Solution — Devoir 01, S01 en arithmétiques et calcul vectoriel, 2026-2027 - ab

📅 November 02, 2026 ⏱️ —

Corrigé — Variante A · Devoir 01 (TCSF)

Exercice 1 — Arithmétique dans ℕ (12 points)

1. Les nombres \(x = 2420\) et \(y = 6930\)

a. Décomposition en produit de facteurs premiers

On divise successivement par les nombres premiers, en commençant par les plus petits :

\(2420 = 2 \times 1210\)
\(1210 = 2 \times 605\)
\(605 = 5 \times 121\)
\(121 = 11 \times 11\)

Décomposition de \(x\)
\[ x = 2420 = 2^{2}\times 5\times 11^{2} \]

De la même manière :

\(6930 = 2 \times 3465\)
\(3465 = 3 \times 1155\)
\(1155 = 3 \times 385\)
\(385 = 5 \times 77\)
\(77 = 7 \times 11\)

Décomposition de \(y\)
\[ y = 6930 = 2\times 3^{2}\times 5\times 7\times 11 \]
Contrôle
\(2^2\times 5\times 121 = 4\times 605 = 2420\) ✔  et  \(2\times 9\times 5\times 7\times 11 = 90\times 77 = 6930\) ✔

b. Détermination de \(\mathrm{pgcd}(x,y)\) et \(\mathrm{ppcm}(x,y)\)

Le pgcd est le produit des facteurs communs affectés du plus petit exposant :

\[ \mathrm{pgcd}(x,y) = 2^{1}\times 5^{1}\times 11^{1} = 110 \]

Le ppcm est le produit de tous les facteurs affectés du plus grand exposant :

\[ \mathrm{ppcm}(x,y) = 2^{2}\times 3^{2}\times 5^{1}\times 7^{1}\times 11^{2} = 152\,460 \]
Vérification de la formule \(\mathrm{pgcd}\times\mathrm{ppcm} = x\times y\)

\(\mathrm{pgcd}(x,y)\times \mathrm{ppcm}(x,y) = 110\times 152\,460 = 16\,770\,600\)

\(x\times y = 2420\times 6930 = 16\,770\,600\) ✔

Les deux résultats coïncident, ce qui confirme les calculs.

c. Simplification de \(\sqrt{5x}\) et de \(\sqrt{\dfrac{35y}{22}}\)

Simplification de \(\sqrt{5x}\)

En utilisant la décomposition de \(x\) :

\[ 5x = 5\times 2^{2}\times 5\times 11^{2} = 2^{2}\times 5^{2}\times 11^{2} \]

Les trois exposants sont pairs, donc :

\[ \sqrt{5x} = 2\times 5\times 11 = \boxed{110} \]
Simplification de \(\sqrt{\dfrac{35y}{22}}\)

On décompose le numérateur et le dénominateur :

\[ \frac{35y}{22} = \frac{(5\times 7)\times\bigl(2\times 3^{2}\times 5\times 7\times 11\bigr)}{2\times 11} \]

Les facteurs \(2\) et \(11\) se simplifient :

\[ \frac{35y}{22} = 3^{2}\times 5^{2}\times 7^{2} \]

D'où :

\[ \sqrt{\frac{35y}{22}} = 3\times 5\times 7 = \boxed{105} \]

d. Algorithme d'Euclide pour \(\mathrm{pgcd}(x,y)\)

On effectue les divisions euclidiennes successives de \(6930\) par \(2420\) :

Dividende Diviseur Quotient Reste
6930242022090
242020901330
20903306110
33011030

Le dernier reste non nul est \(110\), donc :

\[ \mathrm{pgcd}(6930,\,2420) = 110 \]
Cohérence
L'algorithme d'Euclide redonne bien \(\mathrm{pgcd}(x,y)=110\), résultat obtenu en b. par la méthode des décompositions.

