Fiche de cours : Nombres réels
Ensembles de nombres, intervalles et valeur absolue
I. Ensembles de nombres
| \mathbb{N} | entiers naturels : \mathbb{N} = \{0\,;\,1\,;\,2\,;\,3\,;\,\ldots\} |
| \mathbb{Z} | entiers relatifs : \mathbb{Z} = \{\ldots\,;\,-3\,;\,-2\,;\,-1\,;\,0\,;\,1\,;\,2\,;\,3\,;\,\ldots\} |
| \mathbb{D} | nombres décimaux : \mathbb{D} = \left\{\dfrac{a}{10^n}\;;\;a\in\mathbb{Z},\ n\in\mathbb{N}\right\} |
| \mathbb{Q} | nombres rationnels : \mathbb{Q} = \left\{\dfrac{a}{b}\;;\;a\in\mathbb{Z},\ b\in\mathbb{Z}^*\right\} |
| \mathbb{R} | nombres réels : tous les nombres vus jusqu'en classe de Seconde |
Remarque (d'où viennent les lettres ?) : \mathbb{Z} vient de l'allemand Zahlen (« nombres ») et \mathbb{Q} de l'italien quoziente (« quotient », car un rationnel est un quotient). \mathbb{N} vient de « naturels », \mathbb{D} de « décimaux » et \mathbb{R} de « réels ».
Remarque : \sqrt2, \pi sont des réels mais pas des rationnels (nombres irrationnels) : leur écriture décimale est infinie et non périodique.
II. Reconnaître le plus petit ensemble d'un nombre
Remarque : à cause de l'inclusion {\mathbb N \subset \mathbb Z \subset \mathbb D \subset \mathbb Q \subset \mathbb R}, un nombre appartient toujours à plusieurs ensembles à la fois (par exemple, \dfrac34 est décimal, donc aussi rationnel, donc aussi réel). Le parcours ci-dessous permet de trouver le plus petit ensemble auquel il appartient.
Remarque : « chiffres après la virgule » et « décimales » désignent la même chose : un nombre fini de chiffres après la virgule, c'est un nombre fini de décimales.
- Le nombre a-t-il une virgule ? Si non (c'est un entier), est-il positif ou nul, ou négatif ? Positif ou nul \Rightarrow \mathbb N ; négatif \Rightarrow \mathbb Z.
- Sinon, a-t-il une virgule suivie d'un nombre fini de chiffres ? \Rightarrow \mathbb D.
- Sinon (nombre infini de chiffres après la virgule) : y a-t-il une répétition (motif) ? \Rightarrow \mathbb Q ; sinon (pas de répétition) \Rightarrow \mathbb R.
- 7 : pas de virgule, positif \Rightarrow 7\in\mathbb N.
- -8 : pas de virgule, négatif {\Rightarrow -8\in\mathbb Z}.
- -0{,}25 : virgule, 2 décimales (fini) {\Rightarrow -0{,}25\in\mathbb D}.
- \begin{aligned}\dfrac23 &= 0{,}666\ldots \\ &= 0{,}\overline{6}\end{aligned} : virgule, décimales infinies avec répétition (motif : le chiffre 6) {\Rightarrow \dfrac23\in\mathbb Q}.
- \pi : décimales infinies sans répétition (aucun motif) \Rightarrow \pi\in\mathbb R.
Quand un chiffre (ou un bloc de chiffres) se répète à l'infini après la virgule, la vraie notation mathématique est une barre au-dessus de ce qui se répète.
- 0{,}\overline{3} = 0{,}333\ldots
- 0{,}\overline{6} = 0{,}666\ldots
- 0{,}\overline{142857} = 0{,}142857142857\ldots
La répétition peut aussi commencer plus loin que la première décimale :
2{,}5123123123\ldots = 2{,}5\overline{123} (seul le bloc 123 se répète, le 5 n'en fait pas partie).
