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Niveau exercices
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JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
11-05-06 à 17:27

Bonjour,

Je ne résiste pas au plaisir de vous proposer cet exercice (dont je connais une réponse) mélangeant deux de mes domaines favoris des mathématiques.

Soit a_1, a_2, ..., a_7 sept nombres réels tels que, \forall i\neq j,\;a_ia_j\neq -1.
Montrer qu'il existe au moins un couple (i,j) avec i\neq j tel que :
3$0<\frac{a_i-a_j}{1+a_ia_j}<\frac{1}{\sqrt{3}}

Ce n'est pas un exercice inédit.
Si vous connaissiez la réponse, ou si vous la trouvez, peut-être pouvez-vous attendre un peu avant de la poster, pour laisser les personnes intéressés chercher un peu. Ou alors en blanqué ?

Niveau Terminale corsé.

Nicolas

Indice blanqué :
\rm\white Avez-vous d'ej`a essay'e de faire de la trigonom'etrie en rangeant vos chaussettes dans leur tiroir ?

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 11-05-06 à 17:28

la zone bleue !

Philoux

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 11-05-06 à 17:30

Un peu d'indulgence : je débute en JFF !
(et la mienne n'est pas très F)

Posté par
borneo
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 11-05-06 à 17:36

Salut Nicolas et Philoux

Bonne idée, une JFF. Mais niveau terminale (surtout corsé), ça devra attendre quelques années

Posté par
jacqlouis
re: JFF serieuse ... 11-05-06 à 18:35

    Bonsoir. Ce n'est plus du SMS, ni du charabia, mais des abréviations ou initiales, pleines de sous-entendus (pour ceux qui les comprennent !). Vous pourriez expliquer, pour que les "nouveaux" soient un peu moins ignorants ce soir.   Merci. J-L

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 02:11

Bonjour jacqlouis,

Loin de moi l'idée d'utiliser des expressions codées ou présentant des sous-entendus. Je n'apprécie pas les échanges privés au sein d'un forum public (à l'exception d'un petit clin d'oeil de temps en temps, bien sûr). Si l'échange ci-dessus t'a donné une impression sectaire, et t'a fait sentir exclu, j'en suis désolé.

Il y a un certain nombres de JFF postées sur le forum, ce sont des énigmes posées Just For Fun, c'est-à-dire "juste pour s'amuser". Ce ne sont pas des énigmes officielles. Les messages ne sont pas cachés. C'est souvent des questions drôles, ou ouvertes, ou se résolvant par des programmes, ou difficiles, etc...

La mienne (ce message) n'est justement pas très F, c'est-à-dire pas très Fun : un peu trop sérieuse !

L'habitude dans les JFF est de répondre en blanqué, c'est-à-dire sous cette forme :
[ tex]\rm\white mon texte[ /tex]
La réponse n'apparait alors à l'écran que si on passe la souris dessus en maintenant le bouton appuyé. Cela permet de laisser les autres chercher, tout en donnant une réponse consultable par tous.

En effet, le texte est alors écrit en blanc sur fond blanc. Sauf quand le fond du message est... bleu, alors le texte apparaît alors un peu. D'où la "zone bleue".

Nicolas

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 07:48

Une erreur d'énoncé...

Soit a_1, a_2, ..., a_7 sept nombres réels tels que, \forall i\neq j,\;a_ia_j\neq -1.
Montrer qu'il existe au moins un couple (i,j) avec i\neq j tel que :
3$0\fbox{\le}\frac{a_i-a_j}{1+a_ia_j}<\frac{1}{\sqrt{3}}

Posté par
jacqlouis
re: JFF serieuse ... 12-05-06 à 11:08

    Bonjour, Nicolas. " eh ben ouala ! " ... c'est clair, comme cela. Et merci pour l'explication.         J-L

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 12:52

Bonjour

Faut dire que le titre prête à confusion, on dirait une pettie annonce pour faire des rencontres....

Stella

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 13:02

il y a deux F, stella

mais même avec deux F...

Attention à la dérive

Philoux

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 13:08

Tu m'as bien comprise Philoux

Stella

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 13:11

...dans ce cas, il eût fallu un "s" final à "sérieuse"

bon, cessons-là, (faudrait demander à Nicolas quelle est la signification codée de a_i et a_j...)

Philoux

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 13:37

Tout à fait quel filou ce Nicolas, sous ses airs de matheux...

PS : Pour a_i et a_j tout est possible si tu as une imagination débordante. Bon arrêtons là sinon on va se faire taper sur les doigts...

Stella

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 14:21

J'ai l'impression que mon "?" après "sérieuse" dans le titre de cette JFF était tout à fait bienvenu, voire prémonitoire.

