les exercices au format pdf - Exo7

Exo7

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Table des matires

1 100.01 Logique 13

2 100.02 Ensemble 16

3 100.03 Absurde et contrapose 20

4 100.04 Rcurrence 21

5 100.05 Relation dquivalence, relation dordre 29

6 100.99 Autre 34

7 101.01 Application 35

8 101.02 Injection, surjection 38

9 101.03 Bijection 40

10 101.99 Autre 41

11 102.01 Binme de Newton et combinaison 41

12 102.02 Cardinal 47

13 102.99 Autre 51

14 103.01 Divisibilit, division euclidienne 55

15 103.02 Sous-groupes de Z 61

16 103.03 Pgcd, ppcm, algorithme dEuclide 62

17 103.04 Nombres premiers, nombres premiers entre eux 71

18 103.99 Autre 75

19 104.01 Forme cartsienne, forme polaire 76

20 104.02 Racine carre, quation du second degr 80

21 104.03 Racine n-ieme 83

1
http://exo7.emath.fr

22 104.04 Gomtrie 87

23 104.05 Trigonomtrie 98

24 104.99 Autre 104

25 105.01 Division euclidienne 106

26 105.02 Pgcd 112

27 105.03 Racine, dcomposition en facteurs irrductibles 115

28 105.04 Fraction rationnelle 124

29 105.05 Dfinition, degr, produit 135

30 105.99 Autre 135

31 106.01 Dfinition, sous-espace 146

32 106.02 Systme de vecteurs 153

33 106.03 Somme directe 159

34 106.04 Base 163

35 106.05 Dimension 169

36 106.99 Autre 174

37 107.01 Dfinition 174

38 107.02 Image et noyau, thorme du rang 178

39 107.03 Morphismes particuliers 189

40 107.99 Autre 198

41 108.01 Proprits lmentaires, gnralits 198

42 108.02 Noyau, image 210

43 108.03 Matrice et application linaire 212

44 108.04 Exemples gomtriques 218

45 108.05 Inverse, mthode de Gauss 218

46 108.06 Changement de base, matrice de passage 222

47 108.99 Autre 224

48 120.01 Les rationnels 232

49 120.02 Maximum, minimum, borne suprieure 237

50 120.03 Proprits des nombres rels 240

51 120.04 Intervalle, densit 240

2

52 120.99 Autre 240

53 121.01 Convergence 248

54 121.02 Suite dfinie par une relation de rcurrence 260

55 121.03 Suites quivalentes, suites ngligeables 268

56 121.04 Suite rcurrente linaire 274

57 121.05 Suite de Cauchy 277

58 121.06 Suite dans Rn 278

59 121.99 Autre 279

60 122.01 Srie termes positifs 280

61 122.02 Convergence absolue 285

62 122.03 Sries semi-convergentes 287

63 122.04 Sries alternes 287

64 122.05 Familles sommables 288

65 122.06 Fonction exponentielle complexe 290

66 122.99 Autre 292

67 123.01 Continuit : thorie 306

68 123.02 Continuit : pratique 314

69 123.03 Limite de fonctions 317

70 123.04 Etude de fonctions 324

71 123.05 Fonction continue par morceaux 332

72 123.06 Fonctions quivalentes, fonctions ngligeables 333

73 123.99 Autre 334

74 124.01 Calculs 335

75 124.02 Thorme de Rolle et accroissements finis 339

76 124.03 Applications 342

77 124.04 Fonctions convexes 344

78 124.99 Autre 347

79 125.01 Formule de Taylor 357

80 125.02 Calculs 361


3

82 125.04 Dveloppements limits implicites 375

83 125.05 Equivalents 376

84 125.99 Autre 377

85 126.01 Fonctions circulaires inverses 378

86 126.02 Fonctions hyperboliques et hyperboliques inverses 385

87 126.99 Autre 389

88 127.01 Thorie 389

89 127.02 Somme de Riemann 400

90 127.03 Longueur, aire, volume 402

91 127.04 Intgration laide dune fonction auxiliaire 404

92 127.05 Changement de variables 404

93 127.06 Intgration par parties 407

94 127.07 Polynme en sin, cos ou en sh, ch 408

95 127.08 Fraction rationnelle 410

96 127.09 Fraction rationnelle en sin, cos ou en sh, ch 412

97 127.10 Intgrale ablienne 413

98 127.11 Primitives diverses 414

99 127.12 Intgrale impropre 420

100 127.99 Autre 435

101 140.01 Distance, norme, produit scalaire 441

102 140.02 Droites 441

103 141.01 Produit scalaire, produit vectoriel, dterminant 441

104 141.02 Aire, volume 441

105 141.03 Plans 441

106 141.04 Droites de lespace 441

107 141.05 Distance 441

108 200.01 Forme multilinaire 441

109 200.02 Calcul de dterminants 444

110 200.03 Systme linaire, rang 462


4

112 200.99 Autre 483

113 201.01 Valeur propre, vecteur propre 487

114 201.02 Diagonalisation 499

115 201.03 Polynme caractristique, thorme de Cayley-Hamilton 526

116 201.04 Sous-espace stable 530

117 201.05 Trigonalisation 533

118 201.06 Rduction de Jordan 536


120 201.08 Polynme annulateur 550

121 201.99 Autre 557

122 202.01 Endomorphisme du plan 561

123 202.02 Endomorphisme auto-adjoint 562

124 202.03 Autres endomorphismes normaux 566

125 202.04 Endomorphisme orthogonal 566

126 202.99 Autre 572

127 203.01 Groupe, sous-groupe 579

128 203.02 Ordre dun lment 591

129 203.03 Morphisme, isomorphisme 593

130 203.04 Anneau 594

131 203.05 Idal 600

132 203.06 Algbre, corps 601

133 203.07 Groupe de permutation 604

134 203.99 Autre 613

135 204.01 Produit scalaire, norme 616

136 204.02 Forme quadratique 629

137 204.03 Espace orthogonal 634

138 204.04 Projection, symtrie 635

139 204.05 Orthonormalisation 642

140 204.06 Espace vectoriel euclidien de dimension 3 647

141 204.07 Endomorphismes auto-adjoints 652

5

142 204.08 Espaces vectoriels hermitiens 658

143 204.09 Problmes matriciels 661

144 204.99 Autre 665

145 205.01 Arithmtique de Z 666

146 205.02 Anneau Z/nZ, thorme chinois 669

147 205.03 Groupe fini commutatif 672

148 205.04 Arithmtique de K[X] 672

149 205.05 Corps fini 672


151 205.99 Autre 672

152 220.01 Convergence normale 672

153 220.02 Critres de Cauchy et dAlembert 672

154 220.03 Rayon de convergence 672

155 220.04 Proprits de la sommme dune srie entire 675

156 220.05 Calcul de la somme dune srie entire 675

157 220.06 Dveloppement en srie entire 677

158 220.07 Etude au bord 680

159 220.08 Equations diffrentielles 680

160 220.09 Intgrales 682

161 220.10 Analycit 683

162 220.99 Autre 684

163 221.01 Calcul de coefficients 686

164 221.02 Convergence, thorme de Dirichlet 690

165 221.03 Formule de Parseval 692

166 221.99 Autre 693

167 222.01 Convergence simple, uniforme, normale 695

168 222.02 Continuit, drivabilit 700

169 222.03 Suites et sries dintgrales 702

170 222.04 Suite et srie de matrices 703

171 222.99 Autre 704

6

172 223.01 Limite 710

173 223.02 Continuit 713

174 223.03 Diffrentiabilit 715

175 223.04 Drive partielle 722

176 223.05 Diffrentielle de fonctions composes 732

177 223.06 Diffrentielle seconde 732

178 223.07 Extremums locaux 734

179 223.08 Fonctions implicites 739

180 223.99 Autre 739

181 224.01 Intgrale multiple 742

182 224.02 Calcul approch dintgrale 749

183 224.03 Intgrale de Riemann dpendant dun paramtre 749

184 224.04 Tranforme de Laplace et transforme de Fourier 760

185 224.99 Autre 760

186 225.01 Rsolution dquation diffrentielle du premier ordre 760

187 225.02 Rsolution dquation diffrentielle du deuxime ordre 764

188 225.03 Raccordement de solutions 769

189 225.04 Equations diffrentielles linaires 769

190 225.05 Equations diffrentielles non linaires 781

191 225.06 Equations aux drives partielles 785

192 225.99 Autre 788

193 229.01 Ouvert, ferm, intrieur, adhrence 788

194 229.02 Compacit 794

195 229.03 Borne suprieure 797

196 229.04 Topologie de la droite relle 798

197 229.05 Topologie des espaces mtriques 799

198 229.06 Topologie des espaces vectoriels norms 800

199 229.07 Connexit 814

200 229.08 Espaces complets 815

201 229.09 Fonctions vectorielles 816

7

202 229.10 Application linaire continue, norme matricielle 817

203 229.99 Autre 818

204 240.00 Gomtrie affine dans le plan et dans lespace 820

205 240.01 Sous-espaces affines 835

206 240.02 Applications affines 837

207 240.03 Barycentre 841

208 240.04 Proprits des triangles 842

209 240.99 Autres 847

210 241.00 Isomtrie vectorielle 847

211 242.01 Gomtrie affine euclidienne du plan 848

212 242.02 Gomtrie affine euclidienne de lespace 871

213 243.00 Conique 878

214 243.01 Ellipse 881

215 243.02 Parabole 882

216 243.03 Hyperbole 884

217 243.04 Quadrique 886

218 243.99 Autre 891

219 244.01 Courbes paramtres 891

220 244.02 Coordonnes polaires 900

221 244.03 Courbes dfinies par une condition 904

222 244.04 Branches infinies 906

223 244.05 Points de rebroussement 907

224 244.06 Enveloppes 907

225 244.07 Proprits mtriques : longueur, courbure,... 909

226 244.08 Courbes dans lespace 913

227 244.99 Autre 914

228 245.00 Analyse vectorielle : forme diffrentielle, champ de vecteurs, circulation 915

229 245.01 Forme diffrentielle, champ de vecteurs, circulation 915

230 245.02 Torseurs 922

231 246.00 Autre 923

8

232 246.01 Plan tangent, vecteur normal 923

233 246.02 Surfaces paramtres 923

234 260.01 Probabilit et dnombrement 926

235 260.02 Probabilit conditionnelle 928

236 260.03 Variable alatoire discrte 931

237 260.04 Lois de distributions 936

238 260.05 Esprance, variance 938

239 260.06 Droite de rgression 939

240 260.07 Fonctions gnratrices 939

241 260.99 Autre 939

242 261.01 Densit de probabilit 939

243 261.02 Loi faible des grands nombres 939

244 261.03 Convergence en loi 940

245 261.04 Loi normale 940

246 261.99 Autre 940

247 262.01 Estimation 941

248 262.02 Tests dhypothses, intervalle de confiance 941

249 262.99 Autre 945

250 300.00 Groupe quotient, thorme de Lagrange 945

251 301.00 Ordre dun lment 947

252 302.00 Groupe symtrique, dcomposition en cycles disjoints, signature 952

253 303.00 Sous-groupe distingu 953

254 304.00 Action de groupe 958

255 305.00 Groupe cyclique 963

256 306.00 Thorme de Sylow 963

257 307.00 Autre 966

258 310.00 Isomtrie euclidienne 966

259 311.00 Gomtrie diffrentielle lmentaire de Rn 968

260 312.00 Gomtrie et trigonomtrie sphrique 969

261 313.00 Groupe orthogonal et quaternions 970

9

262 314.00 Gomtrie projective 971

263 315.00 Gomtrie et trigonomtrie hyperbolique 974

264 316.00 Autre 976

265 320.00 Groupe 976

266 321.00 Sous-groupe, morphisme 982

267 322.00 Groupe fini 985

268 323.00 Anneau, corps 988

269 324.00 Polynme 997

270 325.00 Extension de corps 1006

271 326.00 Extension danneau 1008

272 327.00 Autre 1010

273 350.00 Varit 1010

274 351.00 Immersion, submersion, plongement 1010

275 352.00 Sous-varit 1010

276 353.00 Espace tangent, application linaire tangente 1013

277 354.00 Champ de vecteurs 1013

278 355.00 Forme diffrentielle 1016

279 356.00 Orientation 1018

280 357.00 Intgration sur les varits 1018

281 358.00 Autre 1018

282 370.00 Diffrentiabilit, calcul de diffrentielles 1018

283 371.00 Diffrentielle dordre suprieur, formule de Taylor 1026

284 372.00 Diffomorphisme, thorme dinversion locale et des fonctions implicites 1028