⚠️ Cas particulier des 9 répétés à l'infini, non vu en classe de Seconde (Hors Programme)
- \begin{aligned}0{,}999\ldots &= 0{,}\overline{9} \\ &= 1\end{aligned}
- \begin{aligned}0{,}4999\ldots &= 0{,}4\overline{9} \\ &= 0{,}5\end{aligned}
- \begin{aligned}7{,}2999\ldots &= 7{,}2\overline{9} \\ &= 7{,}3\end{aligned}
- \begin{aligned}3{,}14999\ldots &= 3{,}14\overline{9} \\ &= 3{,}15\end{aligned}
En revanche \begin{aligned}0{,}999999 &\neq 0{,}999999\ldots \\ &= 0{,}\overline{9}\end{aligned} (même avec le même nombre de 9 écrits) : sans les points de suspension, l'écriture s'arrête et le nombre est un peu plus petit que 1 ; avec la barre ou les points de suspension, les 9 continuent à l'infini et le nombre vaut 1.
De la même manière, \pi \neq 3{,}14 : 3,14 n'est qu'une valeur approchée de {\pi = 3{,}14159\ldots}
Le résultat n'est pas forcément un entier.
- C'est un entier seulement si la remontée va jusqu'à la virgule :
- 0{,}\overline{9} = 1
- 2{,}\overline{9} = 3
- 9{,}\overline{9} = 10
- Sinon c'est un décimal fini, non entier : 0{,}4\overline{9} = 0{,}5 ou 7{,}2\overline{9} = 7{,}3.
- il faut vraiment une infinité de 9 : 0{,}9999998 s'arrête sur un 8, ce n'est donc qu'un nombre un peu plus petit que 1 ;
- il faut le chiffre 9 et pas un autre : \begin{aligned}0{,}\overline{3} &= 0{,}333\ldots \\ &= \dfrac13\end{aligned} et \begin{aligned}0{,}\overline{8} &= 0{,}888\ldots \\ &= \dfrac89\end{aligned} sont rationnels, pas décimaux. Seul le 9, le plus grand chiffre en base 10, « rejoint » le décimal du dessus.
À retenir : ce cas étant hors programme, aucun nombre ayant une infinité de décimales égales à 9 (du type 0{,}\overline{9}) ne te sera proposé en contrôle. C'est juste pour ta culture !
Nombre périodique → fraction : la méthode (Hors Programme)
- La période fait 1 chiffre : on multiplie par 10.
- On soustrait la ligne de départ : les décimales, identiques, s'annulent.
\begin{array}{rcl} 10\,a &=& 4{,}444\ldots \\ -\ a &=& 0{,}444\ldots \\ \hline 9\,a &=& 4 \end{array}
- Il reste 9\,a = 4, donc a = \dfrac{4}{9}. Ainsi 0{,}\overline{4} = \dfrac{4}{9}.
- période de 1 chiffre \Rightarrow \times 10 : 0{,}\overline{7} = \dfrac{7}{9} ;
- période de 2 chiffres \Rightarrow \times 100 : 0{,}\overline{12} = \dfrac{12}{99} ;
- période de 3 chiffres \Rightarrow \times 1000 : 0{,}\overline{123} = \dfrac{123}{999}.
III. Justifier l'appartenance à un ensemble
| 0{,}57 | = \dfrac{57}{100} |
| = \dfrac{57}{10^2} |
57\in\mathbb Z et 2\in\mathbb N, donc 0{,}57\in\mathbb D.
- Si le dénominateur contient un facteur premier autre que 2 ou 5 : la fraction n'appartient pas à \mathbb D.
- Sinon (le dénominateur ne contient que des 2 et/ou des 5) : multiplier numérateur et dénominateur pour équilibrer les puissances de 2 et de 5, afin d'obtenir un dénominateur de la forme 10^n (avec {a^p\times b^p=(a\times b)^p}).
| \dfrac3{20} | = \dfrac{3\times5}{2^2\times5\times5} |
| = \dfrac{15}{2^2\times5^2} | |
| = \dfrac{15}{(2\times5)^2} | |
| = \dfrac{15}{10^2}=0{,}15 |
Donc \dfrac3{20}\in\mathbb D.
Remarque : la racine carrée d'un nombre premier est toujours un nombre irrationnel : son écriture décimale possède une infinité de chiffres après la virgule, sans répétition (de manière aléatoire).