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 14:25

avait-il été mis pour anticiper ce développement ?

Philoux

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 14:33

Bien sûr. Je commence à vous connaître.

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 14:34

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 14:39

je pensais plutôt que le "sérieuse" était en opposition avec le "F" de "Fun"...

Philoux

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 14:59

Nous ne sommes que deux à délirer sur ton titre, les autres mathiliens sont des jeunots ils n'ont pas l'esprit aussi mal tournés que nous.

PS : Il nous connaît bien Nicolas, mais savais-tu réellement qui allait délirer aussi vite ?

Stella

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 15:05

Si tu connais le ch'ti, Stella (à en croire ton profil, le droit ) :

Stella, Ch'ti là, ch'eune sacrée amusette...

Philoux

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 15:30



PS: Tu connais le ch'ti ?

Stella

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 15:34

eune tchiquette

mais je me réfère à ce dico-là, que j'ai déjà envoyé à d'autres ch'tis de l'île

S'il t'intéresse, dis-le moi, je te l'envoie par mail

Philoux

JFF  sérieuse  (?) avec plein de a_i et a_j

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 15:37

D'accord si ce n'est pas trop lourd...

Stella

PS : tu me traduis ce que tu as écris car je suis une ch'ti d'adoption.

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 15:41

eune tchiquette = un peu

Amusette = qui aime s'amuser

Je te l'envoie À'ch't'heure

Philou

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 15:54

Philoux, tu parles combien de langues ?

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 15:56

le ch'ti n'est pas une langue, quoique ...

Et puis, internet est polyglotte

Philoux

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:09

Merci Philoux pour le dico. Reçu 5/5.

Attention Philoux tu vas vexer les ch'ti.

Stella

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:13

J'étais à mille lieux de penser que mon exercice pas-Fun allait ouvrir la voie à une discussion de café.

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:14

Tu vois, jacqlouis, c'est ça une JFF !

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:19

Une discussion de café avec sulement trois personnes, apparemment cela n'intéresse que nous.

Stella

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:20

Oui, personne ne s'intéresse à mon exercice.
Si au moins j'ai pu offrir une tribune libre aux ch'ti-fans, tout n'est pas perdu.

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:21

Tu vois, jacqlouis, c'est ça une JFF

tu es dur, nicolas, avec les JFF

Elles ne sont pas toutes comme celle-ci qui a dérivé du fait de ton titre (que ne dirais-je pour défendre Stella )

Philoux

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:23

En effet c'est un bide complet avec ton exercice mais qui nous a bien fait délirer tout de même, alors ne sois pas trop triste. Appremment ton JFF est trop prise de tête.

Stella

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:28

Bon...

Posté par
ahahah
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:32

salut

niveau terminale cet exo?

jespere que ca ne tombera jamais au bac alors

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:33

D'ailleurs, Nicolas, je l'ai cherché mais elle m'est innacessible...

Ton indice sent le Dirichlet mais ...

Tu peux donner la soluce ?

Philoux

Posté par
stella
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:35

Merci Philoux

Stella

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:36

Je vais la donner bientôt.
Je viens de découvrir une faiblesse que je tente d'éradiquer.

Indice plus clair :
a) Reconnais une formule trigonométrique (tan(a-b)=...), et simplifie l'expression proposée ; des arctan apparaissent
b) Applique le principe de Dirichlet

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:42

0 <= tan(ai - aj) < tan(pi/6)

-pi/2 < ai-aj < pi/6 (pi)

maintenant, comment relier le pi sur SIX avec les SEPT ai ?

Philoux

Posté par
borneo
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:43

En blanqué !!!!! j'ai presque trouvé !!!!

Posté par
borneo
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:44

Je rigolais

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:48

Tu es sûr de ton -pi/2 à gauche ?

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:48

oups !

0 <= tan(ai - aj) < tan(pi/6)

0 <= ai-aj < pi/6 (pi)

maintenant, comment relier le pi sur SIX avec les SEPT ai ?

Philoux

Posté par philoux (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:48

posts croisés

Philoux

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:49

Et ce ne sont pas des a_i, mais des arctan(a_i).
Mais ce n'est pas grave, tu y es presque.

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 12-05-06 à 16:50

Et les arctan sont par définition compris dans l'intervalle...

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 13-05-06 à 07:18

Devant le succès phénoménal remporté par cet exercice, voici une correction que j'espère claire, et surtout juste. Les lecteurs intéressés mais pressés peuvent sauter directement à la partie 3.