2. Le nombre \(371\) est-il premier ?

On cherche les nombres premiers \(p \le \sqrt{371}\). Or \(\sqrt{371} \approx 19{,}26\) : il suffit donc de tester \(2,\,3,\,5,\,7,\,11,\,13,\,17,\,19\).

\(p\)Division de 371Reste
2371 impair≠ 0
3\(3+7+1 = 11\)≠ 0
5ne finit pas par 0 ou 5≠ 0
7\(371 = 7\times 53\)0
Conclusion
\[ 371 = 7\times 53 \]

\(371\) admet un diviseur autre que \(1\) et lui-même : \(371\) n'est pas premier.

3. Parité du nombre \(a = n^{2}-n+1\)

On factorise partiellement :

\[ a = n^{2}-n+1 = n(n-1)+1 \]

Les entiers \(n\) et \(n-1\) sont consécutifs : l'un des deux est nécessairement pair, donc leur produit \(n(n-1)\) est pair.

Par suite \(n(n-1) = 2k\) pour un certain \(k\in\mathbb{N}\), et :

\[ a = 2k+1 \]
Résultat
Pour tout \(n\in\mathbb{N}\), le nombre \(a = n^{2}-n+1\) est impair.
Autre méthode : disjonction de cas

Cas 1 : \(n\) pair. Il existe \(k\in\mathbb{N}\) tel que \(n=2k\). Alors

\[ a = (2k)^2 - (2k) + 1 = 4k^2 - 2k + 1 = 2(2k^2 - k) + 1, \]

donc \(a\) est impair.

Cas 2 : \(n\) impair. Il existe \(k\in\mathbb{N}\) tel que \(n=2k+1\). Alors

\[ a = (2k+1)^2 - (2k+1) + 1. \]

On développe :

\[ a = (4k^2+4k+1) - 2k - 1 + 1 = 4k^2 + 2k + 1 = 2(2k^2 + k) + 1, \]

donc \(a\) est impair.

Dans tous les cas, \(a\) est impair.

4. Ensemble des diviseurs de \(42\)

On décompose :

\[ 42 = 2\times 3\times 7 \]

Le nombre de diviseurs positifs vaut donc \((1+1)(1+1)(1+1) = 8\).

Diviseurs de 42
\[ \mathcal{D}_{42} = \{\,1,\;2,\;3,\;6,\;7,\;14,\;21,\;42\,\} \]
Astuce de contrôle
On écrit les diviseurs par paires « produit = 42 » : \(1\times 42\), \(2\times 21\), \(3\times 14\), \(6\times 7\). On obtient bien les \(8\) diviseurs, sans oubli.

Exercice 2 — Calcul vectoriel (8 points)

Soit \(ABC\) un triangle. Les points \(I\), \(J\) et \(K\) sont définis par :

\[ \overrightarrow{AI}=\tfrac12\overrightarrow{AB} \qquad ; \qquad \overrightarrow{AJ}=\tfrac25\overrightarrow{AC} \qquad ; \qquad \overrightarrow{BK}=-2\,\overrightarrow{BC} \]

1. Construction de la figure

A B C I J K
Figure 1 — \(I\) est le milieu de \([AB]\), \(AJ=\frac25 AC\) et \(\overrightarrow{BK}=-2\overrightarrow{BC}\) (donc \(B\) est au tiers de \([KC]\)). Les points \(I\), \(J\), \(K\) sont alignés.
  1. Placer \(I\), milieu de \([AB]\) (deux graduations égales sur \([AB]\)).
  2. Partager \([AC]\) en cinq parts égales et placer \(J\) à la deuxième graduation à partir de \(A\).
  3. Comme \(\overrightarrow{BK} = -2\overrightarrow{BC} = 2\overrightarrow{CB}\), le point \(K\) se trouve sur la demi-droite \([BC)\) au-delà de \(B\), avec \(BK = 2\,BC\).