285 373.00 Extremum, extremum li 1036

286 374.00 Autre 1041

287 380.00 Solution maximale 1043

288 381.00 Thorme de Cauchy-Lipschitz 1050

289 382.00 Systme linaire coefficients constants 1052

290 383.00 Etude qualititative : quilibre, stabilit 1055

291 384.00 Equation aux drives partielles 1055

10

292 385.00 Autre 1058

293 400.00 Tribu, fonction mesurable 1062

294 401.00 Mesure 1064

295 402.00 Lemme de Fatou, convergence monotone 1064

296 403.00 Thorme de convergence domine 1065

297 404.00 Intgrales multiples, thorme de Fubini 1067

298 405.00 Intgrale dpendant dun paramtre 1069

299 406.00 Espace Lp 1069

300 407.00 Transforme de Fourier 1072

301 408.00 Autre 1073

302 420.00 Espace topologique, espace mtrique 1079

303 421.00 Compacit 1094

304 422.00 Continuit, uniforme continuit 1104

305 423.00 Application linaire borne 1112

306 424.00 Espace vectoriel norm 1115

307 425.00 Espace mtrique complet, espace de Banach 1125

308 426.00 Thorme du point fixe 1131

309 427.00 Espace de Hilbert, thorme de projection 1134

310 428.00 Thorme de Baire 1135

311 429.00 Dualit, topologie faible 1136

312 430.00 Connexit 1137

313 431.00 Autre 1142

314 432.00 Thorme de Stone-Weirstrass, thorme dAscoli 1143

315 440.00 Fonction holomorphe 1145

316 441.00 Fonction logarithme et fonction puissance 1157

317 442.00 Formule de Cauchy 1161

318 443.00 Singularit 1175

319 444.00 Thorme des rsidus 1178

320 445.00 Tranforme de Laplace et de Fourier 1196

321 446.00 Autre 1200

11

322 450.00 Interpolation polynomiale 1219

323 451.00 Courbe de Bzier, spline 1219

324 452.00 Intgration numrique 1219

325 453.00 Mthode de Newton 1219

326 454.00 Rsolution dquation diffrentielle 1219

327 455.00 Rsolution de systmes linaires : mthode directe 1219

328 456.00 Rsolution de systmes linaires : mthode itrative 1219

329 457.00 Rsolution de systmes linaires : mthode de gradient 1219

330 458.00 Calcul de valeurs propres et de vecteurs propres 1219

331 459.00 Autre 1219

332 470.00 Fonction convexe 1230

333 471.00 Multiplicateurs de Lagrange 1232

334 472.00 Algorithme dUzawa 1232

335 473.00 Algorithme du simplexe 1232

336 474.00 Autre 1232

337 480.00 Loi, indpendance, loi conditionnelle 1232

338 481.00 Variance, covariance, fonction gnratrice 1234

339 482.00 Convergence de variables alatoires 1234

340 483.00 Lois des grands nombres, thorme central limite 1235

341 484.00 Estimateur 1235

342 485.00 Tests sur la moyenne, test du chi2 1235

343 486.00 Chanes de Markov 1235

344 487.00 Autre 1235

12

1 100.01 Logique

Exercice 1Soient R et S des relations. Donner la ngation de R S. [000104]

Exercice 2Dmontrer que (1 = 2) (2 = 3).Correction H [000105]

Exercice 3Soient les quatre assertions suivantes :

(a) x R y R x+ y > 0 ; (b) x R y R x+ y > 0 ;

(c) x R y R x+ y > 0 ; (d) x R y R y2 > x.1. Les assertions a, b, c, d sont-elles vraies ou fausses?

2. Donner leur ngation.

Indication H Correction H Vido [000106]

Exercice 4Soit f une application de R dans R. Nier, de la manire la plus prcise possible, les noncs qui suivent :

1. Pour tout x R f (x)6 1.2. Lapplication f est croissante.

3. Lapplication f est croissante et positive.

4. Il existe x R+ tel que f (x)6 0.5. Il existe x R tel que quel que soit y R, si x < y alors f (x)> f (y).

On ne demande pas de dmontrer quoi que ce soit, juste dcrire le contraire dun nonc.Correction H Vido [000107]

Exercice 5Complter les pointills par le connecteur logique qui simpose :, , .

1. x R x2 = 4 . . . . . . x = 2 ;2. z C z = z . . . . . . z R ;3. x R x = . . . . . . e2ix = 1.

Correction H Vido [000108]

Exercice 6Dans R2, on dfinit les ensembles F1 = {(x,y) R2, y 6 0} et F2 = {(x,y) R2, xy > 1, x > 0}. On noteM1M2 la distance usuelle entre deux points M1 et M2 de R2. valuer les propositions suivantes :

1. ]0,+[ M1 F1 M2 F2 M1M2 < 2. M1 F1 M2 F2 ]0,+[ M1M2 < 3. ]0,+[ M1 F1 M2 F2 M1M2 < 4. M1 F1 M2 F2 ]0,+[ M1M2 <

Quand elles sont fausses, donner leur ngation.Indication H Correction H Vido [000109]

Exercice 7

13
http://www.youtube.com/watch?v=nfJizOU7DbAhttp://www.youtube.com/watch?v=ZCLCoGR3hcchttp://www.youtube.com/watch?v=2tmyTz5_2Rwhttp://www.youtube.com/watch?v=q07OjCbDg3o

Nier la proposition : tous les habitants de la rue du Havre qui ont les yeux bleus gagneront au loto et prendrontleur retraite avant 50 ans.Correction H Vido [000110]

Exercice 8crire la ngation des assertions suivantes o P,Q,R,S sont des propositions.

1. P Q,2. P et non Q,

3. P et (Q et R),

4. P ou (Q et R),

5. (P et Q) (R S).Correction H [000111]

Exercice 9Nier les assertions suivantes :

1. tout triangle rectangle possde un angle droit ;

2. dans toutes les curies, tous les chevaux sont noirs ;

3. pour tout entier x, il existe un entier y tel que, pour tout entier z, la relation z < x implique le relationz < x+1 ;

4. > 0 > 0 (|x7/5|< |5x7|< ).Correction H Vido [000112]

Exercice 10 Le missionnaire et les cannibalesLes cannibales dune tribu se prparent manger un missionnaire. Dsirant lui prouver une dernire fois leurrespect de la dignit et de la libert humaine, les cannibales proposent au missionnaire de dcider lui-mme deson sort en faisant une courte dclaration : si celle-ci est vraie, le missionnaire sera rti, et il sera bouilli dansle cas contraire. Que doit dire le missionnaire pour sauver sa vie? (daprs Cervants) [000113]

Exercice 11La proposition

(PQ (P)Q

)est-elle vraie? [000114]

Exercice 12On suppose que la proposition P est vraie ainsi que les propositions suivantes :

1. (Q)PS.2. S (P)Q.3. P RS.4. SQP.5. R(SQ) T .6. R (P) (Q).

La proposition T est-elle vraie? [000115]

Exercice 13Ecrire la ngation des phrases suivantes :

1. (x)(n)/(x6 n).2. (M)/(n)(|un|6M).

14
http://www.youtube.com/watch?v=QSbHxGnf-9Mhttp://www.youtube.com/watch?v=FH3vTlYT23M

3. (x)(y)(xy = yx).4. (x)(y)/(yxy1 = x).5. ( > 0)(N N)/(n> N)(|un|< ).6. (x R)( > 0)( > 0)/( f F )(y R)(|x y|< | f (x) f (y)|< ).

[000116]

Exercice 14Comparer les diffrentes phrases (sont-elles quivalentes, contraires, quelles sont celles qui impliquent lesautres...)

1. (x)(y)/(x6 y).2. (x)(y)(x6 y).3. (x)(y)/(x6 y).4. (x)/(y)(x6 y).5. (x)/(y)(y < x).6. (x)(y)/(y < x).7. (x)(y)/(x = y).

[000117]

Exercice 15Si P(x) est une proposition dpendant de x X , on note P = {x X/P(x) est vraie}. Exprimer en fonction deP et Q les ensembles P,PQ,PQ,P Q,P Q. [000118]

Exercice 16Montrer que

> 0 N N tel que (n> N 2 < 2n+1n+2

< 2+ ).


Exercice 17Soient f ,g deux fonctions de R dans R. Traduire en termes de quantificateurs les expressions suivantes :

1. f est majore ;

2. f est borne ;

3. f est paire ;

4. f est impaire ;

5. f ne sannule jamais ;

6. f est priodique ;

7. f est croissante ;

8. f est strictement dcroissante ;

9. f nest pas la fonction nulle ;

10. f na jamais les mmes valeurs en deux points distincts ;

11. f atteint toutes les valeurs de N ;12. f est infrieure g ;

13. f nest pas infrieure g.

15
http://www.youtube.com/watch?v=UK22qba7LV0


Exercice 18 **ITExprimer laide de quantificateurs les phrases suivantes puis donner leur ngation.

1. ( f tant une application du plan dans lui-mme)

(a) f est lidentit du plan.

(b) f a au moins un point invariant (on dit aussi point fixe).

2. ( f tant une application de R dans R)(a) f est lapplication nulle.

(b) Lquation f (x) = 0 a une solution.

(c) Lquation f (x) = 0 a exactement une solution.

3. ((un)nN tant une suite relle)

(a) La suite (un)nN est borne.

(b) La suite (un)nN est croissante.

(c) La suite (un)nN est monotone.

Correction H [005103]

Exercice 19 *ITDonner la ngation des phrases suivantes

1. x> 3

2. 0 < x6 2.


Exercice 20 **ITLes phrases suivantes sont-elles quivalentes?

1. x R, ( f (x) = 0 et g(x) = 0) et (x R, f (x) = 0) et (x R, g(x) = 0) .2. x R, ( f (x) = 0 ou g(x) = 0) et (x R, f (x) = 0) ou (x R, g(x) = 0) .

Donner un exemple de fonctions f et g de R dans R, toutes deux non nulles et dont le produit est nul.Correction H [005105]

2 100.02 Ensemble

Exercice 21Montrer que /0 X , pour tout ensemble X . [000121]

Exercice 22Montrer par contraposition les assertions suivantes, E tant un ensemble :

1. A,B P(E) (AB = AB) A = B,2. A,B,C P(E) (AB = AC et AB = AC) B =C.


Exercice 23Soit A,B deux ensembles, montrer {(AB) = {A{B et {(AB) = {A{B.Indication H Correction H Vido [000123]

16
http://www.youtube.com/watch?v=-Kid1jaNv5Ahttp://www.youtube.com/watch?v=MxucdpW0WDIhttp://www.youtube.com/watch?v=I6E-O_PNk1Y

Exercice 24Soient E et F deux ensembles, f : E F . Dmontrer que :A,B P(E) (A B) ( f (A) f (B)),A,B P(E) f (AB) f (A) f (B),A,B P(E) f (AB) = f (A) f (B),A,B P(F) f1(AB) = f1(A) f1(B),A P(F) f1(F \A) = E \ f1(A).Correction H Vido [000124]

Exercice 25A et B tant des parties dun ensemble E, dmontrer les lois de Morgan :

{A{B = {(AB) et {A{B = {(AB).

[000125]

Exercice 26Dmontrer les relations suivantes :

A (BC) = (AB) (AC) et A (BC) = (AB) (AC).

[000126]

Exercice 27Montrer que si F et G sont des sous-ensembles de E :

(F G F G = G) et (F G {F G = E).

En dduire que :(F G F G = F) et (F G F {G = /0).

[000127]

Exercice 28Soit E et F des ensembles. Si A E et B F montrer que AB EF . [000128]

Exercice 29Soit A = {a1,a2,a3,a4} et B = {b1,b2,b3,b4,b5}. crire le produit cartsien AB. Quel est le nombre departies de AB? [000129]

Exercice 30Soit E un ensemble n lments. Quel est le nombre dlments de E p ? Quel est le nombre de parties de E p ?[000130]

Exercice 31x, y, z tant des nombres rels, rsoudre le systme :

{(x1)(y2)z = 0(x2)(y3) = 0

Reprsenter graphiquement lensemble des solutions. [000131]

17
http://www.youtube.com/watch?v=64sBWnSD4nM

Exercice 32Soit A une partie de E, on appelle fonction caractristique de A lapplication f de E dans lensemble deuxlments {0,1}, telle que :

f (x) =

{0 si x / A1 si x A

Soit A et B deux parties de E, f et g leurs fonctions caractristiques. Montrer que les fonctions suivantes sontles fonctions caractristiques densembles que lon dterminera :

1. 1 f .2. f g.

