NOTE M-010 · Nombres réels · Vocabulaire ensembliste

Tout savoir sur les ensembles de nombres et intervalles pour le lycée

Mieux comprendre les différents ensembles, les opérations élémentaires sur les ensembles et les intervalles.

Niveaux
2de
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Objectifs

À la fin de cette leçon

  • Employer correctement les symboles d’appartenance et d’inclusion
  • Reconnaître les principaux ensembles de nombres
  • Distinguer nombres décimaux, rationnels et irrationnels
  • Calculer une intersection ou une réunion
  • Passer d’une inéquation à un intervalle et à sa représentation graphique

Pendant les trois années de lycée, de nombreux nouveaux outils mathématiques vont être introduits (fonctions, polynômes, dérivation, intégration, etc). Pour pouvoir utiliser avec rigueur (et simplicité) ces outils, il va falloir se munir d’un nouveau type de nombre, les nombres réels. Cet ensemble contient tous les ensembles de nombres introduits au collège, des entiers naturels aux nombres rationnels. Les nombres réels permettent l’introduction de la notion d’intervalle, très utile dans de nombreux contextes.

Cette note commence donc par le vocabulaire des ensembles, rappelle les ensembles usuels introduits au collège, introduit les réels, puis se concentre sur les intervalles de la droite réelle. Le symbole R\mathbb R désigne l’ensemble de tous les nombres réels.

Éléments, sous-ensembles et opérations

Un ensemble est une collection d’objets, appelés ses éléments. Pour un ensemble fini, on peut les écrire entre accolades :

E={1,2,3}.E=\{1,2,3\}.

L’ordre et les répétitions ne comptent pas : {3,1,2,1}=E\{3,1,2,1\}=E. Cet ensemble possède trois éléments ; on note Card⁡(E)=3\operatorname{Card}(E)=3.

Appartenance ou inclusion ?

Le symbole ∈\in relie un élément à un ensemble :

2∈Eet4∉E.2\in E \qquad\text{et}\qquad 4\notin E.

Le symbole ⊂\subset relie deux ensembles. Si F={1,3}F=\{1,3\}, tous les éléments de FF appartiennent à EE, donc F⊂EF\subset E.

Avec la convention de cette leçon, ⊂\subset autorise l’égalité. L’écriture F⊊EF\subsetneq E précise que l’inclusion est stricte. L’ensemble qui ne contient aucun élément est l’ensemble vide, noté ∅\varnothing.

Intersection et réunion

L’intersection A∩BA\cap B contient les éléments qui appartiennent à la fois à AA et à BB. La réunion A∪BA\cup B contient les éléments qui appartiennent à AA ou à BB, y compris ceux qui appartiennent aux deux.

Par exemple, si A={1,2,3}A=\{1,2,3\} et B={3,4}B=\{3,4\}, alors

A∩B={3}etA∪B={1,2,3,4}.A\cap B=\{3\} \qquad\text{et}\qquad A\cup B=\{1,2,3,4\}.
InclusionEFF ⊂ Etout F se trouve dans EIntersectionABzone hachurée : A ∩ Béléments présents dans A et dans BRéunionABzone hachurée : A ∪ Bdans A, dans B ou dans les deux

Faire glisser horizontalement pour voir les trois schémas.

Dans chaque schéma, les hachures montrent la partie désignée par la notation placée en dessous.

Enfin, le complémentaire de AA dans un ensemble de référence EE, noté E∖AE\setminus A, contient les éléments de EE qui n’appartiennent pas à AA. L’ensemble de référence doit toujours être connu.

Exercices

  1. Soient E={0,1,2,3,4}E=\{0,1,2,3,4\} et A={0,2,4}A=\{0,2,4\}. Compléter avec ∈\in, ∉\notin, ⊂\subset ou ⊄\not\subset : 2 … A2\ \ldots\ A, 3 … A3\ \ldots\ A, A … EA\ \ldots\ E et {1,5} … E\{1,5\}\ \ldots\ E.
  2. Avec A={0,2,4}A=\{0,2,4\} et B={2,3,4}B=\{2,3,4\}, déterminer A∩BA\cap B et A∪BA\cup B.
  3. Déterminer E∖AE\setminus A, puis vérifier que A∩(E∖A)=∅A\cap(E\setminus A)=\varnothing.
Correction de l’exercice 1
  1. 2∈A2\in A, 3∉A3\notin A, A⊂EA\subset E et {1,5}⊄E\{1,5\}\not\subset E, car 5∉E5\notin E.
Correction de l’exercice 2
  1. Les éléments communs et les éléments rassemblés donnent
A∩B={2,4},A∪B={0,2,3,4}.A\cap B=\{2,4\}, \qquad A\cup B=\{0,2,3,4\}.
Correction de l’exercice 3
  1. E∖A={1,3}E\setminus A=\{1,3\}. Aucun de ces deux éléments n’appartient à AA, donc A∩(E∖A)=∅A\cap(E\setminus A)=\varnothing.