2. Expression de \(\overrightarrow{IJ}\) et de \(\overrightarrow{IK}\)

Calcul de \(\overrightarrow{IJ}\)

Par la relation de Chasles :

\[ \overrightarrow{IJ} = \overrightarrow{IA}+\overrightarrow{AJ} = -\overrightarrow{AI}+\overrightarrow{AJ} \]

En utilisant les définitions :

\[ \overrightarrow{IJ} = -\tfrac12\overrightarrow{AB}+\tfrac25\overrightarrow{AC} \]

Ce qui est bien le résultat annoncé.

Calcul de \(\overrightarrow{IK}\)

On commence par exprimer \(\overrightarrow{AK}\) :

\[ \overrightarrow{AK} = \overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BK} = \overrightarrow{AB}-2\overrightarrow{BC} \]

Or \(\overrightarrow{BC} = \overrightarrow{AC}-\overrightarrow{AB}\), donc :

\[ \overrightarrow{AK} = \overrightarrow{AB}-2\bigl(\overrightarrow{AC}-\overrightarrow{AB}\bigr) = 3\overrightarrow{AB}-2\overrightarrow{AC} \]

D'où, par Chasles :

\[ \overrightarrow{IK} = \overrightarrow{IA}+\overrightarrow{AK} = -\tfrac12\overrightarrow{AB}+3\overrightarrow{AB}-2\overrightarrow{AC} \] \[ \overrightarrow{IK} = \tfrac52\overrightarrow{AB}-2\overrightarrow{AC} \]

3. Colinéarité de \(\overrightarrow{IJ}\) et de \(\overrightarrow{IK}\)

Recherche du coefficient de proportionnalité

Comparons les deux expressions :

\[ \overrightarrow{IJ} = -\tfrac12\overrightarrow{AB}+\tfrac25\overrightarrow{AC} \] \[ \overrightarrow{IK} = \tfrac52\overrightarrow{AB}-2\overrightarrow{AC} \]

On remarque que :

\[ -5\times\left(-\tfrac12\right) = \tfrac52 \qquad\text{et}\qquad -5\times\tfrac25 = -2 \]

Par conséquent :

\[ \overrightarrow{IK} = -5\,\overrightarrow{IJ} \]
Colinéarité
Il existe un réel \(k=-5\) tel que \(\overrightarrow{IK}=k\,\overrightarrow{IJ}\) : les vecteurs \(\overrightarrow{IJ}\) et \(\overrightarrow{IK}\) sont donc colinéaires.

4. Alignement des points \(I\), \(J\) et \(K\)

Conclusion

Les vecteurs \(\overrightarrow{IJ}\) et \(\overrightarrow{IK}\) sont colinéaires et possèdent le même point d'origine \(I\).

On en déduit que les points \(I\), \(J\) et \(K\) sont alignés.

Plus précisément, comme \(\overrightarrow{IK}=-5\overrightarrow{IJ}\) avec \(k<0\), le point \(I\) se trouve entre \(J\) et \(K\), ce que la figure confirme.

Méthode générale
Pour démontrer que trois points \(M\), \(N\), \(P\) sont alignés, on montre que les vecteurs \(\overrightarrow{MN}\) et \(\overrightarrow{MP}\) sont colinéaires, c'est-à-dire qu'il existe \(k\in\mathbb{R}\) tel que \(\overrightarrow{MP}=k\,\overrightarrow{MN}\). On travaille ensuite toujours dans la même base, ici \((\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})\).

Corrigé — Variante B · Devoir 01 (TCSF)

Exercice 1 — Arithmétique dans ℕ (12 points)

On pose \(a = 2160\) et \(b = 4860\).

