Exercice · Mathématiques · Sciences Expérimentales

Raisonnement par l’absurde : irrationalité et équation sans solution

Matière
Mathématiques
Niveau
1ère Bac
Filière
Sciences Expérimentales
Session
Semestre 1
Exercice 1

Raisonnement par l’absurde : irrationalité et équation sans solution

Difficile

1) On rappelle que \(\sqrt{2} \notin \mathbb{Q}\).

a) Vérifier que \((\sqrt{3} + \sqrt{2})(\sqrt{3} - \sqrt{2}) = 1\).

b) Montrer par l’absurde que \(\sqrt{2} + \sqrt{3} \notin \mathbb{Q}\).

2) Montrer par l’absurde que, pour tout \(n \in \mathbb{N}^{*}\) :

\[\sqrt{n^{2} + 1} \notin \mathbb{N}\]

3) Montrer par l’absurde qu’il n’existe aucun couple \((x\,;y)\) d’entiers naturels tel que :

\[x^{2} - y^{2} = 2\]
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Méthode : pour montrer par l’absurde qu’une proposition \(P\) est vraie, on suppose que \(P\) est fausse et on aboutit à une contradiction.

1) a) Calcul du produit

\[\begin{aligned} &(\sqrt{3} + \sqrt{2})(\sqrt{3} - \sqrt{2}) \\ &= (\sqrt{3})^{2} - (\sqrt{2})^{2} \\ &= 3 - 2 = 1 \end{aligned}\]

b) \(\sqrt{2} + \sqrt{3} \notin \mathbb{Q}\)

Supposons que le nombre \(r = \sqrt{2} + \sqrt{3}\) soit rationnel. On a \(r \neq 0\) et, d’après a) :

\[\sqrt{3} - \sqrt{2} = \dfrac{1}{r}\]

Donc \(\sqrt{3} - \sqrt{2}\) est rationnel (inverse d’un rationnel non nul). Par différence :

\[\begin{aligned} &r - \dfrac{1}{r} \\ &= (\sqrt{3} + \sqrt{2}) - (\sqrt{3} - \sqrt{2}) \\ &= 2\sqrt{2} \end{aligned}\]

D’où \(\sqrt{2} = \dfrac{1}{2}\left(r - \dfrac{1}{r}\right)\), qui est rationnel (différence et produit de rationnels). C’est absurde, car \(\sqrt{2} \notin \mathbb{Q}\).

Donc \(\sqrt{2} + \sqrt{3} \notin \mathbb{Q}\).

2) \(\sqrt{n^{2} + 1} \notin \mathbb{N}\)

Supposons qu’il existe \(n \in \mathbb{N}^{*}\) et \(m \in \mathbb{N}\) tels que \(\sqrt{n^{2} + 1} = m\). Alors \(m^{2} = n^{2} + 1\).

Comme \(n > 0\), on a \(2n > 0\), donc :

\[n^{2} < n^{2} + 1 < n^{2} + 2n + 1\]

c’est-à-dire \(n^{2} < m^{2} < (n + 1)^{2}\). Les nombres \(n\), \(m\) et \(n + 1\) étant positifs, on en déduit :

\[n < m < n + 1\]

C’est absurde : il n’existe aucun entier strictement compris entre deux entiers consécutifs. Donc, pour tout \(n \in \mathbb{N}^{*}\), \(\sqrt{n^{2} + 1} \notin \mathbb{N}\).

3) L’équation \(x^{2} - y^{2} = 2\)

Supposons qu’il existe deux entiers naturels \(x\) et \(y\) tels que \(x^{2} - y^{2} = 2\). Alors :

\[(x - y)(x + y) = 2\]

Comme \(x + y \geq 0\) et que le produit vaut \(2 > 0\), les nombres \(x - y\) et \(x + y\) sont deux entiers naturels non nuls, avec \(x - y \leq x + y\). Les seuls diviseurs de \(2\) étant \(1\) et \(2\), on a nécessairement :

\[x - y = 1 \quad\text{et}\quad x + y = 2\]

En ajoutant ces deux égalités, on obtient \(2x = 3\), donc \(x = \dfrac{3}{2}\), ce qui est absurde car \(x\) est un entier.

Donc il n’existe aucun couple \((x\,;y)\) d’entiers naturels tel que \(x^{2} - y^{2} = 2\).

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