Pour aller plus loin : plusieurs opérations

Lorsque plusieurs réunions et intersections se suivent, les parenthèses indiquent l’opération à effectuer en premier. Prenons

A={1,2},B={2,3},C={3}.A=\{1,2\}, \qquad B=\{2,3\}, \qquad C=\{3\}.

En calculant d’abord la réunion de AA et de BB, on obtient

(A∪B)∩C={1,2,3}∩{3}={3}.(A\cup B)\cap C =\{1,2,3\}\cap\{3\} =\{3\}.

En calculant d’abord l’intersection de BB et de CC, on trouve

A∪(B∩C)={1,2}∪{3}={1,2,3}.A\cup(B\cap C) =\{1,2\}\cup\{3\} =\{1,2,3\}.

Les deux résultats diffèrent : quand ∪\cup et ∩\cap sont mélangés, les parenthèses peuvent donc changer l’ensemble obtenu. Avec une seule opération, on peut regrouper librement les calculs :

(A∪B)∪C=A∪(B∪C)(A\cup B)\cup C=A\cup(B\cup C)

et la même propriété vaut pour l’intersection.

Les principaux ensembles de nombres

Les ensembles usuels sont emboîtés. Un nombre naturel est aussi un entier, un nombre décimal, un rationnel et un réel.

ℝ : √2 · πℚ : 1/3 · −7/11𝔻 : 0,125 · −2,4ℤ : −3 · −12ℕ : 0 · 5Chaque ellipse est entièrement contenue dans la suivante.ℕ ⊂ ℤ ⊂ 𝔻 ⊂ ℚ ⊂ ℝ
Les exemples sont placés dans la zone du plus petit ensemble auquel ils appartiennent. Ainsi, −3 est dans ℤ et aussi dans 𝔻, ℚ et ℝ.

Les entiers naturels N\mathbb N

N\mathbb N contient les entiers positifs ou nuls :

N={0,1,2,3,…}.\mathbb N=\{0,1,2,3,\ldots\}.

Ils servent notamment à compter. Dans cette leçon, 00 appartient à N\mathbb N.

Les entiers relatifs Z\mathbb Z

Z\mathbb Z contient les entiers naturels, leurs opposés et 00 :

Z={…,−3,−2,−1,0,1,2,3,…}.\mathbb Z=\{\ldots,-3,-2,-1,0,1,2,3,\ldots\}.

Ainsi, −7∈Z-7\in\mathbb Z et −7∉N-7\notin\mathbb N.

Les nombres décimaux D\mathbb D

Un nombre est décimal s’il peut s’écrire sous la forme

a10n,a∈Z,n∈N.\frac{a}{10^n}, \qquad a\in\mathbb Z,\quad n\in\mathbb N.

Son écriture décimale est donc finie. Par exemple,

0,125=1251000=18,−2,4=−2410=−125.0{,}125=\frac{125}{1000}=\frac18, \qquad -2{,}4=\frac{-24}{10}=\frac{-12}{5}.

Un entier est décimal : 7=71007=\frac7{10^0}. Un nombre décimal ne possède pas forcément de virgule dans l’écriture choisie.

Les nombres rationnels Q\mathbb Q

Un nombre est rationnel s’il peut s’écrire comme le quotient de deux entiers :

pq,p∈Z,q∈Z,q≠0.\frac pq, \qquad p\in\mathbb Z,\quad q\in\mathbb Z,\quad q\ne0.

Tous les décimaux sont rationnels. La réciproque est fausse :

13=0,333…\frac13=0{,}333\ldots

L’écriture décimale de 13\frac13 ne s’arrête jamais. Elle est périodique : le chiffre 33 se répète indéfiniment.

La période peut comporter plusieurs chiffres. Par exemple,

17=0,142857 142857 142857…\frac17=0{,}142857\,142857\,142857\ldots

La période est ici le bloc de six chiffres 142857142857.

Plus généralement, l’écriture décimale d’un rationnel est finie ou périodique à partir d’un certain rang. Pour comprendre pourquoi, effectuons la division posée de pp par ∣q∣|q|. À chaque étape, le reste détermine entièrement le chiffre décimal suivant et le nouveau reste.

Il n’existe que ∣q∣|q| restes possibles : 0,1,…,∣q∣−10,1,\ldots,|q|-1. Si le reste devient nul, l’écriture décimale s’arrête. Sinon, un même reste apparaît une seconde fois. À partir de là, les mêmes calculs produisent les mêmes chiffres dans le même ordre : l’écriture devient périodique.