3. f +g f g.[000132]

Exercice 33Soit un ensemble E et deux parties A et B de E. On dsigne par A4B lensemble (AB) \ (AB). Dans lesquestions ci-aprs il pourra tre commode dutiliser la notion de fonction caractristique.

1. Dmontrer que A4B = (A\B) (B\A).2. Dmontrer que pour toutes les parties A, B, C de E on a (A4B)4C = A4(B4C).3. Dmontrer quil existe une unique partie X de E telle que pour toute partie A de E, A4X = X4A = A.4. Dmontrer que pour toute partie A de E, il existe une partie A de E et une seule telle que A4A =

A4A = X .[000133]

Exercice 34

1. crire lensemble de dfinition de chacune des fonctions numriques suivantes : x 7 x, x 7 1x1 ,x 7 x+ 1x1 .

2. Simplifier [1,3] [2,4] et [1,3] [2,4].3. Pour tout nN, on note nZ lensemble des entiers relatifs multiples de n : nZ= {np | pZ}. Simplifier

2Z3Z.[000134]

Exercice 35On dfinit les cinq ensembles suivants :

A1 ={(x,y) R2 , x+ y < 1

}

A2 ={(x,y) R2 , |x+ y|< 1

}

A3 ={(x,y) R2 , |x|+ |y|< 1

}

A4 ={(x,y) R2 , x+ y >1

}

A5 ={(x,y) R2 , |x y|< 1

}

1. Reprsenter ces cinq ensembles.

2. En dduire une dmonstration gomtrique de

(|x+ y|< 1 et |x y|< 1) |x|+ |y|< 1.

18

[000135]

Exercice 36Montrer que chacun des ensembles suivants est un intervalle, ventuellement vide ou rduit un point

I1 =+

n=1

[3,3+

1n2

[et I2 =

+

n=1

]2 1

n,4+n2

].


Exercice 37Montrez que chacun des ensembles suivants est un intervalle que vous calculerez.

I =+

n=1

[1

n,2+

1n

[et J =

+

n=2

[1+

1n,n]


Exercice 38Soient E un ensemble et A,B,C trois parties de E telles que AB = AC et AB = AC. Montrer que B =C.[000138]

Exercice 39Soient E un ensemble et A,B,C trois parties de E.Montrer que (AB) (BC) (CA) = (AB) (BC) (CA). [000139]

Exercice 40Donner les positions relatives de A,B,C E si AB = BC. [000140]

Exercice 41Est-il vrai que P(AB) = P(A)P(B)? Et P(AB) = P(A)P(B)? [000141]

Exercice 42Montrer que AB = AC A{B = A{C. [000142]

Exercice 43Donner la liste des lments de P(P({1,2})). [000143]

Exercice 44Soient A,B E. Rsoudre les quations linconnue X E

1. AX = B.2. AX = B.


Exercice 45Soient E,F,G trois ensembles. Montrer que (EG) (FG) = (E F)G. [000145]

Exercice 46Soient E,F,G,H quatre ensembles. Comparer les ensembles (EF)(GH) et (EG)(FH). [000146]

19
http://www.youtube.com/watch?v=a7iULB800tg

Exercice 47Soit E lensemble des fonctions de N dans {1,2,3}. Pour i = 1,2,3 on pose Ai = { f E/ f (0) = i}. Montrerque les Ai forment une partition de E. [000147]

Exercice 48 **TA et B sont des parties dun ensemble E. Montrer que :

1. (AB = AB) (A = B =).2. (AB) (BC) (CA) = (AB) (BC) (CA).3. AB = BA.4. (AB)C = A(BC).5. AB = A = B.6. AC = BC A = B.


Exercice 49 ***ITSoient (Ai)iI une famille de parties dun ensemble E indxe par un ensemble I et (Bi)iI une famille de partiesdun ensemble F indxe par un ensemble I. Soit f une application de E vers F . Comparer du point de vue delinclusion les parties suivantes :

1. f (

iI Ai) et

iI f (Ai) (recommencer par f (AB) si on na pas les ides claires).2. f (

iI Ai) et

iI f (Ai).

3. f (E \Ai) et F \ f (Ai).4. f1(

iI Bi) et

iI f

1(Bi).

5. f1(

iI Bi) et

iI f1(Bi).

6. f1(F \Bi) et E \ f1(Bi).Correction H [005113]

Exercice 50 ***I Thorme de CANTOR

1. Montrer quil existe une injection de E dans P(E).

2. En considrant la partie A= {xE/ x / f (x)}, montrer quil nexiste pas de bijection f de E sur P(E).Correction H [005117]

3 100.03 Absurde et contrapose


2 /Q. [000148]

Exercice 52Soit X un ensemble et f une application de X dans lensemble P(X) des parties de X . On note A lensembledes x X vrifiant x / f (x). Dmontrer quil nexiste aucun x X tel que A = f (x). [000149]

Exercice 53

20

Soit ( fn)nN une suite dapplications de lensemble N dans lui-mme. On dfinit une application f de N dansN en posant f (n) = fn(n)+1. Dmontrer quil nexiste aucun p N tel que f = fp.Indication H Correction H Vido [000150]

Exercice 54

1. Soit p1, p2, . . . , pr, r nombres premiers. Montrer que lentier N = p1 p2 . . . pr+1 nest divisible par aucundes entiers pi.

2. Utiliser la question prcdente pour montrer par labsurde quil existe une infinit de nombres premiers.


4 100.04 Rcurrence

Exercice 55Dmontrer, en raisonnant par rcurrence, que 106n+2 + 103n+1 + 1 est divisible par 111 quel que soit n N.(Indication : 1000 = 9111+1 ). [000152]

Exercice 56Montrer :

1.n

k=1

k =n(n+1)

2n N .

2.n

k=1

k2 =n(n+1)(2n+1)

6n N .


Exercice 57En quoi le raisonnement suivant est-il faux?Soit P(n) : n crayons de couleurs sont tous de la mme couleur.

P(1) est vraie car un crayon de couleur est de la mme couleur que lui-mme. Supposons P(n). Soit n+ 1 crayons. On en retire 1. Les n crayons restants sont de la mme couleur

par hypothse de rcurrence.Reposons ce crayon et retirons-en un autre ; les n nouveaux crayons sont nouveau de la mme couleur.Le premier crayon retir tait donc bien de la mme couleur que les n autres. La proposition est doncvraie au rang n+1.

On a donc dmontr que tous les crayons en nombre infini dnombrable sont de la mme couleur.[000154]

Exercice 58

Soit la suite (xn)nN dfinie par x0 = 4 et xn+1 =2x2n3xn +2

.

1. Montrer que : n N xn > 3.2. Montrer que : n N xn+13 > 32(xn3).3. Montrer que : n N xn >

(32

)n+3.

4. La suite (xn)nN est-elle convergente?


Exercice 59

21
http://www.youtube.com/watch?v=RDbMQTxMIuAhttp://www.youtube.com/watch?v=RHiN60xhmoohttp://www.youtube.com/watch?v=SUMAdDoMPtohttp://www.youtube.com/watch?v=6iVRvfkMLTw

1. Dans le plan, on considre trois droites 1,2,3 formant un vrai triangle : elles ne sont pas concou-rantes, et il ny en a pas deux parallles. Donner le nombre R3 de rgions (zones blanches) dcoupespar ces trois droites.

2. On considre quatre droites 1, . . . ,4, telles quil nen existe pas trois concourantes, ni deux parallles.Donner le nombre R4 de rgions dcoupes par ces quatre droites.

3. On considre n droites 1, . . . ,n, telles quil nen existe pas trois concourantes, ni deux parallles. SoitRn le nombre de rgions dlimites par 1 . . .n, et Rn1 le nombre de rgions dlimites par 1 . . .n1.Montrer que Rn = Rn1 +n.

4. Calculer par rcurrence le nombre de rgions dlimites par n droites en position gnrale, cest--diretelles quil nen existe pas trois concourantes ni deux parallles.


Exercice 60Soit X un ensemble. Pour f F (X ,X), on dfinit f 0 = id et par rcurrence pour n N f n+1 = f n f .

1. Montrer que n N f n+1 = f f n.2. Montrer que si f est bijective alors n N ( f1)n = ( f n)1.



n> 2,n!6(

n+12

)n.

[000158]

Exercice 62Pour tout entier naturel n, on pose

Sn = 1 2+2 3+ +(n1) n

Dmontrer que lon a

Sn =13

n(n1)(n+1)[000159]

Exercice 63Pour n N on considre la proprit suivante :

Pn : 2n > n2

1. Pour quelles valeurs de n limplication Pn = Pn+1 est-elle vraie?2. Pour quelles valeurs de n la proprit Pn est-elle vraie?

[000160]

Exercice 64Que pensez-vous de la dmonstration suivante?

1. Pour tout n> 2, on considre la proprit :

P(n) : n points distincts du plan sont toujours aligns

2. Initialisation : P(2) est vraie car deux points distincts sont toujours aligns.

22
http://www.youtube.com/watch?v=okAsZpWWB0M

3. Hrdit : On suppose que P(n) est vraie et on va dmontrer P(n+1).Soit donc A1,A2, . . . ,An,An+1 des points distincts. Daprs lhypothse de rcurrence, A1,A2, . . . ,An sontaligns sur une droite d, et A2, . . . ,An,An+1 sont aligns sur une droite d. Les deux droites d et d ayantn1 points communs A2, . . . ,An sont confondues. Donc A1,A2, . . . ,An,An+1 sont aligns, ce qui montrelhrdit de la proprit.

4. Conclusion : la proprit P(n) est vraie pour tout n> 2.

[000161]

Exercice 65

1. Dmontrer que pour tout entier naturel n, 9 divise 10n1.2. Soit k un entier strictement positif. tudier la proprit suivante : pour tout entier naturel n, k divise

(k+1)n +2.

[000162]

Exercice 66Dmontrer que pour n> 1, le produit de n entiers impairs est un entier impair. [000163]

Exercice 67On considre une suite (un)nN telle que :

u0 = 0 et u1 = 1 et n> 1, un+1 = un +2un1Dmontrer que :

1. n N, un N,2. n N, un = 13(2n (1)n).

[000164]

Exercice 68Soit b> 2 un entier fix. Dmontrer que pour tout N N, il existe un entier n N et des entiers a0,a1, . . . ,anappartenant {0,1, . . . ,b1} tels que ;

N = a0 +a1b+ +anbn et an 6= 0Dmontrer que pour chaque N, le systme (n,a0,a1, . . . ,an) est dtermin par la proprit ci-dessus.On dit que a0,a1, . . . ,an sont les chiffres de lcriture du nombre N suivant la base b. [000165]

Exercice 69Dmontrer par rcurrence que pour tout k N, k! divise le produit de k entiers conscutifs :

n N, k! | n(n+1) (n k+1)[000166]

Exercice 70Les proprits

Pn : 3 | 4n1 , n N,et

Qn : 3 | 4n +1 , n N,sont-elles vraies ou fausses? [000167]

Exercice 71

23

1. Calculer les restes de la division euclidienne de 1,4,42,43 par 3.

2. Formuler, pour tout n N, une hypothse P(n) concernant le reste de la division euclidienne de 4n par3. Dmontrer que P(n) est vrifie pour tout n N.

3. Pour tout n N, le nombre 16n +4n +3 est-il divisible par 3.[000168]

Exercice 72Dmontrer, en raisonnant par rcurrence, que 32n+22n+1 est divisible par 7 quel que soit n N. [000169]

Exercice 73

1. Dmontrer par rcurrence :n

k=0

k =n(n+1)

2

2. Calculer de deux manires diffrentes :n+1

k=1

k3n

k=0

(k+1)3.

3. En dduire :n

k=0

k2 =16(2n3 +3n2 +3n).

[000170]

Exercice 74Montrer que pour tout entier n> 1 :

11.2

+1

2.3+ . . .+

1n.(n+1)

=n

n+1.