1. a) Décomposition, pgcd et ppcm

Décompositions en produits de facteurs premiers

\(2160 = 2 \times 1080\)
\(1080 = 2 \times 540\)
\(540 = 2 \times 270\)
\(270 = 2 \times 135\)
\(135 = 3 \times 45\)
\(45 = 3 \times 15\)
\(15 = 3 \times 5\)

Décomposition de \(a\)
\[ a = 2160 = 2^{4}\times 3^{3}\times 5 \]

\(4860 = 2 \times 2430\)
\(2430 = 2 \times 1215\)
\(1215 = 3 \times 405\)
\(405 = 3 \times 135\)
\(135 = 3 \times 45\)
\(45 = 3 \times 15\)
\(15 = 3 \times 5\)

Décomposition de \(b\)
\[ b = 4860 = 2^{2}\times 3^{5}\times 5 \]

Calcul du pgcd et du ppcm

Les facteurs communs sont \(2\), \(3\) et \(5\). On prend le plus petit exposant pour le pgcd :

\[ \mathrm{pgcd}(a,b) = 2^{2}\times 3^{3}\times 5^{1} = 4\times 27\times 5 = 540 \]

Pour le ppcm, on prend tous les facteurs avec le plus grand exposant :

\[ \mathrm{ppcm}(a,b) = 2^{4}\times 3^{5}\times 5^{1} = 16\times 243\times 5 = 19\,440 \]
Vérification : \(\mathrm{pgcd}\times\mathrm{ppcm}=a\times b\)

\(\mathrm{pgcd}(a,b)\times\mathrm{ppcm}(a,b) = 540\times 19\,440 = 10\,497\,600\)

\(a\times b = 2160\times 4860 = 10\,497\,600\) ✔

1. b) Montrer que \(\sqrt{a\times b}\) est un entier naturel

Démonstration

On multiplie les deux décompositions :

\[ ab = \bigl(2^{4}\times 3^{3}\times 5\bigr)\times\bigl(2^{2}\times 3^{5}\times 5\bigr) \] \[ ab = 2^{6}\times 3^{8}\times 5^{2} \]

Tous les exposants sont pairs : le produit \(ab\) est donc un carré parfait. Plus précisément :

\[ ab = \bigl(2^{3}\times 3^{4}\times 5\bigr)^{2} \]

Par conséquent :

\[ \sqrt{ab} = 2^{3}\times 3^{4}\times 5 = 8\times 81\times 5 = 3240 \]

qui est bien un entier naturel.

Méthode
Un entier \(n\) est un carré parfait si et seulement si, dans sa décomposition en facteurs premiers, tous les exposants sont pairs.

1. c) Simplification de \(\dfrac{a}{b}\) et de \(\sqrt{ab}\)

Simplification de \(\dfrac{a}{b}\)
\[ \frac{a}{b} = \frac{2^{4}\times 3^{3}\times 5}{2^{2}\times 3^{5}\times 5} = 2^{4-2}\times 3^{3-5}\times 5^{1-1} = \frac{2^{2}}{3^{2}} \] \[ \boxed{\frac{a}{b} = \frac{4}{9}} \]
Simplification de \(\sqrt{ab}\)

D'après la question précédente :

\[ \boxed{\sqrt{ab} = 3240} \]
Remarque
On peut retrouver \(\sqrt{ab}\) en remarquant que \(\sqrt{ab} = \sqrt{\mathrm{pgcd}\times\mathrm{ppcm}} = \sqrt{540\times 19\,440} = \sqrt{10\,497\,600} = 3240\).

2. \(A = 7^{\,n+2}-7^{\,n}\) est un multiple de \(3\)

Démonstration

On factorise par \(7^{n}\) :

\[ A = 7^{n+2}-7^{n} = 7^{n}\bigl(7^{2}-1\bigr) = 7^{n}\times 48 \]

Or \(48 = 3\times 16\), donc :

\[ A = 3\times\bigl(16\times 7^{n}\bigr) \]

Le nombre \(16\times 7^{n}\) est un entier naturel, ce qui prouve que \(A\) est divisible par \(3\).

Conclusion
Pour tout \(n\in\mathbb{N}\), \(A = 7^{\,n+2}-7^{\,n}\) est un multiple de \(3\).

