Chapitre III Feuille d'exercices

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Chapitre III - Feuille d'exercices (1) I Métropole juin 2011 On se propose de déterminer l'ensemble S des entiers relatifs n vérifiant le système : { n ? 9 [17] n ? 3 [5] 1. Recherche d'un élément de S . On désigne par (u ; v) un couple d'entiers relatifs tel que 17u +5v = 1. (a) Justifier l'existence d'un tel couple (u ; v). (b) On pose n0 = 3?17u +9?5v . Démontrer que n0 appartient à S . (c) Donner un exemple d'entier n0 appartenant à S . 2. Caractérisation des éléments de S . (a) Soit n un entier relatif appartenant à S . Démontrer que n ?n0 ? 0 [85]. (b) Endéduire qu'un entier relatif n appartient à S si et seulement si il peut s'écrire sous la forme n = 43+85k où k est un entier relatif. 3. Application Zoé sait qu'elle a entre 300 et 400 jetons. Si elle fait des tas de 17 jetons, il lui en reste 9. Si elle fait des tas de 5 jetons, il lui en reste 3. Combien a-t-elle de jetons ? II Antilles-Guyane juin 2011 1. On considère l'équation (E) : 11x ?7y = 5, où x et y sont des entiers relatifs.

solution particulière

entier

tion cartésienne

théorème de gauss

solution de l'équa- tion

seconde

couple

Sujets

Entier relatif

Théorème de Gauss

Seconde

Couple

exercice

exercices

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Publié par	Ecole-pour-tous
Publié le	01 juin 2011
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Langue	Français

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Chapitre III  Feuille d’exercices (1) I Métropolejuin 2011 Modulo 5,xest congru à0 1 2 3 4 On se propose de déterminer l’ensembleSdes entiers 2 Modulo 5,xest congru à relatifsnvériﬁant le système : ½ Modulo 5,yest congru à0 1 2 3 4 n≡9 [17] 2 n≡Modulo 5, 23 [5]yest congru à 1. Recherched’un élément deS. Quellessont les valeurs possibles du reste de la 2 2 On désigne par (u;vdivision euclidienne de) un couple d’entiers relatifs telxet de 2ypar 5 ? que 17u+5v=1. (c) Endéduire que si le couple (x;y) est solution (a) Justiﬁerl’existence d’un tel couple (u;v(F), alors). dexetysont des multiples de 5. (b) Onposen0=3×17u+9×5v. 3.Démontrer que sixetysont des multiples de 5, alors le couple (x;y) n’est pas solution de (F). Que peut Démontrer quen0appartient àS. on en déduire pour l’équation (F) ? (c) Donnerun exemple d’entiern0appartenant à S. III France,septembre 2006 2. Caractérisationdes éléments deS. (a) Soitnun entier relatif appartenant àS. 1. Onconsidère l’équation (E) : 17x−24y=9, où Démontrer quen−n0≡0 [85]. (x,y) est un couple d’entiers relatifs. (b) Endéduire qu’un entier relatifnappartient àS (a) Vériﬁer quele couple (9 ;6) est solution de si et seulement si il peut s’écrire sous la forme l’équation (E). n=43+85koùkest un entier relatif. (b) Résoudrel’équation (E). 3. Application 2. Dansune fête foraine, Jean s’installe dans un un ma Zoé sait qu’elle a entre 300 et 400 jetons. nège circulaire représenté par le schéma de l’annexe Si elle fait des tas de 17 jetons, il lui en reste 9. 2. Il peut s’installer sur l’un des huit points indiqués Si elle fait des tas de 5 jetons, il lui en reste 3.sur le cercle. Combien atelle de jetons ?Le manège comporte un jeu qui consiste à attraper un pompon qui, se déplace sur un câble formant un carré dans lequel est inscrit le cercle. Le manège II AntillesGuyanejuin 2011 tourne dans le sens des aiguilles d’une montre, à vi 1. Onconsidère l’équation (E) : 11x−7y=5, oùxetytesse constante. Il fait un tour à vitesse constante. Il sont des entiers relatifs.fait un tour en 24 secondes. Le pompon se déplace (a) Justiﬁer,en énonçant un théorème, qu’il existedans le même sens à vitesse constante. Il fait un tour un couple d’entiers relatifs (u;v) tels que 11u−en 17 secondes. 7v=1. Trouver un tel couple.Pour gagner, Jean doit attraper le pompon, et il ne peut le faire qu’aux points de contact qui sont notés (b) Endéduire une solution particulière de l’équa A, B, C et D sur le dessin. tion (E). À l’instantt=0, Jean part du point H en même temps (c) Résoudrel’équation (E). que le pompon part du point A (d) Dansle plan rapporté à un repère orthonormé ³ ´ −→−→suppose qu’à un certain instant(a) OntJean at O;i;j, on considère la droiteDd’équa trape le pompon en A. Jean a déjà pu passer un tion cartésienne 11x−7y−5=0. On noteC certain nombre de fois en A sans y trouver le l’ensemble des pointsM(x;y) du plan tels que pompon. À l’instantt, on noteyle nombre de 0ÉxÉ50 et 0ÉyÉ50. tours effectués depuis son premier passage en Déterminer le nombre de points de la droiteD A etxle nombre de tours effectués par le pom appartenant à l’ensembleCet dont les coor pon. Montrer que (x,y) est solution de l’équa données sont des nombres entiers. tion (E) de la question 1. 2 2 2. Onconsidère l’équation (F) : 11x−7y=5, oùxety (b) Jeana payé pour 2 minutes; auratil le temps sont des entiers relatifs. d’attraper le pompon ? (a) Démontrerque si le couple (x;y) est solution (c) Montrer,qu’en fait, il n’est possible d’attraper le 2 2 de (F), alorsx≡2y(mod 5). pompon qu’au point A. (b) Soientxetydes entiers relatifs. Recopier et (d) Jeanpart maintenant du point E. Auratil le compléter les deux tableaux suivants : temps d’attraper le pompon en A avant les deux minutes ?

