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BRÈVES de MATHS – Page 9 Un millier de faits et chiffres sur les nombres et les
mathématiques Ces pages sont dédiées à tous ceux qui veulent aborder
les mathématiques en douceur et en s'amusant tout en découvrant les aspects
les plus fondamentaux de cette discipline. Un parcours à picorer avec
nombreux liens d'orientation vers les développements destinés à satisfaire
votre curiosité. En principe ces pages sont très abordables sans
connaissances particulières de maths. Elles sont proposées dans un ordre
quelconque favorisant la découverte de sujets multiples. |
Anglais: Facts and figures about numbers and mathematics
160. Identité en 1 + x + x² + … |
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Cas
particulier |
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Cas
général |
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Quelques
cas particuliers |
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Liste
des nombres en puissance Sauriez-vous retrouver la valeur de n et de x pour chacun? |
7, 13, 15,
21, 31, 40, 43, 57, 63, 73, 85, 91, 111, 121,
127, 156, 255, 259, 341, 364, 400, 511, 585, 781, 820, 1023, 1093, 1111, 1365, 1555,
2801, 3280, 3906, 4681, 5461, 7381, 9331, 9841, 11111, 19531, 19608, 21845,
29524, 37449, 55987, 66430, 87381, 97656, 111111, 137257, 299593, 335923,
349525, 488281, 597871, 960800, 1111111, 2015539, 2396745, 2441406, 5380840,
6725601, 11111111, 12093235, 19173961, 47079208, 48427561, 111111111,
153391689, 435848050, 1111111111 … |
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161.
Théorème
de Bézout
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Théorème Deux
entiers naturels a et b sont premiers entre eux
si et seulement s’il existe deux entiers relatifs x et y tels que : ax +
by = 1 Note : Z est
l’ensemble des entiers relatifs ; deux fois Z est une convention pour
signifier qu’il y deux nombres à trouver. |
Étienne Bézout (1730-1783) a laissé son nom à un théorème connu
avant lui de Gaspard Bachet de Mérizac (1650). Il l’a généralisé en
l’appliquant à la divisibilité des polynômes. On
appelle aussi cette propriété par théorème de Bachet-Bézout |
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Exemple a = 25 = 5
x 5 et b = 18 =
2 x 3² Ces
deux nombres sont premiers entre eux. L’équation de Bézout est: 25x + 8y = 1 Pour
trouver ces nombres, on utilise l’algorithme d’Euclide (tableau). |
Résultat :
–5a + 7b = 1 à comparer à ax + by = 1 a =
–5 et b = 7 Selon
le théorème de Bézout 25 et 18 sont donc premiers entre eux. |
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Prolongeons
la recherche : quelles sont toutes les solutions de l’équation
initiale ? |
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162. Galilée(Galileo Galilei) – 1564-1642 (78 ans) |
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Biographie Mathématicien, physicien, astronome et écrivain.
Il avait commencé par des études de médecine. Né à Pise (Toscane – Italie) en 1564. Décès à Arcetri (quartier proche de Florence) en
1642. Trois enfants avec sa compagne, Marina Gamba. De physicien, il deviendra astronome et fera de
nombreuses découvertes avec sa lunette. Physicien Il commence à formaliser les lois physiques en
utilisant les mathématiques. Il étudie notamment la chute des corps et
détermine que: la durée de la chute est indépendante de la masse ou encore
que la période du pendule est liée à sa longueur. Il est célèbre, lui aussi, pour avoir établi la
loi de la relativité du mouvement. Astronome Il découvre la lunette hollandaise en 1609, alors
considérée comme un jouet. Il l'améliore: d'un grossissement 3, il passe à
30. Il observe le ciel et découvre le relief de la
Lune, les étoiles de la Voie lactée et surtout les satellites de Jupiter
(1610). Les taches solaires montrent que le Soleil n'est
pas parfait, ce qui déplait à l'Église. Héliocentrisme de Copernic Galilée a toujours été convaincu, surtout après
l'observation des satellites de Jupiter, que la Terre tourne autour du
Soleil. L'héliocentrisme est une théorie prônée par
Copernic, qui s'oppose au géocentrisme. En 1623, Urbain VIII devient pape. Ami de
Galilée, il l'autorise à parler de l'héliocentrisme. |
Dialogue entre les deux plus grands
systèmes du monde Galilée imagine un dialogue entre, Simplicius, un
défenseur des anciennes croyances et Sagredo qui soutient les idées de
Salviati. Ce livre indispose l'Inquisition. Galilée est
convoqué devant le tribunal en 1633.
