Calculer avec des puissances fractionnaires

Partie

Question

Soit deux réels positifs \(a\) et \(b\) ; vérifier l'égalité :

\((a^2+a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}})^{\tfrac{1}{2}} + (b^2+a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}})^{\tfrac{1}{2}} = (a^{\tfrac{2}{3}} + b^{\tfrac{2}{3}})^{\tfrac{3}{2}}\)

Aide simple

Rappel : \(\forall (x, y)\in\mathbb R^2,~~(x+y)^3=x^3+3x^2y+3xy^2+y^3.\)

Aide méthodologique

Nommer chacun des membres de l'égalité.

Comparer leurs carrés.

Aide à la lecture

Les réels \(a\) et \(b\) étant positifs, les puissances fractionnaires, utilisées dans l'égalité, sont bien définies.

Solution détaillée

Soit \(X\) le premier membre et \(Y\) le second membre de l'égalité cherchée.

Les deux membres sont des réels positifs, il suffit donc de prouver l'égalité de leurs carrés.

\(Y^2 = (a^{\tfrac{2}{3}}+b^{\tfrac{2}{3}})^3=a^2+3a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}}+3a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}}+b^2\)

\(X=A+B,~~A=(a^2+a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}})^{\tfrac{1}{2}},~~B=(b^2+a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}})^{\tfrac{1}{2}}\)

donc \(X^2 = A^2+2AB+B^2\)

Calcul du produit \(AB\) :

\(AB = [(a^2+a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}})(b^2+a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}})]^{\tfrac{1}{2}}=[a^2b^2+a^{\tfrac{8}{3}}b^{\tfrac{4}{3}}+a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{8}{3}}+a^2b^2]^{\tfrac{1}{2}}\)

\(AB = [(a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}})^2+2a^2b^2+(a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}})^2]^{\tfrac{1}{2}} = [(a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}}+a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}})^2]^{\tfrac{1}{2}}=a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}}+a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}}\)

Alors \(X^2 = (a^2+a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}})+(b^2+a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}})+2(a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}}+a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}}).\)

D'où \(X^2 = a^2+3a^{\tfrac{4}{3}}b^{\tfrac{2}{3}}+3a^{\tfrac{2}{3}}b^{\tfrac{4}{3}}+b^2=Y^2,\) ce qui termine la démonstration.