[000171]

Exercice 75Dmontrer, en le dterminant quil existe un entier n0 tel que

n> n0, 2n > (n+2)2.

[000172]

Exercice 76Dmontrer par rcurrence sur n que pour tout n> 2 limplication

[x >1,x 6= 0] [(1+ x)n > 1+nx]

est vraie. [000173]

Exercice 77

1. Soit n N ; montrer que pour tout entier k > 1 on a

nk + knk1 6 (n+1)k.

2. Soit b un rel positif ou nul. Montrer par rcurrence, que pour tout n> 1 on a

(1+b)n 6 1+nb1!

+(nb)2

2!+ ...+

(nb)n

n!.

24

[000174]

Exercice 78Montrer par rcurrence que pour tout entier n N,

(a+b)n =n

k=0

Cknakbnk,

pour tout rel a et b. [000175]

Exercice 79On dfinit une suite (Fn) de la faon suivante :

Fn+1 = Fn +Fn1; F0 = 1,F1 = 1 .

1. Calculer Fn pour 1 < n < 10.

2. Montrer que lquation x2 = x+1 admet une unique solution positive a que lon calculera.

3. Montrer que, pour tout n> 2, on aan2 < Fn < an1 .

[000176]

Exercice 80Montrer que :

2cos2n

=

2+

2+ . . .

2.

[000177]

Exercice 81Pour n N, n> 2, trouver une loi simplifiant le produit :

(1 14)...(1 1

n).

[000178]

Exercice 82Pour n N, soient a0, . . . ,an des nombres rels de mme signe tel que ai >1, montrer que :

(1+a0)...(1+an)> 1+a0 + . . .+an.

[000179]

Exercice 83

Montrer n N, nk=0 k3 = n2(n+1)2

4 . [007011]

Exercice 84Montrer que pour tout entier n positif, lentier 10n (1)n est divisible par 11. [007012]

Exercice 85Soit (un)nN la suite de nombres rels dfinie par u0 = 0 et pour tout n positif, un+1 =

3un +4. Montrer que

la suite est majore par 4. [007013]

25

Exercice 86Soit (un)nN la suite de nombres rels dfinie par u0 = 0 et pour tout n positif, un+1 = 2un +1. Calculer un enfonction de n.Indication H [007014]

Exercice 87Soit (un)nN la suite de nombres rels dfinie par u0 = 1, u1 = 2 et pour tout n positif, un+2 = 5un+1 6un.Calculer un en fonction de n.Indication H [007015]

Exercice 88Soit (un)nN la suite de nombres rels dfinie par u0 = 1, u1 = 1 et pour tout n positif, un+2 = un+1 + 2n+2 un.Montrer : n N, 16 un 6 n2.Indication H [007016]

Exercice 89Montrer que pour tout n N, la somme des n premiers entiers positifs impairs est toujours le carr dun entier.[007017]

Exercice 90Montrer : u R,n N, |sin(nu)|6 n|sin(u)|. [007018]

Exercice 91

1. Soit a R+. Montrer n N, (1+a)n > 1+na+ n(n1)2 a2.2. Soit (un)nN la suite dfinie par un = 3n3n . Montrer que pour tout n N, on a 06 un 6 3n2n2+1 .

[007019]

Exercice 92Soit a ]0,/2[, et dfinissons une suite relle par u0 = 2cos(a) et pour tout n N, un+1 =

2+un. Montrer

que pour tout n N, on a un = 2cos( a

2n). [007020]

Exercice 93Dfinissons une suite par u0 = 1 et pour tout n N, un+1 = 12 un +n1.

1. Dmontrer que pour tout n > 3, un est positif. En dduire que pour tout n > 4, on a un > n 2. Endduire la limite de la suite.

2. Dfinissons maintenant la suite vn = 4un8n+24. Montrer que la suite (vn) est une suite gomtrique,donner son premier terme et sa raison. Montrer que pour tout n N,un = 7

(12

)n+ 2n 6. Remarquer

que un est la somme dune suite gomtrique et dune suite arithmtique dont on prcisera les raisons etles premiers termes. En dduire une formule pour la quantit u0 +u1 + ...+un en fonction de lentier n.

[007021]

Exercice 94On considre la suite relle (un)nN dfinie par u0 = 2 et pour tout n N, un+1 =

un.

1. Montrer que pour tout n N, un > 1.2. Montrer que pour tout rel a ]1;+[, on a 1a+1 6

12 .

26

3. En dduire que pour tout n N, on a un+116 12 (un1).4. Montrer que pour tout n N, un16

(12

)n. En dduire la limite de la suite (un).[007022]

Exercice 95 Rcurrence de Cauchy et applicationSoit A une partie de N contenant 1 et telle que

1. n N, n A 2n A ;2. n N, n+1 A n A.

Montrer que A = N.En dduire lingalit arithmtico-gomtrique : si a1, ...,an sont des rels positifs, alors on a

a1 + ...+ann

6 n

a1a2...an.

[007023]

Exercice 96Dmontrer que tout entier n> 1 peut scrire comme somme de puissances de deux distinctes.Indication H [007024]

Exercice 97Dmontrer que tout entier n> 1 peut scrire de faon unique sous la forme 2p(2q+1), avec p et q entiers.Indication H [007025]

Exercice 98Montrer que pour tout n > 0 on a lingalit

11+

12+ + 1

n>

n.

[007035]

Exercice 99 Une rcurrence descendanteMontrer que pour tout entier N > 2,

2

3

4

...

(N1)

N < 3.

Indication H [007036]

Exercice 100 Ingalit du binmeMontrer que pour tous a,b > 0 distincts et tout n > 1, on a lingalit

2n1(an +bn)> (a+b)n.

[007037]

Exercice 101 Variantes du raisonnement par rcurrenceParmi les noncs suivants, lesquels permettent den dduire que Pn est vraie pour tout n N?

1. P0 et n N,Pn (P2nP2n+1) ;2. P0, P1 et n> 1,Pn (P2nP2n+1) ;

27

3. P0, P1, P2 et n> 2,Pn (P2nP2n+1) ;4. P0, P1 et n> 1,Pn (Pn1Pn+1).

[007038]

Exercice 102 Conducteur dun sous-monodeSoit Pn une assertion dpendant de n N telle que :

1. P0 est vraie ;

2. n N,Pn (Pn+3 et Pn+4).La proprit est-elle vraie pour tout n N? Pour n assez grand? (Et si oui partir de quel rang?) Pour quelsentiers est-elle vraie?Rpondre aux deux premires questions en remplaant dans lnonc les nombres 3 et 4 par des paramtresentiers positifs a et b quelconques.Indication H [007039]

Exercice 103 Nombres de CatalanOn dfinit une suite (Cn)nN par C0 = 1 et pour tout naturel n, Cn+1 = nk=0CkCnk.

1. Calculer les cinq premiers termes de la suite ;

2. Montrer par rcurrence que pour tout n> 0, Cn > 2n1 ;

3. Montrer par rcurrence forte que pour tout n> 0, Cn > 3n2 ;

4. Tenter de montrer par une rcurrence similaire la prcdente que pour tout n > 0, Cn > 4n2. quelendroit ceci choue-t-il ? Pourquoi est-il heureux que cela choue?

[007040]

Exercice 104Soit x un rel tel que x+ 1x soit entier. Montrer que pour tout n N, xn + 1xn est entier. [007041]

Exercice 105Soit (un)nN la suite relle dfinie par u0 = 2, u1 = 3, et pour tout n N, un+2 = 3un+12un. Dterminer un enfonction de n.Indication H [007042]

Exercice 106Soit (un)nN la suite relle dfinie par u0 = 1 et pour tout n N, un+1 = nk=0 uk. Dterminer un en fonction den. [007043]

Exercice 107Soit nN. On trace n cercles dans le plan. Montrer que lon peut colorier chaque rgion du plan ainsi dlimiteavec exactement deux couleurs, de manire ce que deux rgions spares par un arc de cercle soient toujoursde couleur diffrente. [007044]

Exercice 108Soit n un entier suprieur ou gal 2. On place 2n points dans lespace, et on trace n2 + 1 segments entre cespoints. Montrer que lon a trac au moins un triangle. [007045]

Exercice 109Dterminer les valeurs de n pour lesquelles le nombre

un := 1+12+

13+ ...+

1n

28

est entier.Indication H [007046]

5 100.05 Relation dquivalence, relation dordre

Exercice 110

1. Soit E = NN, on dfinit R par : (a,b)R(a,b) a+ b = b+ a. Montrer que R est une relationdquivalence. Identifier E/R.

2. Mmes questions avec E = ZN et (p,q)R(p,q) pq = pq.[000207]

Exercice 111Dans R2 on dfinit la relation R par :

(x,y)R(x,y) y = y.1. Montrer que R est une relation dquivalence.

2. Dterminer la classe dquivalence de (x,y) R2.[000208]

Exercice 112Dans C on dfinit la relation R par :

zRz |z|= |z|.1. Montrer que R est une relation dquivalence.

2. Dterminer la classe dquivalence de chaque z C.Indication H Correction H Vido [000209]

Exercice 113Soit R une relation binaire sur un ensemble E, symtrique et transitive. Que penser du raisonnement suivant ?

xRy yRx car R est symtrique,or (xRy et yRx) xRx car R est transitive,

donc R est rflexive.

Indication H Correction H [000210]

Exercice 114tudier la relation Re dfinie sur RR (lensemble des applications de R dans R) par :

f RegA > 0,x R, |x|> A f (x) = g(x).

[000211]

Exercice 115Montrer que la relation R dfinie sur R par :

xRy xey = yex

est une relation dquivalence. Prciser, pour x fix dans R, le nombre dlments de la classe de x modulo R.Indication H Correction H Vido [000212]

29
http://www.youtube.com/watch?v=vf0_R5F6cfchttp://www.youtube.com/watch?v=t7QwqxS5RzQ

Exercice 116La relation divise est-elle une relation dordre sur N? sur Z? Si oui, est-ce une relation dordre total ?[000213]

Exercice 117tudier les proprits des relations suivantes. Dans le cas dune relation dquivalence, prciser les classes ;dans le cas dune relation dordre, prciser si elle est totale, si lensemble admet un plus petit ou plus grandlment.

1. Dans P(E) : AR1B A B ; AR2B AB = /0.2. Dans Z : aR3b a et b ont la mme parit ; aR4b n N ab = 3n ; aR5b ab est

divisible par 3.

[000214]

Exercice 118Soient (X ,6) et (Y,6) deux ensembles ordonns (on note abusivement les deux ordres de la mme faon). Ondfinit sur XY la relation (x,y)6 (x,y) ssi (x < x) ou (x = x et y6 y). Montrer que cest un ordre et quilest total ssi X et Y sont totalement ordonns. [000215]

Exercice 119Un ensemble est dit bien ordonn si toute partie non vide admet un plus petit lment.

1. Donner un exemple densemble bien ordonn et un exemple densemble qui ne lest pas.

2. Montrer que bien ordonn implique totalement ordonn.

3. La rciproque est-elle vraie?

[000216]

Exercice 120Soit (E,6) un ensemble ordonn. On dfinit sur P(E)\{ /0} la relation par

X Y ssi (X = Y ou x X y Y x6 y).

Vrifier que cest une relation dordre.Correction H Vido [000217]

Exercice 121

Montrer que ab = a+b1+ab

est une l.c.i sur ]1,1[ et dterminer ses proprits. [000218]

Exercice 122 Congruence des carrs modulo 5On dfinit la relation sur Z par x y x2 y2mod5.

1. Dterminer lensemble quotient.

2. Peut-on dfinir une addition quotient ? une multiplication quotient ?

[003030]

Exercice 123 Produit cartsienSoient deux relations dquivalence : R sur E, et S sur F . On dfinit sur EF :

(x,y) (x,y) xRx et yS y.

30
http://www.youtube.com/watch?v=6f56RN5_li0

1. Vrifier que est une relation dquivalence.2. Soit : EF (E/R) (F/S ),(x,y) 7 (x, y)

Dmontrer que est compatible avec , et que lapplication quotient associe est une bijection.[003031]

Exercice 124 X A = Y ASoit E un ensemble et A E. On dfinit la relation sur P(E) :

X Y X A = Y A.

