NOMBRES – Curiosités, Théorie et Usages

 

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BRÈVES de MATHS

 

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Atlas des maths

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BRÈVES de MATHS – Page 64

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

 

 

Curiosité avec racine de fraction

Le nombre sous radical à gauche se lit: deux ET deux tiers.

 

 

1360.     Factorielle de fractions

 

Factorielle

La factorielle du nombre n est le produit de tous les nombres de 1 à n.

 

Exemple: 4! = 1 × 2 × 3 × 4 = 24

 

Notation gamma

Les mathématiciens notent aussi les factorielles avec la lettre grecque gamma et … plus 1.

 

Exemple: 4! = Γ(5) =  1 × 2 × 3 × 4 = 24

 

Factorielle de fraction

Cette notation en gamma n'est pas gratuite, elle permet le calcul de la "factorielle" de nombres fractionnaires.

  

 

Exemple proche de factorielle 4

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>>> Fonction gamma

>>> Factorielles – Index

 

 

1361.     Racines étonnantes

 

Un calcul simple, réalisable de tête (9² + 19 = 81 + 19 = 100 et sa racine est 10.

 

Mais, il est généralisable à de grands nombres.

 

Exemple
9999² + 19999
= 100 000 000 = 10 000²

 

Problème présenté aux Olympiades de Singapour

 

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1362.     Calcul de a² + b²

 

Calculer

a² + b²

= ?

Sachant que

a² + 2ab – 3b²

= 41

Factorisation

(a – b)(a + 3b)

= 1 × 41

Note

(a – b) < (a + 3b)

 

Déduction

a -b

= 1

a + 3b

= 41

Différence

3b + b

= 40

Solutions

b

= 10

a

= 11

Valeur demandée

a² + b²

= 221

 

 

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>>> Calculer a5 + b5

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>>> Autres calculs sous conditions

>>> Défis algébriques – Index

 

 

1363.     Not a Number (NaN)

 

Un NaN est une valeur spéciale utilisée dans les calculs en virgule flottante pour représenter :

*      des résultats indéfinis,

*      des opérations mathématiquement impossibles,

*      des données non numériques ou invalides.

Certaines opérations donnent un résultat non définissable dans le format utilisé :

*      conversion d’une chaîne non numérique en nombre,

*      lecture d’une donnée manquante dans un tableau numérique,

*      analyse d’un fichier contenant des erreurs de format.

  

Exemples

Indétermination

Monde des infinis

Sans extension complexe

log(-n)

Non défini en négatif

Suite de Grandi

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>>> Nan – Développements

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1364.     Deux demi-cercles

 

Construction

Deux demi-cercles identiques, articulée par un point commun d'extrémité de diamètre.

 

Propriété

Les zones en jaune ont la même aire quel que l'angle d'inclinaison.

 

Explication

Chacun des demi-cercles est amputé de la même zone verte. Les parties restantes (jaunes) ont la même aire.

   

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>>> Deux demi-cercles à 15°

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1365.     Nombres et carrés

 

Nombre = Somme de deux carrés

Théorème: un nombre est somme de deux carrés si et seulement si chacun de ses facteurs premiers  de la forme 4k + 3 a un exposant pair.

 

 

Nombre = Différence de deux carrés

Tout nombre impair est différence de deux carrés.

Tout nombre divisible par 4 est différence de deux carrés.

Tout nombre pair non divisible par 4 n'est pas différence de deux carrés.

 

Tableau des nombres n de 1 à 50 montrant ceux qui sont sommes (S) ou différences (D) de deux carrés

X pour les nombres égaux à 2 mod 4 qui ne sont jamais différence de deux carrés.

 

Note importante: ce tableau exclut les termes a et b égaux à 0 ou 1 pour éviter les cas triviaux

Néanmoins: le cas de 3 doit être noté car 3 = 2² – 1²

Recherche des termes pour la différence de carrés: n = a² – b² = (a – b) (a + b). Par exemple pour n = 3, on choisira n = 1 × 3 avec a – b = 1 et a + b = 3, soit a = 2 et b = 1. 

   

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>>> Somme de deux carrés

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1366.     Trajectoire de la Lune

 

Contre-intuitif …

Dans le référentiel héliocentrique, la trajectoire de la Lune n'est pas le festonnage de gauche (Voir Illustration), ni même l'ondulation perceptible du milieu, mais elle se confond quasiment avec celle de le Terre.

