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Licence 1 · Logique, ensembles et raisonnement
Ensembles numériques : ℕ, ℤ, ℚ, ℝ, ℂ, valeur absolue, majorants et minorants
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 de la leçon
Exercice 1
Lequel des ensembles suivants n'est pas stable par soustraction ?
Corrigé
n'est pas stable par soustraction : par exemple . En revanche , et sont tous stables par soustraction.
Exercice 2
Calculer et .
Corrigé
car . .
Exercice 3
Vrai ou faux : est un nombre rationnel.
Corrigé
Faux. est irrationnel, comme démontré par l'absurde dans la leçon 3 : s'il s'écrivait irréductible, on aboutirait à une contradiction (p et q tous deux pairs).
Exercice 4
Soit . Quels sont et ?
Corrigé
(intervalle semi-ouvert), donc n'a pas de maximum. Mais est le plus petit majorant : pour tout , on trouve des éléments de strictement supérieurs à . Donc .
Exercice 5
Quel ensemble n'est pas totalement ordonné de façon compatible avec ses opérations ?
Corrigé
n'est pas totalement ordonné de façon compatible avec ses opérations : on ne peut pas définir une relation d'ordre total sur qui respecte addition et multiplication, contrairement à .
Exercice 6
Résoudre l'inéquation .
Corrigé
, donc .
Exercice 7
Vrai ou faux : toute partie non vide et minorée de admet une borne inférieure dans .
Corrigé
Vrai. C'est la version symétrique de la propriété de la borne supérieure : si est non vide et minorée, alors est non vide et majorée, donc admet une borne supérieure , et .
Exercice 8
Déterminer pour .
Corrigé
Le plus grand élément de est obtenu pour , donnant . Comme et que c'est un majorant (tous les autres termes ), on a .
Exercice 9
Démontrer l'inégalité triangulaire inverse à partir de l'inégalité triangulaire .
Corrigé
On écrit . Par l'inégalité triangulaire : , donc .
En échangeant les rôles de et : (car ).
Combinant les deux : , ce qui équivaut exactement à .
Exercice 10
Vrai ou faux : vérifie la propriété de la borne supérieure (toute partie non vide et majorée de admet une borne supérieure dans ).
Corrigé
Faux. C'est précisément ce qui distingue de . Contre-exemple : est non vide () et majorée par dans , mais sa borne supérieure réelle est , qui n'est pas rationnel : n'a pas de borne supérieure dans .
Exercice 11
Soit deux parties non vides et majorées de telles que . Comparer et .
Corrigé
majore , donc majore aussi (car ). Comme est le plus petit des majorants de , on a .
Exercice 12
Démontrer que pour non vides et majorées.
Corrigé
Posons .
: pour tout , et pour tout . Donc majore , donc (car est le plus petit majorant).
: comme , l'exercice précédent donne . De même . Donc .
Les deux inégalités donnent .
Exercice 13
Vrai ou faux : pour tout réel, le module coïncide avec la valeur absolue usuelle.
Corrigé
Vrai. Si avec , alors , qui est exactement la valeur absolue de .
Exercice 14
Soit . L'ensemble est-il majoré ?
Corrigé
(la fonction cube est strictement croissante sur ), donc . Cet ensemble contient tous les réels arbitrairement négatifs et n'est donc pas majoré : il n'a pas de borne supérieure finie.
Exercice 15
Démontrer que toute partie finie et non vide de admet un maximum.
Corrigé
Récurrence sur le cardinal de .
Initialisation () : , alors trivialement.
Hérédité : supposons que toute partie de cardinal admette un maximum. Soit de cardinal . Choisissons et posons , de cardinal . Par hypothèse de récurrence, admet un maximum . Alors : en effet, cette valeur appartient à (c'est ou ) et majore tous les éléments de (elle majore car , et majore car ).
Conclusion : par récurrence, toute partie finie non vide de admet un maximum. (Ceci contraste avec le cas infini, où une partie bornée n'a pas toujours de maximum, cf. exercice 4.)
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