Une ferme, un marché, une salle de sport : deux inconnues appellent deux équations.
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Traduire un problème par un système
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Résoudre un système par combinaison ou par substitution
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Contrôler une solution et l'interpréter dans le contexte
Lapins et poules
Une ferme d'élevage ne contient que des lapins et des poules. On sait que :
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le nombre total de têtes est \(12\) ;
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le nombre total de pattes est \(30\).
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Choisir deux inconnues et traduire l'énoncé par un système.
Une poule a deux pattes, un lapin en a quatre :
$$ (\mathcal{S}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} p + l = 12 \hspace{3em} (L_1) \\ 2p + 4l = 30 \hspace{2em} (L_2) \end{gather*} $$$$ \text{avec} \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} p : \text{nombre de poules} \\ l : \text{nombre de lapins} \end{gather*} $$ -
Résoudre ce système par substitution, puis conclure.
On isole \(p\) dans \((L_1)\) :
$$ p = 12 - l $$On remplace \(p\) par \(12 - l\) dans \((L_2)\) :
$$ 2(12 - l) + 4l = 30 $$$$ 24 - 2l + 4l = 30 $$$$ \textcolor{rgb(232 124 124)}{24} + 2l \overset{\textcolor{rgb(232 124 124)}{\Huge \curvearrowright}}{=} 30 $$$$ 2l = 30 \textcolor{rgb(232 124 124)}{- 24} $$$$ 2l = 6 $$$$ \frac{2l}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} = \frac{6}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} $$$$ l = 3 $$On revient à \(p = 12 - l\) : \(p = 12 - 3 = 9\).
$$ \mathcal{S} = \Bigl\{ (9 \ ; \ 3) \Bigr\} $$La ferme compte \(9\) poules et \(3\) lapins : on vérifie \(9 + 3 = 12\) têtes et \(2 \times 9 + 4 \times 3 = 30\) pattes.
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Retrouver le nombre de lapins de cette même ferme par combinaison.
On multiplie les deux membres de \((L_1)\) par \(2\), pour avoir autant de \(p\) dans les deux lignes :
$$ (\mathcal{S}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} \textcolor{rgb(93 183 129)}{2 \times} (p + l) = \textcolor{rgb(93 183 129)}{2 \times} 12 \hspace{2em} (\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}L_1) \\ 2p + 4l = 30 \hspace{5em} (L_2) \end{gather*} $$$$ (\mathcal{S}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} 2p + 2l = 24 \hspace{2em} (2L_1) \\ 2p + 4l = 30 \hspace{2em} (L_2) \end{gather*} $$L'opération \((L_2) - (2L_1)\) élimine \(p\) :
$$ 2p + 4l - (2p + 2l) = 30 - 24 $$$$ 2p + 4l - 2p - 2l = 6 $$$$ 2l = 6 $$$$ \frac{2l}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} = \frac{6}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} $$$$ l = 3 $$Les deux méthodes donnent bien les mêmes \(3\) lapins.
Les prix du marché
Deux amis ont acheté des pommes de terre et des carottes au même marché :
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le premier a payé \(13{,}60 \ \text{€}\) pour \(2 \ \text{kg}\) de pommes de terre et \(3 \ \text{kg}\) de carottes ;
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le second a payé \(14{,}20 \ \text{€}\) pour \(1{,}5 \ \text{kg}\) de pommes de terre et \(3{,}5 \ \text{kg}\) de carottes.
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Traduire ces deux achats par un système, en nommant les inconnues.$$ (\mathcal{S}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} 2p + 3c = 13{,}60 \hspace{4em} (L_1) \\ 1{,}5p + 3{,}5c = 14{,}20 \hspace{2em} (L_2) \end{gather*} $$$$ \text{avec} \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} p : \text{prix d'un kilogramme de pommes de terre} \ \bigl[\text{€}\bigr] \\ c : \text{prix d'un kilogramme de carottes} \ \bigl[\text{€}\bigr] \end{gather*} $$
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Résoudre ce système et donner le prix d'un kilogramme de chaque légume.
