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S'il s'est écoulé pas mal de temps avant que j'écrive un nouveau billet, c'est qu'un petit problème génial a occupé une grande partie de mon temps libre. En effet, il se trouve qu'un de mes collègues a une passion pour les mathématiques toute aussi forte que la mienne. Voici le problème qu'il m'a envoyé la semaine dernière. Laboratoire de Mathématiques de Besançon - UMR 6623 CNRS - Spot 9 : Énigme 3 + solution. Un problème simple (et connu) mais dont la solution s'avère, on s'en doute, plutôt ardue. Il s'agit de compter le nombre de triangles équilatéraux que l'on retrouve dans un grand triangle équilatéral de côté n. Pour n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 n = 5 n = 6 Et comme je n'ai trouvé nulle part sur Internet les images des triangles pour les valeurs de n subséquentes, et que de tracer ces triangles à la main est une tâche plutôt ingrate, et que si vous êtes comme moi vous voudrez sûrement dénombrer vous aussi, on a pour n = 7 n = 8 n = 9 et enfin n = 10 Non sans effort, vous trouverez peut-être ces résultats: où a ( n) est le nombre de triangles dans chaque figure. Ce qui me frappe d'abord et avant tout c'est… qu'il n'y a effectivement rien de frappant dans les nombres de la colonne de droite.
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Le niveau suivant est illustré dans la figure 2 où l'on voit clairement 3 triangles dont les côtés sont de longueur 3. Figure 2: Les 3 triangles de taille 3 contenus dans le quatrième terme de la suite. Les choses deviennent un peu plus compliquées au niveau suivant où l'on distingue 7 triangles (voir figure 3). Figure 3: 4 triangles de côté 2 à gauche (on notera ici un triangle inversé) et 3 à droite (où les triangles se superposent). Au niveau des petits triangles de base, une énumération par lignes indique que ce nombre est la somme des 4 premiers nombres impairs. Il s'agit d'une somme bien connue, qui est égale au carré du nombre de ces entiers impairs, ici 4 2 = 16. Problème mathématique - Énigme visuelle facile #3. On trouvera ci-dessous une façon astucieuse de retrouver ce résultat. Au total, on a donc \(N_4 = N_4^{(4)}+N_4^{(3)}+N_4^{(2)}+N_4^{(1)}=1+3+7+16=27\). La somme des n premiers entiers impairs est égale à n 2. On peut prouver ce résultat en représentant la somme cherchée par des jetons, par exemple, pour n = 5. Chaque ligne est pliée en son milieu pour obtenir un carré parfait.
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Figure 1: Les 4 premiers termes de la suite des figures triangulaires, de gauche à droite. Chacun est construit en ajoutant une ligne de petits triangles à la base du précédent. Les premiers éléments de cette suite: Bien sûr, le premier terme (celui que nous avons appelé le triangle de base) contient un seul triangle: \(N_1=1\) On a deux types de triangles dans le second terme de la suite: un grand triangle dont les côtés sont de longueur 2 et 4 triangles de base, donc \(N_2=1+4=5\). De même, on a 3 types de triangles dans le troisième terme: un grand de côté 3, 3 triangles moyens de côté 2 et 9 triangles de base, soit \(N_3=1+3+9=13\). Quel est le nombre de triangles contenus dans le quatrième terme de cette suite? Combien de triangles dans cette figure solution dans. Pour le trouver, on procède à l'énumération comme nous l'avons fait pour les premiers termes de la suite en comptant tous les triangles, du niveau le plus grossier (triangles les plus grands) au niveau le plus fin (les triangles de base). Il n'y a qu'un seul grand triangle de côté 4: \(N_4^{(4)}=1\) (on a ajouté ici à la notation un exposant entre parenthèses pour indiquer la taille des sous-triangles).
C'est-à-dire \(k \rightarrow \frac{3k}{2}+3\). On fait de même pour les valeurs impaires de k: \(k \rightarrow \frac{3}{2}(k+1)+1\). On obtient ainsi des polynômes de degré 1 en k. On procède de la même manière pour déduire l'expression de la ligne juste au-dessus. L'expression cherchée est un polynôme de degré 2 en la variable k qui dépend de la parité de k et dont la différence entre deux termes consécutifs est donnée par l'expression précédente. Les coefficients sont faciles à calculer par identification à partir des premiers termes connus de la ligne. Après quelques manipulations arithmétiques, on obtient: \(\frac{3k^2+8k+4}{4}\) si k est pair et \(\frac{3k^2+8k+5}{4}\) si k est impair. On recommence en remontant à la dernière ligne restante pour déterminer l'expression finale de \(N_k\) qui est un polynôme de degré 3 en k, obtenu selon le même principe: \(N_k = \frac{k. (k+2). (2k+1)}{8}\) si k est pair et \(N_k = \frac{k. Combien de triangles dans cette figure solution gratuit. (2k+1)-1}{8}\) si k est impair. Pour celles et ceux qui auraient encore des doutes, notons que ces expressions sont facilement vérifiables et démontrables par récurrence.
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