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Exercice corrigé : Étude d'une partie de Q (type CCINP)

Déterminer borne supérieure et inférieureUtiliser l'inégalité $xy \le \frac{x^2+y^2}{2}$Raisonner par l'absurde et par paritéMontrer qu'une partie n'est pas un intervalle

On considère la partie $$A = \left\{ \frac{mn}{m^2 + n^2} \;\middle|\; (m, n) \in (\mathbb{N}^*)^2 \right\}.$$

  1. Montrer que $A \subset \left]0, \dfrac12\right]$ et que $A$ admet un plus grand élément, que l'on déterminera.
  2. a) Montrer que pour tout $n \in \mathbb{N}^*$, $\dfrac{n}{1 + n^2} < \dfrac1n$. b) En déduire $\inf A$. La partie $A$ admet-elle un plus petit élément ?
  3. Montrer que $A \subset \mathbb{Q}$. Calculer les éléments de $A$ obtenus pour $(m, n) = (1, 2)$ et $(m, n) = (1, 3)$.
  4. On veut montrer que $\dfrac13 \notin A$. On suppose par l'absurde qu'il existe $(m, n) \in (\mathbb{N}^*)^2$ tel que $m^2 + n^2 = 3mn$, et on choisit un tel couple avec $m + n$ minimal. a) Montrer que $m$ et $n$ ne sont pas tous les deux pairs. b) Conclure en étudiant la parité de $m^2 + n^2$ et de $3mn$.
  5. Montrer que $A$ n'est pas un intervalle, de deux façons : avec la question 4, puis avec la densité de $\mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}$.

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Notions à revoir

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