Isoler une inconnue ferait apparaître des fractions : on résout par combinaison. On multiplie \((L_1)\) par \(3\) et \((L_2)\) par \(4\), pour avoir \(6p\) dans les deux lignes :
$$ (\mathcal{S}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} \textcolor{rgb(93 183 129)}{3 \times} (2p + 3c) = \textcolor{rgb(93 183 129)}{3 \times} 13{,}60 \hspace{4em} (\textcolor{rgb(93 183 129)}{3}L_1) \\ \textcolor{rgb(93 183 129)}{4 \times} (1{,}5p + 3{,}5c) = \textcolor{rgb(93 183 129)}{4 \times} 14{,}20 \hspace{2em} (\textcolor{rgb(93 183 129)}{4}L_2) \end{gather*} $$$$ (\mathcal{S}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} 6p + 9c = 40{,}80 \hspace{3em} (3L_1) \\ 6p + 14c = 56{,}80 \hspace{2em} (4L_2) \end{gather*} $$L'opération \((4L_2) - (3L_1)\) élimine \(p\) :
$$ 6p + 14c - (6p + 9c) = 56{,}80 - 40{,}80 $$$$ 6p + 14c - 6p - 9c = 16 $$$$ 5c = 16 $$$$ \frac{5c}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{5}} = \frac{16}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{5}} $$$$ c = 3{,}20 $$On reporte \(c = 3{,}20\) dans \((L_1)\) :
$$ 2p + 3 \times 3{,}20 = 13{,}60 $$$$ 2p \textcolor{rgb(232 124 124)}{+ 9{,}60} \overset{\textcolor{rgb(232 124 124)}{\Huge \curvearrowright}}{=} 13{,}60 $$$$ 2p = 13{,}60 \textcolor{rgb(232 124 124)}{- 9{,}60} $$$$ 2p = 4 $$$$ \frac{2p}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} = \frac{4}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} $$$$ p = 2 $$$$ \mathcal{S} = \Bigl\{ (2 \ ; \ 3{,}20) \Bigr\} $$Le kilogramme de pommes de terre coûte \(2 \ \text{€}\), celui de carottes \(3{,}20 \ \text{€}\). Contrôle sur le second achat : \(1{,}5 \times 2 + 3{,}5 \times 3{,}20 = 3 + 11{,}20 = 14{,}20\).
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Un troisième ami achète, au même marché, \(3 \ \text{kg}\) de pommes de terre et \(2 \ \text{kg}\) de carottes. Calculer ce qu'il paie.$$ 3 \times 2 + 2 \times 3{,}20 = 6 + 6{,}40 $$$$ 12{,}40 \ \text{€} $$
Un système avec des carrés
Soit \(a\) et \(b\) deux nombres réels tels que :
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Factoriser \(a^2 - b^2\).
C'est une différence de deux carrés :
$$ a^2 - b^2 = (a + b)(a - b) $$ -
À l'aide de \((L_1)\), en déduire la valeur de \(a - b\).
D'après la question précédente, \((L_2)\) s'écrit \((a + b)(a - b) = 84\). On y remplace \(a + b\) par \(42\) :
$$ 42(a - b) = 84 $$$$ \frac{42(a - b)}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{42}} = \frac{84}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{42}} $$$$ a - b = 2 $$ -
Résoudre le système formé par \((L_1)\) et cette nouvelle équation, puis donner \(a\) et \(b\).$$ (\mathcal{S'}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} a + b = 42 \hspace{2em} (L_1) \\ a - b = 2 \hspace{3em} (L_3) \end{gather*} $$
Les coefficients de \(b\) sont opposés : l'opération \((L_1) + (L_3)\) élimine \(b\) sans rien multiplier.
$$ a + b + a - b = 42 + 2 $$$$ 2a = 44 $$$$ \frac{2a}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} = \frac{44}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} $$$$ a = 22 $$On reporte \(a = 22\) dans \((L_1)\) :
$$ 22 + b = 42 $$$$ \textcolor{rgb(232 124 124)}{22} + b \overset{\textcolor{rgb(232 124 124)}{\Huge \curvearrowright}}{=} 42 $$$$ b = 42 \textcolor{rgb(232 124 124)}{- 22} $$$$ b = 20 $$$$ \mathcal{S} = \Bigl\{ (22 \ ; \ 20) \Bigr\} $$Contrôle dans le système de départ : \(22 + 20 = 42\) et \(22^2 - 20^2 = 484 - 400 = 84\).
La copie de Léo
Pour résoudre le système suivant, Léo a choisi la combinaison :
Voici sa copie :
Léo conclut que le couple \((6{,}5 \ ; \ {-}6)\) est la solution.
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Vérifier que le couple de Léo satisfait \((L_1)\), mais pas \((L_2)\).
Dans \((L_1)\) :
$$ 2 \times 6{,}5 + (- 6) = 13 - 6 = 7 $$Dans \((L_2)\) :
$$ 2 \times 6{,}5 - 3 \times (- 6) = 13 + 18 = 31 \neq - 5 $$Le couple satisfait \((L_1)\), dont Léo s'est servi pour calculer \(x\), mais pas \((L_2)\) : ce n'est pas la solution du système.
