N molécules dans deux compartiments
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (PTSI), chapitre 15 — Dénombrement · D. Problèmes et doubles comptages
Énoncé
molécules discernables (), numérotées de à , se répartissent entre les deux compartiments et d'un récipient. Un micro-état est la donnée du compartiment de chaque molécule ; le macro-état associé est le nombre de molécules présentes dans .
a) Combien y a-t-il de micro-états ? Combien réalisent le macro-état ? Vérifier que la somme redonne le total.
b) Montrer que pour , et en déduire que croît strictement sur , puis décroît : le macro-état le plus représenté est l'équipartition. Montrer que . Pour , comparer le nombre de micro-états « toutes les molécules dans » à celui de l'équipartition.
c) On suppose pair. Montrer que, pour , (écrire le quotient comme un produit de facteurs et utiliser ).
d) En déduire que la proportion des micro-états dont le macro-état vérifie est au plus . Application : molécules, et un écart relatif .
Corrigé
La stratégie. Le quotient de deux coefficients consécutifs gouverne toute la ligne du triangle de Pascal : il dit où elle monte, où elle descend, et, multiplié de proche en proche, à quelle vitesse elle décroît loin du milieu.
a) Le compte. Un micro-état est une application de dans : il y en a . Le macro-état est réalisé par le choix des molécules présentes dans : micro-états. Les macro-états, pour de à , partagent les micro-états en classes disjointes : , ce que redonne aussi le binôme .
b) La forme de la ligne. Par les factorielles, Ce quotient dépasse si et seulement si , soit . Pour , on a : la suite croît strictement jusqu'à l'indice . Pour , : le quotient est inférieur à , et la suite décroît strictement ensuite — si est impair, les deux termes centraux sont égaux, le quotient valant entre eux. Le maximum est atteint au milieu : l'équipartition est le macro-état le plus représenté.
L'encadrement. est le plus grand de nombres positifs de somme : il est au moins égal à leur moyenne , et au plus égal à leur somme .
Pour . « Toutes dans » est réalisé par un seul micro-état, ; l'équipartition par , bien compris entre et . Un rapport de .
c) La décroissance gaussienne. Le quotient se télescope en produit de quotients consécutifs : Chaque facteur est compris entre et , puisque . L'inégalité du chapitre 4, démontrée par l'étude de la fonction , avec , donne pour chaque facteur ; on peut multiplier ces inégalités entre nombres positifs : Enfin , donc , et — la somme des premiers impairs. L'exposant est donc au plus , d'où l'inégalité annoncée.
Le point délicat. Multiplier des inégalités n'est permis qu'entre nombres positifs : c'est pourquoi il faut vérifier que chaque facteur est positif, ce que garantit .
d) La concentration. Pour un macro-état avec , la symétrie et le c) donnent , puisque et . Il y a au plus tels macro-états : la proportion cherchée est au plus .
Application. s'écrit . Avec : , et la proportion est au plus . Or : la proportion est inférieure à , un nombre dont l'écriture décimale commence par plus de quatre mille trois cents zéros.
Ce que l'exercice installe. Le quotient de deux coefficients consécutifs gouverne la ligne : croissance jusqu'au milieu, puis décroissance, et une décroissance gaussienne, en , loin du milieu. Pour un gaz réel, cela veut dire que l'équipartition entre les deux moitiés d'un récipient n'est pas seulement le macro-état le plus probable : les écarts relatifs visibles sont d'une rareté inouïe. C'est l'irréversibilité de la détente de Joule et Gay-Lussac vue par le dénombrement : un gaz ne se rassemble jamais spontanément dans une moitié du récipient. Et c'est le nombre de micro-états que la formule de Boltzmann du cours de thermodynamique, , transforme en entropie : l'équipartition, qui a le plus de micro-états, est l'état d'entropie maximale. Au chapitre 16, si chaque micro-état est également probable, la proportion deviendra une probabilité, et l'on retrouvera la concentration de la loi binomiale autour de sa moyenne.
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.