Remarque : \pi \approx 3{,}14 et e \approx 2{,}718 sont même des nombres transcendants : non seulement ils sont irrationnels, mais ils ne peuvent être solution d'aucune équation à coefficients entiers (contrairement à \sqrt2, irrationnel mais solution de x^2 = 2).
| N | Z | D | Q | R |
|---|
IV. Décimaux et rationnels : exemples
- \begin{aligned}\dfrac13 &= 0{,}333\ldots \\ &= 0{,}\overline{3}\end{aligned} est rationnel mais pas décimal (un nombre infini de chiffres après la virgule, de manière répétée).
- 0{,}75=\dfrac34 est décimal et rationnel.
V. Nombres décimaux : contre-exemple
VI. Deux démonstrations à connaître
Ces deux démonstrations sont exigibles en seconde : elles peuvent tomber telles quelles en devoir. Elles utilisent le même outil, le raisonnement par l'absurde.
- on suppose le contraire de ce qu'on veut montrer ;
- on calcule normalement, jusqu'à tomber sur une absurdité (une phrase manifestement fausse) ;
- le calcul étant juste, l'absurdité ne peut venir que de la supposition de départ : elle était donc fausse.
1. Un tiers n'est pas un nombre décimal
Remarque : écrire 0{,}333\ldots ne suffit pas à le prouver. Les points de suspension disent qu'on n'a pas fini d'écrire, pas qu'il est impossible de finir. Il faut une vraie démonstration.
Alors il existe a\in\mathbb Z et n\in\mathbb N tels que :
| \dfrac13 | = \dfrac{a}{10^n} |
En multipliant en croix :
| 10^n | = 3a |
Le nombre 3a est divisible par 3, donc 10^n devrait être divisible par 3.
Or 10^n s'écrit 1\,\underbrace{00\ldots0}_{n\ \text{zéros}} : la somme de ses chiffres vaut 1+0+\ldots+0 = 1, et 1 n'est pas divisible par 3. D'après le critère de divisibilité par 3, 10^n n'est donc pas divisible par 3.
Les deux phrases se contredisent : c'est l'absurdité. La supposition de départ était donc fausse.
Conclusion : \dfrac13\notin\mathbb D. En revanche \dfrac13\in\mathbb Q, puisque 1\in\mathbb Z et 3\in\mathbb Z^*.
Remarque : la même démonstration marche pour toute fraction irréductible dont le dénominateur contient un facteur premier autre que 2 ou 5 (c'est le critère de la partie III).
À toi : montre que \dfrac16 n'est pas décimal
En multipliant en croix : \begin{aligned}10^n &= 6a \\ &= 3\times(2a)\end{aligned} donc 10^n serait divisible par 3.
Or la somme des chiffres de 10^n vaut 1 : 10^n n'est pas divisible par 3. Absurde.
Donc \dfrac16\notin\mathbb D.
2. \sqrt2 est un nombre irrationnel
Alors on peut l'écrire \sqrt2=\dfrac ab sous forme irréductible (a\in\mathbb Z, b\in\mathbb Z^*, la fraction est déjà simplifiée au maximum : a et b ne sont pas tous les deux pairs).
- En élevant au carré : 2=\dfrac{a^2}{b^2}, donc a^2=2b^2.
- Donc a^2 est pair, donc a est pair (voir le lemme ci-dessous). On peut alors écrire a=2k avec k\in\mathbb Z.
- En remplaçant : (2k)^2=2b^2, c'est-à-dire 4k^2=2b^2, donc b^2=2k^2.
- Donc b^2 est pair, donc b est pair.
Conclusion : \sqrt2 ne peut pas s'écrire comme une fraction d'entiers, donc \sqrt2\notin\mathbb Q. C'est un irrationnel.
Le lemme utilisé : pourquoi a^2 pair entraîne-t-il a pair ?
Les deux phrases disent exactement la même chose : démontrer l'une, c'est démontrer l'autre. On choisit donc celle qui se calcule le plus facilement.
- Dans la vie courante : « s'il pleut, le sol est mouillé » revient à dire « si le sol est sec, c'est qu'il ne pleut pas ».