A Figure du III

Correction

IMétropole juin 2011 On se propose de déterminer l’ensembleSdes entiers relatifsnvériﬁant le système : ½ n≡9 [17] n≡3 [5] 1. Recherched’un élément deS. On désigne par (u;v) un couple d’entiers relatifs tel que 17u+5v=1. (a) 17et 5 sont premiers entre eux, donc, d’après le théorème de Bézout, il existeuetventiers relatifs tels que 17u+5v=1.

(b) Onposen0=3×17u+9×5v. Soit (u;v) un couple solution, donc 17u+5v=1. On en déduit que 17u≡1 [5] et 5v≡1 [17]. Alorsn0=3×17u+9×5v≡9×5v[17]≡9×1 [17]≡9 [17]. De même :n=3×17u+9×5v≡3×17u[5]≡3×1 [5]≡3 [5]. 0 Par conséquent,n0∈S. (c) Appliquonsl’algorithme d’Euclide : 17=3×5+2 et 5=2×2+1, d’où 1=5−2×2 =5−(17−5×3)×2=17×(−2)+5×7. On peut prendre (u;v)=(−7).2 ; On obtient alorsn0=213 (ce n’est évidemment pas la seule valeur !) 2. Caractérisationdes éléments deS. (a) Soitnun entier relatif appartenant àS. n≡9 [17] etn0≡9 [17] doncn−n0≡0 [17]. De même,n≡3 [5] etn0≡3 [5] doncn−n0≡0 [5]. 17 et 5 sont premiers entre eux, donc d’après la partie A,n−n0≡0 [85] (car 5×17=85).

(b) Onen déduit que, sin∈S,n≡n0[85] doncn≡213 [85]. Or 213=270+43=2×85+43≡43 [85] donc 213≡43 [85]. Par conséquent :n∈S≡n≡43 [85] doncn=43+85k,k∈Z.

Réciproquement, sin≡43+85k,k∈Z, il est clair quen≡9 [17] etn≡3 [5]. 3. Application: Soitnle nombre de jetons. On a :n≡9 [17] etn≡3 [5]. D’après ce qui précèe, on a :n=43+85k. On sait que 300ÉnÉ400, donc 300É43+85kÉ400. On en déduit quek=4 et que Zoé a 283 jetons.

