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48 120.02 Maximum, minimum, borne supérieure

Dans le document Tous les exercices Table des matières (Page 190-200)

avecpn∈Zetqn∈N, une suite de rationnels convergeant vers un irrationnelx. Montrer que les suites(|pn|)et(qn) tendent vers+∞quandntend vers+∞.

CorrectionH [005243]

48 120.02 Maximum, minimum, borne supérieure

Exercice 1397

Le maximum de deux nombresx,y(c’est-à-dire le plus grand des deux) est noté max(x,y). De même on notera min(x,y)le plus petit des deux nombresx,y. Démontrer que :

max(x,y) =x+y+|x−y|

2 et min(x,y) =x+y− |x−y|

2 .

Trouver une formule pour max(x,y,z).

IndicationH CorrectionH Vidéo [000464]

Exercice 1398

Déterminer la borne supérieure et inférieure (si elles existent) de :A={un|n∈N}en posantun=2nsinest pair etun=2nsinon.

IndicationH CorrectionH Vidéo [000465]

Exercice 1399

Déterminer (s’ils existent) : les majorants, les minorants, la borne supérieure, la borne inférieure, le plus grand élément, le plus petit élément des ensembles suivants :

[0,1]∩Q, ]0,1[∩Q, N,

(−1)n+ 1

n2 |n∈N

.

CorrectionH Vidéo [000466]

Exercice 1400 Soit

I=

x∈R| −2<x+ 1 2x≤2

. 1. Montrer queIest la réunion de deux intervalles.

2. Déterminer (s’ils existent) : les majorants, les minorants, la borne supérieure, la borne inférieure, le plus grand élément, le plus petit élément deI.

[000467]

Exercice 1401

Les ensembles suivants ont-ils une borne supérieure, un plus grand élément, une borne inférieure, un plus petit élément, dansD, dans Q, dansR, (si la question se pose) ?

1. [0,3[, 2. {0} ∪]1,2], 3. D∩[0,1/3],

4. {x| ∃n∈N,x=1/n}, 5. {x∈Q|x2<2}.

[000468]

Exercice 1402

On considère l’ensemble des nombres de la forme 1+1n, oùndécrit l’ensemble des entiers strictement positifs. Cet ensemble est-il majoré ? Minoré ? A-t-il un plus petit élément ? Un plus grand élément ? Justifier vos réponses. [000469]

Exercice 1403

Étant donné un ensembleA⊂R, écrire avec des quantificateurs les propriétés suivantes : 1. 10 est un majorant deA,

2. mest un minorant deA, 3. Pn’est pas un majorant deA, 4. Aest majoré,

5. An’est pas minoré, 6. Aest borné, 7. An’est pas borné.

[000470]

Exercice 1404

SoitEl’ensemble des réels de la formenn+1/n1/n avecn∈N. L’ensembleEadmet-il une borne inférieure, une borne supérieure, un plus

grand élément, un plus petit élément ? [000471]

Exercice 1405

SoitE={1ncosn|n∈N}; calculer infEet supE. [000472]

Exercice 1406

SoientAetBdeux parties non vides deRtelles que pour toutxdeAet toutydeBon aitx≤y. Démontrer que supAet infBexistent et

que supA≤infB. [000473]

Exercice 1407

Soit ai j

(i,j)I×June famille non vide et bornée de réels ; comparer : inf

i (sup

j

ai j) avec sup

j

(inf

i ai j).

[000474]

Exercice 1408

SoitAune partie majorée deRd’au moins deux éléments etxun élément deA.

1. Montrer que six<supA, alors sup(A\ {x}) =supA.

2. Montrer que si sup(A\ {x})<supA, alorsx=supA.

[000475]

Exercice 1409

SoientAetBdeux parties bornées deR. On noteA+B={a+b|(a,b)∈A×B}. 1. Montrer que supA+supBest un majorant deA+B.

2. Montrer que sup(A+B) =supA+supB.

IndicationH CorrectionH Vidéo [000476]

Exercice 1410

SoitAetBdeux parties bornées deR.Vraioufaux? 1. A⊂B⇒supA6supB,

2. A⊂B⇒infA6infB,

3. sup(A∪B) =max(supA,supB), 4. sup(A+B)<supA+supB, 5. sup(−A) =−infA, 6. supA+infB6sup(A+B).

