Licence 1Algèbre

Ensembles numériques : ℕ, ℤ, ℚ, ℝ, ℂ, valeur absolue, majorants et minorants

55 min15 exercicesSéquence 4.4Licence 1

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Durée : 55 min

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 : NZQRC\mathbb{N} \subset \mathbb{Z} \subset \mathbb{Q} \subset \mathbb{R} \subset \mathbb{C}.

- N={0,1,2,3,}\mathbb{N} = \{0, 1, 2, 3, \ldots\} : les entiers naturels, stables par addition et multiplication, mais pas par soustraction (25N2-5 \notin \mathbb{N}).
- Z={,2,1,0,1,2,}\mathbb{Z} = \{\ldots, -2,-1,0,1,2,\ldots\} : les entiers relatifs, obtenus en ajoutant les opposés des éléments de N\mathbb{N}. Stable par addition, soustraction, multiplication, mais pas par division (1/2Z1/2 \notin \mathbb{Z}).
- Q={pq  |  pZ,qZ}\mathbb{Q} = \left\{ \dfrac{p}{q} \;\middle|\; p \in \mathbb{Z},\, q \in \mathbb{Z}^*\right\} : les rationnels, quotients d'entiers. Stable par les quatre opérations (division par un non-nul). Mais Q\mathbb{Q} a des « trous » : 2\sqrt{2} n'est pas rationnel (preuve par l'absurde classique, voir leçon 3).
- R\mathbb{R} : les réels, qui « complètent » Q\mathbb{Q} en lui ajoutant tous les irrationnels (comme 2\sqrt 2, π\pi, ee). C'est un corps totalement ordonné et complet (toute partie non vide majorée admet une borne supérieure — voir section 4).
- C={a+iba,bR}\mathbb{C} = \{a+ib \mid a,b\in\mathbb{R}\}, avec i2=1i^2=-1 : les complexes, qui complètent R\mathbb{R} pour que toute équation polynomiale non constante ait une solution (théorème de d'Alembert-Gauss). En contrepartie, C\mathbb{C} n'est pas totalement ordonné : on ne peut pas comparer deux complexes non réels avec \leq de façon compatible avec les opérations.

Densité de Q\mathbb{Q} dans R\mathbb{R} : 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 R\mathbb{R}

Pour xRx \in \mathbb{R}, la valeur absolue est définie par :

x={xsi x0xsi x<0|x| = \begin{cases} x & \text{si } x \geq 0 \\ -x & \text{si } x < 0 \end{cases}

Elle représente la distance de xx à 00 sur la droite réelle, et plus généralement xy|x-y| est la distance entre xx et yy.

Propriétés fondamentales : pour tous x,yRx, y \in \mathbb{R} :
- x0|x| \geq 0, et x=0    x=0|x|=0 \iff x=0 ;
- x=x|{-x}| = |x| ;
- xy=xy|xy| = |x|\,|y| ;
- xM    MxM|x| \leq M \iff -M \leq x \leq M (pour M0M \geq 0) — très utile pour résoudre des inégalités ;
- Inégalité triangulaire : x+yx+y|x+y| \leq |x|+|y|, avec égalité si et seulement si xx et yy sont de même signe ;
- Inégalité triangulaire inverse : xyxy\big||x|-|y|\big| \leq |x-y|.

Preuve de l'inégalité triangulaire : on a xxx-|x|\leq x\leq |x| et yyy-|y|\leq y\leq |y| ; en additionnant : (x+y)x+yx+y-(|x|+|y|) \leq x+y \leq |x|+|y|, ce qui équivaut exactement à x+yx+y|x+y|\leq |x|+|y| d'après la propriété ci-dessus (avec M=x+yM=|x|+|y|). \square

Module dans C\mathbb{C} : pour z=a+ibz=a+ib, le module z=a2+b2|z| = \sqrt{a^2+b^2} généralise la valeur absolue (et coïncide avec elle si zz est réel, b=0b=0). Il vérifie les mêmes propriétés : z1z2=z1z2|z_1z_2|=|z_1||z_2|, z1+z2z1+z2|z_1+z_2|\leq|z_1|+|z_2|.

### 3. Majorants, minorants

Soit ARA \subset \mathbb{R} une partie non vide.