IIAntilles juin 2011 1. (a)Les entiers 11 et 7 sont premiers entre eux, donc, d’après le théorème de Bézout, il existe un couple (u;v) d’entiers relatifs tels que 11u−7v=1. Par ailleurs 11×2−7×3=1, le couple (2 ;3) répond alors à la question. (b) Ona, en multipliant chaque membre de la dernière égalité par 5, 11×10−7×15=5. Le couple (10 ;15) est donc une solution particulière de (E). (c) Soit(x;y) une solution de (E), alors 11x−7y=11×10−7×15, d’où : 11(x−10)=7(y−15). (1) 7 divise 11(x−10) et est premier avec 11, donc, d’après le théorème de Gauss, 7 divisex−10 : il existe donc un entier relatifktel quex−10=7k. En remplaçantx−10 par 7kdans (1), puis en simpliﬁant, on en déduit que y−15=11k. Ainsi, si (x;y) est solution de (E), alors nécessairement (x;y) est de la forme (10+7k; 15+11k) aveck∈Z. Réciproquement, on vériﬁe aisément que de tels couples sont bien solutions de (E).

(d) Unpoint deDà coordonnées entières appartient àCsi et seulement si  x∈Z;y∈Z½  (x;y) solution de (E) 11x−7y=5⇔On cherche donc tous les entiers relatifsktels que 0ÉxÉ50 ; 0ÉyÉ50 0ÉxÉ50 ; 0ÉyÉ50 10 5015 35 0É10+7kÉ50 et 0É15+11kÉ50, ce qui équivaut à− ÉkÉet− ÉkÉ. Les seules valeurs 7 711 11 possibles deksont−1, 0, 1, 2 et 3. Il y a donc cinq points deCdonc les coordonnées sont entières : A(3 ; 4)B15)(10 ;C(17 ; 26)D(24 ; 37)E48).(31 ;

2. (a)On a 11≡1 (5), 7≡2 (5) et 5≡0 (5), par conséquent, si le couple (x;y) est solution de (F), en « passant » aux 2 22 22 2 congruences : 11x−7y=5 devientx−2y≡0 (5), c’estàdirex≡2y(5). (b) Oncalcule aisément : Modulo 5,xest congru à0 1 2 3 4 2 Modulo 5,xest congru à0 1 4 4 1 Modulo 5,yest congru à0 1 2 3 4 2 Modulo 5, 2yest congru à0 2 3 3 2 2 Les valeurs possibles du reste de la division euclidienne dexpar 5 sont donc 0, 1 et 4. De même, les valeurs 2 possibles du reste de la division euclidienne de 2ypar 5 sont 0, 2 et 3. 2 2 (c) Si(x;y) est solution de (F), alorsx≡2y(5) ce qui n’est possible, d’après les tableaux précédents, que si x≡0 (5) ety≡0 (5), c’estàdire sixetysont des multiples de 5. 3. Supposonsquexetysont deux entiers multiples de 5. Alors il existe des entiersaetbtels quex=5aety=5b. En 2 22 2 « réinjectant » cela dans l’équation (F) on a alors : 11×25a−7×25b=5, c’estàdire 25(11a−7b)=5, ce qui est impossible (5 n’est pas multiple de 25 !). L’équation (F) ne possède donc aucune solution.

III France,septembre 2006 1. Soit(E) l’équation 17x−24y=9. (a) Nousavons : 17×9−24×6=153−144 17×9−24×6=6) est solution de (9 doncle couple (9 ;E). (b) (E) équivaut à : 17x−24y=17×9−24×6⇔17(x−9)=24(y−6). 24 divise 17(x−9) et 24 et 17 sont premiers entre eux donc 24 divisex−9 (théorème de Gauss) ; il existe donc k∈Ztel quex−9=24k. ½ 17×24k=24(y−6) (E) équivaut à : x−9=24k(k∈Z.) On en déduit :x=9+24k,k∈Z. L’ensemble des solutions de (E) est l’ensemble des couples {(9+24k; 6+17k),k∈Z}. 2. (a)Soittle temps en secondes au bout duquel Jean attrape le pompon en A,xle nombre de tours effectués à l’instanttpar le pompon,yle nombre de tours effectués à l’instanttpar Jean depuis son premier passage en A. xetysont deux entiers naturels. Pour le pompon :t=17x. Pour Jean : il met 9 secondes pour aller de H à A, puis 24 secondes par tour, donct=9+24y. On en déduit : 17x=9+24y, c’estàdire : 17x−24y=9. (x;y) donc bien solution de l’ équation (E). (b) D’aprèsla question 1., la plus petite valeur entière positive deytelle que (x;y) soit solution de l’équation (E) (avecxetyentiers) est y=6 (pourk=0). On a alorsx=9. Jean se trouve donc pour la première fois en A en même temps que le pompon après avoir fait 6 tours depuis son premier passage en A ; le pompon a alors fait 9 tours complets. Le tempst(en secondes) écoulé depuis le départ est :t=9+24×6 , soitt=153 (on a aussi 17×9=153).

