Math 'O Man : le Blog des Maths

Exercice sur les cordes d'un cercle




Voici un joli exercice de géométrie dans le plan. L'énoncé est surprenant et semble plutôt simple, mais la démonstration ne l'est pas.

Soit \scr{C} un cercle, A,B deux points distincts sur \scr{C} et M le milieu de la corde [AB]. Soient [PQ] et [SR] deux autres cordes passant par M. On note C (resp. D) le point d'intersection de [AB] avec [PS] (resp. [RQ]).
Démontrer que M est aussi le milieu de [CD].

cercle, cordes, milieu d'un segment, preuve difficile
Etonnant : si M est le milieu de [AB], alors aussi de [CD] !

Remarque : Ce problème est posé dans une vidéo sur Jean-Pierre Kahane du site Images des Maths. On y trouve une preuve élégante utilisant un faisceaux de coniques (niveau supérieur). Mais il existe aussi deux autres preuves, l'une géométrique et astucieuse (niveau collège) et l'autre bête et calculatoire (niveau classe de première) : vous les trouverez dans les commentaires ci-dessous.

Appel aux erreurs


Mauvaise nouvelle : notre livre Mathématiques L1 : Cours complet avec 1000 tests et exercices est épuisé. Bonne nouvelle : l'éditeur Pearson Education veut en faire une seconde édition.

Ca sera bien entendu l'occasion de corriger des erreurs de frappe et autres, et d'améliorer certains passages. Tous ceux qui l'ont lu sont priés de me communiquer toute erreur ou commentaire. (Attention : se référer aux numéros de page du tirage 2007 et ne pas tenir compte du premier tirage en 2006 commercialisé en quelques exemplaires.)

Contrairement à Don Knuth nous ne promettons pas de chèque à tous ceux qui trouvent des erreurs. Sinon nous serions pauvres...

Travaux dirigés Maple


Cette page contient les feuilles de TD Maple en classe préparatoire au Lycée Jean-Baptiste Say (les séances reprennent en janvier 2012).

PCSI

PT*

  • Feuille — séances du 7, 14 et 21 janvier 2012

Casse-tête pour les fêtes


Noël est le temps des casse-noisettes, non des casse-têtes pour mes amis les matheux. Voici une égalité :

\sum_{k=0}^n\left\(\begin{array}{c}2n+1\\2k+1\end{array}\right\)(2k+1)\:=\:2^{2n-1}(2n+1).

Le but est de démontrer qu'elle est vraie pour tout entier n strictement positif. Comme d'habitude en maths c'est la dévise short is beautiful, c'est-à-dire il faut trouver une solution courte et élégante, sans avoir beaucoup de calcul à faire. On pourra s'inspirer de l'image d'un père noël ayant des cadeaux à distribuer dans des chaussettes...

Question sur les groupes topologiques


Un groupe topologique est un ensemble G munie d'une structure de groupe et d'une topologie telles que la loi interne

G \times G \rightarrow G ,\;\; (x,y) \rightarrow xy,
et la formation d'inverse
G \rightarrow G ,\;\; x \rightarrow x^{-1},
sont des applications continues. En autres mots les deux structures, l'algébrique et la topologique, sont liées de manière naturelle par une condition de compatibilité. On peut alors se poser la question suivante :

Question

Existe-t-il deux groupes topologiques qui sont isomorphes comme groupes et homéomorphes comme espaces topologiques mais qui ne sont pas isomorphes comme groupes topologiques ?

Voici la réponse avec l'exemple de JLT.

Réponse

Oui. Preuve en trois étapes :

  1. Soient G et H des parties denses de \mathbb{R} et f :\: G \rightarrow H une bijection monotone. Alors f est un homéomorphisme.

    On peut supposer f croissante. Nous allons montrer sa continité. Soient x_0\in G et \epsilon>0. Puisque H est dense dans \mathbb{R} on a H\cap\,]f(x_0)-\epsilon,f(x_0)[\,\neq\emptyset. Donc il existe

    y_1\in H\cap\,]f(x_0)-\epsilon,f(x_0)[\,.

    De même il existe y_2\in H\cap\,]f(x_0),f(x_0)+\epsilon[\,. A cause de la surjectivité de f on peut écrire y_k=f(x_k) avec x_k\in G, k=1,2. On pose \delta=\min(x_0-x_1,x_2-x_0). Alors pour tout x dans G

    \begin{align*}x_0-\delta<x<x_0+\delta \;\;\;\Longrightarrow\;\;\;& f(x_0-\delta)<f(x)<f(x_0+\delta)\\
\Longrightarrow\;\;\;&y_1=f(x_1)\leq f(x)\leq f(x_2)=y_2\\
\Longrightarrow\;\;\;&f(x_0)-\epsilon<f(x)<f(x_0)+\epsilon\,,
\end{align*}

    ce qui montre que f est continue en x_0. La preuve de la continuité de la réciproque f^{-1} est la même.
     