Phénomène dû au fait que les orbites Soleil-Terre et Terre-Lune sont très différentes (rapport d'environ 400). La trajectoire de la Lune est représentée sur le zoom (rouge). Elle croise légèrement celle de la Terre environ 13 fois dans l'année. Sur cette trajectoire la vitesse de la Lune par rapport au Soleil varie entre 103% et 97% de la vitesse de la Terre par rapport au Soleil.

Notez que, comme la vitesse de la Lune autour du Soleil n'est jamais négative, il n'y a pas de mouvement de rétrogradation de la Lune dans le référentiel du Soleil. 

 

Représentation de la trajectoire héliocentrique de la lune

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1367.     Deux cercles dans un rectangle

 

Construction

Un rectangle dont les côtés mesurent L et 2R. Deux cercles de rayon R et r, tangents entre eux et, chacun avec les côtés du rectangle.

 

Propriété 1

La longueur du rectangle est reliée très simplement aux rayons des cercles:

 

Propriété 2

La longueur t des segments de tangentes issues du même point sont égales. Cette longueur est reliée très simplement aux rayons des cercles:

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>>> Rectangle et deux cercles (démo)

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1368.     Pi vu par Ramanujan

 

Srinivasa Ramanujan, mathématicien indien autodidacte et génial, a marqué l’histoire des mathématiques par son intuition exceptionnelle et ses formules audacieuses.

Son héritage rappelle comment la créativité pure peut transcender les frontières des connaissances établies, faisant de π bien plus qu’un simple nombre : une porte d’entrée vers l’infini.

 

Parmi ses contributions les plus célèbres figure une série infinie pour calculer π, révélatrice de son talent unique pour les identités complexes.

Ramanujan a développé cette formule en combinant des intégrales elliptiques et des fonctions modulaires, des domaines qu’il maîtrisait avec une virtuosité inégalée.

Son travail a ouvert la voie à des algorithmes modernes de calcul de π, utilisés aujourd’hui dans les supercalculateurs.

 

 

L’une de ses formules les plus fascinantes, découverte en 1910, s’écrit

Cette série converge extrêmement rapidement : chaque terme ajoute environ 8 chiffres décimaux exacts à l’approximation de π. Par exemple, avec seulement k = 0, on obtient déjà une valeur de π précise à 6 décimales.

 

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1369.     Décimales de Pi

 

Somme des 20 premières décimales de 𝛑 (Pi):
1 + 4 + 1 + 5 + 9 + 2 + 6 + 5 + 3 + 5 +
8 + 9 + 7 + 9 + 3 + 2 + 3 + 8 + 4 + 6         =
100

 

Le tableau présente la quantité nécessaire de décimales pour atteindre la somme indiquée.

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>>> Nombre 100

>>> Constante Pi

 

 

1370.     Étoile à cinq branches

 

Compter les triangles de toutes sortes dans l'étoile à cinq branches.

 

 

Il n'est pas si évident de repérer les cinq grands triangles verts.

 

 

Effectivement le total est 10.

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1371.     Suite de Ratchinski

 

Problème

Au tableau est inscrit un calcul que les élèves doivent absolument parvenir à résoudre :

 

Solution

 

Avec identités remarquables

   

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1372.     Rectangles dans le rectangle

 

Aire du rectangle en bas à gauche ?

 

Solution: suivre le parcours en rouge

      

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>>> Énigmes sur les rectangles

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1373.     Kitano

 

Jeux de chiffres

Il existe plusieurs jeux consistant à atteindre un nombre donné avec un jeu donné de chiffres et en mettant en œuvre les opérations arithmétiques courantes.

 

Le plus connu est sans doute le jeu du quatre "4".

Un autre consiste à utiliser tous les chiffres dans l'ordre pour atteindre le maximum de nombres entiers.

 

Kitano

Le Kitano dérive de ce dernier avec la contrainte d'utiliser les chiffres de 1 à k avec k le plus petit possible.

 

À l'origine le défi consistait à atteindre le numéro de l'année en cours.

 

Décennie 2020

Le tableau donne les solutions pour la décennie en cours (en fait de 2020 à 2030).