- MRM \in \mathbb{R} est un majorant de AA si aA,  aM\forall a \in A,\; a \leq M. On dit alors que AA est majorée.
- mRm \in \mathbb{R} est un minorant de AA si aA,  am\forall a \in A,\; a \geq m. On dit alors que AA est minorée.
- AA est bornée si elle est à la fois majorée et minorée.

Un majorant n'est pas nécessairement unique : si MM majore AA, tout réel MMM' \geq M majore aussi AA. Le maximum de AA, noté maxA\max A, est un majorant qui appartient à AA ; il n'existe pas toujours (ex : A=[0,1[A=[0,1[ n'a pas de maximum).

### 4. Borne supérieure et borne inférieure

La borne supérieure de AA, notée supA\sup A, est le plus petit des majorants de AA (si elle existe). Formellement, S=supAS = \sup A vérifie :
1. SS est un majorant de AA : aA,  aS\forall a \in A,\; a \leq S ;
2. SS est le plus petit : ε>0,  aA,  a>Sε\forall \varepsilon > 0,\; \exists a \in A,\; a > S - \varepsilon (aucun réel strictement inférieur à SS ne majore AA).

De même, la borne inférieure infA\inf A est le plus grand des minorants, caractérisée par ε>0,  aA,  a<infA+ε\forall \varepsilon>0,\;\exists a\in A,\; a < \inf A + \varepsilon.

Propriété de la borne supérieure (axiome de complétude de R\mathbb{R}) : toute partie non vide et majorée de R\mathbb{R} admet une borne supérieure dans R\mathbb{R}. C'est cette propriété qui distingue fondamentalement R\mathbb{R} de Q\mathbb{Q} : l'ensemble A={xQx2<2}A=\{x\in\mathbb{Q} \mid x^2<2\} est majoré dans Q\mathbb{Q} mais n'a pas de borne supérieure rationnelle (sa borne supérieure réelle serait 2Q\sqrt 2 \notin \mathbb{Q}).

Différence sup\sup / max\max : si supAA\sup A \in A, alors supA=maxA\sup A = \max A. Sinon, AA n'a pas de maximum mais a tout de même une borne supérieure. Exemple : A=[0,1[A = [0,1[ : supA=1A\sup A = 1 \notin A (pas de maximum), tandis que infA=minA=0A\inf A = \min A = 0 \in A.

Exemple résolu : Déterminer supA\sup A pour A={11n  |  nN}A = \left\{ 1 - \dfrac{1}{n} \;\middle|\; n \in \mathbb{N}^*\right\}.

Pour tout n1n\geq 1, 11n<11-\dfrac1n < 1, donc 11 est un majorant. Montrons que c'est le plus petit : soit ε>0\varepsilon>0. Par la propriété d'Archimède, il existe nNn\in\mathbb{N}^* tel que n>1εn > \dfrac{1}{\varepsilon}, donc 1n<ε\dfrac1n<\varepsilon, donc 11n>1ε1-\dfrac1n > 1-\varepsilon. On a donc trouvé un élément de AA strictement supérieur à 1ε1-\varepsilon : aucun réel <1<1 ne majore AA. Conclusion : supA=1\sup A = 1, et comme 1A1\notin A, AA n'a pas de maximum.

### 5. Résumé des distinctions clés

| Notion | Définition courte |
|---|---|
| Majorant | MM tel que tous les éléments de AA sont M\leq M |
| maxA\max A | majorant qui appartient à AA (n'existe pas toujours) |
| supA\sup A | plus petit des majorants (existe toujours si AA est non vide et majorée, par complétude de R\mathbb{R}) |
| Q\mathbb{Q} | dense dans R\mathbb{R} mais non complet (pas de propriété de la borne sup) |
| C\mathbb{C} | complet algébriquement (d'Alembert-Gauss) mais non ordonné |

Exercices

Lequel des ensembles suivants n'est pas stable par soustraction ?

Calculer 7|-7| et 38|3-8|.

Vrai ou faux : 2\sqrt 2 est un nombre rationnel.

Soit A=[2,5[A = [-2, 5[. Quels sont maxA\max A et supA\sup A ?

Quel ensemble n'est pas totalement ordonné de façon compatible avec ses opérations ?

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