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mathématiques complémentaires (terminale) · Chapitre 20 · Exercice de TD

Problème — Le théorème des valeurs intermédiaires, mot à mot

Vocabulaire ensembliste et logique · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Problème — Le théorème des valeurs intermédiaires, mot à mot.

Le chapitre 2 énonce : « Soit continue sur . Pour tout réel compris entre et , l'équation admet au moins une solution dans », puis ajoute : « Si de plus est strictement monotone sur , alors cette solution est unique. »

  • Séparer l'hypothèse et la conclusion du premier énoncé. Combien de conditions l'hypothèse comporte-t-elle, et par quel connecteur sont-elles reliées ?
  • Repérer les quantifications, dans l'ordre où elles apparaissent.
  • Écrire la réciproque du premier énoncé et montrer qu'elle est fausse.
  • Le second énoncé est-il l'implication réciproque du premier ? Justifier.
  • Le chapitre 4 étudie la concentration sur , strictement décroissante, avec et . Rédiger, en utilisant correctement les deux énoncés, la justification que a exactement une solution.

Corrigé

  • Hypothèse et conclusion. L'hypothèse est : « est continue sur et est compris entre et ». Elle comporte deux conditions reliées par un « et » : les deux sont nécessaires, et retirer l'une détruit la conclusion. La conclusion est : « l'équation admet au moins une solution dans ».
  • Quantifications. On lit d'abord une quantification universelle : « pour tout réel compris entre et ». On lit ensuite, cachée derrière les mots « admet au moins une solution », une quantification existentielle : « il existe de tel que ». L'ordre compte : on se donne d'abord, et la solution trouvée ensuite dépend de .
  • Réciproque. Elle s'énonce : « si l'équation admet au moins une solution dans , alors est continue sur et est compris entre et ». Elle est fausse. Un contre-exemple suffit : prenons sur et . L'équation a bien des solutions dans , à savoir et . Pourtant , si bien que le seul réel « compris entre et » est lui-même ; en revanche, la même fonction prend la valeur en , alors que n'est pas compris entre et . Une équation peut donc avoir des solutions sans que la seconde condition de l'hypothèse soit remplie : la conclusion n'entraîne pas l'hypothèse.
  • Non. Le second énoncé n'échange pas hypothèse et conclusion : il ajoute une hypothèse (la stricte monotonie) et renforce la conclusion (« au moins une » devient « exactement une »). Ce n'est donc ni la réciproque, ni une équivalence, mais un second théorème, plus exigeant des deux côtés.
  • Rédaction. La fonction est continue sur , comme composée de fonctions continues, et strictement décroissante. On a et quand ; or est compris entre et . D'après le théorème des valeurs intermédiaires, l'équation admet au moins une solution ; comme est de plus strictement décroissante, cette solution est unique. Il y a donc exactement une solution. On peut ici la calculer :

Les trois équivalences sont légitimes : la seconde parce que est la réciproque de l'exponentielle (chapitre 3), la troisième parce qu'on divise par une constante non nulle.

Ce problème résume la démarche du livre : un théorème est une implication, ses hypothèses sont reliées par des « et », sa conclusion est souvent une existence, et l'unicité ne s'obtient jamais gratuitement.

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