Arithmétique : corrigé des exercices en terminale spécialité en PDF.

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Exercice 1 :
1-Posons d = pgcd(a,b)
On a si d divise a et d divise b alors d divise b et d divise (a-bq)
Réciproquement : si d divise b et d divise (a-bq)  alors d divise ( a – bq ) +bq = a
2- c’est la relation précédente avec a = 5n^3 -n ; b = n+2 ; q = 5n^2- 10n +19.

Exercice 2 :

Pour démontrer que n(n+2)(n+4) est divisible par 3, on peut utiliser le principe de récurrence.

1. Vérification initiale :
Pour n = 1, on a 1(1+2)(1+4) = 1(3)(5) = 15, qui est divisible par 3.

2. Hypothèse de récurrence :
Supposons que pour un certain entier naturel k, k(k+2)(k+4) est divisible par 3.

3. Étape de récurrence :
Nous devons démontrer que (k+1)((k+1)+2)((k+1)+4) est aussi divisible par 3.

Développons cette expression littérale :
(k+1)(k+3)(k+5) = (k^2 + 4k + 3)(k + 5)
= k^3 + 5k^2 + 4k^2 + 20k + 3k + 15
= k^3 + 9k^2 + 23k + 15

Nous pouvons remarquer que k^3 + 9k^2 + 23k est divisible par 3 car chaque terme est divisible par 3.

De plus, 15 est également divisible par 3.

Donc, (k+1)(k+3)(k+5) est divisible par 3.

4. Conclusion :
En utilisant le principe de récurrence, nous avons montré que pour tout entier naturel n, n(n+2)(n+4) est divisible par 3.

Exercice 3 :
Soit δ = PGCD(a ;b) et µ = PPCM(a ;b).

On a alors a= δa’ et b = δb’ avec a’ et b’ premiers entre eux.

On a donc PPCM(a’ ;b’) = a’b’

µ = PPCM(δa’ ; δb’) = δ×PPCM(a’ ; b’) = δ×a’×b’

Ainsi δµ = δ²×a’×b’ =  δ×a’× δ×b’ = ab
Système d’équations et arithmétique.
De la relation PPCM(a;b)×PGCD(a;b) = ab,
on déduit à partir de la deuxième équation du système :

3×PPCM(a ;b) = PGCD(a ;b)×PPCM(a ;b)

Donc PGCD(a;b) = 3 

Il existe alors des entiers a’ et b’ (premiers entre eux) tels que a = 3a’ et b = 3b’.

En reportant dans la première équation, on obtient :

9a’² – 9b’² = 405
Soit (a’ + b’)(a’ – b’) = 45
Or 45 = 3²×5
On peut donc avoir les 3 systèmes suivants :

 \{ a' + b' = 45\\ a' -b' = 1 .           \{ a' + b' = 15\\ a' -b' = 3 .     \{ a' + b' = 9\\ a' -b' = 5 .

a’ = 23 et b’ = 22         a’ = 9 et b’ = 6         a’ = 7 et b’ = 2

D’où (a ;b) = (66 ;69)   ne convient pas car   d’où (a ;b) = (42 ;6)
9 et 6 ne sont pas premiers entre eux

Les couples solutions du système sont donc (42 ;6) et (66 ;69).

Exercice 4 :

Pour résoudre le système d’équations donné, nous allons utiliser une approche par factorisation.

Équation 1: a^2 - b^2 = 405
Cette équation est une différence de carrés, donc nous pouvons factoriser le côté gauche en utilisant l’identité a^2 - b^2 = (a + b)(a - b):
(a + b)(a - b) = 405

Équation 2: 3 \times   ppcm(a,b) = ab
La ppcm (plus petit commun multiple) de deux entiers a et b est le plus petit multiple commun à ces deux nombres.

Maintenant, nous allons résoudre le système d’équations en utilisant la factorisation de l’équation 1.

(a + b)(a – b) = 405

Pour simplifier les choses, nous allons noter (a + b) comme x et (a – b) comme y:
xy = 405

Ensuite, nous pouvons exprimer la deuxième équation en termes de x et y:
3 \times   ppcm((x + y)/2, (x - y)/2) = ((x + y)/2) \times   ((x - y)/2)

Simplifions cette équation en mettant tout sur un seul côté:
(x + y) / 2 \times   (x - y) / 2 - 3 \times   ((x + y) / 2) \times   ((x - y) / 2) = 0

Donc, nous avons maintenant le système d’équations suivant:
xy = 405
(x + y)/2 \times   (x - y)/2 - 3 \times   ((x + y)/2) \times   ((x - y)/2) = 0

En résolvant ce système d’équations, nous obtiendrons les valeurs possibles pour x (a + b) et y (a – b).

