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Centrale-Supélec · MP · session 2025

Mathématiques 1

corrigé question par question

  • Mathématiques
  • 40 questions
  • Sujet entier, Q1 à Q40

Aperçu : Q1

Partie A : un encadrement de la fonction π\pi

Notations et définitions.

Dans tout le problème, les produits et les sommes indexés par pp portent sur les nombres premiers pp.

  • Pour x∈Rx \in \mathbb{R}, ⌊x⌋\lfloor x \rfloor désigne la partie entière de xx.
  • Pour pp premier et n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, vp(n)v_p(n) est la valuation pp-adique de nn, c'est-à-dire l'exposant maximal k∈Nk \in \mathbb{N} tel que pk∣np^k \mid n.
  • Pour x∈Rx \in \mathbb{R} avec x≥1x \ge 1, π(x)\pi(x) compte les nombres premiers pp tels que p≤xp \le x :
π(x)=Card⁡{p premier:p≤x}=∑p≤x1.\begin{aligned} \pi(x) &= \operatorname{Card}\{p \text{ premier} : p \le x\} \\ &= \sum_{p \le x} 1. \end{aligned}

I : calculs préliminaires

Q1.

Montrons que, pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, le produit des nombres premiers pp tels que n+2≤p≤2n+1n+2 \le p \le 2n+1 est inférieur ou égal à (2n+1n)\binom{2n+1}{n}, et que (2n+1n)≤4n\binom{2n+1}{n} \le 4^n.

Soient n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et C=(2n+1n)C = \binom{2n+1}{n}.

Majoration.

D'après la formule du binôme,

∑k=02n+1(2n+1k)=(1+1)2n+1=22n+1.\sum_{k=0}^{2n+1} \binom{2n+1}{k} = (1+1)^{2n+1} = 2^{2n+1}.

Tous les termes de cette somme sont positifs.

Les termes d'indices nn et n+1n+1 sont distincts et valent tous les deux CC (symétrie (mk)=(mm−k)\binom{m}{k} = \binom{m}{m-k} avec m=2n+1m = 2n+1).

Donc 2C≤22n+12C \le 2^{2n+1}, c'est-à-dire C≤4nC \le 4^n.

Minoration.

Par définition du coefficient binomial,

C⋅n! (n+1)!=(2n+1)!.C \cdot n!\,(n+1)! = (2n+1)!.

Soit pp un nombre premier tel que n+2≤p≤2n+1n+2 \le p \le 2n+1.

Comme p≤2n+1p \le 2n+1, pp est l'un des facteurs de (2n+1)!(2n+1)!, donc pp divise C⋅n! (n+1)!C \cdot n!\,(n+1)!.

Le produit n! (n+1)!n!\,(n+1)! ne contient que des facteurs compris entre 11 et n+1n+1.

Ils sont tous strictement inférieurs à pp, donc aucun n'est divisible par pp.

D'après le lemme d'Euclide (pp premier), pp ne divise pas n! (n+1)!n!\,(n+1)!.

Comme pp est premier, pp est donc premier avec n! (n+1)!n!\,(n+1)!.

D'après le lemme de Gauss, pp divise CC.

Les nombres premiers compris entre n+2n+2 et 2n+12n+1 sont deux à deux premiers entre eux et divisent tous CC.

Leur produit divise donc CC (si des entiers deux à deux premiers entre eux divisent CC, leur produit divise CC).

Comme C≥1C \ge 1, un diviseur positif de CC est inférieur ou égal à CC.

Ceci vaut aussi quand l'intervalle ne contient aucun nombre premier (le produit vide vaut 11).

Ainsi :

∏n+2≤p≤2n+1p≤(2n+1n)≤4n.\prod_{n+2 \le p \le 2n+1} p \le \binom{2n+1}{n} \le 4^n.

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