Les nombres réels R\mathbb R

R\mathbb R contient tous les nombres repérables sur une droite graduée. Il réunit les rationnels et les irrationnels, comme 2\sqrt2 et π\pi, qui ne peuvent pas s’écrire comme quotient de deux entiers.

À noter que c’est une définition assez vague et peu rigoureuse. C’est à vrai dire un ensemble assez complexe à définir proprement, et en général il n’est abordé (éventuellement) que dans le supérieur. En fin de chapitre, je donne quelques notions et exemples sur pourquoi nous avons besoin de cet ensemble.

Exercices

  1. Donner le plus petit ensemble usuel contenant chacun des nombres suivants : −4-4, 66, 0,070{,}07, 27\frac27 et 5\sqrt5.
  2. Dire si les affirmations suivantes sont vraies : −3∈N-3\in\mathbb N, {2}⊂N\{2\}\subset\mathbb N, Z⊂D\mathbb Z\subset\mathbb D et π∈Q\pi\in\mathbb Q.
  3. Donner un exemple appartenant à Q∖D\mathbb Q\setminus\mathbb D, puis un exemple appartenant à R∖Q\mathbb R\setminus\mathbb Q.
Correction de l’exercice 1
  1. Les plus petits ensembles sont Z\mathbb Z pour −4-4, N\mathbb N pour 66, D\mathbb D pour 0,070{,}07, Q\mathbb Q pour 27\frac27 et R\mathbb R pour 5\sqrt5.
Correction de l’exercice 2
  1. −3∈N-3\in\mathbb N est faux. Les deux inclusions {2}⊂N\{2\}\subset\mathbb N et Z⊂D\mathbb Z\subset\mathbb D sont vraies. L’affirmation π∈Q\pi\in\mathbb Q est fausse.
Correction de l’exercice 3
  1. On peut choisir 13∈Q∖D\frac13\in\mathbb Q\setminus\mathbb D et 2∈R∖Q\sqrt2\in\mathbb R\setminus\mathbb Q.

Écritures décimales, fractions et nombres irrationnels

L’écriture d’un nombre peut changer sans que le nombre change :

0,125=1251000=18.0{,}125=\frac{125}{1000}=\frac18.

Ces trois écritures désignent exactement le même nombre. Les écritures décimale et fractionnaire permettent notamment de déterminer à quels ensembles usuels il appartient.

Déterminer si une fraction représente un nombre décimal

On commence par rendre la fraction irréductible et son dénominateur positif. Elle représente un nombre décimal exactement lorsque le dénominateur n’a pas d’autres facteurs premiers que 22 et 55 :

q=2α5β,α,β∈N.q=2^\alpha5^\beta, \qquad \alpha,\beta\in\mathbb N.

En effet, 10n=2n5n10^n=2^n5^n. On peut alors compléter les facteurs manquants afin d’obtenir une puissance de 1010 au dénominateur.

Par exemple,

740=723×5=1751000=0,175.\frac7{40} =\frac7{2^3\times5} =\frac{175}{1000} =0{,}175.

En revanche, 13\frac13 n’est pas décimal, car son dénominateur contient le facteur 33. Il faut toujours réduire la fraction avant d’appliquer le critère : 615=25=0,4\frac6{15}=\frac25=0{,}4 est bien décimal.

Pourquoi 2\sqrt2 n’est-il pas rationnel ?

La démonstration se fait par l’absurde. Supposons que 2\sqrt2 soit rationnel. Il existerait alors deux entiers pp et qq, avec q>0q>0, tels que

2=pq,\sqrt2=\frac pq,

la fraction pq\frac pq étant irréductible.

En élevant l’égalité au carré, on obtient

p2=2q2.p^2=2q^2.

Ainsi, p2p^2 est pair. Or le carré d’un entier impair est impair ; pp est donc pair. Il existe un entier kk tel que p=2kp=2k.

En remplaçant pp :

4k2=2q2,4k^2=2q^2,

puis, après division par 22,

q2=2k2.q^2=2k^2.

Le même raisonnement montre que qq est pair. pp et qq possèdent donc tous les deux le facteur 22, ce qui contredit l’irréductibilité de pq\frac pq.

Exercices

  1. Parmi 2160\frac{21}{60}, 730\frac7{30}, 9125\frac9{125} et 42150\frac{42}{150}, déterminer les fractions qui représentent des nombres décimaux. Donner alors leur écriture décimale.
  2. Montrer par l’absurde que 13\frac13 n’est pas décimal. On pourra supposer qu’il existe a∈Za\in\mathbb Z et n∈Nn\in\mathbb N tels que 13=a10n\frac13=\frac{a}{10^n}.
  3. Trouver un nombre décimal strictement compris entre 27\frac27 et 13\frac13.
  4. Trouver un nombre décimal strictement compris entre 2\sqrt2 et 3\sqrt3.
Correction de l’exercice 1
  1. On réduit 2160=720\frac{21}{60}=\frac7{20}. Comme 20=22×520=2^2\times5, 720=0,35\frac7{20}=0{,}35 est décimal.

