Ensembles numériques : ℕ, ℤ, ℚ, ℝ, ℂ, valeur absolue, majorants et minorants
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Ensembles numériques : ℕ, ℤ, ℚ, ℝ, ℂ, valeur absolue, majorants et minorants
### 1. La hiérarchie des ensembles de nombres
Les ensembles de nombres usuels s'emboîtent : .
- : les entiers naturels, stables par addition et multiplication, mais pas par soustraction ().
- : les entiers relatifs, obtenus en ajoutant les opposés des éléments de . Stable par addition, soustraction, multiplication, mais pas par division ().
- : les rationnels, quotients d'entiers. Stable par les quatre opérations (division par un non-nul). Mais a des « trous » : n'est pas rationnel (preuve par l'absurde classique, voir leçon 3).
- : les réels, qui « complètent » en lui ajoutant tous les irrationnels (comme , , ). C'est un corps totalement ordonné et complet (toute partie non vide majorée admet une borne supérieure — voir section 4).
- , avec : les complexes, qui complètent pour que toute équation polynomiale non constante ait une solution (théorème de d'Alembert-Gauss). En contrepartie, n'est pas totalement ordonné : on ne peut pas comparer deux complexes non réels avec de façon compatible avec les opérations.
Densité de dans : entre deux réels distincts quelconques, même très proches, il existe toujours un rationnel (et même une infinité). C'est une conséquence de la propriété d'Archimède.
### 2. Valeur absolue dans
Pour , la valeur absolue est définie par :
Elle représente la distance de à sur la droite réelle, et plus généralement est la distance entre et .
Propriétés fondamentales : pour tous :
- , et ;
- ;
- ;
- (pour ) — très utile pour résoudre des inégalités ;
- Inégalité triangulaire : , avec égalité si et seulement si et sont de même signe ;
- Inégalité triangulaire inverse : .
Preuve de l'inégalité triangulaire : on a et ; en additionnant : , ce qui équivaut exactement à d'après la propriété ci-dessus (avec ).
Module dans : pour , le module généralise la valeur absolue (et coïncide avec elle si est réel, ). Il vérifie les mêmes propriétés : , .
### 3. Majorants, minorants
Soit une partie non vide.
- est un majorant de si . On dit alors que est majorée.
- est un minorant de si . On dit alors que est minorée.
- est bornée si elle est à la fois majorée et minorée.
Un majorant n'est pas nécessairement unique : si majore , tout réel majore aussi . Le maximum de , noté , est un majorant qui appartient à ; il n'existe pas toujours (ex : n'a pas de maximum).
### 4. Borne supérieure et borne inférieure
La borne supérieure de , notée , est le plus petit des majorants de (si elle existe). Formellement, vérifie :
1. est un majorant de : ;
2. est le plus petit : (aucun réel strictement inférieur à ne majore ).
De même, la borne inférieure est le plus grand des minorants, caractérisée par .
Propriété de la borne supérieure (axiome de complétude de ) : toute partie non vide et majorée de admet une borne supérieure dans . C'est cette propriété qui distingue fondamentalement de : l'ensemble est majoré dans mais n'a pas de borne supérieure rationnelle (sa borne supérieure réelle serait ).
Différence / : si , alors . Sinon, n'a pas de maximum mais a tout de même une borne supérieure. Exemple : : (pas de maximum), tandis que .
Exemple résolu : Déterminer pour .
Pour tout , , donc est un majorant. Montrons que c'est le plus petit : soit . Par la propriété d'Archimède, il existe tel que , donc , donc . On a donc trouvé un élément de strictement supérieur à : aucun réel ne majore . Conclusion : , et comme , n'a pas de maximum.
### 5. Résumé des distinctions clés
| Notion | Définition courte |
|---|---|
| Majorant | tel que tous les éléments de sont |
| | majorant qui appartient à (n'existe pas toujours) |
| | plus petit des majorants (existe toujours si est non vide et majorée, par complétude de ) |
| | dense dans mais non complet (pas de propriété de la borne sup) |
| | complet algébriquement (d'Alembert-Gauss) mais non ordonné |
Exercices
Lequel des ensembles suivants n'est pas stable par soustraction ?
Calculer et .
Vrai ou faux : est un nombre rationnel.
Soit . Quels sont et ?
Quel ensemble n'est pas totalement ordonné de façon compatible avec ses opérations ?
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