IndicationH CorrectionH Vidéo [000477]

Exercice 1411

Donner la borne supérieure et la borne inférieure (si elles existent) de l’ensemble : D=

(n−1n

n+1n|n∈N )

.

Cet ensemble admet-il un maximum, un minimum ? [000478]

Exercice 1412

Soientn∈Neta1≤a2≤...≤an,nnombres réels. Calculer :

xinf∈R n

k=1

|x−ai|.

[000479]

Exercice 1413

Soitf:R→R, f(x) =x3−3x. Tracer les graphes des fonctionsf,|f|,f+,foù :f+=max(f,0),f=min(f,0). [000480]

Exercice 1414

Sia=supA, montrer qu’il existe une suite d’éléments deAqui converge versa. Réciproque. [000481]

Exercice 1415

SoitA=Q∩]0,1[eta,b∈R+. On considère les applications suivantes deAdansR+: f: p

q7→q−p

q+p; g: p

q7→aq+bp p+q

Déterminer la borne supérieure et la borne inférieure def(A)et deg(A). [000482]

Exercice 1416

SoitAl’ensemble des nombres réels qui peuvent s’écrirex=2pp22+q3qpourpetqentiers vérifiant 0<p<q.

1. Montrer queAest minorée par−3 et majorée par 2.

2. Déterminer infAet supA(pour la borne supérieure on pourra prendreq=p+1).

[000483]

Exercice 1417

Soit(un)n∈Nune suite bornée. On poseAp=supn>punetBp=infn>pun. Montrer que(Ap)p∈Nest une suite décroissante bornée et que(Bp)p∈Nest une suite croissante bornée. SoitL=limp→∞Apetl=limp→∞Bp.

1. Dans le cas particulier oùun=n+2n+1cos3 , calculerLetl.

2. Montrer que :

∀ε>0,∃p∈N,∀n≥p,un>l−ε

∀ε>0,∀p∈N,∃n≥p,un<l+ε 3. Interpréter ces propriétés. Énoncer des propriétés analogues pourL. Démontrez-les.

4. Que peut-on dire de(un)siL=l?

[000484]

Exercice 1418

Soientxetydeux réels strictement positifs. On pose a=x+y

2 g=√xy h= 2xy

x+y q= r1

2(x2+y2)

Montrer quea,g,h,qsont rangés dans un ordre indépendant dexety. [000485]

Exercice 1419

SoientAetBdeux parties non vides bornées deR.

1. Montrer queA∪Best bornée et que sup(A∪B) =max(sup(A),sup(B)).

2. Enoncer un résultat analogue pour inf(A∪B).

3. Qu’en est-il pourA∩B?

[000486]

Exercice 1420 **IT

SoientAetBdeux parties deR, non vides et bornées. Montrer que supA, supB, sup(A+B), infA, inf B, inf(A+B)existent et que l’on a sup(A+B) =supA+supBet inf(A+B) =infA+infB. (A+Bdésigne l’ensemble des sommes d’un élément deAet d’un élément deB).

CorrectionH [005210]

Exercice 1421 **

SoitA=1

n+ (−1)n,n∈N . Déterminer supAet infA.

CorrectionH [005211]

Exercice 1422 **IT

SoitAune partie non vide et bornée deR. Montrer que sup{|x−y|,(x,y)∈A2}=supA−infA.

CorrectionH [005212]

Exercice 1423 ***IT

SoientAetBdeux parties non vides et majorées deR. Que dire de sup(A∩B), sup(A∪B), sup(A+B)et sup(AB)? (A+B(resp.AB) désigne l’ensemble des sommes (resp. des produits) d’un élément deAet d’un élément deB).

CorrectionH [005213]

49 120.99 Autre

Exercice 1424

Démontrer par récurrence surnque pour toutn≥2 l’implication

[x>−1,x6=0]⇒[(1+x)n>1+nx]

Deux entiers naturels distincts peuvent-ils vérifier la relationab=ba? [000489]

Exercice 1427 Résoudre l’équation√4

41+x+√4

41−x=4,xétant un réel positif. [000490]

Exercice 1428

Siaetbsont des réels positifs ou nuls, montrer que :

√a+√ Montrer que dans les deux cas on a :

kx+yk ≤ kxk+kyk.