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Repérer la ligne fausse de la copie et expliquer l'erreur.
La première ligne est fausse. Retrancher \((L_2)\), c'est retrancher tout le membre \(2x - 3y\) : il faut l'écrire entre parenthèses, et le signe de chacun de ses termes change. Léo a changé celui de \(2x\), mais pas celui de \(- 3y\).
$$ 2x + y - (2x - 3y) = 2x + y - 2x + 3y $$ -
Corriger la résolution de ce même système et donner sa solution.
L'opération \((L_1) - (L_2)\), avec ses parenthèses :
$$ 2x + y - (2x - 3y) = 7 - (- 5) $$$$ 2x + y - 2x + 3y = 12 $$$$ 4y = 12 $$$$ \frac{4y}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{4}} = \frac{12}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{4}} $$$$ y = 3 $$On reporte \(y = 3\) dans \((L_1)\) :
$$ 2x \textcolor{rgb(232 124 124)}{+ 3} \overset{\textcolor{rgb(232 124 124)}{\Huge \curvearrowright}}{=} 7 $$$$ 2x = 7 \textcolor{rgb(232 124 124)}{- 3} $$$$ 2x = 4 $$$$ \frac{2x}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} = \frac{4}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} $$$$ x = 2 $$$$ \mathcal{S} = \Bigl\{ (2 \ ; \ 3) \Bigr\} $$Cette fois le couple satisfait les deux lignes : \(2 \times 2 + 3 = 7\) et \(2 \times 2 - 3 \times 3 = - 5\).
Choisir sa salle de sport
Chaque mois, une salle de sport facture un abonnement fixe, auquel s'ajoute un même prix pour chaque séance. Inès y est inscrite :
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en janvier, elle est venue \(6\) fois et a payé \(39 \ \text{€}\) ;
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en février, elle est venue \(10\) fois et a payé \(55 \ \text{€}\).
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Traduire ces deux factures par un système, en nommant les inconnues.$$ (\mathcal{S}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} a + 6s = 39 \hspace{2em} (L_1) \\ a + 10s = 55 \hspace{2em} (L_2) \end{gather*} $$$$ \text{avec} \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} a : \text{prix de l'abonnement mensuel} \ \bigl[\text{€}\bigr] \\ s : \text{prix d'une séance} \ \bigl[\text{€}\bigr] \end{gather*} $$
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Résoudre ce système et donner le prix de l'abonnement et celui d'une séance.
Les deux lignes ont le même coefficient devant \(a\) : l'opération \((L_2) - (L_1)\) l'élimine.
$$ a + 10s - (a + 6s) = 55 - 39 $$$$ a + 10s - a - 6s = 16 $$$$ 4s = 16 $$$$ \frac{4s}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{4}} = \frac{16}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{4}} $$$$ s = 4 $$On reporte \(s = 4\) dans \((L_1)\) :
$$ a + 6 \times 4 = 39 $$$$ a \textcolor{rgb(232 124 124)}{+ 24} \overset{\textcolor{rgb(232 124 124)}{\Huge \curvearrowright}}{=} 39 $$$$ a = 39 \textcolor{rgb(232 124 124)}{- 24} $$$$ a = 15 $$$$ \mathcal{S} = \Bigl\{ (15 \ ; \ 4) \Bigr\} $$L'abonnement coûte \(15 \ \text{€}\) par mois et chaque séance \(4 \ \text{€}\). Contrôle sur février : \(15 + 10 \times 4 = 55\).
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Une autre salle ne demande aucun abonnement et facture \(8 \ \text{€}\) la séance. Déterminer à partir de combien de séances dans le mois la salle d'Inès devient la moins chère.
Pour \(n\) séances dans le mois, Inès paie \(15 + 4n\) dans sa salle et \(8n\) dans l'autre. Sa salle est la moins chère quand :
$$ 15 \textcolor{rgb(232 124 124)}{+ 4n} \overset{\textcolor{rgb(232 124 124)}{\Huge \curvearrowright}}{<} 8n $$$$ 15 < 8n \textcolor{rgb(232 124 124)}{- 4n} $$$$ 15 < 4n $$$$ \frac{15}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{4}} < \frac{4n}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{4}} $$$$ 3{,}75 < n $$Un nombre de séances est entier : il faut en faire au moins \(4\).
$$ n \geqslant 4 $$Contrôle : pour \(4\) séances, \(15 + 16 = 31 \ \text{€}\) contre \(32 \ \text{€}\) ; pour \(3\) séances, \(27 \ \text{€}\) contre \(24 \ \text{€}\).