Il décide d'abjurer afin de sauver sa vie. Il est assigné à résidence.
Occasion d'écrire un nouveau livre en 1638: Discours concernant deux sciences
nouvelles. Galilée est réhabilité par l'Église en 1992. Galilée à son procès Tableau de J.
Nicolas (Musée du Louvre) - Extrait Et pourtant elle tourne (E pur si
muove) Phrase légendaire attribuée à Galilée à l'issue
de son procès en 1633. Elle est apocryphe: il n'y a aucune preuve que Galilée
ait tenu ces propos. Il est probable que cette phrase lui ait été
attribuée lorsqu'il était encore en vie. |
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163. Nombre 9 – NEUF |
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Le nombre 9 est aussi la somme des factorielles
des trois premiers nombres: 9 = 1! + 2 ! + 3 ! = 1 + 2 + 6. Divisibilité par 9 La somme des chiffres d'un nombre (réduite au maximum)
indique le reste de sa division par 9. Ex: 28 / 9 = 3 x
9 + 1 et 2 + 8 = 10 puis 1 + 0 = 1 Donc, si la somme des chiffres est divisible par
9, le nombre l'est aussi. 123 456 789 est
divisible par 9 (= 9 x 13 717 421), comme tous les
nombre comprenant ces neuf chiffres. Un nombre diminué de la somme de ses chiffres est
divisible par 9. Ex: 28 – (2 + 8)
= 18 = 2 x 9 Un nombre diminué de son retourné (le plus grand
moins le plus petit) est divisible par 9. Ex: 987 – 789 =
198 = 9 x 22 |
Table de multiplication du 9 Les dizaines vont en croissant et les unités en
décroissant, créant cette belle symétrie. Table du 9 avec les doigts Pour 8 x 9, il y a 7 doigts avant le 8 et 2
après: on donne immédiatement: 8 x 9 = 72. Essayez avec d'autres nombres.
Curiosités numériques Un nombre de 1 à 8 divisé par 9 produit un nombre décimal avec ce
nombre répété à l'infini. |
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164. Premiers en quantité infinie |
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Le premier qui la prouvé C'est Euclide, vers 300 av.
J.-C., qui démontre qu'il existe une quantité infinie de nombres premiers. Sa
démonstration est originale. Son astuce: créer le nombre: N = 2x3x5x7x11
….x P + 1 Ajouter 1 au produit de tous les nombres premiers en supposant qu'ils
sont en quantité finie, le plus grand étant P. Exemples 2x3x5x7 + 1 = 211, un nombre premier. 2x3x5x7x11x13 + 1 = 30 031 = 59 x 509, un nombre composé. Le plus grand nombre premier connu,
découvert en janvier 2018, comporte plus de 20 millions de chiffres et
s'exprime avec une puissance de 2 277 239 917 – 1 Anglais (notez la tournure de phrase) Euclid's theorem asserts
that there are infinitely
many prime numbers. |
Démonstration d'Euclide Il suppose qu'il n'a que k nombres premiers, pas
un de plus. Son raisonnement l'amène à trouver un nouveau nombre
premier. Ce qui contredit son hypothèse. C'est que les nombres premiers sont
en quantité infinie. Le nombre d'Euclide Euclide prend les k nombres premiers et les multiplie. Le produit est
évidemment divisible par chacun des nombres premiers. L'astuce est de lui ajouter un. Alors la division par chacun des
