Baccalauréat S Polynésie 19 juin 2019 - Correction Spécialité
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Correction de l'exercice de Spécialité 5 points
On considère la matrice M=(2312) et les suites d'entiers naturels (un) et (vn) définies par: u0=l,v0=0, et pour tout entier naturel n, (un+1vn+1)=M(unvn).
Les deux parties peuvent être traitées de façon indépendante.
Partie A
On a calculé les premiers termes de la suite (vn) : n0123456789101112vn0141556209780291110864405451513165647192107560
- Conjecturer les valeurs possibles du chiffre des unités des termes de la suite (vn). Il semblerait que les valeurs possibles du chiffre des unités des termes de la suite (vn) soit 0, 1, 4, 5, 6 et 9.
- On admet que pour tout entier naturel n,(un+3vn+3)=M3(unvn).
- Justifier que pour tout entier nature n,{un+3=26un+45vnvn+3=15un+26vn. D’après la calculatrice on a M3=(26451526).
- En déduire que pour tout entier naturel n:vn+3≡vn[5]. Pour tout entier naturel n on a donc : vn+3≡26vn [5] soit vn+3≡vn [5].
Pour tout entier naturel n on a donc :
(un+3vn+3)=(26451526)×(unvn)
Par conséquent {un+3=26un+45vnvn+3=15un+26vn.
- Soit r un entier naturel fixé. Démontrer, à l'aide d'un raisonnement par récurrence, que, pour tout entier naturel q,v3q+r≡vr[5]. Soit r un entier naturel fixé.
- En déduire que pour tout entier naturel n le terme vn est congru à 0, à 1 ou à 4 modulo 5. Ainsi, pour tout entier naturel q on a :
- Conclure quant à l'ensemble des valeurs prises par le chiffre des unités des termes de la suite (vn)· Pour tout entier naturel n, il existe un entier naturel k tel que vn=0+5k, vn=1+5k ou vn=4+5k.
Montrons par récurrence sur l’entier naturel q que v3q+r≡vr [5].
Initialisation : Si q=0 alors v3q+r=vr≡vr [5].
La propriété est vraie au rang 1.
Hérédité : On suppose la propriété vraie au rang q. Donc v3q+r≡vr [5].
Montrons qu’elle encore vraie au rang q+1, c’est-à-dire que v3(q+1)+r≡vr [5] soit encore v3q+r+3≡vr [5].
D’après la question précédente, en prenant n=3q+r, on a v3q+r+3≡v3q+r [5].
D’après l’hypothèse de récurrence on a v3q+r≡vr [5].
Par conséquent v3(q+1)+r≡vr [5]
La propriété est vraie au rang q+1.
Conclusion : La propriété est vraie au rang 0 et est héréditaire.
Par conséquent, pour tout entier naturel q on a v3q+r≡vr [5].
– v3q≡v0 [5] soit v3q≡0 [5]
– v3q+1≡v1 [5] soit v3q+1≡1 [5]
– v3q+2≡v2 [5] soit v3q+2≡4 [5]
On a ainsi parcouru tous les termes de la suite (vn).
Pour tout entier naturel n, le terme vn est donc congru à 0, 1 ou 4 modulo 5.
– Si k est pair il s’écrit alors sous la forme k=2p et on a donc :
vn=0+10p, vn=1+10p ou vn=4+10p ce qui signifie que vn est congru à 0, 1 ou 4.
– Si k est impair il s’écrit alors sous la forme k=2p+1 et on a donc :
vn=0+10p+5, vn=1+10p+5 ou vn=4+10p+5 ce qui signifie que vn est congru à 5, 6 ou 9.
L’ensemble des valeurs prises par le chiffre des unités des termes de la suite (vn) est donc {0;1;4;5;6;9}.
Partie B
L'objectif de cette partie est de démontrer que √3 n'est pas un nombre rationnel en utilisant la matrice M.
Pour cela, on effectue un raisonnement par l'absurde et on suppose que √3 est un nombre rationnel. Dans ce cas, √3 peut s'écrire sous la forme d'une fraction irréductible pq où p et q sont des entiers naturels non nuls, avec q le plus petit entier naturel possible.
- Montrer que q<p<2q. On a donc √3=pq.
- On admet que la matrice M est inversible. Donner son inverse M−1 (aucune justification n'est attendue). Soit le couple (p′;q′) défini par (p′q′)=M−1(pq). On a M−1=(2−3−12)
-
- Vérifier que p′=2p−3q et que q′=−p+2q. On a :
- Justifier que (p′;q′) est un couple d'entiers relatifs. p et q sont des entiers naturels donc 2p−3q et −p+2q sont des entiers.
- On rappelle que p=q√3. Montrer que p′=q′√3. On a q′=−p+2q=−q√3+2q=(2−√3)q.
- Montrer que 0<q′<q. On a montré à la question 3.b. que q′>0.
- En déduire que √3 n'est pas un rationnel. On a donc montrer qu’on pouvait écrire √3=p′q′ où p et q sont des entiers relatifs.
(p′q′)=(2−3−12)×(pq)\ssi(p′q′)=(2p−3q−p+2q)\ssi{p′=2p−3qq′=−p+2q
On sait que q<p<2q
Donc 2q−3q<2p−3q<4q−3q\ssi−q<p′<q : ce qui signifie que p′∈\Z.
De même −2q<−p<−q\ssi0<−p+2q<q : ce qui signifie que q′∈\N et donc q′∈\Z.
(p′,q′) est par conséquent un couple d’entier relatifs.
Donc
q=q′2−√3=q′2−√3×2+√32+√3=(2+√3)q′.
De plus :
p′=2p−3q=2q√3−3q=(2√3−3)q=(2√3−3)×(2+√3)q′=q′√3
D’après la question précédente on a q=(2+√3)q′.
Or 2+√3>2>1 donc q>q′.
Par conséquent 0<q′<q.
De plus 0<q′<q. Cela signifie donc, puisque q′ et √3 sont positifs que p′ l’est aussi.
Or q le plus petit entier naturel tel que √3 s’écrive sous la forme pq.
Il y a donc une absurdité et √3 n’est pas un rationnel.
Puisque √3>1, cela signifie que p>q.
√3=pq\ssip=q√3 et donc p2=3q2<4q2.
Comme p et q sont des entiers naturels non nuls on a donc p<2q.
Ainsi q<p<2q.
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