Cent articles pour cent euros
Le foyer du lycée veut acheter exactement \(100\) articles à la papeterie, pour exactement \(100 \ \text{€}\) : des stylos-plumes, des carnets et des crayons, au moins un article de chaque sorte. Les crayons se vendent par lots de \(3\).
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On note \(x\) le nombre de stylos-plumes, \(y\) celui de carnets et \(z\) celui de crayons. Traduire l'énoncé par un système, puis éliminer \(z\) pour montrer que \(7x + 4y = 100\).
Un crayon coûte \(\frac{1}{3} \ \text{€}\) :
$$ (\mathcal{S}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} x + y + z = 100 \hspace{3em} (L_1) \\ 5x + 3y + \frac{z}{3} = 100 \hspace{2em} (L_2) \end{gather*} $$On multiplie les deux membres de \((L_2)\) par \(3\) :
$$ \textcolor{rgb(93 183 129)}{3 \times} \left(5x + 3y + \frac{z}{3}\right) = \textcolor{rgb(93 183 129)}{3 \times} 100 $$$$ 15x + 9y + z = 300 \hspace{2em} (3L_2) $$L'opération \((3L_2) - (L_1)\) élimine \(z\) :
$$ 15x + 9y + z - (x + y + z) = 300 - 100 $$$$ 14x + 8y = 200 $$$$ \frac{14x + 8y}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} = \frac{200}{\textcolor{rgb(93 183 129)}{2}} $$$$ 7x + 4y = 100 $$ -
Montrer que \(x\) est un multiple de \(4\), puis trouver tous les achats possibles et prouver qu'il n'y en a pas d'autre.
D'après la question précédente, \(7x = 100 - 4y = 4(25 - y)\) est un multiple de \(4\). Or :
$$ x = 8x - 7x = 4 \times 2x - 4(25 - y) = 4(2x - 25 + y) $$\(x\) est donc un multiple de \(4\). Comme \(y \geqslant 1\), \(7x \leqslant 100 - 4 = 96\), donc \(x \leqslant 13\) : avec \(x \geqslant 1\), il reste \(x = 4\), \(x = 8\) ou \(x = 12\). Pour chacun, \(y = \frac{100 - 7x}{4}\) et \(z = 100 - x - y\) :
Stylos-plumes \(x\)Carnets \(y\)Crayons \(z\)Prix \(\bigl[\text{€}\bigr]\)\(4\)\(18\)\(78\)\(20 + 54 + 26 = 100\)\(8\)\(11\)\(81\)\(40 + 33 + 27 = 100\)\(12\)\(4\)\(84\)\(60 + 12 + 28 = 100\)Les trois nombres de crayons sont des multiples de \(3\) : les lots tombent juste.
$$ (x \ ; \ y \ ; \ z) = (4 \ ; \ 18 \ ; \ 78) \hspace{2em} (8 \ ; \ 11 \ ; \ 81) \hspace{2em} (12 \ ; \ 4 \ ; \ 84) $$ -
La papeterie baisse le prix du stylo-plume à \(4{,}50 \ \text{€}\). Prouver que le foyer ne peut plus acheter \(100\) articles pour exactement \(100 \ \text{€}\), avec au moins un article de chaque sorte.
La ligne \((L_2)\) devient \(4{,}5x + 3y + \frac{z}{3} = 100\). On l'élimine comme à la question 1 : multipliée par \(3\), elle donne \(13{,}5x + 9y + z = 300\), et en retranchant \((L_1)\) :
$$ 12{,}5x + 8y = 200 $$$$ \textcolor{rgb(93 183 129)}{2 \times} (12{,}5x + 8y) = \textcolor{rgb(93 183 129)}{2 \times} 200 $$$$ 25x + 16y = 400 $$Ainsi \(25x = 400 - 16y = 16(25 - y)\) est un multiple de \(16 = 2^4\). Or \(25 = 5^2\) ne contient pas le facteur \(2\) : les quatre facteurs \(2\) de \(16\) sont dans \(x\), qui est un multiple de \(16\).
Comme \(y \geqslant 1\), \(25x \leqslant 400 - 16 = 384\), donc \(x \leqslant 15\). Le seul multiple de \(16\) qui convient est \(x = 0\) : aucun stylo-plume.
$$ \text{Impossible avec au moins un article de chaque sorte} $$Sans cette condition, il reste deux achats : \(25\) carnets et \(75\) crayons, ou \(16\) stylos-plumes et \(84\) crayons, puisque \(16 \times 4{,}5 + \frac{84}{3} = 72 + 28 = 100\). La baisse de prix a fait disparaître les trois achats de la question 2.