nombres premiers est impossible: Il reste toujours
1. La contradiction Le nombre d'Euclide est un nouveau nombre.
Il est plus grand que tous les nombres premiers. De deux chose l'une:
ou c'est un nouveau nombre premier,
ce qui contredit l'hypothèse;
ou c'est un nombre composé: le produit d'au moins deux nombres
premiers. Or, il n'est pas divisible par
l'un des premiers du lot initial. C'est qu'il existe d'autres premiers. Bilan Dans les deux cas possibles, la conclusion conduit à admettre
l'existence d'un nouveau nombre premier. Et, le raisonnement peut être
reconduit en incluant ce nouveau
nombre premier. Conclusion: il y en a une infinité. |
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165. Anniversaire – Paradoxe |
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Incroyable! Parmi 30 personnes, quelle est
la probabilité de trouver deux personnes ayant le même anniversaire: 70 %. En demandant d'estimer cette probabilité, la valeur donnée dépasse
rarement 10%. Personne n'imagine que cette probabilité est aussi élevée. Test en classe Ainsi, avec une classe de 30 élèves, il est presque certain de tomber
sur deux individus ayant le même anniversaire. Par contre, le jour en
question est une surprise. Il suffit de 23 personnes pour atteindre 50% de probabilité. |
Calcul pour 30 personnes La probabilité que A soit né un jour de l'année est 365/365. La probabilité que B ne soit pas né le même jour que A est 364/365. Pour C, il doit être né encore un autre jour. La probabilité est
363/365. Etc. La conjonction de ces événements: En arrangeant cela: C'est la probabilité qu'aucun des 30 n'ait le même anniversaire. La
probabilité que deux aient le même anniversaire est! |
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166. Al-Khwârizmî (vers780-850) |
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Biographie Né à Khwarezm ou Huwarizm (aujourd'hui Khiva) en
Ouzbékistan, il a vécu à Bagdad
à la cour du calife Al-Maamoun. Muhammad ibn Musa al-Khawarizmi est un
mathématicien, géographe, astronome et astrologue perse. Il est aussi connu
sous son nom latin Algoritmi. Ses écrits, rédigés en langue arabe et traduits
en latin favorisent le développement de l'algèbre en Europe. Traité d'algèbre Kitāb al-mukhtaṣar fī ḥisāb
al-jabr wa-l-muqābala (l'Abrégé du
calcul par l'opposition et la restauration). |
Algorithme Du fait de sa méthode de calcul, son nom est resté pour désigner une
procédure de calcul, puis de traitement informatique. Un algorithme est une
étape primordiale avant toute programmation. Algèbre Le mot al-jabr figure dans le titre de son traité. Il veut dire accomplissement, restauration,
réunion. Allusion à une opération importante servant à résoudre les
équations: addition d'une même quantité de chaque côté de l'égalité. Nombres / Chiffres arabes Al-Khwarizmi est l'un des principaux vecteurs de diffusion du système
de numération indien, connu désormais avec les chiffres dits
"arabes" ou "indo-arabes". |
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167. Somme des inverses des carrés |
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La somme des inverses des carrés des nombres successifs est
convergente et vaut Pi au carré divisé par six. Ce nombre est appelé zêta de
deux et il est égal à 1,644… |
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Nombreux
sont les mathématiciens qui ont essayé de calculer cette somme. C'est Euler
en 1735 qui a donné la solution. Depuis, ce calcul, dit problème de Bâle
(lieu de naissance d'Euler), fait l'objet de nombreuses questions en licence
de maths. |
Le calcul arithmétique de cette série est
laborieux. Si vous arrivez à calculer mille termes sans erreur, vous n'aurez
que les deux premiers chiffres après la virgule. Voilà qui explique les
recherches infructueuses des mathématiciens avant Euler. La somme Pi² / 6 se décompose en somme des inverses au carré pour:
Pi² / 24 les nombres pairs, et
Pi² / 8 les nombres impairs. |
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168. Poules et œufs – Énigme |
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Énigme Solution
Réponse pour 3 jours et 3 poules: 9 œufs. |
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169. Partitions des nombres entiers |
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Addition ou multiplication Un nombre entier est toujours soit un nombre
premier soit le produit unique de nombres
premiers (10 = 2 x 5). C'est une propriété multiplicative
(fondamentale) des nombres entiers. Et avec l'addition
? Dans ce cas, chaque nombre entier peut être décomposé
en somme d'entiers:
le nombre 5 peut être décomposé de 14 façons différentes; et
de 7 façons différentes, si on ignore l'ordre des termes. Partitions et compositions Les termes de ces additions s'appellent des parts d'où le nom de partition. On trouve aussi
le terme plus savant de sommants. En tenant compte de l'ordre des sommants, on
obtient les décompositions (ou compositions)
d'un nombre entier. Recherches
Quelles sont les quantités de partitions ?
Comment trouver toutes les partitions ?