    La fraction 730\frac7{30} est irréductible et son dénominateur contient le facteur 33 : elle n’est pas décimale. Enfin, 125=53125=5^3, donc 9125=721000=0,072\frac9{125}=\frac{72}{1000}=0{,}072 est décimal.

    On réduit aussi 42150=725\frac{42}{150}=\frac7{25}. Comme 25=5225=5^2, 725=28100=0,28\frac7{25}=\frac{28}{100}=0{,}28 est décimal.

Correction de l’exercice 2
  1. Supposons que 13=a10n\frac13=\frac{a}{10^n}. En multipliant par 3×10n3\times10^n, on obtient

    10n=3a.10^n=3a.

    Le membre de droite est divisible par 33. Le membre de gauche possède seulement les facteurs premiers 22 et 55, car 10n=2n5n10^n=2^n5^n. Cette contradiction montre que 13\frac13 n’est pas décimal.

Correction de l’exercice 3
  1. Commençons par chercher un décimal avec un seul chiffre après la virgule. Il est de la forme p10\frac p{10}, avec p∈Zp\in\mathbb Z. On veut donc

    27<p10<13.\frac27<\frac p{10}<\frac13.

    En multipliant les trois membres par 210210, qui est positif, on obtient

    60<21p<70.60<21p<70.

    Le choix p=3p=3 convient puisque 60<63<7060<63<70. Ainsi,

    27<310<13.\frac27<\frac3{10}<\frac13.

    Le nombre décimal recherché peut donc être 310=0,3\frac3{10}=0{,}3.

Correction de l’exercice 4
  1. Commençons par chercher un décimal avec un seul chiffre après la virgule, de la forme p10\frac p{10} avec p∈Zp\in\mathbb Z. Puisque 2<p10\sqrt2<\frac p{10}, l’entier pp est positif. On peut donc élever les trois membres au carré :

    2<p10<3⟺200<p2<300.\sqrt2<\frac p{10}<\sqrt3 \quad\Longleftrightarrow\quad 200<p^2<300.

    On teste les carrés voisins : 142=19614^2=196, 152=22515^2=225 et 162=25616^2=256. Le choix p=15p=15 convient, donc 2<1,5<3\sqrt2<1{,}5<\sqrt3.

Valeur exacte, encadrement, arrondi et écriture scientifique

Une valeur exacte désigne le nombre lui-même. Ainsi, 2\sqrt2 et π\pi sont des valeurs exactes. L’affichage décimal d’une calculatrice fournit une valeur approchée de ces nombres.

Un encadrement situe un réel entre une borne inférieure et une borne supérieure. Son amplitude est la différence entre les deux bornes. Par exemple,

1,414<2<1,4151{,}414<\sqrt2<1{,}415

est un encadrement décimal d’amplitude 1,415−1,414=0,001=10−31{,}415-1{,}414=0{,}001=10^{-3}. Il encadre donc 2\sqrt2 à 10−310^{-3} près.

Pour construire un encadrement décimal à 10−n10^{-n} près, on cherche deux décimaux consécutifs ayant nn chiffres après la virgule. Ici,

1,4142=1,999 396<2et1,4152=2,002 225>2,1{,}414^2=1{,}999\,396<2 \qquad\text{et}\qquad 1{,}415^2=2{,}002\,225>2,

ce qui justifie l’encadrement précédent.

On peut répéter cette recherche par balayage, en ajoutant un chiffre à chaque étape :

1<2<2,1,4<2<1,5,1,41<2<1,42,1,414<2<1,415.1<\sqrt2<2, \qquad 1{,}4<\sqrt2<1{,}5, \qquad 1{,}41<\sqrt2<1{,}42, \qquad 1{,}414<\sqrt2<1{,}415.

L’arrondi retient le décimal le plus proche à la précision demandée. Pour arrondir 2\sqrt2 au millième, on le compare au milieu 1,41451{,}4145. Or

1,414<2et1,41452=2,000 810 25>2.1{,}414<\sqrt2 \qquad\text{et}\qquad 1{,}4145^2=2{,}000\,810\,25>2.

Ainsi, 1,414<2<1,41451{,}414<\sqrt2<1{,}4145 et

2≃1,414\sqrt2\simeq1{,}414

au millième. Le symbole ≃\simeq indique une valeur approchée.

Écriture scientifique et chiffres significatifs

L’écriture scientifique, déjà rencontrée au collège, s’écrit a×10na\times10^n, avec 1≤∣a∣<101\le |a|<10 et n∈Zn\in\mathbb Z. Elle donne une autre écriture exacte d’un nombre décimal :

37 500=3,75×104,0,0042=4,2×10−3.37\,500=3{,}75\times10^4, \qquad 0{,}0042=4{,}2\times10^{-3}.

