Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Real analysisExercise

Une équation sur la partie entière 22

by Sequoia·
28
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.
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Français
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  1. Déterminer l’ensemble des réels xx tels que
    ⌊x2+2x+1⌋=0.\lfloor x^2+2x+1\rfloor=0.
  2. Déterminer l’ensemble des réels yy tels que
    ⌊y2⌋+2⌊y⌋+⌊1⌋=0.\lfloor y^2\rfloor + 2\lfloor y\rfloor +\lfloor 1\rfloor=0.
  3. Comparer les deux ensembles obtenus. Sont-ils les mêmes ?
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Solutions

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Solution by Oakiwi

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1.\textbf{1.} D’après l’identité remarquable x2+2x+1=(x+1)2x^{2}+2x+1=(x+1)^{2}, on a
⌊x2+2x+1⌋=0  ⟺  ⌊(x+1)2⌋=0  ⟺  (x+1)2<1  ⟺  −1<x+1<1  ⟺  −2<x<0\left\lfloor x^2+2x+1 \right\rfloor =0 \; \Longleftrightarrow \; \left\lfloor (x+1)^{2}\right\rfloor =0\;\Longleftrightarrow \; (x+1)^2 <1 \; \Longleftrightarrow \; -1 < x+1 <1 \; \Longleftrightarrow \; -2 <x < 0L’ensemble des solutions de l’équation est donc ]−2;0[\boxed{\left] -2 ; 0 \right[}.

2.\textbf{2.} Observons déjà qu’il n’y a pas de solution positive à l’équation.
Procédons par analyse synthèse.
Analyse\textbf{Analyse} : soit y<0y<0 solution de l’équation.
Posons −k:=⌊y⌋≤−1-k:=\left\lfloor y \right\rfloor \leq -1 et l:=⌊y2⌋l:=\left\lfloor y^2 \right\rfloor. yy est solution de l’équation si et seulement si l=2k−1(∗)l=2k-1 \quad (\ast). Or, par définition de la partie entière,
−k≤y<−k+1,donck2−2k+1<y2≤k2-k\leq y < -k+1, \quad \text{donc} \quad k^2-2k+1 < y^2 \leq k^2Ainsi, on voit que k2−2k+2≤2k−1≤k2k^{2}-2k+2\leq 2k-1 \leq k^{2}, donc d’une part k2−4k+3≤0k^{2}-4k+3\leq 0 et d’autre part 0≤k2−2k+10 \leq k^{2}-2k+1.
La dernière inéquation n’apporte rien (puisque kk est un entier).
L’inéquation k2−4k+3≤0k^{2}-4k+3\leq 0 a pour ensemble de solutions {1;2;3}\left\lbrace 1;2;3\right\rbrace (puisque kk est un entier). Analysons ces trois possibilités en utilisant (∗)(\ast) et la définition de kk et de ll.

∙\bullet k=l=1k=l=1 arrive si et seulement si −1≤y<0-1\leq y <0 et 1≤y2<21\leq y^{2}<2.
En élevant la première inéquation au carrée, on voit que ces deux inéquations sont compatibles uniquement lorsque y=−1‾=−y2\underline{y=-1}=-y^{2}.

∙\bullet k=2k=2, l=3l=3 arrive si seulement si −2≤y<−1-2 \leq y <-1 et 3≤y2<43\leq y^{2}<4.
En élevant la première inéquation au carrée, on voit que ces deux inéquations sont compatibles uniquement lorsque −2<y≤−3‾\underline{-2 <y \leq -\sqrt{3}}.

∙\bullet k=3k=3, l=5l=5 arrive si et seulement −3≤y<−2-3\leq y <-2 et 5≤y2<65\leq y^{2}<6.
En élevant la première inéquation au carrée, on voit que ces deux inéquations sont compatibles uniquement lorsque −6<y≤−5‾\underline{-\sqrt{6}<y\leq -\sqrt{5}}.

Syntheˋse\textbf{Synthèse} : on vérifie à la main que si y∈]−6;−5]∪]−2;−3]∪{−1}y\in \left]-\sqrt{6}; -\sqrt{5}\right] \cup \left]-2;-\sqrt{3}\right] \cup \left\lbrace -1 \right\rbrace alors yy est solution de l’équation.

L’ensemble des solutions de l’équation est donc ]−6;−5]∪]−2;−3]∪{−1}\boxed{\left]-\sqrt{6}; -\sqrt{5}\right] \cup \left]-2;-\sqrt{3}\right] \cup \left\lbrace -1 \right\rbrace}.

3.\textbf{3.} Clairement pas !

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