥2k \ge 2, 1−1k2=(k−1)(k+1)k21 - \dfrac{1}{k^2} = \dfrac{(k-1)(k+1)}{k^2}.

    Indice — Factoriser le numérateur de :
    k2−1k2\frac{k^2 - 1}{k^2}

    Correction

    On met au même dénominateur puis on factorise le numérateur à l'aide de l'identité remarquable a2−b2a^2 - b^2 :
    1−1k2=k2−1k2=(k−1)(k+1)k21 - \frac{1}{k^2} = \frac{k^2 - 1}{k^2} = \frac{(k-1)(k+1)}{k^2}

  5. 2)b). Montrer que, pour tout entier n≥2n \ge 2, Pn=n+12nP_n = \dfrac{n+1}{2n}.

    Indice — Regroupe séparément les facteurs :
    (12×23×⋯×n−1n)et(32×43×⋯×n+1n)\left(\frac{1}{2} \times \frac{2}{3} \times \dots \times \frac{n-1}{n}\right) \quad \text{et} \quad \left(\frac{3}{2} \times \frac{4}{3} \times \dots \times \frac{n+1}{n}\right)

    Correction

    On factorise chaque facteur : 1−1k2=(k−1)(k+1)k21 - \frac{1}{k^2} = \frac{(k-1)(k+1)}{k^2}. En séparant en deux produits télescopiques :
    Pn=(∏k=2nk−1k)×(∏k=2nk+1k)=1n×n+12=n+12nP_n = \left(\prod_{k=2}^n \frac{k-1}{k}\right) \times \left(\prod_{k=2}^n \frac{k+1}{k}\right) = \frac{1}{n} \times \frac{n+1}{2} = \frac{n+1}{2n}

  6. 2)c). Déterminer l'ensemble des entiers n≥2n \ge 2 tels que 1324≤Pn≤710\dfrac{13}{24} \le P_n \le \dfrac{7}{10}.

    Indice — Écris n+12n\dfrac{n+1}{2n} sous la forme :
    12+12n\frac{1}{2} + \frac{1}{2n}

    Correction

    En écrivant Pn=12+12nP_n = \frac{1}{2} + \frac{1}{2n}, la double inégalité devient :
    1324≤12+12n≤710  ⟺  124≤12n≤15\frac{13}{24} \le \frac{1}{2} + \frac{1}{2n} \le \frac{7}{10} \iff \frac{1}{24} \le \frac{1}{2n} \le \frac{1}{5}
    En prenant les inverses, on obtient 5≤2n≤245 \le 2n \le 24, soit 2,5≤n≤122{,}5 \le n \le 12. Les entiers solutions sont donc n∈{3,4,…,12}n \in \{3, 4, \dots, 12\}.

  7. 3)a). Exprimer Sn×PnS_n \times P_n en fonction de nn.

    Indice — Remplacer SnS_n et PnP_n par leurs formes simplifiées déjà établies.

    Correction

    Comme Sn=n+1−1S_n = \sqrt{n+1} - 1 et Pn=n+12nP_n = \frac{n+1}{2n}, on a directement :
    Sn×Pn=(n+1)(n+1−1)2nS_n \times P_n = \frac{(n+1)(\sqrt{n+1} - 1)}{2n}

  8. 3)b). Calculer E=(S99+1)×P99E = (S_{99} + 1) \times P_{99}.

    Indice — Que vaut S99+1S_{99} + 1 d'après les résultats précédents ?

    Correction

    D'après les expressions précédentes, S99+1=100=10S_{99} + 1 = \sqrt{100} = 10 et P99=1002×99=5099P_{99} = \frac{100}{2 \times 99} = \frac{50}{99}.
    On en déduit :
    E=10×5099=50099E = 10 \times \frac{50}{99} = \frac{500}{99}

Exercice 4

fondamental
  1. 1. Développer et simplifier (3+2)2(\sqrt{3} + \sqrt{2})^2.

    Indice — Appliquer l'identité remarquable (a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2.

    Correction

    On applique l'identité remarquable (a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2 avec a=3a = \sqrt{3} et b=2b = \sqrt{2} :
    (3+2)2=(3)2+232+(2)2=3+26+2=5+26(\sqrt{3} + \sqrt{2})^2 = (\sqrt{3})^2 + 2\sqrt{3}\sqrt{2} + (\sqrt{2})^2 = 3 + 2\sqrt{6} + 2 = 5 + 2\sqrt{6}

  2. 2. En déduire une écriture simplifiée de A=5+26A = \sqrt{5 + 2\sqrt{6}}.

    Indice — Utiliser le résultat précédent et la propriété x2=x\sqrt{x^2} = x pour x>0x > 0.

    Correction

    D'après la question précédente, 5+26=(3+2)25 + 2\sqrt{6} = (\sqrt{3} + \sqrt{2})^2.
    Comme 3+2>0\sqrt{3} + \sqrt{2} > 0, on a :
    A=(3+2)2=3+2A = \sqrt{(\sqrt{3} + \sqrt{2})^2} = \sqrt{3} + \sqrt{2}

  3. 3. Soit B=1A2B = \frac{1}{A^2}. Rendre rationnel le dénominateur de BB.