- Ici : « si a^2 est pair, alors a est pair » revient à « si a est impair, alors a^2 est impair ». C'est cette version qu'on démontre, parce qu'un nombre impair s'écrit 2k+1 : on peut calculer avec.
- À ne pas confondre avec la réciproque « si B, alors A », qui, elle, n'a aucune raison d'être vraie.
| a^2 | = (2k+1)^2 |
| = 4k^2+4k+1 | |
| = 2(2k^2+2k)+1 |
a^2 est donc de la forme 2\times(\text{entier})+1 : il est impair.
Autrement dit : dès que a^2 est pair, a ne peut pas être impair, donc a est pair.
VII. Comparer un réel et une fraction
VIII. Intervalles
| Intervalle | Signification |
|---|---|
| [a\,;b] | {a \leqslant x \leqslant b} |
| [a\,;b[ | {a \leqslant x < b} |
| ]a\,;b] | {a < x \leqslant b} |
| ]a\,;b[ | {a < x < b} |
| [a\,;+\infty[ | x \geqslant a |
| ]-\infty\,;a] | x \leqslant a |
IX. Repérage sur une droite graduée
X. Réunion et intersection d'intervalles
Remarque : dans le langage courant, « ou » est souvent exclusif (si tu demandes un pull rouge ou vert, un pull rouge et vert ne convient pas). En mathématiques, le « ou » (\cup) est inclusif : « appartenir à I ou à J » inclut aussi le cas où l'on appartient aux deux à la fois.
- [9\,;11]\cap[10\,;13]=[10\,;11].
- [9\,;11]\cup[10\,;13]=[9\,;13].
XI. Union et intersection : cas disjoints
- [1\,;2]\cap[5\,;7]=\emptyset (ensemble vide, aucun élément commun).
- [1\,;2]\cup[5\,;7] reste une réunion de deux intervalles disjoints.
XII. Ensemble des solutions d'un système d'inéquations
XIII. Encadrement, approximation
L'arrondi au dixième, centième, etc. se fait selon les règles usuelles d'arrondi.
XIV. Encadrement d'une somme et d'un produit
Pour un produit, il faut être vigilant au signe des bornes.
- {3 \leqslant x+y \leqslant 5}
- {2 \leqslant xy \leqslant 6}
XV. Utiliser les intervalles pour un domaine de définition
x-2\geqslant0, soit x\in[2\,;+\infty[.
XVI. Valeur absolue
|x - \text{centre}| \leqslant \text{rayon}
|x - c| \leqslant r
XVII. Distance entre deux réels
| d(a\,;b) | = |a-b| |
| = |b-a| | |
| = d(b\,;a) |
| d(-3\,;5) | = |5-(-3)| |
| = 8. |
XVIII. Inéquation avec valeur absolue
XIX. Propriétés de la valeur absolue
|a\times b|=|a|\times|b|
\left|\dfrac ab\right|=\dfrac{|a|}{|b|} (b\neq0)
|a+b|\leqslant|a|+|b| (inégalité triangulaire).
XX. Résoudre |x-a|=r
XXI. Interpréter une inéquation avec valeur absolue géométriquement
Remarque : |x-a|\leqslant r signifie que x est à une distance d'au plus r de a : c'est un intervalle centré en a de rayon r.
👉 Besoin d'aide ? Ouvre le graphique et déplace x !
XXII. Bilan sur les ensembles de nombres
Remarque : Retenir la chaîne d'inclusions {\mathbb N\subset\mathbb Z\subset\mathbb D\subset\mathbb Q\subset\mathbb R} et savoir donner un exemple de réel appartenant à chaque ensemble mais pas au précédent.
XXIII. Pour aller plus loin...
Remarque : Notions complémentaires, presque hors programme de 2nde.
Majorant, minorant
- 5 est un majorant (et 10 aussi).
- 0 est un minorant.
Application : marge d'erreur
|x-12|\leqslant0{,}1, soit x\in[11{,}9\,;12{,}1].
Complémentaire d'un intervalle
Problème avec encadrement de mesures
Son aire est encadrée par : {19{,}5\times9{,}5 \leqslant A \leqslant 20{,}5\times10{,}5}
soit {185{,}25 \leqslant A \leqslant 215{,}25} m^2.