Exercice 1433

IndicationH CorrectionH Vidéo [000497]

Exercice 1435

SoitAune partie deRvérifiant :

A6=/0,

SoientAetBdeux parties denses deR,ABetA+Bsont-elles denses ? Étude de la réciproque. [000502]

Exercice 1440

Exercice 1441 Morphismes deR Soitf:R→Run morphisme de corps.

1. Montrer que :∀x∈Q, f(x) =x.

2. Montrer quefest une application croissante.

3. En déduire quef=idR.

[003061]

Exercice 1442 Parties denses

SoitA⊂Rvérifiant : (

∀x∈R,∃a,b∈Atqa<x<b

∀a,b∈A, a+b2 ∈A.

Montrer queAest dense dansR. [003062]

Exercice 1443 Parties denses

SoirAun sous-anneau deR. Montrer queAest dense dansRsi et seulement siA∩]0,1[6=∅. [003063]

Exercice 1444 Sous-groupes deR

SoitHun sous-groupe additif deR,H6={0}. On poseH+=H∩R+, etα=inf(H+).

1. Siα∈H+, montrer queH=αZ.

2. Siα∈/H+, montrer queα=0 et en déduire queHest dense dansR.

[003064]

Exercice 1445 Partie entière

1. Soienta∈Zetb∈N. Montrer que :a

b

+a+1

b

+···+h

a+b1 b

i

=a.

2. Soienta∈Retb∈N. Montrer que :a

b

+a+1 b

+···+ha+b

1 b

i

= [a].

CorrectionH [003065]

Exercice 1446 **I Moyennes arithmétique, géométrique et harmonique

Soientxetydeux réels tels que 0<x≤y. On posem=x+y2 (moyenne arithmétique),g=√xy(moyenne géométrique) et1h=12(1x+1y) (moyenne harmonique). Montrer quex≤h≤g≤m≤y.

CorrectionH [005146]

Exercice 1447 ***

Soienta,betctrois réels positifs. Montrer que l’un au moins des trois réelsa(1−b),b(1−c),c(1−a)est inférieur ou égal à14.

CorrectionH [005151]

Exercice 1448 **I

1. Montrer que :∀x∈R,E(x+1) =E(x) +1.

2. Montrer que :∀(x,y)∈R2,E(x) +E(y)≤E(x+y).

3. Montrer que :∀(x,y)∈R2,E(x) +E(y) +E(x+y)≤E(2x) +E(2y).

CorrectionH [005152]

Exercice 1449 **I

Tout entier naturel non nulns’écrit de manière unique sous la forme

n=a0+10a1+...+10pap,

oùpest un entier naturel et lesaisont des entiers éléments de{0, ...,9},apétant non nul. Déterminerpen fonction den.

CorrectionH [005153]

Exercice 1450 **I

Soientnun entier naturel etxun réel positif.

1. Combien y a-t-il d’entiers naturels entre 1 etn? entre 1 etx? 2. Combien y a-t-il d’entiers naturels entre 0 etn? entre 0 etx?

3. Combien y a-t-il d’entiers naturels pairs entre 0 etx? Combien y a-t-il d’entiers naturels impairs entre 0 etx? 4. Combien y a-t-il de multiples de 3 entre 0 etx?

5. Combien l’équationx+2y=n,nentier naturel donné etxetyentiers naturels inconnus, a-t-elle de couples solutions ? 6. De combien de façons peut-on payer 10 euros avec des pièces de 10 et 20 centimes d’euros ?

7. (***) Combien l’équation 2x+3y=n,nentier naturel donné etxetyentiers naturels inconnus, a-t-elle de couples solutions ?

CorrectionH [005155]

Exercice 1451 ****

Montrer que :∀n∈N,∀x∈R,∑nk=01E(x+kn) =E(nx)(poser la division euclidienne deE(nx)parn).

CorrectionH [005156]

Exercice 1452 **

Montrer que∀n∈N,∀x∈R,E(E(nx)n ) =E(x).