 

 

Exemples

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1374.     Tiers et triangle équilatéral

Représentation géométrique de la série d'Archimède dans un triangle équilatéral.

 

Chaque triangle jaune est inscrit dans un triangle équilatéral et en occupe exactement le quart de l’aire.

 

 

 

En observant la figure formée par l’ensemble des triangles jaunes, on constate qu’elle peut être reproduite trois fois par basculement haut-bas et translation de chaque petit triangle.

Ces trois copies, placées sur le grand triangle, sans chevauchement, reconstituent entièrement ce grand triangle.

 

Ainsi, chaque copie représente exactement un tiers de son aire.

 

 

Moralité: comment transformer des quarts en tiers.

 

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1375.     Dallage et Pythagore

 

 

Le théorème de Pythagore était connu depuis des siècles. Les égyptiens utilisaient une corde à nœuds (3, 4, 5) formant un triangle rectangle.

 

On dit que Pythagore aurait eu l'idée de formuler son théorème en observant cette forme de dallage au sol dans un palais.

 

Compter les triangles blancs et les triangles jaunes: il y en a autant dans le grand carré oblique que dans les deux plus petits carrés réunis.

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1376.     Somme de carrés et produit

a² + b² + c² + d² = abcd

 

Table de six cas.

 

Je ne connais que des cas avec a = b = 2

Et dans ces cas, il y a une infinité de solutions. On déduit la suivante en faisant: c = d et d = 4d – c (Voir démo)

Mais la formule itérative n'atteint pas tous les cas possibles.

  

Relation entre ces nombres – Démonstration

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1377.     Magie et Fibonacci

 

Construction du tableau

Choisir deux nombres (5 et 2)

Construire le tableau avec ces deux nombres en tête.

Poursuivre à la façon Fibonacci en posant le nombre suivant comme la somme des deux précédents. Stop à l ligne 10.

 

Propriété 1

La division du 10e terme par le 9e produit un nombre qui commence toujours par 1,61 quels que soient les deux premiers nombres.

Pas de miracle, en poursuivant la séquence, cette fraction va tendre vers le nombre d'or.

 

Propriété 2

La somme des dix nombres du tableau est égale à onze fois la 7e ligne: 451 = 11 × 41.

Propriété générale des nombres de Fibonacci, même étendus à des nombres quelconques au départ.

  

 

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1378.     Sommes de consécutifs et 2k

 

Propriété

Tous les nombres entiers sont somme d'entiers consécutifs sauf les puissances 2.

 

Théorème

 

Un nombre est la somme d'entiers consécutifs si et seulement s'il n'est pas une puissance de 2.

 

Cette propriété est directement liée à la présence ou non de facteurs impairs dans sa décomposition. Un entier est somme d’entiers consécutifs si et seulement s’il possède un diviseur impair supérieur à 1.

Or… les seules valeurs qui n’ont aucun diviseur impair > 1 sont les puissances de 2.

 

Records

Record de quantité de partitions pour un nombre: (3, 1), (9, 2), (15, 3), (45, 5), (105, 7), … Ainsi, il existe 7 partions du nombre 105 en somme de consécutifs.

Les quantités record sont aussi les nombres hautement composés impairs.

 

 

Le nombre 9 peut être exprimé par deux sommes de nombres consécutifs. C'est le plus petit (record). Le suivant est 15 avec trois possibilités de telles partitions

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1379.     Chiffres et puissances

 

Sommes de puissances consécutives à partir de 1

89 =

81 + 92

Ils sont seulement dix à partager cette propriété, hors les nombres de 0 à 9 (trivial).

Voir Autre table

 

OEIS A032799

135 =

11 + 32 + 53

175 =

11 + 72 + 53

518 =

51 + 12 + 83

598 =

51 + 92 + 83

1 306 =

11 + 32 + 03 + 64

1 676 =

11 + 62 + 73 + 64

2 427 =

21 + 42 + 23 + 74

2 646 798 =

21 + 62 + 43 + 64 + 75 + 96 + 87

12 157 692 622

 039 623 539 =

11 + 22 + 13 + 54 + 75 + 66 + 97 + 28 + 69 + 210 + 211 + 012 + 313 + 914 + 615 + 216 + 317 + 518 + 319 + 920

   

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