1. Montrer que cest une relation dquivalence.

2. Soit : P(E)P(E \A),X 7 X \A.Montrer que est compatible avec , et que lapplication quotient associe est une bijection.

[003032]

Exercice 125 quivalences sur EE

Soit E un ensemble non vide. On considre les relations sur F = EE :

f g n N tq f n = gn,f g m,n N tq f n = gm,f g f (E) = g(E).

1. Montrer que , , sont des relations dquivalence.2. Pour f F , on note f, f, f les classes dquivalence de f modulo , , .

(a) Comparer f, f.

(b) Montrer que toute classe dquivalence pour est runion de classes dquivalence pour .(c) Que pouvez-vous dire de f sil existe g f injective? surjective?(d) Mme question avec f.

[003033]

Exercice 126 Relation dquivalence quotientSoient R et S deux relations dquivalence sur un ensemble E, telles que :

x,y E, xRy xS y.

On dfinit S sur E/R par : xS y xS y.Vrifier que S est une relation dquivalence, puis dfinir une bijection entre (E/R)/S et E/S . [003034]

Exercice 127 Compltion dune relation rflexive et transitiveSoit R une relation binaire sur un ensemble E rflexive et transitive. On dfinit les deux relations :

xS y (xRy et yRx),xT y (xRy ou yRx).

Est-ce que S et T sont des relations dquivalence? [003035]

Exercice 128 Parties satures pour une relation dquivalenceSoit une relation dquivalence sur un ensemble E. Pour A E, on dfinit s(A) =xA x.

1. Comparer A et s(A).

31

2. Simplifier s(s(A)).

3. Montrer que : x E, on a (x s(A)) (x s(A) 6=). En dduire s(E \ s(A)).4. Dmontrer que s(

iI Ai) =

iI s(Ai) et s(

iI Ai)

iI s(Ai).

5. Donner un exemple dinclusion stricte.

[003036]

Exercice 129 Ordre sur les fonctionsSoit X un ensemble et E = RX . On ordonne E par : f 6 g x X , f (x)6 g(x).

1. Vrifier que cest une relation dordre.

2. Lordre est-il total ?

3. Comparer les noncs : f est majore, et { f} est major.4. Soit ( fi)iI une famille majore de fonctions de E. Montrer quelle admet une borne suprieure.

[003037]

Exercice 130 sup inf et infsupSoit f : R2 R une fonction borne. On dfinit les fonctions :

g : R R, t 7 sup{ f (t,y) tq y R}

h : R R, t 7 inf{ f (x, t) tq x R}Montrer que g et h sont bornes, puis comparer suph et infg. [003038]

Exercice 131 Ordre lexicographiqueOn note E = [1,1]2, et on dfinit sur E la relation :(x,y) (x,y)

((x < x) ou (x = x et y6 y)

)(ordre lexicographique).

1. Pour (a,b) E, reprsenter graphiquement lensemble des majorants de (a,b).2. Soit A une partie non vide de E. Montrer que A admet une borne suprieure.

[003039]

Exercice 132 Distance entre un point et une partiePour A R non vide et borne, et x R, on note :

d(x,A) = inf{|xa| tq a A} (distance de x A).

Montrer qued(x,A)d(y,A)

6 |x y|. [003040]

Exercice 133 Parties adjacentesSoient A,B R vrifiant : {

a A, b B, a6 b > 0, a A, b B tq ba6

(on dit que A et B sont adjacentes). Montrer que sup(A) = inf(B). [003041]

Exercice 134 borne sup borne infSoit E ordonn tel que toute partie non vide et majore admet une borne suprieure. Montrer que toute partienon vide et minore admet une borne infrieure.Correction H [003042]

32

Exercice 135 Ordre sur R2

On dfinit sur R2 : (x,y) (x,y) |x x|6 y y.1. Vrifier que cest une relation dordre.

2. Dessiner les ensembles des majorants et des minorants dun couple (a,b).

3. Lordre est-il total ?

4. Soit A = {(x,y) R2 tq x2 + y2 6 1}. Dterminer sup(A).Correction H [003043]

Exercice 136 Proprits de sup et infUn treillis est un ensemble ordonn E dans lequel pour tous x,y E, sup(x,y) et inf(x,y) existent. Soit E untreillis.

1. Montrer que sup et inf sont des oprations associatives.

2. A quelle condition ont-elles des lments neutres?

3. Montrer que :

x,y E, sup(x, inf(x,y)

)= inf

(x,sup(x,y)

)= x,

x,y,z E, x6 z sup(x, inf(y,z)

)6 inf

(sup(x,y),z

),

x,y,z E, inf(x,sup(y,z)

)> sup

(inf(x,y), inf(x,z)

).

[003044]

Exercice 137 Ordre dduit dune loi idempotenteSoit une opration commutative et associative sur E, telle que : x E, x x = x.On dfinit la relation 6 sur E par : x6 y x y = x

1. Reconnatre 6 quand est sur P(X) (resp ).2. Montrer que 6 est une relation dordre.

3. Dmontrer que : x,y E, x y = inf(x,y).[003045]

Exercice 138 Borne suprieure parmi les intervallesSoit E lensemble des intervalles de R (y compris ) ordonn par linclusion.Soient I,J deux intervalles. Quest-ce que inf(I,J)? sup(I,J)? [003046]

Exercice 139 Prolongement dapplications

Soit E un ensemble et E = {(A, f ) tq A E, A 6=, et f EA}. On ordonne E par :

(A, f ) (B,g) {

A B x A, f (x) = g(x)

(cest--dire que la fonction g, dfinie sur B, prolonge la fonction f , dfinie seulement sur A).

1. Montrer que est une relation dordre. Lordre est-il total ?2. Soient (A, f ) et (B,g) deux lments de E . Trouver une CNS pour que la partie {(A, f ),(B,g)} soit

majore. Quelle est alors sa borne suprieure?

3. Mme question avec minore.

33

[003047]

Exercice 140 Point fixe dune fonction croissanteSoit f : [0,1] [0,1] croissante. On note A = {x [0,1] tq f (x)6 x}.

1. Dmontrer que A nest pas vide.

2. Dmontrer que f (A) A.3. Soit a = inf(A). Montrer que f (a) minore A.

4. En dduire que f (a) = a.

Cela prouve que toute application croissante de [0,1] dans lui-mme admet un point fixe. Montrer que cestfaux pour lintervalle [0,1[. [003048]

Exercice 141 Relation dordre sur un ensemble quotientSoit R une relation sur E rflexive et transitive. On dfinit la relation : x y xRy et yRx.

1. Montrer que est une relation dquivalence sur E.Sur E/ on pose : x6 y xRy.

2. Montrer que cette dfinition est indpendante des reprsentants x et y choisis.

3. Montrer que 6 est une relation dordre sur E/.[003049]

Exercice 142 Pas de borne suprieure dans QDans cet exercice, on admet que : x Q, x2 6= 2.

1. Soient A = { x Z+ tq x2 < 2 } et B = { x Z+ tq x2 > 2 }. Dterminer sup(A) et inf(B).2. Soient A = { x Q+ tq x2 < 2 } et B = { x Q+ tq x2 > 2 }. On veut dmontrer que A nadmet pas

de borne suprieure dans Q. Pour cela, on suppose au contraire que = sup(A) existe ( Q), et onpose = 2 .(a) Montrer que = inf(B).(b) Montrer que : a A, b B, ona a6 b. Que pouvez-vous en dduire pour et ?(c) Obtenir une contradiction en considrant = +2 .

[003050]

6 100.99 Autre

Exercice 143Quels sont les entiers n tels que 4n 6 n! ? [000180]

Exercice 144Montrer que :

n> 2,un =n

k=1

1k/ N.

Indication : montrer que

n> 2,(pn,qn) (N)2,un =2pn +1

2qn.

[000181]

Exercice 145

34

Soit f : N N une application vrifiant :

n N, f (n+1)> f ( f (n)).

Montrer que f = IdN . Indications : que dire de k N tel que f (k) = inf{ f (n)|n N}? En dduire que n >0, f (n) > f (0). Montrer ensuite que n N, on a : m > n, f (m) > f (n) et m 6 n, f (m) > m (on pourraintroduire k tel que f (k) soit le plus petit entier de la forme f (m) avec m > n). En dduire que f est strictementcroissante et quil nexiste quune seule solution au problme. Laquelle ? [000182]

Exercice 146

Pour p {1,2,3} on note Sp =n

k=0kp.

1. A laide du changement dindice i = n k dans S1, calculer S1.2. Faire de mme avec S2. Que se passe-t-il ?

3. Faire de mme avec S3 pour lexprimer en fonction de n et S2.

4. En utilisant lexercice 56, calculer S3.

[000183]

Exercice 147Pour calculer des sommes portant sur deux indices, on a intrt reprsenter la zone du plan couverte par cesindices et sommer en lignes, colonnes ou diagonales... Calculer :

1. 16i6 j6n

i j.

2. 16i< j6n

i( j1).

3. 16i< j6n

(i1) j.

4. 16i6 j6n

(n i)(n j).

5. 16p,q6n

(p+q)2 (on posera k = p+q).

[000184]

7 101.01 Application

Exercice 148Soient f : R R et g : R R telles que f (x) = 3x+1 et g(x) = x21. A-t-on f g = g f ?Indication H Correction H Vido [000185]

Exercice 149Soit lapplication de R dans R, f : x 7 x2.

1. Dterminer les ensembles suivants : f ([3,1]), f ([2,1]), f ([3,1] [2,1]) et f ([3,1][2,1]). Les comparer.

2. Mmes questions avec les ensembles f1(],2]), f1([1,+[), f1(],2][1,+[) et f1(],2][1,+[).[000186]

Exercice 150 Images directes et rciproquesSoit f : E F une application, A,A E et B,B F .

1. Simplifier f ( f1( f (A))) et f1( f ( f1(B))).

35
http://www.youtube.com/watch?v=MJjD9ZZkUuE

2. Montrer que f (A f1(B)) = f (A)B.3. Comparer f (AA) et f (A) f (A).4. Comparer f1(BB) et f1(B) f1(B).5. A quelle condition sur f a-t-on : A E, f (E \A) = F \ f (A)?

[002889]

Exercice 151 (X A,X B)Soit E un ensemble, et A,B deux parties fixes de E. Soit : P(E)P(A)P(B),X 7 (X A,X B).

1. Quest-ce que ()? (E \ (AB))?2. A quelle condition sur A et B, est-elle injective?3. Est-ce que le couple (,B) possde un antcdent par ?4. A quelle condition sur A et B, est-elle surjective?

[002890]

Exercice 152 Partie stable par une applicationSoit f : E E. Pour n N, on note f n = f f f

n fois

, et f 0 = idE .

Soit A E, An = f n(A), et B =

nN An.

1. Montrer que f (B) B.2. Montrer que B est la plus petite partie de E stable par f et contenant A.

[002891]

Exercice 153 Factorisation dune application

1. Soit f : F E et g : G E deux applications. Montrer quil existe une application h : G F telle queg = f h si et seulement si : g(G) f (F).A quelle condition h est-elle unique?

2. Soit f : E F et g : EG deux applications. Montrer quil existe une application h : FG telle queg = h f si et seulement si : x,y E,

(f (x) = f (y) g(x) = g(y)

).

A quelle condition h est-elle unique?

[002892]

Exercice 154 Proprits des applications A 7 f (A) et B 7 f1(B)Soit f : E F . On considre les applications

: P(E)P(F),A 7 f (A) et : P(F)P(E),B 7 f1(B).

Montrer que :1) f est injective est injective est surjective.2) f est surjective est surjective est injective.

[002893]

Exercice 155 7 f et 7 fSoit f : E F une application, et G un troisime ensemble ayant au moins deux lments. On construit deuxnouvelles applications :

f : EG FG, 7 f et f GF GE , 7 f

Montrer que :

36

1. f est injective f est injective f est surjective.2. f est surjective f est surjective f est injective.

[002894]

Exercice 156

[hg f , g f h injectives et f hg surjective] Soient E f F gG h E trois applications telles que hg fet g f h sont injectives et f hg est surjective. Montrer que f ,g,h sont bijectives. [002895]

Exercice 157 Parties satures pour la relation dquivalence associe fSoit f : E F une application, et S = {X E tq f1( f (X)) = X}.