Les deux résistances
Nora a deux résistances de valeurs inconnues \(R_1\) et \(R_2\), en ohms. Deux résistances en série équivalent à une résistance \(R_1 + R_2\) ; en dérivation, à une résistance \(\frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}\). Nora mesure les deux montages à l'ohmmètre.
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Traduire les deux mesures par un système, puis montrer que \(R_1 + R_2 = 50\) et \(R_1 R_2 = 600\).$$ (\mathcal{S}) \enspace \Biggl\{ \begin{gather*} R_1 + R_2 = 50 \hspace{3em} (L_1) \\ \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2} = 12 \hspace{2em} (L_2) \end{gather*} $$
D'après \((L_1)\), le dénominateur de \((L_2)\) vaut \(50\) :
$$ \frac{R_1 R_2}{50} \textcolor{rgb(93 183 129)}{\times \ 50} = 12 \textcolor{rgb(93 183 129)}{\times \ 50} $$$$ R_1 + R_2 = 50 \hspace{2em} \text{et} \hspace{2em} R_1 R_2 = 600 $$ -
Retrouver les deux résistances. On pourra développer \((R_1 - 20)(R_1 - 30)\).
On isole \(R_2 = 50 - R_1\), et on remplace dans \(R_1 R_2 = 600\) :
$$ R_1(50 - R_1) = 600 $$$$ 50R_1 - R_1^2 = 600 $$On regroupe tous les termes dans le membre de droite :
$$ 0 = R_1^2 - 50R_1 + 600 $$Or \((R_1 - 20)(R_1 - 30) = R_1^2 - 30R_1 - 20R_1 + 600 = R_1^2 - 50R_1 + 600\) :
$$ (R_1 - 20)(R_1 - 30) = 0 $$Un produit est nul si et seulement si l'un de ses facteurs l'est : \(R_1 = 20\) ou \(R_1 = 30\), et alors \(R_2 = 30\) ou \(R_2 = 20\).
$$ \mathcal{S} = \Bigl\{ (20 \ ; \ 30) \ ; \ (30 \ ; \ 20) \Bigr\} $$Les deux résistances valent \(20 \ \Omega\) et \(30 \ \Omega\). Vérification : \(20 + 30 = 50\) et \(\frac{20 \times 30}{50} = \frac{600}{50} = 12\).
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Avec deux autres résistances, Tom lit \(50 \ \Omega\) en série et \(13 \ \Omega\) en dérivation. Prouver qu'il a mal lu l'une des deux mesures. On pourra développer \((R_1 - 25)^2\).
Comme à la question 1, les deux mesures donnent \(R_1 + R_2 = 50\) et \(R_1 R_2 = 13 \times 50 = 650\). Comme à la question 2 :
$$ R_1^2 - 50R_1 + 650 = 0 $$Or \((R_1 - 25)^2 = R_1^2 - 50R_1 + 625\), donc l'équation s'écrit :
$$ (R_1 - 25)^2 + 25 = 0 $$Un carré est positif ou nul : le membre de gauche vaut au moins \(25\), et ne s'annule jamais.
$$ \mathcal{S} = \varnothing : \text{Tom a mal lu une mesure} $$ -
Prouver que, pour deux résistances quelconques, la résistance en dérivation ne dépasse jamais le quart de la résistance en série. Dans quel cas lui est-elle égale ?
Notons \(s = R_1 + R_2\), strictement positive. On compare \(\frac{R_1 R_2}{s}\) à \(\frac{s}{4}\) en multipliant par \(4s\), qui est positif, sans changer le sens de l'inégalité :
$$ \frac{R_1 R_2}{s} \leqslant \frac{s}{4} \hspace{2em} \Longleftrightarrow \hspace{2em} 4R_1 R_2 \leqslant s^2 $$Or :
$$ s^2 - 4R_1 R_2 = R_1^2 + 2R_1 R_2 + R_2^2 - 4R_1 R_2 = R_1^2 - 2R_1 R_2 + R_2^2 = (R_1 - R_2)^2 $$Un carré est positif ou nul, donc \(4R_1 R_2 \leqslant s^2\), avec égalité seulement si \(R_1 = R_2\).
$$ \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2} \leqslant \frac{R_1 + R_2}{4} \hspace{2em} \text{égalité si et seulement si} \ R_1 = R_2 $$Vérification : pour \(50 \ \Omega\) en série, la dérivation ne dépasse pas \(12{,}5 \ \Omega\). Nora lit \(12 \ \Omega\), c'est possible ; Tom lit \(13 \ \Omega\), c'est impossible, comme à la question 3.