3. Le nombre \(337\) est-il premier ?

On a \(\sqrt{337}\approx 18{,}36\) : il suffit de tester les nombres premiers \(p\le 18\), c'est-à-dire \(2,\,3,\,5,\,7,\,11,\,13,\,17\).

\(p\)TestConclusion
2337 est impairne divise pas
3\(3+3+7=13\)ne divise pas
5ne finit pas par 0 ou 5ne divise pas
7\(7\times 48 = 336\)reste \(1\)
11\(11\times 30 = 330\)reste \(7\)
13\(13\times 25 = 325\)reste \(12\)
17\(17\times 19 = 323\)reste \(14\)
Conclusion
Aucun nombre premier \(p\le\sqrt{337}\) ne divise \(337\). \(337\) est donc un nombre premier.

4. Parité, diviseurs de \(28\) et équation \(x^{2}-y^{2}=28\)

a) \(x+y\) et \(x-y\) ont la même parité

Démonstration

Calculons la différence des deux nombres :

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

Or \(2y\) est un entier pair. La différence de \(x+y\) et de \(x-y\) étant paire, ces deux entiers ont nécessairement la même parité.

Autre méthode : disjonction de cas

Cas 1 : \(x\) et \(y\) pairs. \(x=2k,\ y=2l\). Alors

\[ x+y=2(k+l) \qquad\text{et}\qquad x-y=2(k-l), \]

donc \(x+y\) et \(x-y\) sont pairs.

Cas 2 : \(x\) et \(y\) impairs. \(x=2k+1,\ y=2l+1\). Alors

\[ x+y=2(k+l+1) \qquad\text{et}\qquad x-y=2(k-l), \]

donc \(x+y\) et \(x-y\) sont pairs.

Cas 3 : parités différentes. Par exemple \(x=2k,\ y=2l+1\). Alors

\[ x+y=2(k+l)+1 \qquad\text{et}\qquad x-y=2(k-l)-1, \]

donc \(x+y\) et \(x-y\) sont impairs.

Dans tous les cas, \(x+y\) et \(x-y\) ont la même parité.

b) Diviseurs de \(28\)

\[ 28 = 2^{2}\times 7 \]

Le nombre de diviseurs positifs est \((2+1)(1+1) = 6\).

Diviseurs de 28
\[ \mathcal{D}_{28} = \{\,1,\;2,\;4,\;7,\;14,\;28\,\} \]

c) Résolution de \(x^{2}-y^{2}=28\) dans \(\mathbb{N}\)

Résolution

On factorise l'équation :

\[ x^{2}-y^{2}=28 \iff (x-y)(x+y)=28. \]

D'après la question a), les entiers \(x-y\) et \(x+y\) ont la même parité. Comme leur produit \(28\) est pair, ils sont tous les deux pairs.

Les diviseurs positifs de \(28\) sont \(1,2,4,7,14,28\). Les diviseurs pairs sont \(2,4,14,28\). On forme les couples \((x+y,\;x-y)\) avec \(x+y\ge x-y>0\) :

\(x+y\) \(x-y\) Même parité ? Solution
142oui\(x=8,\ y=6\)
281nonrejeté
47nonrejeté
214impossible car \(x-y>x+y\)rejeté

Seul le couple \((14,2)\) convient : \(x+y=14\) et \(x-y=2\), d'où \(x=8\) et \(y=6\).

Ensemble des solutions
\[ \mathcal{S} = \{\,(8\,;\,6)\,\} \]

Vérification : \(8^{2}-6^{2}=64-36=28\) ✔

Exercice 2 — Calcul vectoriel (8 points)

Soit \(ABC\) un triangle et \(G\), \(D\) deux points tels que :

\[ 3\,\overrightarrow{AG}=4\,\overrightarrow{AB}-2\,\overrightarrow{AC} \qquad ; \qquad \overrightarrow{AD}=\frac45\,\overrightarrow{AB} \]

1. Construction de la figure

Mise sous forme pratique

En divisant la première égalité par \(3\) :

\[ \overrightarrow{AG}=\frac43\,\overrightarrow{AB}-\frac23\,\overrightarrow{AC} \]

Le point \(D\) est sur le segment \([AB]\), au quatre-cinquièmes à partir de \(A\).