CorrectionH [005159]

Exercice 1453 ***

Soitn∈Net(x1,x2, ...,xn)∈[−1,1]ntels quex1+x2+...+xn=0.

Montrer que|x1+2x2+...+nxn| ≤E(n42).

CorrectionH [005160]

Exercice 1454 ** Identité de CATALAN

Montrer que pour tout entier naturel non nuln,∑2nk=01(1)

k

k+1 =∑2nk=n+11k.

CorrectionH [005215]

Exercice 1455 **I Inégalités de CAUCHY-SCHWARZet de MINKOWSKI

Soienta1,...,an,b1,...,bndes nombres réels.

1. En considérant la fonctionf : x7→∑nk=1(ak+xbk)2, montrer que|∑nk=1akbk| ≤q

nk=1a2k q

nk=1b2k(inégalité de CAUCHY -SCHWARZ).

2. En déduire l’inégalité de MINKOWSKI: q

nk=1(ak+bk)2≤q

nk=1a2k+ q

nk=1b2k.

(l’inégalité de CAUCHY-SCHWARZaffirme que le produit scalaire de deux vecteurs est inférieur ou égal au produit de leurs normes et l’inégalité de MINKOWSKIest l’inégalité triangulaire).

CorrectionH [005216]

Exercice 1456 **

Résoudre dansRl’équationp x+2√

x−1+p x−2√

x−1=1.

CorrectionH [005217]

Exercice 1457 **** Sous groupes de(R,+)

1. Montrer que les sous groupes du groupe(R,+)sont soit de la formeaZ,aréel donné, soit denses dansR.

Indication : pourGsous-groupe donné de(R,+), non réduit à{0}, considérera=Inf(G∩]0;+∞[)puis envisager les deux cas a=0 eta>0.

(Definition :Gest dense dansRsi et seulement si :(∀x∈R,∀ε>0,∃y∈G/|y−x|<ε).

2. Application 1. Montrer que{a+b√

2,(a,b)∈Z2}est dense dansR. 3. Application 2 (groupe des périodes d’une fonction).

(a) Soit f une fonction définie surRà valeurs dansR. Montrer que l’ensemble des périodes de f est un sous groupe de (R,+)(ce sous-groupe est réduit à{0}sifn’est pas périodique).

(b) Montrer qu’une fonction continue surRqui admet 1 et√

2 pour périodes, est constante surR.

CorrectionH [005218]

Exercice 1458 **

Montrer que{r3,r∈Q}est dense dansR.

CorrectionH [005219]

Exercice 1459 Soitxun réel.

1. Donner l’encadrement qui définit la partie entièreE(x).

2. Soit(un)n∈Nla suite définie parun=E(x) +E(2x) +. . .+E(nx)

n2 .

Donner un encadrement simple den2×un, qui utilise∑nk=1k.

3. En déduire que(un)converge et calculer sa limite.

4. En déduire queQest dense dansR.

IndicationH CorrectionH Vidéo [005982]

50 121.01 Convergence

Exercice 1460

1. Dessiner les suites suivantes : (a) un=n2−25

2n2+1 (prendre 2 cm comme unité surOy) (b) un= (−1)n

(c) un=1

ncosn vn=1

n|cosn| (nen radians) (d) un=cosn

(e) u1=1 ;u2=2 ;u3=3 ;u4=−1 ;un=2 pourn≥5.

(f) un=(−1)n

n2+1 (prendre 10 cm comme unité surOy) (g) un=cosnπ

6 (h) un=sin 1

√n (prendre 1 cm comme unité surOy) (i) un=n2+1

(j) un= 1 n+ (−1)n

n (pourn≥2)

2. Classer les dessins par paquets en précisant vos critères.

3. Pour chaque suite, pouvez-vous trouverletntels que|un−l|< 101 ou 1001 ? Mettre en relation avec le classement précédent.

4. Les énoncés suivants sont-ils vrais ou faux ?

(a) Une suite à termes positifs qui tend vers 0 est décroissante à partir d’un certain rang.

(b) Si une suite a une limite strictement positive, tous ses termes sont strictement positifs à partir d’un certain rang. Réci-proque ?

[000504]

Exercice 1461

Soit(un)n∈Nune suite deR. Que pensez-vous des propositions suivantes :

•Si(un)nconverge vers un réel`alors(u2n)net(u2n+1)nconvergent vers`.