Comme 405 = 3 * 3 * 3 * 5 * 9, nous pouvons essayer différentes combinaisons de diviseurs de 405 qui multiplient pour donner 405. Les paires possibles de diviseurs comprennent: (1, 405), (3, 135), (5, 81), (9, 45).
Nous pouvons utiliser ces paires pour résoudre les équations.

1. Lorsque x = 405 et y = 1 :
(a + b) = 405 et (a – b) = 1
En résolvant ce système, nous obtenons a = 203 et b = 202.

2. Lorsque x = 135 et y = 3 :
(a + b) = 135 et (a – b) = 3
En résolvant ce système, nous obtenons a = 69 et b = 66.

3. Lorsque x = 81 et y = 5 :
(a + b) = 81 et (a – b) = 5
En résolvant ce système, nous obtenons a = 43 et b = 38.

4. Lorsque x = 45 et y = 9 :
(a + b) = 45 et (a – b) = 9
En résolvant ce système, nous obtenons a = 27 et b = 18.

Donc, les solutions dans ℕ pour le système d’équations sont :
(a, b) = (203, 202), (69, 66), (43, 38), (27, 18).

Exercice 5 :
1) (a^2 + 2b^2)^2 = a^4 + 4a^2b^2 + 4b^4

2) a^4+ 4b^4 = (a^2 + 2b^2)^2 - 4a^2b^2 = (a^2 + 2b^2 + 2ab)(a^2 + 2b^2 - 2ab)

a^4+ 4b^4= [(a + b)^2 + b^2][(a - b)^2 + b^2]

(a + b)^2 + b^2\geq\, 4\,et\,(a - b)^2 + b^2\geq\, 4. car a et b sont supérieurs ou égaux à 2.

a^4+4b^4 est le produit de deux entiers supérieurs strictement à 1.

Donc a^4+4b^4   n’est pas un nombre premier.

Exercice 7 :

1. Démonstration de (x^3 - y^3) = (x - y)(x^2 + xy + y^2) :

Nous pouvons utiliser l’identité factorielle pour les cubes parfaits, qui dit que a^3 - b^3 = (a - b)(a^2 + ab + b^2).

Posons a = x et b = y.

Alors:
(x^3 - y^3) = (x - y)(x^2 + xy + y^2).

Donc, l’identité (x^3 - y^3) = (x - y)(x^2 + xy + y^2) est démontrée.

2. Résolution de l’équation x^3 – y^3 = 127 où les inconnues sont des entiers naturels :

Nous voulons trouver des entiers naturels x et y qui satisfont l’équation x^3 – y^3 = 127.

En utilisant l’identité factorielle démontrée précédemment, nous pouvons réécrire l’équation comme suit :
(x – y)(x^2 + xy + y^2) = 127.

Puisque 127 est un nombre premier, cela signifie que les seules façons d’exprimer 127 comme produit de deux facteurs est 1 * 127 ou -1 * -127.

Nous devons alors trouver des valeurs possibles pour x – y et x^2 + xy + y^2 qui donnent 127 lorsque multipliées.

En testant différentes valeurs possibles pour x – y, nous pouvons trouver des paires (x, y) qui satisfont l’équation. Voici quelques-unes des paires possibles qui donnent 127 :

(x - y, x^2 + xy + y^2) = (1, 127)
Dans ce cas, nous pouvons résoudre les équations :
x - y = 1
x^2 + xy + y^2 = 127

En résolvant ces équations, nous obtenons les solutions suivantes :
(x, y) = (6, 5) et (x, y) = (-20, -21)

(x - y, x^2 + xy + y^2) = (-1, -127)
Dans ce cas, nous pouvons résoudre les équations :
x - y = -1
x^2 + xy + y^2 = -127

Cependant, nous recherchons des solutions dans les entiers naturels, donc ces paires ne sont pas valables.

Donc, les solutions entières naturelles de l’équation x^3 - y^3 = 127 sont :
(x, y) = (6, 5) et (x, y) = (-20, -21).

Exercice 8 :

Pour démontrer que le couple (q, r) est unique, nous allons utiliser la méthode de contradiction.

Supposons qu’il existe deux couples (q1, r1) et (q2, r2) qui satisfont les conditions du théorème de la division euclidienne pour a et b.
Cela signifie que nous avons :
a = bq1 + r1 et 0 ≤ r1 ≤ |b|,
a = bq2 + r2 et 0 ≤ r2 ≤ |b|.

Nous allons montrer que q1 = q2 et r1 = r2.

1. Montrons que q1 = q2 :
En soustrayant l’équation (a = bq1 + r1) de l’équation (a = bq2 + r2), nous obtenons :
0 = b(q2 – q1) + (r2 – r1).

Puisque 0 ≤ r1, r2 ≤ |b|, cela signifie que |r2 – r1| ≤ |b|.
De plus, puisque b(q2 – q1) est un multiple de b, |b(q2 – q1)| est également inférieur ou égal à |b|.

