Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/CombinatoricsUnreviewed

Un problème de vache

by Sequoia·
47
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français
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1000086952

Un fermier possède un champ contenant 2n+12n+1 vaches, où n1n\geqslant1.

Pour n’importe quel choix de deux groupes distincts de nn vaches, il observe que la masse totale des deux groupes est la même.

Montrer que toutes les vaches ont la même masse.

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Solutions

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Solution by Cypress

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Soit n1n \ge 1. On numérote les vaches et leurs masses de 1 à 2n+1 : on définit donc le vecteur des masses M=(mi)i[ ⁣[1,2n+1] ⁣]M=(m_{i})_{i \in [\![1,2n+1]\!]} associées à chacune des vaches. Si une vache est dans le groupe 1, on compte sa masse positivement et si elle est dans le groupe 2 on la compte négativement. Ainsi, comme les masses des 2 groupes sont égales, la somme des masse des 2 groupes fait 0. Puis on pose arbitrairement une matrice avec une diagonale de 0 et ses autres coefficients égals à ±1\pm 1 avec autant de +1 que de -1.
A=(011110111110)[2n+1]A = {\begin{pmatrix} 0 & 1& -1&\cdots & 1\\ 1 & 0 &-1& \cdots & -1\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 1&-1& 1 & \cdots & 0\\ \end{pmatrix} } _{[2n+1]}

D’après l’énoncé, on a donc :

Mker(A)\\M \in \ker(A). D’autre part, trivialement, le vecteur
(111)ker(A){\begin{pmatrix} 1\\1\\ \vdots \\1 \end{pmatrix}} \in \ker(A). Montrons donc que rg(A)=2nrg (A)=2n. C’est-à-dire que une sous-matrice principale de A arbitrairement choisie, notée AA^{*}, doit être de déterminant non nulle. On choisit ici d’enlever la 1ère ligne et la première colonne : On calcule alors det(A)=\det(A^{*}) =
[011101110][2n]\left[ {\begin{array}{cccc} 0&-1 & \cdots & -1\\ 1 & 0 & \cdots & 1\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ -1 & 1 & \cdots & 0\\ \end{array} } \right]_{[2n]}On se place modulo 2, ce qui donne : det(A)=\det(A^{*})=
[011101110][2n]\left[ {\begin{array}{cccc} 0& 1 & \cdots & 1\\ 1 & 0 & \cdots & 1\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 1 & 1& \cdots & 0\\ \end{array} } \right]_{[2n]}= det(J2nI2n\det(J_{2n}-I_{2n})
Avec Jk=(1)1i,jkJ_{k}=(1)_{1\le i,j \le k}. Or, kN,k2,JkGLn(R)\forall k \in \mathbb{N}, k \ge 2, J_{k} \notin GL_{n}(\mathbb{R}). Donc, au contraire, nN,n2,(J2nI2n)GLn(R)\forall n \in \mathbb{N},n \ge 2, (J_{2n}-I_{2n}) \in GL_{n}(\mathbb{R}) Donc, det(A)0 mod[2].\det(A^{*}) \neq \text{0 mod[2]}. Donc, det(A)0 et par conseˊquentdim(ker(A))=1det (A^{*})\neq\text{0 et par conséquent} \dim( \ker(A))=1 Et donc MVect(111)M \in Vect{\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ \vdots\\ 1 \\\end{pmatrix} }. Ainsi, toutes les vaches ont la même masse.

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