1. Pour A E, montrer que f1( f (A)) S .2. Montrer que S est stable par intersection et runion.

3. Soient X S et A E tels que X A =. Montrer que X f1( f (A)) =.4. Soient X et Y S . Montrer que X et Y \X appartienent S .5. Montrer que lapplication S P( f (E)),A 7 f (A) est une bijection.

[002896]

Exercice 158 ConjugaisonSoit E un ensemble et f : E E bijective.La conjugaison par f est lapplication f : EE EE , 7 f f1

1. Montrer que f est une bijection de EE .2. Simplifier f g.3. Simplifier f () f ().4. Soient I , S , les sous-ensembles de EE constitus des injections et des surjections. Montrer que I et

S sont invariants par f .

5. Lorsque est bijective, quest-ce que(

f ())1

?

[002897]

Exercice 159 Ensembles quipotents

Soient E,F deux ensembles. On dit que :E est moins puissant que F sil existe une injection f : E FE est plus puissant que F sil existe une surjection f : E FE et F sont quipotents sil existe une bijection f : E F .

1. Dmontrer que : (E est moins puissant que F) (F est plus puissant que E).2. Montrer que N, N, {n N tq n est divisible par 3}, et Z sont deux deux quipotents.3. Dmontrer que E est moins puissant que P(E).

4. Soit f : EP(E) quelconque et A = {x E tq x / f (x)}. Prouver que A / f (E).5. Est-ce que E et P(E) peuvent tre quipotents ?

6. Soit G un troisime ensemble. Si E est moins puissant que F , dmontrer que EG est moins puissantque FG.

[002898]

Exercice 160 AffirmationsSoit f : E F . Que pensez-vous des affirmations suivantes?

1. x E y F f (x) = y.

37

2. x E y F tel que f (x) = y.3. x E tel que y F f (x) = y.4. x E tel que y F tel que f (x) = y.5. y F x E f (x) = y.6. y F x E tel que f (x) = y.7. y F tel que x E f (x) = y.8. y F tel que x E tel que f (x) = y.

[002899]

8 101.02 Injection, surjection

Exercice 161Donner des exemples dapplications de R dans R (puis de R2 dans R) injective et non surjective, puis surjectiveet non injective. [000187]

Exercice 162Soit f : R R dfinie par f (x) = x3 x.f est-elle injective? surjective? Dterminer f1([1,1]) et f (R+). [000188]

Exercice 163Les fonctions suivantes sont-elles injectives? surjectives? bijectives?

f : Z Z, n 7 2n ; f : Z Z, n 7 n

f : R R, x 7 x2 ; f : R R+, x 7 x2

f : C C, z 7 z2.[000189]

Exercice 164Les applications suivantes sont-elles injectives, surjectives, bijectives?

1. f : N N,n 7 n+12. g : Z Z,n 7 n+13. h : R2 R2,(x,y) 7 (x+ y,x y)4. k : R\{1} R,x 7 x+1x1


Exercice 165Soit f : R R dfinie par f (x) = 2x/(1+ x2).

1. f est-elle injective? surjective?

2. Montrer que f (R) = [1,1].3. Montrer que la restriction g : [1,1] [1,1] g(x) = f (x) est une bijection.4. Retrouver ce rsultat en tudiant les variations de f .

38
http://www.youtube.com/watch?v=GVJXQpK7lpY


Exercice 166Lapplication f : C\{0} C, z 7 z+1/z est-elle injective? surjective? bijective?Donner limage par f du cercle de centre 0 et de rayon 1.Donner limage rciproque par f de la droite iR. [000192]

Exercice 167On considre quatre ensembles A,B,C et D et des applications f : A B, g : BC, h : C D. Montrer que :

g f injective f injective,

g f surjective g surjective.Montrer que : (

g f et hg sont bijectives)(

f ,g et h sont bijectives).


Exercice 168Soit f : X Y . Montrer que

1. B Y f ( f1(B)) = B f (X).2. f est surjective ssi B Y f ( f1(B)) = B.3. f est injective ssi A X f1( f (A)) = A.4. f est bijective ssi A X f ({A) = { f (A).

[000194]

Exercice 169Soit f : X Y . Montrer que les trois propositions suivantes sont quivalentes :

i. f est injective.

ii. A,B X f (AB) = f (A) f (B).iii. A,B X AB = /0V f (A) f (B) = /0.

[000195]

Exercice 170Soit f : X Y .On note f : P(X)P(Y ),A 7 f (A) et f : P(Y )P(X),B 7 f1(B). Montrer que :

1. f est injective ssi f est injective.

2. f est surjective ssi f est injective.

[000196]

Exercice 171 Exponentielle complexeSi z = x+ iy, (x,y) R2, on pose ez = ex eiy.

1. Dterminer le module et largument de ez.

2. Calculer ez+z,ez,ez,(ez)n pour n Z.

3. Lapplication exp : C C,z 7 ez, est-elle injective?, surjective?

39
http://www.youtube.com/watch?v=n2-T6hM33AMhttp://www.youtube.com/watch?v=hBxRKn9zxFs


Exercice 172 *ITMontrer que : (g f injective f injective) et (g f surjective g surjective).Correction H [005110]

Exercice 173 ***ITMontrer que les assertions suivantes sont quivalentes ( f est une application dun ensemble E dans lui-mme) :

1. f est injective.

2. X P(E), f1( f (X)) = X .3. (X ,Y ) P(E)2, f (X Y ) = f (X) f (Y ).4. (X ,Y ) P(E)2, X Y = f (X) f (Y ) =.5. (X ,Y ) P(E)2, Y X f (X \Y ) = f (X)\ f (Y ).


9 101.03 Bijection

Exercice 174Soient a, b R avec a 6= 0, et fa,b : R R telle que fa,b(x) = ax+b. Dmontrer que fa,b est une permutationet dterminer sa rciproque.Correction H [000198]

Exercice 175Soit f : [0,1] [0,1] telle que

f (x) =

{x si x [0,1]Q,1 x sinon.

Dmontrer que f f = id.Indication H Correction H Vido [000199]

Exercice 176Soit f : R C, t 7 eit . Changer les ensembles de dpart et darrive afin que (la restriction de) f deviennebijective.Indication H Correction H Vido [000200]

Exercice 177On appelle demi-plan de Poincar lensemble P des nombres complexes z tels que Imz > 0, et disque unitlensemble D des nombres complexes z tels que |z|< 1. Dmontrer que z 7 ziz+i est une bijection de P sur D .[000201]

Exercice 178Soit f : [1,+[ [0,+[ telle que f (x) = x21. f est-elle bijective?Indication H Correction H Vido [000202]

Exercice 179

Soient Af B gC hD. Montrer que si g f et hg sont bijectives alors f ,g et h le sont galement. [000203]

40
http://www.youtube.com/watch?v=h9jrsWR1bYwhttp://www.youtube.com/watch?v=7avL2IaR9fghttp://www.youtube.com/watch?v=j8JoMNuw-vchttp://www.youtube.com/watch?v=lZLGkwlniv4

Exercice 180

Soient Af B gC h A. Montrer que si hg f et g f h sont injectives et f hg surjective alors f ,g et h

sont bijectives. [000204]

Exercice 181Soit X un ensemble. Si A X on note A la fonction caractristique associe. Montrer que : P(X)F (X ,{0,1}), A 7 A est bijective. [000205]

Exercice 182Soit E un ensemble non vide. On se donne deux parties A et B de E et on dfinit lapplication f :(E)(E),X 7 (AX) (BXc). Discuter et rsoudre lquation f (X) = /0. En dduire une condition ncessaire pourque f soit bijective.On suppose maintenant B = Ac. Exprimer f laide de la diffrence symtrique . Montrer que f est bijective,prciser f1. f est-elle involutive (i.e. f 2 = id) ? Quelle proprit en dduit-on? [000206]

Exercice 183 **ITDans chacun des cas suivants, dterminer f (I) puis vrifier que f ralise une bijection de I sur J = f (I) puisprciser f1 :

1. f (x) = x24x+3, I =],2].2. f (x) = 2x1x+2 , I =]2,+[.3. f (x) =

2x+31, I =

[32 ,+

[.

4. f (x) = x1+|x| , I = R.


Exercice 184 **ITPour z 6= i, on pose f (z) = z+izi . Montrer que f ralise une bijection de D = {z C/ |z| < 1} sur P = {z C/ Re(z)< 0}. Prciser f1.Correction H [005107]

Exercice 185 **TParmi f gh, gh f et h f g deux sont injectives et une est surjective. Montrer que f , g et h sont bijectives.Correction H [005111]

Exercice 186 **** Une bijection entre N2 et NSoit f : N2 N

(x,y) 7 y+ (x+y)(x+y+1)2. Montrer que f est une bijection. Prciser, pour nN donn, le couple

(x,y) dont il est limage.Correction H [005118]

10 101.99 Autre

11 102.01 Binme de Newton et combinaison

Exercice 187Dmontrer que si p est un nombre premier, p divise Ckp pour 16 k 6 p1. [000219]

41

Exercice 188En utilisant la fonction x 7 (1+ x)n, calculer :

n

k=0

Ckn ;n

k=0

(1)kCkn ;n

k=1

kCkn ;n

k=0

1k+1

Ckn.


Exercice 189Dmontrer que CknC

pknk =C

kpC

pn (pour 06 k 6 p6 n). En dduire que

n

k=0

CknCpknk = 2

pCpn .

[000221]

Exercice 190En utilisant la formule du binme, dmontrer que :

1. 2n +1 est divisible par 3 si et seulement si n est impair ;

2. 32n+1 +24n+2 est divisible par 7.


Exercice 191Dmontrer que Cpn =C

pn1 +C

p1n1 pour 16 p6 n1. [000223]

Exercice 192Montrer que, pour p et n entiers naturels non nuls tels que 16 p6 n, on a :

pCpn = nCp1n1 .

[000224]

Exercice 193

1. Montrer que :p

k=0

CknCpknk = 2

pCpn ,

o p et n sont des entiers naturels avec 06 p6 n.

2. Avec les mmes notations, montrer que

p

k=0

(1)kCknCpknk = 0.

[000225]

Exercice 194

1. Soient n, p et q des entiers naturels tels que 06 p,q6 n.

2. Montrer que lon a Cpn =Cqn si et seulement si p = q ou p+q = n.

42
http://www.youtube.com/watch?v=kV-ZtFtGAWIhttp://www.youtube.com/watch?v=GNMFCMiipyM

3. Rsoudre lquationC3n12n+4 =C

n22n+32n+4 .

[000226]

Exercice 195Soient m,n N et p N. En utilisant la formule du binme, dmontrer que m2p+1 + n2p+1 est divisible parm+n. [000227]

Exercice 196En utilisant la formule du binme montrer :

(a)n

k=0

(1)kCkn = 0 (b)n

k=0

k2Ckn = n(n1)2n2 +n2n1.


Exercice 197Calculer le module et largument de (1+ i)n. En dduire les valeurs de

S1 = 1C2n +C4nC6n + S2 = C1nC3n +C5n


Exercice 198Dmontrer les formules suivantes :

1. Cmn =Cnmm (on pourra utiliser le fait que P(E)P(E)A 7 Ac est une bijection.)

2. Cmn =Cmn1 +C

m1n1 ,

3. Cmn =Cmn2 +2C

m1n2 +C

m2n2 .


Exercice 199Soient E un ensemble non vide et X ,Y une partition de E.

1. Montrer que lapplication suivante est une bijection :

P(E)P(X)P(Y )

A 7 (AX ,AY )2. Montrer que pour p,q,r N tel que r 6 p+q on a :

i+ j=r

CipCjq =C

rp+q.

3. En dduire que :n

k=0

(Ckn)2 =Cn2n.

[000231]

Exercice 200

Soit E un ensemble, a E et f :

P(E)P(E)X 7 X {a} si a / XX 7 X{a} si a X

43

1. Montrer que f est une bijection.

2. On suppose dsormais que E est fini et Card(E) = n. On pose P0(E) lensemble des parties de E decardinal pair et P1(E) lensemble des parties de E de cardinal impair. Montrer que Card(P0(E)) =Card(P1(E)).

3. Calculer ces cardinaux et en dduire la valeur den

k=0(1)kCkn.

[000232]

Exercice 201

En utilisant la formule du binme de Newton, montrer quen

k=0(1)kCkn = 0. En dduire la valeur de

062k6nC2kn .

