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Le corps des réels

Dans le document Cours Maths PT (Page 47-53)

6.1 Relation d’ordre sur R

6.1.1 Rappels

Définition 6.1 On admet l’existence d’un corps totalement ordonné (R,+,×,6 ) tel que :

– pour tout (x, y, z)∈R3 vérifiantx6y, on ait x+z 6y+z.

– pour tout (x, y)∈R2 vérifiant 06x et 06y, on ait 06xy.

À partir des points admis, on peut démontrer tout ce qu’on sait faire avec +,×, 6, − et÷.

Exemple 6.1 Soit (x, y, z) ∈ R2 × R vérifiant x 6 y. Montrons que xz >yz.

x6y donc x+ (−x)6yx donc 06yx.

De même, comme z 60, −z >0.

Donc 06xzyz. Donczy+ 0 6xzzy+zy.

Donc yz6xz.

Exemple 6.2 Soit (x, y, z, t) ∈ R4 vérifiant x 6 y et z 6 t. Montrer que x+z6y+t.

x6y donc x+z 6y+z.

z 6t donc y+z 6y+t.

Donc x+z 6y+t.

Définition 6.2 Soit x ∈ R. On appelle valeur absolue de x et on note |x| le réel max{x,x}.

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CHAPITRE 6. LE CORPS DES RÉELS Proposition 6.1 Soit (x, y)∈R2.

|x|= 0 ssi x= 0

|xy|=|x||y| Si y6= 0,

x y

= |x|

|y|

||x| − |y||6|x+y|6|x|+|y|

Définition 6.3 Soit (x, y)∈R2. On appelle distance dexàyle réel|xy|. Montrer que |x|6y revient à montrer x6y et−x6y.

Montrer que |x|>y revient à montrer x>y ou−x>y.

6.1.2 Bornes supérieure et inférieure d’une partie de R

Définition 6.4 SoitAune partie deRnon vide. Si l’ensemble des majorants deA admet un plus petit élément, celui-ci est appelé borne supérieure deA et se note sup(A).

Si l’ensemble des minorants de A admet un plus grand élément, celui-ci est appelé borne inférieure deA et se note inf(A).

Remarque 6.1 Soit A une partie de R.

On suppose queA admet un plus grand élément.Aadmet donc une borne supérieure égale à max(A).

On suppose que A admet une borne supérieure qui appartient à A. Alors sup(A) = max(A).

Remarque 6.2 Soit A une partie de R et a ∈ R. Pour montrer que a = sup(A), il faut et il suffit de montrer :

– pour tout xA, x6A.

– pour tout b ∈R vérifiant b < a, il existexA tel que x > b.

ou :

– pour tout xA, x6A.

– pour tout c∈R vérifiant (pour toutxA vérifiantx6c), on a a6c.

Exemple 6.3 Montrons que 1 = sup([0,1[).

– pour tout x∈[0,1[,x <1.

– pour toutb ∈]−∞,1[, on vérifie que maxn12,1+b2 o∈[0,1[ et maxn12,1+b2 o>

b.

Proposition 6.2

• Soit Aune partie non vide de Radmettant a pour borne supérieure et b comme borne inférieure. Alors a>b.

6.2. THÉORÈME DE LA BORNE SUPÉRIEURE

• Soit A et B deux parties non vides de R telles que AB. Si A et B admettent une borne supérieure, alors sup(A) 6sup(B). De même, si A etB admettent une borne inférieure, alors inf(A)>inf(B).

Démonstration.

• Il existe xA car A est non vide. sup(A) majore A donc x6sup(A).

inf(A) minore A donc x>inf(A).

Finalement, inf(A)6sup(A).

• Soit xA. Comme AB,xB. Par définition, x6sup(A).

Donc, pour tout xb, x6sup(A). Donc sup(A) majoreB.

Remarque 6.3 Soit C une partie non vide de R et z ∈R.

Pour montrer quesup(C)6z, il suffit de montrer que pour touttC, t6z.

Pour montrer que sup(C) > z, il suffit de montrer qu’il existe tC tel que t>z.

Pour montrer que inf(C)6z, il suffit de montrer qu’il existetC tel que t6z.

Pour montrer que inf(C)>z, il suffit de montrer que pour tout tC, t>z.

Exercice : Soit A une partie non vide de R. On admet que pour tout x ∈ R, {|xy|, yA} admet une borne inférieure notée d(x, A). Montrer que pour tout (x, y)∈R2, |d(x, A)d(y, A)|6|xy|.

Soit (x, y)∈R2. Soit uA. On note que |xu|6|xy|+|yu|. Or |xu| ∈ {|xθ|, θA}. Donc |xu|>inf({|xθ|, θA}).

Donc d(x, A)6|xy|+|yu|donc d(x, A)− |xy|6|yu|. Donc d(x, A)− |xy|minore {|yθ|, θA}.

Donc d(x, A)− |xy|6inf({|yθ|, θA}).

Donc d(x, A)d(y, A)6|xy|.

Finalement, pour tout (d, y)∈R, d(x, A)d(y, A)6|xy|. On déduit le résultat par symétrie.

6.2 Théorème de la borne supérieure

6.2.1 Énoncé

Théorème 6.1 Toute partie de R non vide et majorée admet une borne supérieure.

Corollaire 6.1 Toute partie de R non vide et minorée admet une borne inférieure.

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CHAPITRE 6. LE CORPS DES RÉELS

Démonstration. Soit P une partie non vide de R minorée. On pose Q = {−x, xP}.Qest non vide et majoré. DoncQadmet une borne supérieure.

On vérifie que−sup(Q) = inf(P).

6.2.2 Partie entière d’un réel

Théorème 6.2 Soit x∈R. Il existe un unique q ∈Z tel que x∈[q, q+ 1[.

q est appelé partie entière de x et noté E(x).