Identification de partitions particulière comme un carré somme de deux
carrés (triplets de Pythagore). |
Partitions et compositions du nombre 5 Quantité pour le nombre entier 5:
Partitions: 7
" à deux sommants: 2
Compositions: 14
" avec les nombres 1 et 2: 8 |
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170. Archimède – Sphère et cylindre |
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Archimède et sa découverte Archimède est
fier de sa découverte. Il a démontré que le volume de la sphère est égal au
deux tiers de celui du cylindre. Il a procédé par exhaustion: approximation par
des volumes qui encadre le volume cherché. En l'occurrence: 2/3 VC
< VS < 2/3 VC sont deux inégalités impossibles. Selon sa volonté, sa tombe porte une sphère
inscrite dans un cylindre. Les trois volumes Aujourd'hui on calcule les volumes avec les
formules connues. Le volume de l'espace non occupé par la sphère
inscrite dans le cylindre est exactement égal à celle du sablier (deux cônes
tête-bêche). Proportions VSablier = 1, VSphère = 2, VCylindre = 3 |
Équations en volume 3 – 1 = 2
(cylindre évidé) et 2 = 2 Calcul des volumes |
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171. Procédé de Kaprekar |
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Procédé itératif Il consiste à ordonner les chiffres d'un nombre par ordre
décroissant (Max) et également par
ordre croissant (Min) et à effectuer leur soustraction (D = Max – Min). La différence (D) est soumise à nouveau à ce même procédé. Nombres à deux chiffres Le cycle de Kaprekar de tous les nombres à deux
chiffres se termine par 0. Nombres à trois chiffres et plus Le cycle de Kaprekar des nombres à trois chiffres
se termine par 495, et par 0 pour quelques uns. Avec quatre chiffres, c'est 6 174 ou 0. Avec cinq chiffres, il y a apparition de boucles. |
Kaprekar pour le nombre 14 Propriété Dès le premier calcul les nombres trouvés sont
des multiples de 9. |
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172. Cinq nombres divisibles par 3 |
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Parmi cinq nombres quelconques, pas nécessairement
distincts, il en existe toujours trois
dont la somme est divisible par 3 (S3). Parmi quatre nombres, la probabilité d'obtenir S3
divisible par 3 est: 70,3%. Et pour trois nombres, elle est de 34,4%. |
Sachant que le reste de la division par 3 est 0, 1 ou 2, on déduit: Cas 1 Si trois restes parmi les cinq sont égaux, leur somme est divisible
par 3. Exemple avec le reste 2: 2 + 5 + 11 = 18, divisible par 3. Cas 2 Dans le cas contraire, les seuls combinaisons de restes possibles
sont: (0, 0, 1, 1, 2) ou (0, 0, 1, 2, 2) ou (0, 1, 1, 2, 2), sinon, il y en
aurait trois égaux. En choisissant les nombres dont les restes sont (0, 1, 2), la somme
sera divisible par 3. Exemple: 3 + 4 + 5 = 12, divisible par 3. |
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173. Factorielle 9 |
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Factorielle n Produit des nombres de 1 à n. Noté n! avec un point d'exclamation. Ainsi: 3! = 1 x 2 x 3 = 6 Factorielle 9 Comment trouver les facteurs de ce nombre ? Le facteur 2 se trouve: une
fois dans 2, deux fois dans 4, une fois dans 6 et trois
fois dans 8, soit sept fois au total.