Enoncé
Soit a_1, a_2, ..., a_7 sept nombres réels tels que, \forall i\neq j,\;a_ia_j\neq -1.
Montrer qu'il existe au moins un couple (i,j) avec i\neq j tel que :
3$0\le\frac{a_i-a_j}{1+a_ia_j}<\frac{1}{\sqrt{3}}

1. Idée générale de la démonstration

Reconnaître une formule trigonométrique et montrer que le problème revient à montrer qu'il existe i\neq j tels que :
0\le\arctan a_i-\arctan a_j<\frac{\pi}{6}.
Or les sept \arctan a_i appartiennent tous à \left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[, intervalle de largeur \pi. On peut donc créer facilement six boîtes de largeur \frac{\pi}{6} dans lesquelles il s'agit de les ranger. Il y en aura donc nécessairement 2 dans la même boîte. D'où le résultat.

2. Recherche de la solution

1. L'expression \frac{a_i-a_j}{1+a_ia_j} fait penser à la formule trigonométrique :
\fbox{\forall a,\, b\in\mathbb{R}\;\mathrm{tels}\,\mathrm{que}\;a,\,  b,\, a-b\,\not\in\,\frac{\pi}{2}+\pi\mathbb{Z}\,\quad\tan(a-b) = \displaystyle\frac{\tan a-\tan b}{1+\tan a\tan b}\quad (*)}
sachant que la condition a-b\,\not\in\,\frac{\pi}{2}+\pi\mathbb{Z} est alors équivalente à \tan a\cdot\tan b\neq -1, puisque :
\tan a\cdot\tan b=-1\Leftrightarrow -\sin a\cdot\sin b=\cos a\cdot\cos b\Leftrightarrow\cos(a-b)=0\Leftrightarrow a-b\in\frac{\pi}{2}+\pi\mathbb{Z}

2. Remplaçons donc a_i par \tan(\arctan a_i), ce qui est toujours possible.
On obtient :
\frac{a_i-a_j}{1+a_ia_j}=\frac{\tan(\arctan a_i)-\tan(\arctan a_j)}{1+\tan(\arctan a_i)\tan(\arctan a_j)}
On veut appliquer la formule (*).
Pour cela, il faut vérifier :
(i) \forall i\in\{1,...,7\},\quad\arctan a_i\,\not\in\,\frac{\pi}{2}+\pi\mathbb{Z} : c'est immédiat puisque \arctan a_i\in\left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[ ;
(ii) \forall i\neq j\in\{1,...,7\},\quad\tan(\arctan a_i)\tan(\arctan a_j)\neq -1 : c'est dans l'énoncé.
Donc :
\frac{a_i-a_j}{1+a_ia_j}=\tan\left(\arctan a_i-\arctan a_j\right)

3. Il faut donc montrer qu'il existe i\neq j tels que :
0\le\tan\left(\arctan a_i-\arctan a_j\right)<\frac{1}{\sqrt{3}}
ou encore :
\tan 0\le\tan\left(\arctan a_i-\arctan a_j\right)<\tan\frac{\pi}{6}

4. Or la fonction arctangente est strictement croissante sur \mathbb{R}.

On peut donc essayer de montrer qu'il existe i\neq j tels que :
0\le\arctan\left[\tan\left(\arctan a_i-\arctan a_j\right)\right]<\frac{\pi}{6}

Ici, une difficulté apparaît, car \arctan(\tan x)=x uniquement si x\in\left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[. Or, puisque les \arctan a_i sont dans \left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[, on sait juste que : \arctan a_i-\arctan a_j\in]-\pi;\pi[

On arrive à :
0\le\arctan a_i-\arctan a_j+\vareps\pi<\frac{\pi}{6}
\vareps=-1\;\mathrm{ou}\; 0\;\mathrm{ou}\; +1

On contournera ce problème en prenant la démonstration dans l'autre sens (moins naturel) tout-à-l'heure. Prenons pour l'instant \vareps=0 pour voir l'esprit de la fin de la preuve :
Montrer qu'il existe i\neq j tels que 0\le\arctan a_i-\arctan a_j<\frac{\pi}{6}

5. Chacun des sept \arctan a_i est dans \left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[ de largeur \pi.
Divisions cet intervalle en six sous-intervalles de largeur \frac{\pi}{6} :
\left]-\frac{\pi}{2};-\frac{\pi}{3}\right[,\quad\left[-\frac{\pi}{3};-\frac{\pi}{6}\right[,\quad\left[-\frac{\pi}{6};0\right[,\quad\left[0;\frac{\pi}{6}\right[,\quad\left[\frac{\pi}{6};\frac{\pi}{3}\right[,\quad\left[\frac{\pi}{3};\frac{\pi}{2}\right[,\quad

On applique le principe des tiroirs de Dirichlet : si n tiroirs sont occupés par n+1 objets, alors il y a au moins un tiroir occupé par plus d'un objet.