Donc, nous avons |b(q2 - q1) + (r2 - r1)| \leq\, |b| + |b| = 2|b|.
Cela signifie que la différence (q2 – q1) est un entier dont la valeur absolue est inférieure ou égale à 2.

Mais comme q1 et q2 sont tous les deux des entiers, il n’y a que trois possibilités pour leur différence (q2 – q1) : -2, 0, ou 2.
Cela implique que q2 – q1 = 0, ce qui signifie que q1 = q2.

2. Montrons que r1 = r2 :
En utilisant l’égalité q1 = q2, nous pouvons réécrire l’équation (a = bq1 + r1) comme suit :
a = bq2 + r1.

En soustrayant l’équation (a = bq2 + r2) de cette nouvelle équation, nous obtenons :
0 = (r1 – r2).

Puisque r1 et r2 sont tous les deux des nombres naturels, cela signifie que r1 – r2 = 0 et donc r1 = r2.

Ainsi, nous avons montré que si deux couples (q1, r1) et (q2, r2) satisfont les conditions du théorème de la division euclidienne pour a et b, alors q1 = q2 et r1 = r2.

Cela implique que le couple (q, r) est unique.

Exercice 9 :

1. Pour exprimer p^2 en fonction de n et q, nous élevons au carré les deux côtés de l’équation sqrt(n) = p/q :
( \sqrt{n} )^2 = (\frac{p}{q})^2

Cela donne n = \frac{p^2 }{ q^2}.

En multipliant les deux côtés de cette équation par q^2, nous obtenons :
n \times   q^2 = p^2.

Donc, p^2 = n \times   q^2.

2. En utilisant la décomposition en facteurs premiers, nous pouvons écrire n, p et q de la manière suivante :
n = p1^{a1} \times   p2^{a2} \times   ... \times   pk^{ak} \\\\p = p1^{b1} \times   p2^b2 \times   ... \times   pk^{bk} \\\\q = p1^{c1} \times   p2^{c2} \times   ... \times   pk^{ck}

où les pi sont des nombres premiers distincts et les ai, bi, ci sont des entiers positifs.

En substituant ces expressions dans l’équation p^2 = n * q^2, nous obtenons :
(p1^{b1} \times   p2^{b2} \times   ... \times   pk^{bk})^2 = (p1^{a1} \times   p2^{a2} \times   ... \times   pk^{ak}) \times   (p1^{c1} \times   p2^{c2} \times   ... \times   pk^{ck})^2

En simplifiant cette équation, nous obtenons :
p1^({2b1}) \times   p2^({2b2}) \times   ... \times   pk^({2bk})\\\\ = p1^{(a1 + 2c1)} \times   p2^{(a2 + 2c2) }\times   ... \times   pk^{(ak + 2ck)}

Cela signifie que pour chaque pi, les exposants des facteurs premiers correspondants doivent être égaux.

Maintenant, supposons qu’il existe un pi, par exemple p1, dont l’exposant de p dans p^2 est différent de l’exposant correspondant de pi dans n * q^2.

Ce serait une contradiction avec le fait que tout entier naturel admet une décomposition unique en produit de facteurs premiers.

Par conséquent, les exposants des facteurs premiers dans la décomposition de n sont les mêmes que les exposants des facteurs premiers dans la décomposition de p^2.

3. En conclusion, si \sqrt{ n } est un nombre rationnel, alors nous pouvons l’exprimer sous la forme p/q, où p et q sont des entiers avec pgcd(p,q)=1.

En utilisant cette expression, nous avons montré que p^2 = n \times   q^2 et que les exposants des facteurs premiers dans la décomposition de n sont les mêmes que les exposants des facteurs premiers dans la décomposition de p^2.

Cela signifie que si n est le carré d’aucun entier, alors les exposants des facteurs premiers dans la décomposition de n doivent tous être pairs.

4. Pour démontrer que sqrt(2) + sqrt(3) n’est pas un nombre rationnel, nous allons utiliser la méthode de l’absurde.

Supposons que \sqrt(2) + \sqrt(3) est un nombre rationnel, c’est-à-dire qu’il peut être exprimé sous la forme p/q où p et q sont des entiers avec pgcd(p,q)=1.

En élevant au carré les deux côtés de l’équation, nous obtenons :
( \sqrt{2} + \sqrt{3})^2 = (\frac{p}{ q})^2

Cela donne 2 + 2 \sqrt{6} + 3 = p^2/q^2

En simplifiant cette équation, nous obtenons :
5 + 2 \sqrt{6} = p^2/q^2

Cela impliquerait que √6 est un nombre rationnel, ce qui est une contradiction avec le fait que √6 ne peut pas être exprimé sous la forme p/q où p et q sont des entiers avec pgcd(p,q)=1.

Par conséquent, nous avons montré que \sqrt{ 2} + \sqrt{3} n’est pas un nombre rationnel.

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