Dans un problème, on choisit une précision adaptée aux données et à la grandeur étudiée. Les chiffres significatifs se comptent à partir du premier chiffre non nul. Après arrondi, l’écriture scientifique fait apparaître directement le nombre de chiffres conservés :

0,004267=4,267×10−3≃4,27×10−30{,}004267 =4{,}267\times10^{-3} \simeq4{,}27\times10^{-3}

à trois chiffres significatifs. De la même manière, l’arrondi de 2\sqrt2 au millième peut s’écrire 2≃1,414×100\sqrt2\simeq1{,}414\times10^0.

Exercices

  1. Donner un encadrement de 7\sqrt7 d’amplitude 10−210^{-2}, puis son arrondi au centième.
  2. On admet que 3,14159<π<3,141603{,}14159<\pi<3{,}14160. En déduire l’arrondi de π\pi au millième, puis au dix-millième.
  3. Écrire 0,000560{,}00056 et 428 000428\,000 en écriture scientifique.
  4. Arrondir 0,0042670{,}004267 à deux chiffres significatifs, puis à trois chiffres significatifs. Donner les deux résultats en écriture scientifique.
Correction de l’exercice 1
  1. On calcule 2,642=6,9696<72{,}64^2=6{,}9696<7 et 2,652=7,0225>72{,}65^2=7{,}0225>7. Ainsi,

    2,64<7<2,65.2{,}64<\sqrt7<2{,}65.

    Cet encadrement a pour amplitude 0,01=10−20{,}01=10^{-2}. Pour choisir l’arrondi, on compare 7\sqrt7 au milieu 2,6452{,}645. Comme 2,6452=6,996 025<72{,}645^2=6{,}996\,025<7, on a 7>2,645\sqrt7>2{,}645. Son arrondi au centième vaut donc 2,652{,}65.

Correction de l’exercice 2
  1. Comme 3,1415<π<3,14253{,}1415<\pi<3{,}1425, l’arrondi au millième est 3,1423{,}142. De plus, 3,14155<π<3,141653{,}14155<\pi<3{,}14165, donc l’arrondi au dix-millième est 3,14163{,}1416.
Correction de l’exercice 3
  1. On obtient

    0,00056=5,6×10−4,428 000=4,28×105.0{,}00056=5{,}6\times10^{-4}, \qquad 428\,000=4{,}28\times10^5.
Correction de l’exercice 4
  1. On part de 0,004267=4,267×10−30{,}004267=4{,}267\times10^{-3}. À deux chiffres significatifs, le chiffre suivant est 66, donc l’arrondi est 4,3×10−34{,}3\times10^{-3}. À trois chiffres significatifs, le chiffre suivant est 77, donc l’arrondi est 4,27×10−34{,}27\times10^{-3}.

Tous les réels sur une même droite

La droite graduée réunit les entiers, les décimaux, les rationnels non décimaux et les irrationnels. Leur nature dépend de leurs écritures possibles. Leur position sur la droite ne suffit pas à les classer.

−2ℤ−1/2𝔻0ℕ√2ℝ∖ℚ3/2𝔻πℝ∖ℚ
Tous ces nombres sont réels. L’étiquette indique le plus petit ensemble usuel de la chaîne ℕ ⊂ ℤ ⊂ 𝔻 ⊂ ℚ ⊂ ℝ auquel appartient chaque exemple.

Deux réels distincts peuvent être aussi proches que l’on veut. Entre deux réels, on trouve toujours d’autres réels, et même une infinité de rationnels et d’irrationnels.

Exercices

  1. Ranger −12-\frac12, 2\sqrt2, 32\frac32 et π\pi dans l’ordre croissant.
  2. Placer approximativement −3-\sqrt3, 14\frac14 et 5\sqrt5 sur une droite graduée, après les avoir encadrés par deux entiers consécutifs.
  3. Donner un rationnel et un irrationnel appartenant à l’intervalle ]2 ; 3[]2\,;\,3[.
Correction de l’exercice 1
  1. On sait que 1<2<1,51<\sqrt2<1{,}5 car 1<2<2,251<2<2{,}25, et que π>3\pi>3. Ainsi,
−12<2<32<π.-\frac12<\sqrt2<\frac32<\pi.
Correction de l’exercice 2
  1. Comme 1<3<21<\sqrt3<2, on a −2<−3<−1-2<-\sqrt3<-1. De plus, 0<14<10<\frac14<1 et 2<5<32<\sqrt5<3. Ces encadrements suffisent pour placer les trois points dans les unités correspondantes.
Correction de l’exercice 3
  1. 52=2,5\frac52=2{,}5 est rationnel et 5\sqrt5 est irrationnel. Tous deux appartiennent à ]2 ; 3[]2\,;\,3[.