Donc il existe au moins deux \arctan a_i dans le même sous-intervalle. Or ces intervalles sont de largeur \frac{\pi}{6} avec au moins une borne exclue.
Donc il existe i\neq j tels que |\arctan a_i-\arctan a_j|<\frac{\pi}{6}

D'où le résultat.

3. Solution rédigée

(En prenant la démonstration par l'autre bout, moins naturel, la difficulté identifiée disparaît.)

Chacun des sept \arctan a_i est dans \left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[, intervalle de largeur \pi.
Divisions cet intervalle en six sous-intervalles de largeur \frac{\pi}{6} :
\left]-\frac{\pi}{2};-\frac{\pi}{3}\right[,\quad\left[-\frac{\pi}{3};-\frac{\pi}{6}\right[,\quad\left[-\frac{\pi}{6};0\right[,\quad\left[0;\frac{\pi}{6}\right[,\quad\left[\frac{\pi}{6};\frac{\pi}{3}\right[,\quad\left[\frac{\pi}{3};\frac{\pi}{2}\right[,\quad

On applique le principe des tiroirs de Dirichlet : si n tiroirs sont occupés par n+1 objets, alors il y a au moins un tiroir occupé par plus d'un objet.

Donc il existe au moins deux \arctan a_i dans le même sous-intervalle. Or ces intervalles sont de largeur \frac{\pi}{6} avec au moins une borne exclue.
Donc il existe i\neq j tels que |\arctan a_i-\arctan a_j|<\frac{\pi}{6}
C'est-à-dire : il existe i\neq j tels que 0\le \arctan a_i-\arctan a_j<\frac{\pi}{6}
La fonction tangente est strictement croissante sur \left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[, donc :
Il existe i\neq j tels que \tan 0\le \tan\left(\arctan a_i-\arctan a_j\right)<\tan\frac{\pi}{6}
Il existe i\neq j tels que 0\le \tan\left(\arctan a_i-\arctan a_j\right)<\frac{1}{\sqrt{3}}

On veut appliquer la formule :
\forall a,\, b\in\mathbb{R}\;\mathrm{tels}\,\mathrm{que}\;a,\,  b,\, a-b\,\not\in\,\frac{\pi}{2}+\pi\mathbb{Z}\,\quad\tan(a-b) = \displaystyle\frac{\tan a-\tan b}{1+\tan a\tan b}\quad (*)
sachant que la condition a-b\,\not\in\,\frac{\pi}{2}+\pi\mathbb{Z} est alors équivalente à \tan a\cdot\tan b\neq -1, puisque :
\tan a\cdot\tan b=-1\Leftrightarrow -\sin a\cdot\sin b=\cos a\cdot\cos b\Leftrightarrow\cos(a-b)=0\Leftrightarrow a-b\in\frac{\pi}{2}+\pi\mathbb{Z}
On a bien :
(i) \forall i\in\{1,...,7\},\quad\arctan a_i\,\not\in\,\frac{\pi}{2}+\pi\mathbb{Z} : c'est immédiat puisque \arctan a_i\in\left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[ ;
(ii) \forall i\neq j\in\{1,...,7\},\quad\tan(\arctan a_i)\tan(\arctan a_j)\neq -1 : c'est dans l'énoncé.

Donc la formule s'applique et :
Il existe i\neq j tels que 0\le\displaystyle\frac{\tan(\arctan a_i)-\tan(\arctan a_j)}{1+\tan(\arctan a_i)\cdot\tan(\arctan a_j)}<\frac{1}{\sqrt{3}}
Or, pour tout x réel, \tan(\arctan x)=x, donc on obtient :

Il existe i\neq j tels que 0\le\displaystyle\frac{a_i-a_j}{1+a_ia_j}<\frac{1}{\sqrt{3}}

ce qui est le résultat cherché.

Sauf erreur.

Nicolas

Posté par celinenounours (invité)re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 22-05-06 à 15:47

Merci pour cette réponse si détaillée.

N.B.: Pas de commentaires, ne veux pas dire pas de lecteurs... SI ?!?

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 22-05-06 à 16:07

J'ai bien peur que si !

Posté par
borneo
re : JFF "sérieuse" (?) avec plein de a_i et a_j 22-05-06 à 16:44

Bonsoir, c'est une très jolie correction. Je l'ai ajoutée à mes favoris pour le jour où j'aurai récupéré un niveau terminale en maths. Ce n'est pas pour tout de suite, je vais d'abord m'attaquer à ça et à ça

Philoux sera ravi de trouver ton corrigé à son retour

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