[000233]

Exercice 202Soient 06 p6 n.

1. Montrer par rcurrence sur n quen

k=pCpk =C

p+1n+1 .

2. crire ces galits pour p = 2 et p = 3.

3. En dduire les sommes

S2 = 1.2+2.3+ . . .+(n1).n S2 = 12 +22 + . . .+n2

S3 = 12.2+22.3+ . . .+(n1)2.n S3 = 13 +23 + . . .+n3

[000234]

Exercice 203 Calcul de sommes

Calculer nk=0 kCkn et nk=0

Cknk+1 .


Exercice 204 Calcul de sommesSoient n, p N avec n> p.

1. Vrifier que CknCpk =C

pnC

kpnp pour p6 k 6 n.

2. Calculer nk=0 (1)kCknCpk .3. En dduire nk=0(1)kCknkp = 0 si p < n.


Exercice 205 Calcul de sommesSoient n, p N. Simplifier pk=0 (1)kCkn.Correction H [002902]

Exercice 206 Sommes de cardinauxSoit E un ensemble fini de cardinal n. Calculer AE Card(A), A,BE Card(AB), A,BE Card(AB).Correction H [002903]

Exercice 207 Sommes dentiersSoit n N. Calculer

i+ j=ni j et

i+ j+k=ni jk.


44

Exercice 208 Combinaisons avec rptitionsSoient n, p N. On note pn le nombre de n-uplets (x1, . . . ,xn) Nn tels que x1 + + xn = p.

1. Dterminer 0n, 1n, 2n, n2.

2. Dmontrer que p+1n+1 = pn+1 +

p+1n (on classera les (n+ 1)-uplets tels que x1 + + xn+1 = p+ 1

suivant que x1 = 0 ou non).

3. En dduire que pn =Cpn+p1.Correction H [002905]

Exercice 209 Sommes de coefficients du binmeSoient n, p N. Montrer que nk=0Cpp+k =C

p+1p+n+1. [002906]

Exercice 210 Cpn maximal

Soit nN fix. Dterminer pour quelle valeur de p le nombre Cpn est maximal (on tudiera le rapport Cpn/Cp+1n ).Correction H [002907]

Exercice 211 Parit de CpnSoit p N, et n = 2p.

1. Soit k {1, . . . ,n1}. Vrifier que kCkn = nCk1n1.2. En dduire que : k {1, . . . ,n1}, Ckn est pair.3. En dduire que : k {0, . . . ,n1}, Ckn1 est impair.

[002908]

Exercice 212 Formule de VandermondeSoient a,b,c N. Dmontrer que ck=0 CkaCckb =Cca+b . . .

1. En calculant de deux manires (1+ x)a(1+ x)b.

2. En cherchant le nombre de parties de cardinal c dans E F , o E et F sont des ensembles disjoints decardinaux a et b.

3. Application : Soient n, p,q N. Montrer que qk=0 CkqCp+kn =C

p+qn+q .

[002909]

Exercice 213 Formule dinversionSoit (xn) une suite de rels. On pose yn = nk=0Cknxk. Montrer que (1)nxn = nk=0 (1)kCknyk. [002910]

Exercice 214 Suite de FibonacciSoit un = np=0C

pnp. Montrer que u0 = u1 = 1 et : n N, un+2 = un+1 +un (suite de Fibonacci). [002911]

Exercice 215 IT Identits combinatoiresLa difficult va en augmentant graduellement de facile assez difficile sans tre insurmontable.

1. Calculer(n

0

)+(n

1

)+ ...+

(nn

).

2. Montrer que(n

0

)+(n

2

)+(n

4

)+ ...=

(n1

)+(n

3

)+(n

5

)+ ... et trouver la valeur commune des deux sommes.

3. Calculer les sommes(n

0

)+(n

3

)+(n

6

)+ ... et

(n0

)+(n

4

)+(n

8

)+ ....

4. Montrer que n N, k [[1,n]] , k(n

k

)= n(n1

k1).

45

5. Montrer que(n

0

)2+(n

1

)2+ ...+

(nn

)2=(2n

n

)(utiliser le polynme (1+ x)2n).

6. Calculer les sommes 0.(n

0

)+ 1.

(n1

)+ ...+ n.

(nn

)et (

n0)1 +

(n1)2 + ...+

(nn)n+1 (considrer dans chaque cas un

certain polynme astucieusement choisi).

7. Montrer que(p

p

)+(p+1

p

)...+

(np

)=(n+1

p+1

)o 06 p6 n. Interprtation dans le triangle de PASCAL ?

8. (a) Soit In = 1

0 (1 x2)n dx. Trouver une relation de rcurrence liant In et In+1 et en dduire In enfonction de n (faire une intgration par parties dans In In+1).

(b) Dmontrer lidentit valable pour n> 1 : 1 (n1)3 +

(n2)5 + ...+(1)n

(nn)2n+1 =

2.4.....(2n)1.3...(2n+1) .


Exercice 216 **Quel est le coefficient de a4b2c3 dans le dveloppement de (ab+2c)9.Correction H [005138]

Exercice 217 **IDvelopper (a+b+ c+d)2 et (a+b+ c)3.Correction H [005139]

Exercice 218 ***Soit (n,a,b) N]0,+[]0,+[. Quel est le plus grand terme du dveloppement de (a+b)n ?Correction H [005140]

Exercice 219 *Rsoudre dans N lquation

(n1

)+(n

2

)+(n

3

)= 5n.


Exercice 220 *I Ingalit de BERNOULLIMontrer que, pour a rel positif et n entier naturel donns, (1+a)n > 1+na.Correction H [005147]

Exercice 221 ****ISoit n N.

1. Montrer quil existe (an,bn) (N)2 tel que (2+

3)n = an +bn

3, puis que 3b2n = a2n1.

2. Montrer que E((2+

3)n) est un entier impair (penser (2

3)n)).


Exercice 222 IT

1. (***) Trouver une dmonstration combinatoire de lidentit C2kn = C2k+1n ou encore dmontrer di-rectement quun ensemble n lments contient autant de parties de cardinal pair que de parties decardinal impair.

2. (****) Trouver une dmonstration combinatoire de lidentit kCkn = nCk1n1.

3. (****) Trouver une dmonstration combinatoire de lidentit Cn2n = nk=0(C

kn)

2.


Exercice 223 ***

46

Combinaisons avec rptitions. Montrer que le nombre de solutions en nombres entiers xi > 0 de lquationx1 + x2 + ...+ xn = k (k entier naturel donn) est Ckn+k1. (Noter an,k le nombre de solutions et procder parrcurrence.)Correction H [005280]

12 102.02 Cardinal

Exercice 224Montrer que Z est dnombrable en utilisant lapplication :

: N Z{

n 7 2n1 si n > 0;n 7 2n sinon.

[000235]

Exercice 225Pour A,B deux ensembles de E on note AB = (AB)\ (AB). Pour E un ensemble fini, montrer :

Card AB = Card A+Card B2Card AB.


Exercice 226Soit E un ensemble n lments, et A E un sous-ensemble p lments. Quel est le nombre de parties de Equi contiennent un et un seul lment de A?Indication H Correction H Vido [000237]

Exercice 227Dterminer le nombre de mots distincts que lon peut former avec 6 voyelles et 20 consonnes, chaque mot tantcompos de 3 consonnes et 2 voyelles, en excluant les mots qui renferment 3 consonnes conscutives. [000238]

Exercice 228On considre les mains de 5 cartes que lon peut extraire dun jeu de 52 cartes.

1. Combien y a-t-il de mains diffrentes?

2. Combien y a-t-il de mains comprenant exactement un as?

3. Combien y a-t-il de mains comprenant au moins un valet ?

4. Combien y a-t-il de mains comprenant ( la fois) au moins un roi et au moins une dame?


Exercice 229Soient A,A,B,B quatre ensembles tels que :

Card(A) = Card(A) = a et Card(B) = Card(B) = b.

1. Dterminer le nombre de bijections de AB sur AB.2. Supposons maintenant que {A,B}, {A,B} forment deux partitions de E, un ensemble. Dterminer le

nombre de bijections f : E E telles que f (A) = A et f (B) = B.

47
http://www.youtube.com/watch?v=zkb9m4IjyfMhttp://www.youtube.com/watch?v=YVY_dCYJms8http://www.youtube.com/watch?v=eXJ80BfW16o

[000240]

Exercice 230Soient A et B deux sous ensembles finis dun ensemble E.

1. Montrer que : Card(AB) = Card(A)+Card(B)Card(AB).2. Montrer par rcurrence que si (Fi)16i6n est une famille de sous-ensembles finis de E alors :

Card(n

i=1

Fi)6n

i=1

Card(Fi)

avec galit si les Fi sont deux deux disjoints.

[000241]

Exercice 231Soient 16 k 6 n. Dterminer le nombre de k-uplets (i1, . . . , ik) tels que 16 i1 < .. . < ik 6 n. [000242]

Exercice 232 PermutationsCombien y a-t-il de bijections f de {1, . . . ,12} dans lui-mme possdant :

1. la proprit : n est pair f (n) est pair ?2. la proprit : n est divisible par 3 f (n) est divisible par 3?3. ces deux proprits la fois ?

4. Reprendre les questions prcdentes en remplaant bijection par application.


Exercice 233 Permutations de couplesOn doit placer autour dune table ronde un groupe de 2n personnes, n hommes et n femmes, qui constituent ncouples. Combien existe-t-il de dispositions . . .

1. au total ?

2. en respectant lalternance des sexes?

3. sans sparer les couples?

4. en remplissant les deux conditions prcdentes?


Exercice 234 Nombre doprations

1. Combien existe-t-il doprations internes sur un ensemble n lments?

2. Combien sont commutatives?

3. Combien ont un lment neutre?

4. Combien sont commutatives et ont un lment neutre?


Exercice 235 Formule du cribleSoient A1, . . . ,An n ensembles finis.

1. (a) Calculer Card(A1A2A3) et Card(A1A2A3A4).(b) Suggrer une formule pour Card(A1 An).

2. Dmonstration de la formule : On note E =n

i=1 Ai, et pour x E on pose fi(x) ={

1 si x Ai0 sinon.

48
http://www.youtube.com/watch?v=kXaDLtNT8hI

(a) Soient x1, . . . ,xn R. Dvelopper compltement p = (1 x1) (1 xn).(b) En considrant la somme xE (1 f1(x)) . . .(1 fn(x)), dmontrer la formule 1b.

3. Applications :

(a) Dterminer le nombre dapplications f : {1, . . . , p} {1, . . . ,n} non surjectives.(b) Dterminer le nombre de permutations dun ensemble n lments ayant au moins un point fixe.


Exercice 236 Ingalits pour la formule du cribleSoient A1, . . . ,An n ensembles finis, et E =

ni=1 Ai.

1. Montrer que Card(E)6 ni=1 Card(Ai). Cas dgalit ?2. Montrer que Card(E)> ni=1 Card(Ai)16i< j6n Card(AiA j). Cas dgalit ?


Exercice 237 Couples (A,B) tels que AB = ESoit E un ensemble fini n lments, et E = {(A,B) (P(E))2 tq AB = E}. Chercher card(E ).Correction H [002917]

Exercice 238 Parties ne contenant pas dlments conscutifs

1. Quel est le nombre de parties p lments de {1, . . . ,n} ne contenant pas dlments conscutifs ?2. Soit tn le nombre de parties de {1, . . . ,n} de cardinal quelconque sans lments conscutifs.

(a) Montrer que tn+2 = tn+1 + tn, t2n+1 = t2n + t2n1, et t2n = t

2n t2n2.

(b) Calculer t50.


Exercice 239 Nombre de relations dquivalenceSoit Rn le nombre de relations dquivalence sur un ensemble n lments.

1. Trouver une relation de rcurrence entre Rn et les Rk, k < n(fixer un lment, et raisonner sur la classe dquivalence de cet lment).

2. Calculer Rn pour n6 6.


Exercice 240 Equivalence entre fonctionsSoient E,F , deux ensembles non vides. On dfinit deux relations sur X = FE par :

f g : F F bijective tq g = f ,f g

( x,y E, f (x) = f (y) g(x) = g(y)

).

1. Montrer que ce sont des relations dquivalence.

2. Montrer que f g f g.3. On suppose f g. Montrer que f g dans les cas suivants :

(a) F est fini et f est surjective.

