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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 : 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 de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

N\mathbb{N} n'est pas stable par soustraction : par exemple 25=3N2-5=-3 \notin \mathbb{N}. En revanche Z\mathbb{Z}, Q\mathbb{Q} et R\mathbb{R} sont tous stables par soustraction.

Exercice 2

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

Corrigé

7=7|-7| = 7 car 7<0-7<0. 38=5=5|3-8| = |-5| = 5.

Exercice 3

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

Corrigé

Faux. 2\sqrt 2 est irrationnel, comme démontré par l'absurde dans la leçon 3 : s'il s'écrivait p/qp/q irréductible, on aboutirait à une contradiction (p et q tous deux pairs).

Exercice 4

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

Corrigé

5A5 \notin A (intervalle semi-ouvert), donc AA n'a pas de maximum. Mais 55 est le plus petit majorant : pour tout ε>0\varepsilon>0, on trouve des éléments de AA strictement supérieurs à 5ε5-\varepsilon. Donc supA=5\sup A = 5.

Exercice 5

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

Corrigé

C\mathbb{C} n'est pas totalement ordonné de façon compatible avec ses opérations : on ne peut pas définir une relation d'ordre total sur C\mathbb{C} qui respecte addition et multiplication, contrairement à N,Z,Q,R\mathbb{N}, \mathbb{Z}, \mathbb{Q}, \mathbb{R}.

Exercice 6

Résoudre l'inéquation x32|x-3| \leq 2.

Corrigé

x32    2x32    1x5|x-3|\leq 2 \iff -2\leq x-3\leq 2 \iff 1\leq x\leq 5, donc x[1,5]x\in[1,5].

Exercice 7

Vrai ou faux : toute partie non vide et minorée de R\mathbb{R} admet une borne inférieure dans R\mathbb{R}.

Corrigé

Vrai. C'est la version symétrique de la propriété de la borne supérieure : si AA est non vide et minorée, alors A={aaA}-A=\{-a \mid a\in A\} est non vide et majorée, donc admet une borne supérieure SS, et infA=S\inf A = -S.

Exercice 8

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

Corrigé

Le plus grand élément de AA est obtenu pour n=1n=1, donnant 11. Comme 1A1\in A et que c'est un majorant (tous les autres termes 1/n11/n \leq 1), on a maxA=supA=1\max A=\sup A=1.

Exercice 9

Démontrer l'inégalité triangulaire inverse xyxy\big||x|-|y|\big| \leq |x-y| à partir de l'inégalité triangulaire a+ba+b|a+b|\leq|a|+|b|.

Corrigé

On écrit x=(xy)+yx = (x-y)+y. Par l'inégalité triangulaire : x=(xy)+yxy+y|x| = |(x-y)+y| \leq |x-y|+|y|, donc xyxy|x|-|y| \leq |x-y|.

En échangeant les rôles de xx et yy : yxyx=xy|y|-|x| \leq |y-x| = |x-y| (car yx=(xy)=xy|y-x|=|-(x-y)|=|x-y|).

Combinant les deux : xyxyxy-|x-y| \leq |x|-|y| \leq |x-y|, ce qui équivaut exactement à xyxy\big||x|-|y|\big| \leq |x-y|. \square

Exercice 10

Vrai ou faux : Q\mathbb{Q} vérifie la propriété de la borne supérieure (toute partie non vide et majorée de Q\mathbb{Q} admet une borne supérieure dans Q\mathbb{Q}).

Corrigé

Faux. C'est précisément ce qui distingue Q\mathbb{Q} de R\mathbb{R}. Contre-exemple : A={xQx2<2, x>0}A=\{x\in\mathbb{Q}\mid x^2<2,\ x>0\} est non vide (1A1\in A) et majorée par 22 dans Q\mathbb{Q}, mais sa borne supérieure réelle est 2\sqrt 2, qui n'est pas rationnel : AA n'a pas de borne supérieure dans Q\mathbb{Q}.

Exercice 11

Soit A,BA,B deux parties non vides et majorées de R\mathbb{R} telles que ABA \subset B. Comparer supA\sup A et supB\sup B.

Corrigé

supB\sup B majore BB, donc majore aussi AA (car ABA\subset B). Comme supA\sup A est le plus petit des majorants de AA, on a supAsupB\sup A \leq \sup B.

Exercice 12

Démontrer que sup(AB)=max(supA,supB)\sup(A\cup B) = \max(\sup A, \sup B) pour A,BA, B non vides et majorées.

Corrigé

Posons M=max(supA,supB)M = \max(\sup A, \sup B).

sup(AB)M\sup(A\cup B) \leq M : MsupAaM \geq \sup A \geq a pour tout aAa\in A, et MsupBbM\geq \sup B \geq b pour tout bBb \in B. Donc MM majore ABA\cup B, donc sup(AB)M\sup(A\cup B) \leq M (car sup(AB)\sup(A\cup B) est le plus petit majorant).

Msup(AB)M \leq \sup(A\cup B) : comme AABA \subset A\cup B, l'exercice précédent donne supAsup(AB)\sup A \leq \sup(A\cup B). De même supBsup(AB)\sup B \leq \sup(A\cup B). Donc M=max(supA,supB)sup(AB)M=\max(\sup A,\sup B) \leq \sup(A\cup B).

Les deux inégalités donnent sup(AB)=M=max(supA,supB)\sup(A\cup B) = M = \max(\sup A, \sup B). \square

Exercice 13

Vrai ou faux : pour tout zCz \in \mathbb{C} réel, le module z|z| coïncide avec la valeur absolue usuelle.

Corrigé

Vrai. Si z=a+i0=az=a+i0=a avec aRa\in\mathbb{R}, alors z=a2+02=a2=a|z|=\sqrt{a^2+0^2}=\sqrt{a^2}=|a|, qui est exactement la valeur absolue de aa.

Exercice 14

Soit A={xRx3<8}A = \{x \in \mathbb{R} \mid x^3 < 8\}. L'ensemble AA est-il majoré ?

Corrigé

x3<8    x<2x^3<8 \iff x<2 (la fonction cube est strictement croissante sur R\mathbb{R}), donc A=],2[A=]-\infty,2[. 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 R\mathbb{R} admet un maximum.

Corrigé

Récurrence sur le cardinal nn de AA.

Initialisation (n=1n=1) : A={a}A=\{a\}, alors maxA=a\max A = a trivialement.

Hérédité : supposons que toute partie de cardinal nn admette un maximum. Soit AA de cardinal n+1n+1. Choisissons xAx \in A et posons B=A{x}B = A \setminus \{x\}, de cardinal nn. Par hypothèse de récurrence, BB admet un maximum mm. Alors max(A)=max(m,x)\max(A) = \max(m, x) : en effet, cette valeur appartient à AA (c'est mm ou xx) et majore tous les éléments de A=B{x}A = B \cup \{x\} (elle majore BB car m\geq m, et majore {x}\{x\} car x\geq x).

Conclusion : par récurrence, toute partie finie non vide de R\mathbb{R} admet un maximum. (Ceci contraste avec le cas infini, où une partie bornée n'a pas toujours de maximum, cf. exercice 4.) \square

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