Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Real analysisUnreviewed

Mieux vaut tard que jamais pour mesurer les intervalles.

by budleya·
50
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
·
Français

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Soit
f(x)=∑k=180kx−kf(x)=\sum_{k=1}^{80}{k\over x-k}et E={x∈R / f(x)>8/5}E=\{ x\in\R\ /\ f(x)>8/5 \}.
Montrer que EE est une réunion disjointe d’intervalles ouverts dont on calculera la somme des longueurs.

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Solution by visitor

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Montrons que
E=⨆k=180 ]k, xk[,et∑k=180(xk−k)=2025avec xk que l’on preˊcisera.E=\bigsqcup_{k=1}^{80}\ \bigl]k,\ x_k\bigr[,\quad \text{et} \quad \sum_{k=1}^{80}\bigl(x_k-k\bigr)=2025 \quad \text{avec } x_{k} \text { que l'on précisera} .La fonction ff est définie sur R∖{1,…,80}\mathbb{R}\setminus\{1,\dots,80\}, et
f′(x)=−∑k=180k(x−k)2<0:f'(x)=-\sum_{k=1}^{80}\frac{k}{(x-k)^{2}}<0 :elle est strictement décroissante sur chacun des 8181 intervalles délimités par les pôles.

Sur  ]−∞,1[ \,]-\infty,1[\, : tous les termes sont négatifs, donc f<0<85f<0<\frac85. Aucun point de EE.

Sur  ]k,k+1[ \,]k,k+1[\, pour 1⩽k⩽791\leqslant k\leqslant 79 : le terme kx−k\frac{k}{x-k} tend vers +∞+\infty en k+k^{+} et le terme k+1x−k−1\frac{k+1}{x-k-1} vers −∞-\infty en (k+1)−(k+1)^{-}, les autres restant bornés. Donc ff décroît continûment de +∞+\infty à −∞-\infty et prend la valeur 85\frac85 en un unique point xkx_k.

Sur  ]80,+∞[ \,]80,+\infty[\, : ff décroît de +∞+\infty à 0+0^{+}, et prend la valeur 85\frac85 en un unique point x80>80x_{80}>80.

Par décroissance stricte, f>85f>\frac85 exactement sur  ]k,xk[ \,]k,x_k[\, dans chaque cas. Ces 8080 intervalles sont deux à deux disjoints, chacun étant contenu dans  ]k,k+1[ \,]k,k+1[\, ou dans  ]80,+∞[ \,]80,+\infty[\,.

Les xkx_k sont les 8080 solutions de f(x)=85f(x)=\frac85. En multipliant cette équation par ∏j=180(x−j)\prod_{j=1}^{80}(x-j), les xkx_{k} sont exactement les racines du polynôme
P(X)=85∏j=180(X−j) − ∑k=180k∏j≠k(X−j),P(X)=\frac85\prod_{j=1}^{80}(X-j)\ -\ \sum_{k=1}^{80}k\prod_{j\neq k}(X-j),et il y en a 8080, toutes simples et distinctes d’après l’étude ci-dessus, ce sont donc toutes les racines de PP.

Posons S=∑j=180j=3240S=\sum_{j=1}^{80}j=3240. Le premier produit vaut X80−SX79+⋯X^{80}-SX^{79}+\cdots, et chaque ∏j≠k(X−j)\prod_{j\neq k}(X-j) est unitaire de degré 7979, d’où
P(X)=85X80−(85S+S)X79+⋯=85X80−135S X79+⋯P(X)=\frac85X^{80}-\left(\frac85S+S\right)X^{79}+\cdots=\frac85X^{80}-\frac{13}{5}S\,X^{79}+\cdotsLes relations coefficients–racines donnent
∑k=180xk=135S85=13S8=13⋅32408=5265,\sum_{k=1}^{80}x_k=\frac{\frac{13}{5}S}{\frac85}=\frac{13S}{8}=\frac{13\cdot 3240}{8}=5265,et par conséquent
∑k=180(xk−k)=5265−3240=2025.■\sum_{k=1}^{80}\bigl(x_k-k\bigr)=5265-3240=2025. \qquad\blacksquare

Solution by budleya

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une fois pour tous les millésimes, remplaçons 80 par nn et 8/5 par A.
L’argumentation de visitor est inchangée, on cherche N=∑k=1n(xk−k)=σ1−s\displaystyle N=\sum_{k=1}^{n}(x_{k}-k)=\sigma_{1}-s où les xix_{i} sont les nn racines de
P(X)=A∏j=1n(X−j) − ∑k=1nk∏j≠k(X−j)P(X)=A\prod_{j=1}^{n}(X-j)\ -\ \sum_{k=1}^{n}k\prod_{j\neq k}(X-j)avec σ1=∑k=1nxk\sigma_1=\sum_{k=1}^n x_{k} et s=n(n+1)/2s=n(n+1)/2. PP est de degré nn, son coefficient dominant est AA et son coefficient sous-dominant est −As−s-As-s. La plus simple des relations coefficients-racines donne
σ1=As+sA=s+sA\sigma_{1}={As+s\over A}=s+{s\over A}d’où N=s/AN=s/A cad
N=n(n+1)2AN={n(n+1)\over 2A}Ici 80.81/(16/5)=25.81=452=202580.81/(16/5)=25.81=45^2=2025 (rappel de cette année bénie de millésime carré d’un nombre triangulaire lui-même carré d’un nombre triangulaire : 2025=t92=13+⋯93t_{9}^{2}=1^{3}+\cdots9^{3} avec 9=t22=13+239=t_{2}^{2}=1^3+2^3, ce qui ne se reproduira qu’en l’an 443556 ).

En 1988 à Canberra, on avait n=70,A=5/4,N=70.71/(5/2)=2.14.71=1988n=70, A=5/4,N=70.71/(5/2)=2.14.71=1988.

Exercice : fabriquer des couples (n,A)(n,A) pour d’autres millésimes. (2027 c’est pourri mais 2028 c’est chouette).

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