mathématiques MPSI · Chapitre 1 · Exercice de TD
Quatre équations dans
Raisonnement et vocabulaire ensembliste · E. Vocabulaire des ensembles · niveau 2
Énoncé
Soient un ensemble et . Résoudre dans , d'inconnue , chacune des équations :
a) ; b) ; c) ; d) .
Corrigé
Dans les quatre cas, la méthode est la même : on cherche d'abord une condition nécessaire portant sur et (sans quoi il n'y a aucune solution), puis on décrit l'ensemble de toutes les solutions, et l'on vérifie qu'elles conviennent.
a) .
Condition d'existence. Si est solution, alors . Donc si , il n'y a pas de solution. Supposons désormais .
Analyse. Soit une solution. D'une part . D'autre part, soit : comme et , on a . Donc
Synthèse. Réciproquement, soit tel que . Alors ; et comme , on a l'égalité.
La plus petite solution est , la plus grande est .
b) .
Condition d'existence. Si est solution, . Donc si , pas de solution. Supposons .
Analyse. Soit une solution. Alors . Et si : ou bien , et alors ; ou bien . Donc
Synthèse. Si , alors (car ) ; et . Égalité.
c) .
Il n'y a rien de neuf à faire : , et l'équation s'écrit . C'est exactement l'équation b) où est remplacé par . La condition devient , c'est-à-dire , et l'ensemble des solutions :
d) .
Ici le comportement change du tout au tout : il y a toujours une solution, et elle est unique.
La différence symétrique est associative, admet pour élément neutre, et chaque partie est son propre symétrique : . Tout cela se lit sur les fonctions indicatrices : , ce qui est l'addition modulo des indicatrices, et l'addition modulo est associative, de neutre , où chaque élément est son propre opposé. En composant l'équation par : et réciproquement . D'où
Ce que la comparaison révèle. Les trois premières équations ont pour ensemble de solutions un intervalle de — parfois vide, jamais réduit à un point en général : et perdent de l'information et ne s'inversent pas. La quatrième a exactement une solution parce que la différence symétrique se comporte comme une addition où l'on peut toujours « passer de l'autre côté » : là où il y a une loi de ce type, une équation du premier degré a une solution et une seule. Ce sera, au chapitre sur les structures, la définition d'un groupe.
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