Des inéquations aux intervalles

Un intervalle contient tous les réels compris entre ses bornes. Pour a<ba<b, les crochets indiquent si les bornes appartiennent à l’intervalle.

IntervalleCondition sur xxReprésentation
[a ; b][a\,;\,b]a≤x≤ba\le x\le bab
]a ; b[]a\,;\,b[a<x<ba<x<bab
[a ; b[[a\,;\,b[a≤x<ba\le x<bab
]a ; b]]a\,;\,b]a<x≤ba<x\le bab
[a ; +∞[[a\,;\,+\infty[x≥ax\ge aa
]a ; +∞[]a\,;\,+\infty[x>ax>aa
]−∞ ; b]]-\infty\,;\,b]x≤bx\le bb
]−∞ ; b[]-\infty\,;\,b[x<bx<bb

L’infini n’est pas un nombre réel. Le crochet est donc toujours ouvert de son côté.

-25
L’intervalle [-2 ; 5[ correspond à l’inégalité −2 ≤ x < 5.

Résolvons 2x−1<72x-1<7 :

2x−1<7⟺2x<8⟺x<4.2x-1<7 \quad\Longleftrightarrow\quad 2x<8 \quad\Longleftrightarrow\quad x<4.

L’ensemble des solutions est donc ]−∞ ; 4[]-\infty\,;\,4[. Le nombre 44 est exclu puisque l’inégalité est stricte.

Exercices

  1. Traduire en intervalle : −2<x≤5-2<x\le5, x≥3x\ge3 et x<−1x<-1.
  2. Traduire en inégalité : x∈[−4 ; 2[x\in[-4\,;\,2[ et x∈]7 ; +∞[x\in]7\,;\,+\infty[.
  3. Résoudre −3x+2≥11-3x+2\ge11 et écrire l’ensemble des solutions sous forme d’intervalle.
Correction de l’exercice 1
  1. Les trois intervalles sont respectivement ]−2 ; 5]]-2\,;\,5], [3 ; +∞[[3\,;\,+\infty[ et ]−∞ ; −1[]-\infty\,;\,-1[.
Correction de l’exercice 2
  1. Les conditions sont −4≤x<2-4\le x<2 et x>7x>7.
Correction de l’exercice 3
  1. On calcule

    −3x+2≥11⟺−3x≥9⟺x≤−3.-3x+2\ge11 \quad\Longleftrightarrow\quad -3x\ge9 \quad\Longleftrightarrow\quad x\le-3.

    Le sens de l’inégalité change lors de la division par −3-3. L’ensemble des solutions est ]−∞ ; −3]]-\infty\,;\,-3].

Intersection et réunion d’intervalles

Les opérations introduites pour des ensembles quelconques s’appliquent aux intervalles.

Prenons

A=[−2 ; 3]etB=]1 ; 5[.A=[-2\,;\,3] \qquad\text{et}\qquad B=]1\,;\,5[.

L’intersection conserve les nombres communs aux deux intervalles :

A∩B=]1 ; 3].A\cap B=]1\,;\,3].

La réunion rassemble tous les nombres couverts par au moins l’un des deux :

A∪B=[−2 ; 5[.A\cup B=[-2\,;\,5[.

Deux conditions reliées par et conduisent généralement à une intersection. Deux conditions reliées par ou conduisent généralement à une réunion.

Si deux intervalles sont séparés, leur réunion conserve le trou. Par exemple,

]−∞ ; −1[  ∪  ]2 ; +∞[] -\infty\,;\,-1[ \;\cup\; ]2\,;\,+\infty[

ne peut pas être remplacé par un seul intervalle.

La leçon sur la valeur absolue montre comment décrire un intervalle centré à l’aide d’une distance.

Exercices

  1. Soient A=[−4 ; 1[A=[-4\,;\,1[ et B=[1 ; 3]B=[1\,;\,3]. Déterminer A∩BA\cap B et A∪BA\cup B.
  2. Déterminer [−2 ; 5]∩]1 ; 8[[-2\,;\,5]\cap]1\,;\,8[ et [−2 ; 5]∪]1 ; 8[[-2\,;\,5]\cup]1\,;\,8[.
  3. Résoudre simultanément x≥−3x\ge-3 et x<2x<2, puis résoudre les deux conditions reliées par « ou ».
Correction de l’exercice 1
  1. Le nombre 11 appartient seulement à BB. Les deux intervalles n’ont aucun élément commun :
A∩B=∅.A\cap B=\varnothing.