    Indice — Multiplier le numérateur et le dénominateur par l'expression conjuguée du dénominateur.

    Correction

    On a A2=5+26A^2 = 5 + 2\sqrt{6}. On multiplie le numérateur et le dénominateur par l'expression conjuguée 5−265 - 2\sqrt{6} :
    B=15+26=5−26(5+26)(5−26)=5−2652−(26)2=5−2625−24=5−26B = \frac{1}{5 + 2\sqrt{6}} = \frac{5 - 2\sqrt{6}}{(5 + 2\sqrt{6})(5 - 2\sqrt{6})} = \frac{5 - 2\sqrt{6}}{5^2 - (2\sqrt{6})^2} = \frac{5 - 2\sqrt{6}}{25 - 24} = 5 - 2\sqrt{6}

  4. 4. Calculer S=A2+BS = A^2 + B et vérifier que S∈NS \in \mathbb{N}.

    Indice — Additionner les expressions de A2A^2 et de BB.

    Correction

    En effectuant la somme :
    S=(5+26)+(5−26)=10S = (5 + 2\sqrt{6}) + (5 - 2\sqrt{6}) = 10
    Comme 10∈N10 \in \mathbb{N}, SS est bien un entier naturel.

  5. 5. En déduire la valeur de E=A4+1A4E = A^4 + \frac{1}{A^4}.

    Indice — Développer (A2+B)2(A^2 + B)^2.

    Correction

    On remarque que B=1A2B = \frac{1}{A^2}, donc A2B=1A^2 B = 1.
    En développant (A2+B)2(A^2 + B)^2, on obtient :
    (A2+B)2=A4+2A2B+B2=A4+2+1A4=E+2(A^2 + B)^2 = A^4 + 2A^2B + B^2 = A^4 + 2 + \frac{1}{A^4} = E + 2
    D'où :
    E=(A2+B)2−2=S2−2=102−2=100−2=98E = (A^2 + B)^2 - 2 = S^2 - 2 = 10^2 - 2 = 100 - 2 = 98

Exercice 5

avance

Pour tout k∈N∗k \in \mathbb{N}^*, on pose ak=k+1−ka_k = \sqrt{k+1} - \sqrt{k}.

  1. 1. Calculer :
    • a1a_1
    • a2a_2
    Puis comparer a1a_1 et a2a_2.

    Indice — Comparer (3+1)2(\sqrt{3}+1)^2 et (22)2(2\sqrt{2})^2.

    Correction

    On calcule les deux termes :
    • a1=2−1a_1 = \sqrt{2} - 1
    • a2=3−2a_2 = \sqrt{3} - \sqrt{2}

    Pour les comparer, on étudie le signe de a1−a2=22−(3+1)a_1 - a_2 = 2\sqrt{2} - (\sqrt{3} + 1) en comparant les carrés de ces deux nombres positifs :
    (22)2=8(2\sqrt{2})^2 = 8 et (3+1)2=4+23=4+12(\sqrt{3}+1)^2 = 4 + 2\sqrt{3} = 4 + \sqrt{12}.
    Comme 12<4\sqrt{12} < 4, on a (3+1)2<8(\sqrt{3}+1)^2 < 8, d'où 22>3+12\sqrt{2} > \sqrt{3}+1. On en déduit que a1>a2a_1 > a_2.

  2. 2. Montrer que pour tout k∈N∗k \in \mathbb{N}^* :
    ak=1k+1+ka_k = \frac{1}{\sqrt{k+1} + \sqrt{k}}

    Indice — Considérer le produit (k+1−k)(k+1+k)(\sqrt{k+1}-\sqrt{k})(\sqrt{k+1}+\sqrt{k}).

    Correction

    En multipliant et divisant par l'expression conjuguée k+1+k\sqrt{k+1} + \sqrt{k} :
    ak=(k+1−k)(k+1+k)k+1+k=(k+1)−kk+1+k=1k+1+ka_k = \frac{(\sqrt{k+1} - \sqrt{k})(\sqrt{k+1} + \sqrt{k})}{\sqrt{k+1} + \sqrt{k}} = \frac{(k+1) - k}{\sqrt{k+1} + \sqrt{k}} = \frac{1}{\sqrt{k+1} + \sqrt{k}}

  3. 3. Montrer que pour tout entier k≥2k \ge 2 :
    k+1+k>k+k−1\sqrt{k+1} + \sqrt{k} > \sqrt{k} + \sqrt{k-1}
    En déduire que ak<ak−1a_k < a_{k-1}.

    Indice — Comparer terme à terme k+1+k\sqrt{k+1}+\sqrt{k} et k+k−1\sqrt{k}+\sqrt{k-1}, puis considérer leurs inverses.