  2. Soient G et H des parties denses et dénombrables de \mathbb{R}. Alors elles sont homéomorphes.

    D'abord nous écrivons

    \begin{align*}  G&=\{x_0,x_1,x_2,\ldots\}\;\;\;\;\;(*)\,,&H&=\{y_0,y_1,y_2,\ldots\}\;\;\;\;(**)\,.
\end{align*}

    Maintenant nous allons énumérer G et H d'une autre manière, G=\{x'_0,x'_1,x'_2,\ldots\} et H=\{y'_0,y'_1,y'_2,\ldots\}. Le but est de faire de sorte que G \to H, x'_k \mapsto y'_k, est une bijection monotone (et donc automatiquement un homéomorphisme). On procède comme suit.
     
    • k=0. On prend x'_0=x_0,\;y'_0=y_0
       
    • k=1. On prend x'_1=x_1. Pour le choix de y'_1 regardons l'ordre de x'_0 et de x_1'.
      Si x'_1<x'_0 alors on prend comme y'_1 un élément de H inférieur à y'_0.
      Si x'_1>x'_0 alors on prend comme y'_1 un élément de H supérieur à y'_0.
       
    • k=2. On prend comme y'_2 le premier élément de H\setminus\{y'_0,y'_1\} de la liste (**). Pour choisir x'_2 regardons l'ordre de y'_0,y'_1,y'_2.
      Si y'_2 est inférieur à y'_0 et y'_1 on prend comme x'_2 un élément de G inférieur à x'_0 et x'_1.
      Si y'_2 est supérieur à y'_0 et y'_1 on prend comme x'_2 un élément de G supérieur à x'_0 et x'_1.
      Si y'_2 est entre y'_0 et y'_1 on prend comme x'_2 un élément de G entre x'_0 et x'_1.
       
    • k=3. On prend comme x'_3 le premier élément de G\setminus\{x'_0,x'_1,x'_2\} de la liste (*). Pour le choix de y'_3 regardons l'ordre de x'_0,x'_1,x'_2,x'_3. Il y a 24 possible manières de ranger ces quatre nombres.
      Si x'_3<x'_0<x'_1<x'_2 on prend comme y'_3 un élément de H inférieur à y'_0,y'_1,y'_2.
      Si x'_2<x'_3<x'_0<x'_1 on prend comme y'_3 un élément de H entre y'_2 et y'_0.
      Et ainsi de suite.
       
  3. Les groupes topologiques G=\mathbb{Q}+\mathbb{Q}\sqrt2 et H=\mathbb{Q}+\mathbb{Q}\sqrt3 répondent au problème.

    D'après ce qu'on vient de voir, G et H sont homéomorphes comme espaces topologiques. Evidemment ils sont isomorphes comme groupes. Mais ils ne sont pas isomorphes comme groupes topologiques. En effet, supposons qu'il existe un isomorphisme de groupes topologiques f :\, G \to H. Par un récurrence facile f(n)=nf(1) pour tout entier n, et puis f(r)=rf(1) pour tout rationel r. Alors par continuité

    f(\sqrt2)=\sqrt2f(1),\;\;\;\;\lightning

    impossible dans H=\mathbb{Q}+\mathbb{Q}\sqrt3.

Hausse hallucinante du prix de l'immobilier à Paris ?


Recemment notre ami bloggeur PB, à la recherche d'un logement pour lui est son serveur, a relevé la question sur les compétences des agences immobilières. Je pensais à lui lorsque je suis passé devant une agence immobilière située rue des Tournelles dans le 4e arrondissement de Paris. Ca doit être bien difficile de manipuler autant de zéros toute la journée ! On savait bien que le prix du mètre carré est très élévé à Paris, mais à ce point ?

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Affiche chez une agence immobilière rue des Tournelles —
Peut-être ciblent-ils des riches investisseurs étrangers...
;-)

Sur les réformes du recrutement des professeurs à l'Education Nationale


Chers lecteurs, j'ai beaucoup apprécié les commentaires détaillés que vous avez laissés à mon dernier billet concernant la suppression de cours d'HG selon la réforme du lycée. Aujourd'hui je vais donner mon point de vue sur deux autres changements prévus par cette réforme : le recrutement.

Mutation et attribution de poste

Le premier point concerne l'attribution des postes. Dans un article du Monde on peut lire que l'Eduction Nationale modifie son mode de recrutement vers un système à l'anglo-saxonne ou à l'allemande. Le concours devient un examen à l'issue duquel les professeurs n'auront pas de poste assuré et devront postuler auprès des écoles, collèges ou lycées en fonction des besoins, comme dans une entreprise. Peut-être l'Education Nationale a fait de bonnes expériences avec son système de mouvement sur postes spécifiques et souhaite élargir ce concept à tous les postes.