Donc: 9! est divisible par 27 = 128. Le facteur 3 s'y trouve quatre fois. Donc: 9! est
divisible par 34 = 81. Il est aussi divisible par 5 et par 7, donc par
35. On peut d'ailleurs écrire: 9! = 128 x 81 x 35. Quantité de diviseurs Prenez les exposants de la factorisation (7, 4,
1, 1); ajoutez un à chacun (8, 5, 2, 2); faites le produit: 8x5x2x2 = 160 diviseurs. |
Factorisation de factorielle 9 Diviseurs de factorielle 9 Ce nombre (9!) possède 160 diviseurs, dont jusqu'à 100: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 15, 16, 18,
20, 21, 24, 27, 28, 30, 32, 35, 36, 40, 42, 45, 48, 54, 56, 60, 63, 64, 70,
72, 80, 81, 84, 90, 96. Famille amusante de diviseurs: |
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174. Entier manquant |
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Énigme Parmi les nombres de 1 à 1993, on retire trois
entiers consécutifs, et la moyenne est un
nombre entier. Quels sont ces trois nombres ? Raisonnement Comme pour l'astuce de la somme des entiers, on
peut aussi constituer des paires symétriques: 1 + 1193 = 2 + 1192 = … Retirer certaines de ces paires ne change pas la
moyenne. Retirer le nombre central non
plus. Solution Il faut simplement retirer l'élément central et
ses deux voisins: 996, 997, 998. |
Calculs Somme des entiers de 1 à 1993 Moyenne Sans le nombre central: 997 Sans ses deux voisins |
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175. Pentagone – Construction |
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On dispose (on sait construire)
d'un cercle et
de deux diamètres perpendiculaires qui positionne le point A, l'un des
sommets du pentagone, et
du milieu P du
rayon OM. Deux étapes simples pour trouver le sommet E:
1) cercle PA
=> point Q, et
2) cercle AQ
=> point E Note Côté du pentagone: AQ Côté du décagone: OQ Il suffit
d'écarter le compas de la longueur OQ et de reporter cet écart sur le cercle
pour construire le décagone. |
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176. Horloge mathématique |
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Sur cette horloge, les nombres ont été remplacés
par des expressions mathématiques. Sauriez-vous les reconnaitre ? Les commerçants proposent de nombreux types de
telles horloges. Un recensement des indications portées sur le cadran se
trouve sur la page indiquée en "en savoir plus". Note: il
existe quelques erreurs dues à la recopie du dessin du cadran. Par exemple à
3 heures, il faut lire Pi et non 11. |
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177. Nombre 153 & la pêche |
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Pêche miraculeuse L'Évangile selon Saint Jean relate la pêche
miraculeuse dans le lac de Tibériade par sept disciples de Jésus, dont Saint
Pierre: 153 poissons. La question: que signifie 153 ? Peut-être la quantité des espèces de poissons
connues à cette époque ou alors un rapport avec les nombreuses propriétés
mathématiques du nombre 153. Cubes et 153 La somme itérée des chiffres au cube de tout
multiple de 3 finit par 153. Suite en Brève
210 Calendrier et 153 153 = 2 x 30 + 3 x 31 |
Propriétés arithmétiques 153 = 3² x 17
(facteurs). 153 = 17 x (1 + 5 + 3) = 3 x 51 (chiffres de
153). 153 = 1001 10012 = 9916
(palindromes). 153 = 1 +
2 + 3 + 4 + 5 + 6+ 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12 + 13 + 14+ 15 + 16 + 17 – Nombre
triangulaire. 153 = 13 + 53 + 33
(somme des cubes des chiffres). 153 = 1! + 2! + 3! + 4! + 5!
(Somme des cinq premières factorielles). |
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178. La plus belle formule |
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Beauté Une propriété majeure des mathématiques d'une
grande beauté. Mais comment les mathématiciens qualifient-ils la beauté ? Dans le cas de cette formule, les mathématiciens
y voient une relation intime entre domaines qui semblent totalement
indépendants:
Géométrie avec Pi;
Algèbre des nombres réels avec e;
Algèbre des nombres complexes avec i; et
Nombres entiers de base avec 0 et 1, éléments neutres de l'addition et
de la multiplication. |
La plus belle formule Relation d'Euler Vision numérique de la relation Sachant
que le i² = -1 |
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179. Fraction et série infinie |
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Comment faire 1 avec des 11 ? Incroyable! En ajoutant les fractions suivantes
en 1/11, fractions qui sont de plus en plus petites, on obtient le nombre
0,1. Multiplions le tout par 10 pour obtenir 1. 1/11 + 1/112 + 1/113
… = 0,09090…+ 0,00826… + 0,00075…
+ … = 0,0999… = 0,1 Avec k = 1 et jusqu'à k = 24, la somme comporte k
fois le chiffre 9 en tête des décimales. Pour k = 24, la somme vaut: |
Séries avec 1/11 et 1/10 Lecture de la première formule: la somme, depuis
k égal un et jusqu'à k tendant vers l'infini, de la fraction un sur onze à la
puissance k est égale à un dixième,
soit zéro virgule un. |
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Autre exemple (formule en bas à gauche) En prenant les fractions 1/10, la somme devient
0,111 … qui correspond à la fraction 1/9. |
Généralisation En choisissant des fractions en 1/n, on obtient pour somme la fraction
1/(n – 1). |
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Brèves associées |
>>> Somme des inverses des nombres |
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0,999… = 1 |
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Pour en savoir plus |
>>>
Nombres périodiques et séries infinies |
>>>
Fractions |
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