Démonstration. Soit x∈R+.

On pose E ={p∈N, x < p+ 1}.

• – On suppose E =∅, c’est-à-dire pour tout p∈N,x >p+ 1, c’est-à-dire que x majoreN.

Or N 6= ∅ donc N est une une partie non vide et majorée de R. Il admet donc une borne supérieure notée M.

Soitp∈N. On note que p+ 1∈N. Doncp+ 16M doncp6M−1.

Donc pour tout p∈ N, M −1 majore N. Donc il y a contradiction.

Donc E 6=∅.

– Comme E est une partie non vide de N, E admet un plus petit élément noté p.

Par définition, p ∈ E et p−1 6∈ E. Donc p 6 x < p + 1. Donc E(x) =p.

• – Il est clair que pour tout x∈Z,x6x < x+ 1. DoncE(x) =x.

– Soitx∈R\Z.

On sait que −x∈R+ donc il existe q∈Z tel que q6−x < q+ 1.

Comme x 6∈Z, x 6=q donc q <x < q+ 1. Donc (−q−1) + 1>

x>−q−1 et −q−1∈Z. Donc E(x) =q−1.

• Soit x∈R. Soit (q, q)∈Z2 tel que q6x < q+ 1 et q 6x < q+ 1.

On note que x−1< q6x et x−1< q 6x.

Donc−x6−q <x+ 1. Donc−1< qq <1. Or qq ∈Z. Donc q=q.

Il y a donc unicité de la partie entière.

Application : Soitn ∈Neta∈R. Il existep∈Ztel quep610na < p+1.

On note que 10np6a <10n(p+1). Doncaadmet une écriture décimale approchée à 10n près.

Exemple 6.4 Soit a∈N\ {0,1,2}. Déterminer E(

a2+ 5).

On note que a2 6a2+ 5 et a2 + 5<(a+ 1)2. Comme les nombres sont positifs, a6√

a2+ 5 < a+ 1.

Ora ∈N donc E(

a2+ 5) =a.

6.2. THÉORÈME DE LA BORNE SUPÉRIEURE

6.2.3 Notion d’intervalle

Définition 6.5 On appelle intervalle de R toute partie I de R telle que pour tout (x, y)∈I2 vérifiant x6y, {z ∈R, x6z 6y} ⊂I.

On vérifie qu’un intervalle I est tel que l’une des propositions suivantes est vraie :

I =∅

I =R

• il existe a∈R tel que I = [a,+∞[

• il existe a∈R tel que I =]a,+∞[

• il existe a∈R tel que I =]− ∞, a[

• il existe a∈R tel que I = [−∞, a]

• il existe (a, b)∈R2 vérifiant a6b tel que I = [a, b[

• il existe (a, b)∈R2 vérifiant a6b tel que I = [a, b]

• il existe (a, b)∈R2 vérifiant a6b tel que I =]a, b]

• il existe (a, b)∈R2 vérifiant a6b tel que I =]a, b[

Démonstration pour quelques cas.

• SoitI un intervalle non vide, majoré, non minoré et contenant sa borne supérieure. Montrons que I =]− ∞,sup(I)].

SoitxI. Comme sup(I) majoreI,x6sup(I) doncx∈]−∞,sup(I)].

DoncI ⊂]− ∞,sup(I)].

Soit x ∈]− ∞,sup(I)]. sup(I) = I et x 6sup(I). Or x ne minore pas I.

Donc il existe tI tel que t < x. t et sup(I) appartiennent à I et t < x6sup(I) donc xI.

Finalement I =]− ∞,sup(I)].

• SoitI un intervalle non vide minoré et non majoré ne contenant pas sa borne inférieure. Motrons que I =] inf(I),+∞[.

Soit xI. Comme inf(I) minore I,x>inf(I).

Comme inf(I) 6∈ I, x > inf(I) donc x ∈] − ∞,sup(I)]. Donc I ⊂ ] inf(I),+∞[.

Soitx∈] inf(I),+∞[. Commexne majore pas I, il existetI tel que t > x.

Commex >inf(I),xne minore pasI donc il existezI tel quez < x.

Comme (t, z)∈I2 et z < x < t, xI.

Finalement I =] inf(I),+∞[.

Proposition 6.3 Soit (a, b)∈R2 tel que a 6b.

Q∩]a, b[6=∅

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CHAPITRE 6. LE CORPS DES RÉELS (R\Q)∩]a, b[6=∅

Démonstration. On posen =Eb3a+1. On note quen ∈Netn(ba)>3.

On pose q= E(nb)n1.

q∈Q

E(nb)−1< nb doncq < b

E(nb)> nb−1 doncE(nb)−1> nb−2. Or nb−2> na donc q > a.

Finalement, q∈Q∩]a, b[.

En notant que {r

2, r∈Q} ⊂R\Q, on déduit le deuxième résultat du premier.

6.3 Droite numérique achevée

Définition 6.6 On appelle droite numérique achevée et on note R l’en-semble formé par la réunion de R et de{−∞,+∞}.

On convient que :

– pour tout x∈R\ {+∞},

(x+ (−∞) =−∞

−∞+x=−∞

– pour tout x∈R\ {−∞},

(x+ (+∞) = +∞ +∞+x= +∞ – pour tout x∈R+∪ {+∞},

x×(+∞) = +∞ +∞ ×x= +∞ x×(−∞) = −∞

−∞ ×x=−∞

– pour tout x∈R∪ {+∞},

x×(+∞) = −∞

+∞ ×x=−∞

x×(−∞) = +∞

−∞ ×x= +∞

– pour tout x∈R, (

x6+∞ x>−∞

Chapitre 7

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