Relation d’ordre définie par les puissances entières : exercice corrigé

Exercice :

On définit sur \( \mathbb{R}_{+}^{*} \) la relation binaire \( \mathcal{R} \) par : \( \forall x, y \in \mathbb{R}_{+}^{*}, \ x \mathcal{R} y \Leftrightarrow \exists n \in \mathbb{N}, y=x^{n} \)
1) Montrer que \( \mathcal{R} \) est une relation d'ordre sur \( \mathbb{R}_{+}^{*}\)
2) Cet ordre est-il total ?

Corrigé :

1) Montrons que \(\mathcal{R}\) est une relation d'ordre sur \(\mathbb{R}_{+}^{*}\).

Réflexivité :

Soit \(x\in\mathbb{R}_{+}^{*}\).

On a \(x=x^1\) et \(1\in\mathbb{N}\).

Donc \(x\mathcal{R}x\).

Ainsi, \(\mathcal{R}\) est réflexive.

Antisymétrie :

Soient \(x,y\in\mathbb{R}_{+}^{*}\) tels que \(x\mathcal{R}y\) et \(y\mathcal{R}x\).

Il existe alors \(n,p\in\mathbb{N}\) tels que

\[
x=y^n\quad\text{et}\quad y=x^p.
\]

On en déduit que

\[
x=(x^p)^n=x^{np}.
\]

En appliquant la fonction logarithme népérien, on obtient

\[
\ln(x)=np\ln(x).
\]

Ainsi,

\[
(np-1)\ln(x)=0.
\]

On distingue alors deux cas :

- Si \(np=1\), alors \(n=p=1\), d'où \(x=y\).

- Si \(\ln(x)=0\), alors \(x=1\), et par conséquent \(y=x^p=1\). Donc \(x=y\).

Dans tous les cas, \(x=y\).

Ainsi, \(\mathcal{R}\) est antisymétrique.

Transitivité :

Soient \(x,y,z\in\mathbb{R}_{+}^{*}\) tels que \(x\mathcal{R}y\) et \(y\mathcal{R}z\).

Il existe alors \(n,m\in\mathbb{N}\) tels que

\[
y=x^n\quad\text{et}\quad z=y^m.
\]

Par conséquent,

\[
z=(x^n)^m=x^{nm}.
\]

Or \(nm\in\mathbb{N}\), donc \(x\mathcal{R}z\).

Ainsi, \(\mathcal{R}\) est transitive.

Conclusion :
\(\mathcal{R}\) est une relation d'ordre sur \(\mathbb{R}_{+}^{*}\).

2) Cet ordre est-il total ?

La réponse est non.

Considérons \(x=2\) et \(y=3\).

On a

\[
\forall n\in\mathbb{N},\quad 2^n\neq 3.
\]

Donc \(2\) n'est pas en relation avec \(3\).

De même,

\[
\forall p\in\mathbb{N},\quad 3^p\neq 2.
\]

Donc \(3\) n'est pas en relation avec \(2\).

Ainsi, \(2\) et \(3\) ne sont pas comparables pour la relation \(\mathcal{R}\).

Conclusion :
\(\mathcal{R}\) est une relation d'ordre partiel, mais non total, sur \(\mathbb{R}_{+}^{*}\).

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