•Si(u2n)net(u2n+1)nsont convergentes, il en est de même de(un)n.

•Si(u2n)net(u2n+1)nsont convergentes, de même limite`, il en est de même de(un)n.

IndicationH CorrectionH Vidéo [000505]

Exercice 1462

Vrai ou faux : il existe une suite(un)telle que(un+1−un)tend vers 0 et qui diverge. [000512]

Exercice 1463

Montrer qu’une partieDest dense dansRssi tout réel est limite d’une suite de points deD. [000516]

Exercice 1467

SoitAune partie bornée deRetxun réel.

1. Montrer quex=sup(A)ssi (xmajoreAet il existe une suite(xn)n∈Nde A qui converge versx).

2. Énoncer un résultat analogue pour inf(A).

[000517]

Exercice 1468

Étudier la convergence des suites :

√n2+n+1−√

Montrer qu’une suite d’entiers qui converge est constante à partir d’un certain rang.

IndicationH CorrectionH Vidéo [000519]

Exercice 1470 SoitHn=1+1

2+···+1 n.

1. En utilisant une intégrale, montrer que pour toutn>0 : 1

n+1≤ln(n+1)−ln(n)≤1 n. 2. En déduire que ln(n+1)≤Hn≤ln(n) +1.

3. Déterminer la limite deHn.

4. Montrer queun=Hn−ln(n)est décroissante et positive.

5. Conclusion ?

IndicationH CorrectionH Vidéo [000520]

Exercice 1471

Montrer qu’une suite monotone dont une suite extraite converge est convergente. [000521]

Exercice 1472

Montrer que(un)converge ssi(u2n),(u2n+1),(u3n)convergent (leurs limites n’étant pas nécessairement égales). [000522]

Exercice 1473

Etudier la convergence de la suiteun= (−1)nn+1

n . [000523]

Exercice 1474

Soitqun entier au moins égal à 2. Pour toutn∈N, on poseun=cos2nπ q . 1. Montrer queun+q=unpour toutn∈N.

2. Calculerunqetunq+1. En déduire que la suite(un)n’a pas de limite.

IndicationH CorrectionH Vidéo [000524]

Exercice 1475

Soit(un)n∈Nune suite réelle prenant toute les valeurs rationnelles. Montrer que(un)n∈Nn’admet pas de limite. [000525]

Exercice 1476

Soit(un)n∈Nune suite réelle telle que lim

nu2n=λ. Que dire de(un)n∈N? [000526]

Exercice 1477

1. Donner un exemple de suite bornée divergente, puis de suite divergente telle que

∀k∈N,lim

n→∞xn+k−xn=0.

2. Donner un exemple de suite divergente qui a une seule valeur d’adhérence (i.e. telle qu’il existe une seule extractionφtelle que xφ(n) converge).

3. Donner un exemple de suite(xn)n∈Ndivergente telle que∀k≥2,(xnk)n∈Nconverge.

[000527]

Exercice 1478

Que peut-on dire des nombres réelsaetbsi

∀n∈N,a−1

n≤b≤a+1 n?

[000528]

Exercice 1479

Étudier la suite(un)définie par :

un=

(0 si n est premier 67+1/n sinon.

Si cette suite converge, montrer que sa limite est inférieure à 72. Étudier la convergence de cette suite. [000529]

Exercice 1480

On donne la suite(un)définie par :

u1=√

2 et un=p

2−un1.

En étudiant les suites(u2n)et(u2n+1), montrer que la suite(un)est convergente. [000530]

Exercice 1481

1. Soit(un),(vn),(wn)trois suites telles que pournassez grand on aitvn≤un≤wn. On suppose que(vn)et(wn)sont convergentes, et on notev=limvnetw=limwn. Montrer que pour toutε positif, on av−ε≤un≤w+ε pournassez grand (théorème d’encadrement). Que peut-on en déduire siv=w?

2. Soit(un)une suite convergente de limitel. Montrer que la suite

vn= u1+u2+···+un

n

est convergente et a pour limitel. Pour cela, encadrerunàεprès pournassez grand, et en déduire un encadrement devn.

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