Encore une fois, je trouve que c'est une bonne idée de récruter sur profil. En plus, le fait de poser candidature pour un certain poste implique automatiquement que l'enseignant sera plus motivé que s'il est nommé sur un poste qui souvent ne lui convient pas soit à cause de sa situation géographique soit à cause de son environnement. Au lieu de subir une affectation il doit agir et reste maître de son destin.

Autre avantage possible : le principe d'offre/demande pourra générer une plus juste rémunération car il est clair que certains postes ne trouveront aucun candidat, donc il faudra les rendre plus attractifs par des primes financières importantes ou des décharges horaires ! En effet, certains considèrent le système actuel comme injuste car les professeurs qui enseignent devant des classes plus agréables sont payés plus que leurs collègues. Dans cette vidéo des auditions sur le métier d'enseignant Philippe Meirieu dit à peu près ceci : Dans le passé la société avait besoin de professeurs en classes préparatoires et donc on a augmenté leur salaire. Aujourd'hui nous avons besoin de personnel dans des établissements difficiles, il faudrait maintenant faire un effort financier pour ces einseignants.
En fait, un professeur agrégé en prépa touche 50% plus pour chaque heure de cours avec sa classe. On justifie cette augmentation de salaire par une charge de travail plus importante en CPGE. Or on peut aussi argumenter — et c'est le point de Philippe Meirieu — que le temps de récupération du système nerveux d'un enseignant en collège difficile après un cours devant une bande d'adolescents de niveau très hétérogène est bien supérieure au temps de préparation de cours en prépa.
Ce qui amenerait à poser les enseignants de prépa devant le choix suivant : Soit vous gardez votre prépa mais avec le même salaire horaire que toute le monde ou bien vous prenez une classe de collège qui vous fait moins de travail. Combien vont choisir le collège ?

Concours et recrutement

Le deuxième point de la réforme dont je veux parler ici c'est l'idée d'élever les niveaux des enseignants en les recrutant à bac + 5 contre bac + 3 aujourd'hui. Je pense que c'est une très mauvaise idée, au moins en mathématiques.

Déjà aujourd'hui l'Education Nationale ne dispose pas d'assez de postes qui nécessitent un niveau avancé de maths, alors pourquoi monter le niveau de recrutement ? A mon avis, il vaudrait mieux le baisser les exigences disciplinaires pour pouvoir recruter dans le vivier de profils dont les chefs d'établissement ont vraiment besoin. Et de quoi ont-ils besoin ? De personnages capables à tenir, garder et surveiller une classe. L'enseignement passe au second plan.

On a parfois l'impression que les critères de recrutement sont complètement découplés des missions confiées aux professeurs. Par exemple dans le rapport du jury de l'agrégation externe de mathématiques 2008 (page 52) on peut lire :

Signalons que la grande majorité des candidats ne sait pas faire la différence entre une bijection indéfiniment dérivable et un difféomorphisme.
En effet, c'est triste. Mais d'autre part Jean-Pierre Obin, inspecteur général de l'éducation nationale, dit clairement (voir vidéo ici) que les professeurs doivent s'occuper de l'éducation civique et morale des élèves. Et ceux qui connaissent les collèges d'aujourd'hui savent que cela représente 80% du temps et de l'énergie dépensés par un professeur. Le problème est alors trouver des fins connaisseurs de difféomorphismes qui sont aussi des éducateurs passionnés et charismatiques pour des élèves qui n'ont rien à voir avec les difféomorphismes. C'est un recrutement paradoxale...

Facteurs multiplicateurs et énérgie des éoliennes


Nous savons tous que l'aire d'un carré de côté L vaut L². Lorsqu'on double la longueur des côtés alors l'aire est multipliée par 4 ; en effet, (2L)²=4L².

On montre de la même manière que si on double chaque côté d'un cube alors on multiplie sa superficie par 4 et son volume par 8. Plus généralement, ce principe fonctionne aussi pour des surfaces et volumes courbés (sphères, cones,...). Les mathématiciens parlent alors d'homothétie, les physiciens de changement d'échelle.

On le voit bien sur les formules pour une sphère de rayon r : La circonférence (périmètre d'un grand cercle) vaut 2\pi r, sa superficie 4 \pi r^2 et son volume 4\pi r^3/3. Donc la circonférence est proportionnelle à r, la surface à et le volume à r^3.

Question :
Aujourd'hui la vitesse du vent qui arrive sur mon éolienne est le double de celle d'hier. Par quel facteur dois-je multiplier l'énérgie obtenue dans la journée d'hier pour calculer celle que j'obtiens aujourd'hui ?
(On pourra supposer une éolienne idéale qui capte toute l'énergie du vent qui passe.)

