mathématiques MPSI · Chapitre 4 · Exercice de TD
contre , et les entiers tels que
Calcul différentiel et intégral · C. Exponentielle, logarithmes, puissances · niveau 2
Énoncé
En étudiant sur , comparer et , puis déterminer tous les couples d'entiers tels que .
Corrigé
La stratégie : une comparaison de puissances devient une comparaison de valeurs d'une seule fonction. Pour , les nombres et sont strictement positifs, et le logarithme est strictement croissant : comparer et , c'est comparer et , c'est-à-dire, après division par , comparer et . Toute la question tient donc dans les variations de . Ce qu'on a le droit d'utiliser : les dérivées de et d'un quotient, la stricte monotonie par le signe de la dérivée, et .
L'étude de . Sur , du signe de , c'est-à-dire positif pour , nul en , négatif pour . Donc est strictement croissante sur et strictement décroissante sur (la dérivée ne s'annule qu'en un point), avec un maximum .
a) contre . On a , et les deux nombres sont dans , où est strictement décroissante. Donc la dernière équivalence par stricte croissance du logarithme. . (Numériquement, et : l'écart est mince, et une calculatrice à deux chiffres ne trancherait pas — d'où l'intérêt d'une preuve.)
b) Les couples . Par le même calcul, pour des entiers , Supposons avec .
Le point délicat : doit séparer et . Si et étaient tous deux dans , la stricte croissance de y donnerait ; s'ils étaient tous deux dans , la stricte décroissance donnerait . Dans les deux cas, contradiction. Donc nécessairement C'est cette ligne qui rend le problème fini : les seuls entiers strictement inférieurs à sont et .
- : , et impose , soit , exclu par . Aucun couple.
- : . Donc convient. Et c'est le seul : est strictement décroissante sur , donc injective sur cet intervalle, et au plus un vérifie .
Le couple est l'unique solution, et en effet .
Ce que l'exercice installe. Devant contre , le réflexe est le logarithme, puis la division par : la comparaison devient celle de deux valeurs de , dont le maximum en explique tout. C'est aussi un premier raisonnement de finitude : une fonction strictement monotone sur chacun de deux intervalles ne prend une même valeur qu'au plus deux fois, une fois de chaque côté — et si l'un des côtés ne contient qu'un nombre fini d'entiers, l'équation n'a qu'un nombre fini de solutions entières.
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