Tous les réels de −4-4 à 33 sont couverts, car 11 est fourni par BB. Ainsi,

A∪B=[−4 ; 3].A\cup B=[-4\,;\,3].
Correction de l’exercice 2
  1. La partie commune est ]1 ; 5]]1\,;\,5] et l’ensemble couvert par au moins un intervalle est [−2 ; 8[[-2\,;\,8[.
Correction de l’exercice 3
  1. Avec « et », on prend l’intersection : [−3 ; 2[[-3\,;\,2[. Avec « ou », les deux demi-droites couvrent R\mathbb R.

Couples et produit cartésien

Un couple (a ; b)(a\,;\,b) possède deux positions ordonnées. En général, (a ; b)≠(b ; a)(a\,;\,b)\ne(b\,;\,a).

Si E={1,2}E=\{1,2\} et F={3,4}F=\{3,4\}, le produit cartésien E×FE\times F contient tous les couples dont le premier élément appartient à EE et le second à FF :

E×F={(1 ; 3),(1 ; 4),(2 ; 3),(2 ; 4)}.E\times F =\{(1\,;\,3),(1\,;\,4),(2\,;\,3),(2\,;\,4)\}.

Cette notion apparaît notamment avec les coordonnées des points du plan et les issues d’une expérience à deux étapes.

Exercices

  1. Soient G={a,b}G=\{a,b\} et H={0,1,2}H=\{0,1,2\}. Combien d’éléments possède G×HG\times H ? En donner la liste.
  2. Écrire H×GH\times G et expliquer pourquoi il diffère de G×HG\times H.
  3. Si Card⁡(M)=4\operatorname{Card}(M)=4 et Card⁡(N)=5\operatorname{Card}(N)=5, déterminer Card⁡(M×N)\operatorname{Card}(M\times N).
Correction de l’exercice 1
  1. Chaque élément de GG peut être associé aux trois éléments de HH. Le produit cartésien possède donc 2×3=62\times3=6 éléments :
G×H={(a ; 0),(a ; 1),(a ; 2),(b ; 0),(b ; 1),(b ; 2)}.G\times H =\{(a\,;\,0),(a\,;\,1),(a\,;\,2), (b\,;\,0),(b\,;\,1),(b\,;\,2)\}.
Correction de l’exercice 2
  1. On inverse les rôles des deux positions :

    H×G={(0 ; a),(0 ; b),(1 ; a),(1 ; b),(2 ; a),(2 ; b)}.H\times G =\{(0\,;\,a),(0\,;\,b),(1\,;\,a),(1\,;\,b), (2\,;\,a),(2\,;\,b)\}.

    Les premiers éléments appartiennent ici à HH, ce qui produit des couples différents de ceux de G×HG\times H.

Correction de l’exercice 3
  1. Chaque élément de MM peut être associé aux cinq éléments de NN, donc Card⁡(M×N)=4×5=20\operatorname{Card}(M\times N)=4\times5=20.

Ouverture : pourquoi avons-nous besoin des nombres réels ?

On pourrait penser que les nombres rationnels (voire décimaux) sont suffisants pour la plupart des problèmes mathématiques classiques car il est toujours possible de s’approcher aussi près que l’on veut d’une valeur “exacte” à l’aide d’une fraction d’entiers relatifs. Ce n’est malheureusement (ou heureusement) pas suffisant. De nombreux problèmes formulés à l’aide de nombres rationnels ont des solutions qui n’en sont pas. Les nombres rationnels sont d’une certaine manière composés d’une infinité de trous qui amènent à des situations problématiques. Travailler avec les nombres réels permet de pallier (presque) tous ces problèmes. Voici quelques exemples de problématiques posées par les nombres rationnels. Cette ouverture va au-delà du programme de seconde. La convergence des suites et le théorème des valeurs intermédiaires sont étudiés en terminale spécialité ; la construction décimale proposée ici constitue un approfondissement.

Certaines équations à coefficients rationnels conduisent à des nombres irrationnels

Considérons l’équation

x2−2=0.x^2-2=0.

Ses coefficients 11, 00 et −2-2 sont rationnels. Ses deux solutions sont pourtant

x=−2etx=2,x=-\sqrt2 \qquad\text{et}\qquad x=\sqrt2,

qui sont irrationnelles. L’ensemble Q\mathbb Q ne contient donc pas toutes les solutions des équations du second degré à coefficients rationnels.

Les nombres réels ajoutent notamment ces solutions.

Une suite de rationnels peut avoir une limite irrationnelle

Considérons la suite définie par

u1=10−1!etun+1=un+10−(n+1)!pour n∈N∗.u_1=10^{-1!} \qquad\text{et}\qquad u_{n+1}=u_n+10^{-(n+1)!} \quad\text{pour }n\in\mathbb N^*.