A B C D G 4/3 AB −2/3 AC
Figure 2 — \(D\) partage \([AB]\) dans le rapport \(AD=\frac45 AB\). Le vecteur rouge \(\frac43\overrightarrow{AB}\) et le vecteur vert \(-\frac23\overrightarrow{AC}\) s'additionnent selon la règle du parallélogramme pour donner \(\overrightarrow{AG}\). Les points \(C\), \(D\) et \(G\) sont alignés.
  1. Tracer le triangle \(ABC\).
  2. Partager \([AB]\) en cinq parts égales et placer \(D\) à la quatrième graduation à partir de \(A\).
  3. Tracer en rouge le vecteur \(\frac43\overrightarrow{AB}\) à partir de \(A\) : il prolonge \([AB]\) au-delà de \(B\).
  4. Tracer en vert le vecteur \(-\frac23\overrightarrow{AC}\) à partir de \(A\) : c'est l'opposé du vecteur \(\overrightarrow{AC}\).
  5. Compléter le parallélogramme : la somme de ces deux vecteurs donne \(\overrightarrow{AG}\). Le point \(G\) est le sommet opposé à \(A\).
  6. Constater que \(C\), \(D\) et \(G\) semblent alignés (à démontrer).

2. Alignement des points \(D\), \(C\) et \(G\)

Démonstration

Exprimons \(\overrightarrow{CG}\) en fonction de \(\overrightarrow{CD}\).

Étape 1 — Expression de \(\overrightarrow{CG}\) :

\[ \overrightarrow{CG} = \overrightarrow{CA}+\overrightarrow{AG} = -\overrightarrow{AC}+\frac43\overrightarrow{AB}-\frac23\overrightarrow{AC} = \frac43\overrightarrow{AB}-\frac53\overrightarrow{AC}. \]

Étape 2 — Expression de \(\overrightarrow{CD}\) :

\[ \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{CA}+\overrightarrow{AD} = -\overrightarrow{AC}+\frac45\overrightarrow{AB} = \frac45\overrightarrow{AB}-\overrightarrow{AC}. \]

Étape 3 — Multiplication et développement :

On calcule \(\frac53\overrightarrow{CD}\) :

\[ \frac53\overrightarrow{CD} = \frac53\left(\frac45\overrightarrow{AB}-\overrightarrow{AC}\right) = \frac53\cdot\frac45\overrightarrow{AB}-\frac53\overrightarrow{AC} = \frac43\overrightarrow{AB}-\frac53\overrightarrow{AC} = \overrightarrow{CG}. \]

On a donc bien :

\[ \overrightarrow{CG}=\frac53\overrightarrow{CD}. \]
Colinéarité
Il existe un réel \(k=\frac53\) tel que \(\overrightarrow{CG}=k\,\overrightarrow{CD}\) : les vecteurs \(\overrightarrow{CD}\) et \(\overrightarrow{CG}\) sont colinéaires.
Conclusion

Les vecteurs \(\overrightarrow{CD}\) et \(\overrightarrow{CG}\) sont colinéaires et ont la même origine \(C\) : les points \(C\), \(D\) et \(G\) sont donc alignés.

Comme \(k=\frac53>0\), les points \(D\) et \(G\) se trouvent du même côté de \(C\), et \(G\) est plus éloigné de \(C\) que ne l'est \(D\).

Bilan de la méthode

Les deux exercices de calcul vectoriel reposent sur le même schéma :

  1. Choisir une base adaptée, ici \((\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AC})\).
  2. Exprimer les vecteurs étudiés dans cette base à l'aide de Chasles.
  3. Mettre en évidence un coefficient de proportionnalité \(k\).
  4. Conclure à la colinéarité, puis à l'alignement (même origine).

Comments

Leave a comment

5000 characters max.