La réponse n'est pas très difficile, les connaissances en physique du lycée devraient suffire.

Sur les priorités dans l'enseignement en terminale S


Aujourd'hui est paru dans le journal le Monde un article sur la suppression de l'enseignement obligatoire d'Histoire-Géographie en terminale S. Les commentaires se chauffent beaucoup :

Jeunes amis de S & futurs incultes bonjour! Si vous avez la malchance d'être bons en maths, vous n'aurez plus le droit d'accéder à la culture. Etc., etc....

Je ne comprends pas cette excitation. Je suis tout à fait d'accord avec cette réforme. Je pense qu'à partir d'un certain point il faut commencer à se spécialiser et si c'est en terminale, donc juste deux ans après le moule unique du collège unique, ce n'est vraiment pas trop tôt (*). Cela ne signifie pas qu'on devient ignorant en histoire. Lorsque je passais mon bac de maths (en Allemagne) le système me permettait de ne plus prendre de cours d'histoire-géo ni de français pendant la première et la terminale — et pourtant aujourd'hui je parle le français et je ne crois pas d'être inculte. A partir d'un certain âge il faut laisser les personnes choisir leurs priorités et leur faire confiance que, le moment venu, ils vont chercher à se cultiver dans d'autres domaines à leur propre initiative.

J'irai même plus loin : il faudrait supprimer les cours de langue obligatoires en classes préparatoires scientifiques ou à l'université pour leur laisser le temps de bien assimiler leurs cours en sciences. Evidemment un scientifique d'aujourd'hui doit maîtriser au moins l'anglais et une autre langue etrangère, mais encore une fois : je pense qu'il aurait dû l'apprendre avant le bac pour ensuite compléter ses connaissances, à son propre gré, par un vocabulaire scientifique. (**) Le fait qu'il y a encore des cours d'anglais en CPGE scientifiques ou à la fac n'est, pour moi, qu'une preuve que le système d'enseignement des langues au collège et au lycée a échoué et n'a pas réussi à donner des bases suffisantes pour que l'étudiant puisse se perfectionner de manière autonome.

De manière générale, je suis contre le zapping qu'on fait dans l'enseignement actuel : trop de matières et trop de zapping à l'intérieur du programme d'une matière. L'idée de vouloir faire un peu de tout, et tout en même temps, est très déstabilisant pour les élèves — et en fin du compte peu est acquis. A mon avis le mieux est ce qu'on appelle un T-shaped knowledge, c'est-à-dire on commence avec une base solide, puis on rentre à fond dans une matière. Cela permet à l'élève de gagner de la confiance en soi, et ensuite il peut transposer les méthodes acquises dans un deuxième domaine pour construire son

\prod-shaped knowledge !

(*) Il faut aussi rappeler le fait qu'aujourd'hui un trop grand nombre de bacheliers S arrivent en études supérieures sans savoir manipuler correctement une équation avec des fractions ou des racines carrées (programme du collège). On peut en voir des exemples ici. J'enseigne aujourd'hui dans le supérieur et il est flagrant de voir combien d'étudiants en première année ont des lacunes graves en raisonnement et en calcul simple. Je ne peux que saluer une réforme du lycée qui leur laisse plus de temps pour réviser ces notions qu'ils ont zappées dans un système de collège unique qui attend sa réforme à lui.

(**) Il serait souhaitable en CPGE qu'on fasse de temps en temps cours ou TD de maths en anglais. Quant à moi, j'essaie au moins de leur donner des exercices posés et corrigés en anglais ou allemand, comme par exemple ici.

Quelques paradoxes amusants


Mine de rien

0 + 0 + 0 = 0, n’est-ce pas ? Et pourtant : 0 + 0 + 0, c’est trois fois rien. Et trois fois rien, c’est déjà un petit quelque chose...

Sur la transitivité de l'implication

Plus il y a de gruyère, plus il y a de trous. Et plus il y a de trous, moins il y a de gruyère.
Donc : plus il y a de gruyère, moins il y a de gruyère !

Quel est le plus petit nombre ne pouvant pas être défini
en moins de 17 mots en français ?

Soit N le plus petit nombre ne pouvant pas être défini en moins de 17 mots en français. Le plus petit nombre ne pouvant pas être défini en moins de dix-sept mots en français est une expression correcte en français comportant 16 mots. Et N peut être défini par cette phrase, ce qui est contradictoire. Un tel entier N n’existe donc pas.

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Pour finir, une petite devinette pour mes chers lecteurs (laissez vos réponses) :

Qu'est-ce qui est pire que le diable,
mieux que du bon sexe et
ceux qui l'ont à manger en meurent ?