Jean et le pompon se trouvent pour la première fois ensemble au point A 153 secondes après le départ. Donc si Jean ne reste que 2 minutes, soit 120 secondes, sur le manège, il n’aura pas le temps d’attraper le pompon. (c) Onsuppose toujours qu’à l’instantt=0 , Jean part de H et le pompon part de A. Supposons qu’au bout d’un tempst(en secondes) Jean et le pompon sont ensemble au point B. Comme pré cédemment, on note x le nombre de tours effectués à l’instanttpar le pompon depuis son premier passage en B etyle nombre de tours effectués à l’instanttpar Jean depuis son premier passage en B, avecxety entiers naturels. 17 17 Le pompon metsecondes pour aller de A à B, puis 17 secondes par tour, donct= +17x. 4 4 5 Jean met×24 secondes, c’estàdire 15 secondes, pour aller de H à B, puis 24 secondes par tour, donc 8 t=15+24y. 17 On a donc :+17x=15+24y, qui équivaut à : 4 17 17x−24y=15− 4 43 c’estàdire à : 17x−24y=, ou encore : 68x−96y=43. 4 Le PGCD de 68 et 96 est 4, et 43 n’est pas divisible par 4, donc cette équation n’admet aucune solution (x;y) , avecxetyentiers. Donc Jean et le pompon ne peuvent pas se trouver au même instant au point B.

De même, supposons qu’au bout d’un tempst(en secondes) Jean et le pompon sont ensemble au point C. On notexle nombre de tours effectués à l’instanttpar le pompon depuis son premier passage en C etyle nombre de tours effectués à l’instanttpar Jean depuis son premier passage en C, avecxetyentiers naturels. 17 17 Le pompon metsecondes pour aller de A à C, puis 17 secondes par tour, donct= +17x. 2 2 7 Jean met×24 secondes, c’estàdire 21 secondes, pour aller de H à C, puis 24 secondes par tour, donc 8 t=21+24y. 17 On a donc :+17x=21+24y, qui équivaut à : 2 34x−48y=25.

Cette équation n’admet aucune solution (x;y), avecxetyentiers. Donc Jean et le pompon ne peuvent pas se trouver au même instant, au point C.

Enﬁn, supposons qu’au bout d’un tempst(en secondes) Jean et le pompon sont ensemble au point D. On note de la même manièrexle nombre de tours effectués à l’instanttpar le pompon depuis son premier passage en D etyle nombre de tours effectués à l’instanttpar Jean depuis son premier passage en D, avecx etyentiers naturels. 3 51 Le pompon met×secondes pour aller de A à D, puis 17 secondes par tour, donc17 secondes, soit 4 4 51 t= +17x. 4 Jean met 3 secondes pour aller de H à D, puis 24 secondes par tour donct=3+24y. 51 On a donc :+17x=3+24y, qui équivaut à : 68x−96y= −39. 4 Cette équation n’admet aucune solution (x;y), avec x et y entiers. Donc Jean et le pompon ne peuvent pas se trouver au même, au point D. En fait, Jean ne peut attraper le pompon qu’au point A. (d) Onsuppose qu’à l’instantt=0, Jean part du point E, que le pompon part toujours du point A et qu’au bout d’un tempst(en secondes) Jean et le pompon sont ensemble au point A. On notexle nombre de tours effectués à l’instanttpar le pompon etyle nombre de tours effectués à l’instant tpar Jean depuis son premier passage en A avecxetyentiers naturels. Pour le pompon :t=17x.

Pour Jean : il met 3 secondes pour aller de E à A, puis 24 secondes par tour d’oùt=3+24y. On a donc l’équation : 17x=3+24yqui équivaut à : 17x−24y=3. Le couple (3 ;2) est une solution de cette équation. 17×3=51 ; 3+24×2=51. Au bout de 51 secondes, le pompon aura fait 3 tours complets, et Jean aura fait le déplacement du point E au point A, puis 2 tours complets. 51 secondes après le départ, Jean et le pompon seront tous les deux au point A, donc Jean a le temps d’attraper le pompon en A avant les deux minutes pour lesquelles il a payé !