(b) F est fini et f est quelconque.

(c) E est fini.

4. Chercher un contrexemple pour E = F = N.

49

[002920]

Exercice 241 Trs bon ordreSoit E un ensemble ordonn dans lequel toute partie non vide possde un plus grand et un plus petit lment.Montrer que E est totalement ordonn et fini. [002921]

Exercice 242 lment maximalSoit E un ensemble ordonn. Un lment a E est dit maximal sil nexiste pas de b E tq b > a.

1. Si E est totalement ordonn, montrer que : maximal maximum.2. E = {1,2,3,4,5,6} ordonn par la divisibilit. Chercher les lments maximaux.3. Si E est fini, montrer quil existe un lment maximal.

4. Si E est fini et na quun seul lment maximal, montrer que cet lment est maximum.

[002922]

Exercice 243 Nombres de CatalanSoient x1, . . . ,xn n rels. Pour calculer la somme x1 + + xn, on place des parenthses de faon navoir quedes additions de deux nombres effectuer. Soit tn le nombre de manires de placer les parenthses (on poset1 = 1).

1. Dterminer t2, t3, t4.

2. Trouver une relation de rcurrence entre tn et t1, . . . , tn1.


Exercice 244 ***Combien y a-t-il de partitions dun ensemble pq lments en p classes ayant chacune q lments? (Si E est unensemble pq lments et si A1,..., Ap sont p parties de E, A1,..., Ap forment une partition de E si et seulementsi tout lment de E est dans une et une seule des parties Ai. Il revient au mme de dire que la runion des Aiest E et que les Ai sont deux deux disjoints.)Correction H [005279]

Exercice 245 *Combien y a-t-il de nombres de 5 chiffres o 0 figure une fois et une seule?Correction H [005281]

Exercice 246 **IOn part du point de coordonnes (0,0) pour rejoindre le point de coordonnes (p,q) (p et q entiers naturelsdonns) en se dplaant chaque tape dune unit vers la droite ou vers le haut. Combien y a-t-il de cheminspossibles?Indication H Correction H Vido [005284]

Exercice 247 ***IDe combien de faons peut-on payer 100 euros avec des pices de 10, 20 et 50 centimes?Correction H [005285]

Exercice 248 ****

1. Soit E un ensemble fini et non vide. Soient n un entier naturel non nul et A1,..., An, n parties de E.Montrer la formule du crible :

50
http://www.youtube.com/watch?v=4EJcG9wA3cI

card(A1 ...An) =n

i=1

card(Ai) 16i1

2. (principe des tiroirs) Soient 1,2, . . . ,p, p lements distincts dun ensemble E, rpartis entre unefamille de n sous-ensembles de E. Si n < p montrer quil existe au moins un ensemble de la famillecontenant au moins deux lments parmi les i.(on pourra raisonner par labsurde)

[000243]

Exercice 254

Montrer par rcurrence sur n que si A1, . . . ,AnE alors Card(A1. . .An)=n

k=1(1)k+1

16i1

1. Montrer pour q > 0 : f (p+1,q1) = f (p,q)+1 et f (0, p+1) = f (p,0)+1.2. Montrer que : f (0, p+q)6 f (p,q)< f (0, p+q+1).

3. Montrer que g : n 7 f (0,n) est strictement croissante.4. Montrer que f est injective (on supposera f (p,q) = f (p,q) et on montrera dans un premier temps que

p+q = p+q).

5. Montrer que f est surjective.

[003051]

Exercice 260 Parties dnombrablesSoit (nk) une suite dentiers naturels. On dit que la suite est :- presque nulle sil existe p N tq k > p, nk = 0- stationnaire sil existe p N tq k > p, nk = np.Montrer que les ensembles des suites presque nulles et des suites stationnaires sont dnombrables. [003052]

Exercice 261 Proprits du pgcd et du ppcmSoient a,b N. On pose m = ppcm(a,b) et d = pgcd(a,b).

1. Soit x un multiple commun a et b. En crivant la division euclidienne de x par m, montrer que m | x.2. Soit x un diviseur commun a et b. Montrer que ppcm(x,d) est aussi un diviseur commun a et b. En

dduire x | d.3. Comment qualifier m et d pour la relation dordre de divisibilit ?

[003053]

Exercice 262 Bases de numrationSoit b N \ {0,1} et p N. Montrer que pour tout entier n {0, . . . ,bp 1}, il existe un unique p-uplet(n0, . . . ,np1) dentiers naturels tel que :

k < p, nk {0, . . . ,b1}, et n =p1k=0

nkbk.

[003054]

Exercice 263 Bases de numrationSoit n N. Montrer quil existe p N et n0,n1, . . . ,np {1,2} uniques tels que n = pk=0 nk2k. [003055]

Exercice 264 Bases de numrationSoient n, p N avec n < p!. Montrer quil existe un unique p-uplet (n1, . . . ,np) dentiers naturels tel que

k 6 p, nk 6 k, et n =p

k=1

nkk!.

[003056]

Exercice 265 Rcurrence dordre 2On note an = 25n +23n+4.

1. Trouver a,b Z tels que : n N, an+2 = a.an+1 +b.an.2. En dduire que : n N, an est divisible par 17.

53


Exercice 266 Ordre sur NN

Soit E = NN. Pour f ,g E avec f 6= g, on note n f ,g = min{k tq f (k) 6= g(k)}.On ordonne E par :

f ,g E, f g ( f = g) ou(

f (n f ,g)< g(n f ,g)).

1. Montrer que cest une relation dordre total.

2. Montrer que toute partie de E non vide admet une borne infrieure et toute partie de E non vide etmajore admet une borne suprieure.

[003058]

Exercice 267 f f (n) = n+ kOn veut montrer quil nexiste pas dapplication f : N N vrifiant : n N, f ( f (n)) = n+1987.(Olympiades 1987)Soit f une telle application. On pose :

E = {0, . . . ,1986}, F = N\E, G = f (N)E, H = E \G.

Dmontrer successivement :

1. f est injective,

2. f (F) F ,3. f1(F) = F G,4. f1(G) = H,

puis obtenir une contradiction. [003059]

Exercice 268 f ( f (n))< f (n+1)Soit f : N N telle que : n N, f ( f (n))< f (n+1). On veut montrer que f = idN.(Olympiades 1977)

1. Montrer que n N, x> n, f (x)> n.2. Soit n N et a> n tel que f (a) = min{ f (x) tq x> n}. Montrer que a = n.3. En dduire que f est strictement croissante, puis conclure.


Exercice 269 ***IQuelle est la probabilit pn pour que dans un groupe de n personnes choisies au hasard, deux personnes au moinsaient le mme anniversaire (on considrera que lanne a toujours 365 jours, tous quiprobables). Montrer quepour n> 23, on a pn > 12 .Correction H [005282]

Exercice 270 ***Montrer que le premier de lan tombe plus souvent un dimanche quun samedi.Correction H [005283]

54

14 103.01 Divisibilit, division euclidienne

Exercice 271Combien 15! admet-il de diviseurs?Indication H Correction H Vido [000249]

Exercice 272Trouver le reste de la division par 13 du nombre 1001000.Indication H Correction H Vido [000250]

Exercice 273Sachant que lon a 96842= 256375+842, dterminer, sans faire la division, le reste de la division du nombre96842 par chacun des nombres 256 et 375.Indication H Correction H Vido [000251]

Exercice 274Soient m> 1 et n> 2 des entiers ; montrer que :

1. n1|nm1 ;2. (n1)2|nm1 si et seulement si n1|m.

[000252]

Exercice 275Soit a un entier relatif quelconque, dmontrer que le nombre a(a2 1) et, plus gnralement, a(a2n 1) estdivisible par 6. [000253]

Exercice 276Dmontrer que le nombre 7n + 1 est divisible par 8 si n est impair ; dans le cas n pair, donner le reste de sadivision par 8.Indication H Correction H Vido [000254]

Exercice 277Quel est le plus petit entier naturel qui, divis par 8,15,18 et 24, donne respectivement pour reste 7,14,17 et23? [000255]

Exercice 278Montrer que si x et y sont des entiers naturels tels que x2 divise y2, alors x divise y. Application : dmontrer, parlabsurde, que

2 nest pas rationnel. [000256]

Exercice 279Montrer que n N :

n(n+1)(n+2)(n+3) est divisible par 24,

n(n+1)(n+2)(n+3)(n+4) est divisible par 120.


Exercice 280Trouver tous les entiers relatifs n tels que n2 +n+7 soit divisible par 13. [000258]

55
http://www.youtube.com/watch?v=akuNAnpeHZMhttp://www.youtube.com/watch?v=6MywGfpcPichttp://www.youtube.com/watch?v=NL9J5okSGCwhttp://www.youtube.com/watch?v=I_npnj8Lb0Mhttp://www.youtube.com/watch?v=wEt81lOn-LA

Exercice 281On considre le nombre m = 2n p, dans lequel n dsigne un entier naturel quelconque et p un nombre premier.Dresser la liste des diviseurs de m, y compris 1 et m lui-mme, et calculer, en fonction de m et p, la somme Sde tous ces diviseurs. [000259]

Exercice 282Le diviseur dune division est gal 45 ; le reste est le carr du quotient. Calculer le dividende entier naturel.[000260]

Exercice 283Trouver le plus petit entier naturel n telle que le dveloppement dcimal de 1/n admette une plus petite priodede longueur 5, cest--dire 1/n = 0,abcdeabcdeab . . . avec a,b, . . . ,e {0,1,2, . . . ,9}. [000261]

Exercice 284Les nombres a, b, c, d tant des lments non nuls de Z, dire si les proprits suivantes sont vraies ou fausses,en justifiant la rponse.

1. Si a divise b et c, alors c22b est multiple de a.2. Sil existe u et v entiers tels que au+bv = d alors pgcd(a,b) = |d|.3. Si a est premier avec b, alors a est premier avec b3.

4. Si a divise b+ c et b c, alors a divise b et a divise c.5. Si 19 divise ab, alors 19 divise a ou 19 divise b.

6. Si a est multiple de b et si c est multiple de d, alors a+ c est multiple de b+d.

7. Si 4 ne divise pas bc, alors b ou c est impair.

8. Si a divise b et b ne divise pas c, alors a ne divise pas c.

9. Si 5 divise b2, alors 25 divise b2.

10. Si 12 divise b2, alors 4 divise b.

11. Si 12 divise b2, alors 36 divise b2.

12. Si 91 divise ab, alors 91 divise a ou 91 divise b.

[000262]

Exercice 285On dfinit les trois ensembles suivants :

E1 = {7n , n N}E2 = {n N tel que n est multiple de 4}E3 = {28n , n N}

1. Pour 16 i, j 6 3, dterminer si on a linclusion Ei E j.2. Ecrire E1E2 sous la forme E = {n N , P(n)}. Montrer que E1E2 = E3.

[000263]

Exercice 286Montrer que si r et s sont deux nombres entiers naturels somme de deux carrs dentiers alors il en est de mmepour le produit rs. [000264]

Exercice 287Soit n un entier relatif. Montrer que soit 8 divise n2, soit 8 divise n21, soit 8 divise n24. [000265]

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Exercice 288tant donns deux nombres relatifs n et p montrer que soit np est pair, soit n2 p2 est divisible par 8. [000266]

Exercice 289Montrer que si n est un entier naturel somme de deux carrs dentiers alors le reste de la division euclidiennede n par 4 nest jamais gal 3.Correction H Vido [000267]

Exercice 290

1. Soit n un entier naturel dont le reste de la division euclidienne par 5 vaut 2 ou 3, montrer que n2 +1 estdivisible par 5.

2. Montrer que pour tout entier naturel n, lentier n5n est divisible par 5.[000268]

Exercice 291Soit n N. Montrer que parmi les trois entiers n.(n+1), n.(n+2) et (n+1).(n+2), il y en a exactement deuxqui sont divisibles par 3. [000269]

Exercice 292

1. Pour tout couple de nombres rels (x,y) montrer, par rcurrence, que pour tout n N on a la relation

() xn yn = (x y).n1k=0

xkyn1k.

Indication : on pourra crire de deux manires diffrentes la quantit y(xn yn)+(x y)xn.2. Soit (a,b, p) des entiers lments de N. En utilisant la formule (), montrer que sil existe un entier

l N tel que b = a+ pl,

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les exercices au format pdf - Exo7