La notation m!m! désigne le produit des entiers de 11 à mm. Les premiers termes sont

u1=0,1,u2=0,11,u3=0,110001,u4=0,110 001 000 000 000 000 000 001.\begin{aligned} u_1=0{,}1, \qquad u_2=0{,}11, \qquad u_3=0{,}110001, \\[0.5em] u_4=0{,}110\,001\,000\,000\,000\,000\,000\,001. \end{aligned}

Chaque terme possède une écriture décimale finie : tous les unu_n sont donc rationnels. La suite est croissante, puisque l’on ajoute un nombre strictement positif à chaque étape. Elle est également majorée par 11 :

0<un<1.0<u_n<1.

Toute suite croissante et majorée converge. Notons LL la limite de (un)(u_n). Son écriture décimale possède un chiffre 11 aux positions

1!, 2!, 3!, 4!,…1!,\ 2!,\ 3!,\ 4!,\ldots

et un chiffre 00 à toutes les autres positions. Les blocs de zéros deviennent de plus en plus longs, car l’écart entre deux factorielles consécutives tend vers l’infini.

Supposons, par l’absurde, que LL soit rationnel. Son écriture décimale serait alors périodique à partir d’un certain rang. Notons rr la longueur d’une période. On peut choisir un entier kk assez grand pour que la position k!k! se trouve dans la partie périodique et que

(k+1)!−k!>r.(k+1)!-k!>r.

Le chiffre situé à la position k!k! est 11. La périodicité imposerait donc un autre chiffre 11 à la position k!+rk!+r. Or cette position est strictement comprise entre k!k! et (k+1)!(k+1)! ; par construction, son chiffre est 00. Cette contradiction prouve que LL est irrationnel.

La suite (un)(u_n) est ainsi uniquement composée de nombres rationnels et converge vers un nombre irrationnel construit sans connaître sa valeur à l’avance.

Les rationnels posent problème pour la continuité des fonctions

Étudions la fonction ff définie sur [1 ; 2][1\,;\,2] par

f(x)=x2−2.f(x)=x^2-2.

Aux extrémités de l’intervalle,

f(1)=−1<0etf(2)=2>0.f(1)=-1<0 \qquad\text{et}\qquad f(2)=2>0.

La courbe est continue. En allant de la valeur négative −1-1 à la valeur positive 22, elle devrait intuitivement rencontrer l’axe des abscisses sur son chemin.

Or, si l’on autorisait seulement les abscisses rationnelles, 2\sqrt2 manquerait, car aucun q∈Qq\in\mathbb Q ne vérifie q2−2=0q^2-2=0. La fonction ne croiserait donc pas l’axe des abscisses dans Q\mathbb Q.

Les nombres rationnels comportent des trous qui empêchent d’utiliser certaines propriétés naturelles associées à la continuité. En se plaçant sur un intervalle de réels, le théorème des valeurs intermédiaires assure que la fonction passe bien par 00 entre 11 et 22.

Ouverture : les nombres complexes

Le prolongement des rationnels aux réels a permis de fournir un cadre plus complet pour résoudre de nombreux problèmes mathématiques. Dans le même esprit, les mathématiciens ont voulu aller plus loin et introduire un nouvel ensemble de nombres pour résoudre certains problèmes qui résistaient aux nombres réels : les nombres complexes. Ils sont introduits en terminale, dans l’option mathématiques expertes.

Les nombres complexes prolongent les réels et permettent notamment de résoudre toutes les équations du second degré à coefficients réels.

Pour cela, il faut introduire un nombre ii solution de l’équation x2=−1x^2=-1. ii est appelé l’unité imaginaire et peut se voir, de façon intuitive et historique, comme la racine de −1-1 : −1\sqrt{-1}. Cette écriture n’est toutefois pas rigoureuse dans R\mathbb R, car la fonction racine carrée n’y est pas définie pour les nombres négatifs.

Muni de ce nombre, un nombre complexe s’écrit a+iba+ib, avec a,b∈Ra,b\in\mathbb R.

Leur ensemble est noté C\mathbb C et

R⊂C.\mathbb R\subset\mathbb C.

Une conséquence vue en terminale est que dans C\mathbb C, un trinôme du second degré à coefficients réels admet toujours deux racines (ou une racine double), même quand son discriminant est négatif.

Sources et repères

  1. Programme de mathématiques de seconde générale et technologique (annexe, sections Vocabulaire ensembliste et Nombres réels)Ministère de l’Éducation nationale — Bulletin officiel du 2 avril 2026
  2. Programme de mathématiques expertes de terminale générale (annexe, section Nombres complexes)Ministère de l’Éducation nationale — Bulletin officiel du 25 juillet 2019
  3. Programme de spécialité mathématiques de terminale générale (annexe, sections Suites et Continuité)Ministère de l’Éducation nationale — Bulletin officiel du 25 juillet 2019