    Correction

    Pour tout k≥2k \ge 2, on a k+1>k−1k+1 > k-1. Par stricte croissance de la fonction racine carrée, k+1>k−1\sqrt{k+1} > \sqrt{k-1}, d'où en ajoutant k\sqrt{k} de part et d'autre :
    k+1+k>k+k−1\sqrt{k+1} + \sqrt{k} > \sqrt{k} + \sqrt{k-1}
    Les deux membres étant strictement positifs, la stricte décroissance de la fonction inverse sur R+∗\mathbb{R}_+^* donne :
    1k+1+k<1k+k−1\frac{1}{\sqrt{k+1} + \sqrt{k}} < \frac{1}{\sqrt{k} + \sqrt{k-1}}
    Ce qui établit, d'après le résultat précédent, que ak<ak−1a_k < a_{k-1}.

  4. 4. Montrer que pour tout k∈N∗k \in \mathbb{N}^* :
    12k+1<ak<12k\frac{1}{2\sqrt{k+1}} < a_k < \frac{1}{2\sqrt{k}}

    Indice — Comparer la somme k+1+k\sqrt{k+1}+\sqrt{k} avec 2k2\sqrt{k} et avec 2k+12\sqrt{k+1}.

    Correction

    Comme k<k+1k < k+1, on a k<k+1\sqrt{k} < \sqrt{k+1}. On encadre alors le dénominateur de aka_k :
    2k<k+1+k<2k+12\sqrt{k} < \sqrt{k+1} + \sqrt{k} < 2\sqrt{k+1}
    En passant aux inverses, la stricte décroissance de la fonction inverse sur R+∗\mathbb{R}_+^* inverse le sens des inégalités :
    12k+1<1k+1+k<12k\frac{1}{2\sqrt{k+1}} < \frac{1}{\sqrt{k+1} + \sqrt{k}} < \frac{1}{2\sqrt{k}}
    Soit exactement 12k+1<ak<12k\frac{1}{2\sqrt{k+1}} < a_k < \frac{1}{2\sqrt{k}}.

  5. 5. Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, on pose Sn=∑k=1nakS_n = \sum_{k=1}^n a_k. Exprimer SnS_n en fonction de nn.

    Indice — Écrire in extenso la somme a1+a2+⋯+ana_1 + a_2 + \dots + a_n.

    Correction

    Il s'agit d'une somme télescopique : Sn=∑k=1n(k+1−k)S_n = \sum_{k=1}^n (\sqrt{k+1} - \sqrt{k}). Les termes consécutifs s'annulent deux à deux, ce qui donne directement Sn=n+1−1S_n = \sqrt{n+1} - 1.

  6. 6. Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, on pose Tn=∑k=1n1kT_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k}}.
    Vérifier que :
    T1≥22−2T_1 \ge 2\sqrt{2} - 2

    Indice — Comparer 33 et 222\sqrt{2} à l'aide de leurs carrés.

    Correction

    On a T1=1T_1 = 1. L'inégalité demandée équivaut à 3≥223 \ge 2\sqrt{2}. Comme 32=9>(22)2=83^2 = 9 > (2\sqrt{2})^2 = 8, on a bien 3>223 > 2\sqrt{2}, d'où T1≥22−2T_1 \ge 2\sqrt{2} - 2.

  7. 7. Montrer que pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^* :
    1n+1>2(n+2−n+1)\frac{1}{\sqrt{n+1}} > 2\left(\sqrt{n+2} - \sqrt{n+1}\right)

    Indice — Considérer la minoration de 12k\dfrac{1}{2\sqrt{k}} obtenue à la question 4 pour k=n+1k = n+1.

    Correction

    D'après la minoration obtenue précédemment, pour tout k≥1k \ge 1, 12k>k+1−k\frac{1}{2\sqrt{k}} > \sqrt{k+1} - \sqrt{k}. En appliquant cette inégalité à k=n+1k = n+1 puis en multipliant par 22, on obtient directement 1n+1>2(n+2−n+1)\frac{1}{\sqrt{n+1}} > 2(\sqrt{n+2} - \sqrt{n+1}).

  8. 8. Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^*. On suppose que Tn≥2n+1−2T_n \ge 2\sqrt{n+1} - 2.
    Montrer que :
    Tn+1≥2n+2−2T_{n+1} \ge 2\sqrt{n+2} - 2

    Indice — Écrire Tn+1=Tn+1n+1T_{n+1} = T_n + \dfrac{1}{\sqrt{n+1}} et utiliser le résultat de la question 7.

    Correction

    On écrit Tn+1=Tn+1n+1T_{n+1} = T_n + \frac{1}{\sqrt{n+1}}. En combinant l'hypothèse Tn≥2n+1−2T_n \ge 2\sqrt{n+1} - 2 et l'inégalité de la question 7, on obtient par somme : Tn+1>(2n+1−2)+2(n+2−n+1)=2n+2−2T_{n+1} > (2\sqrt{n+1} - 2) + 2(\sqrt{n+2} - \sqrt{n+1}) = 2\sqrt{n+2} - 2.

Continuer sur Lumio

Ce chapitre compte 163 exercices dans Lumio, servis un par un selon ce que tu réussis et ce que tu rates, avec la correction détaillée à chaque étape.

Créer mon compte gratuitement