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Corrigé détaillé · Seconde générale

Ensembles de nombres, inclusions et écritures trompeuses · Ensembles de nombres · Appartenance et inclusion · Écriture décimale

La véritable identité des nombres

Après avoir cherché le sujet, comparez votre démarche avec cette correction et repérez les écarts de méthode, de précision ou de rédaction.

I - Éléments ou ensembles ?

  1. Les affirmations (a), (c), (f) et (g) sont vraies. Les autres se corrigent ainsi :
(b) 5N,(d) {5}N,(e) NZ,(h) 2,5Z.\begin{array}{llll} \text{(b) }5\in\mathbb N, & \text{(d) }\{5\}\subseteq\mathbb N, & \text{(e) }\mathbb N\subseteq\mathbb Z, & \text{(h) }2{,}5\notin\mathbb Z. \end{array}

Le symbole \in relie un élément à un ensemble, tandis que \subseteq relie deux ensembles. Enfin, 3-3 est bien décimal puisque

3=3010.-3=\frac{-30}{10}.
  1. La chaîne d'inclusions est
NZDQR.\boxed{\mathbb N\subseteq\mathbb Z\subseteq\mathbb D\subseteq\mathbb Q\subseteq\mathbb R}.

À ce stade, le symbole \subseteq ne dit pas encore si deux ensembles consécutifs pourraient être égaux. Les questions suivantes permettent précisément de montrer qu'ils ne le sont pas.

(a) On peut écrire

7=7010et4=4010.7=\frac{70}{10} \qquad\text{et}\qquad -4=\frac{-40}{10}.

Ces deux écritures sont de la forme a10n\dfrac{a}{10^n} avec aZa\in\mathbb Z et nNn\in\mathbb N. Ainsi 77 et 4-4 sont décimaux.

(b) Pour un entier quelconque mm, on peut faire exactement la même chose :

m=10m10.m=\frac{10m}{10}.

Donc tout entier est un nombre décimal, ce qui donne

ZD.\boxed{\mathbb Z\subseteq\mathbb D}.

(c) On a

2,35=235100.2{,}35=\frac{235}{100}.

Le numérateur 235235 et le dénominateur 100100 sont des entiers et 1000100\neq0. Cette écriture est donc aussi de la forme ab\dfrac ab utilisée dans la définition d'un rationnel : 2,35Q2{,}35\in\mathbb Q.

(d) Si xDx\in\mathbb D, il existe aZa\in\mathbb Z et nNn\in\mathbb N tels que

x=a10n.x=\frac{a}{10^n}.

Or 10n10^n est un entier strictement positif, donc non nul. Cette écriture est donc un quotient de deux entiers avec un dénominateur non nul : xQx\in\mathbb Q. Ainsi

DQ.\boxed{\mathbb D\subseteq\mathbb Q}.

II - Une écriture peut en cacher une autre

  1. On commence toujours par déterminer la valeur du nombre, puis on le classe.
NombreValeurEnsembles auxquels il appartientPlus petit ensembleA4N,Z,D,Q,RNB7Z,D,Q,RZC0,35D,Q,RDD0,625D,Q,RDE2N,Z,D,Q,RNF3Z,D,Q,RZ\begin{array}{c|c|c|c} \text{Nombre} & \text{Valeur} & \text{Ensembles auxquels il appartient} & \text{Plus petit ensemble}\\ \hline A & 4 & \mathbb N,\mathbb Z,\mathbb D,\mathbb Q,\mathbb R & \mathbb N\\[1mm] B & -7 & \mathbb Z,\mathbb D,\mathbb Q,\mathbb R & \mathbb Z\\[1mm] C & 0{,}35 & \mathbb D,\mathbb Q,\mathbb R & \mathbb D\\[1mm] D & 0{,}625 & \mathbb D,\mathbb Q,\mathbb R & \mathbb D\\[1mm] E & 2 & \mathbb N,\mathbb Z,\mathbb D,\mathbb Q,\mathbb R & \mathbb N\\[1mm] F & -3 & \mathbb Z,\mathbb D,\mathbb Q,\mathbb R & \mathbb Z \end{array}

En effet,

49=7,720=0,35,58=0,625,-\sqrt{49}=-7,\qquad \frac7{20}=0{,}35,\qquad \frac58=0{,}625, 8152=952=2,186=3.\frac{\sqrt{81}-5}{2}=\frac{9-5}{2}=2, \qquad -\frac{18}{6}=-3.
  1. L'écriture 4,004{,}00 contient une virgule, mais elle représente exactement le nombre 44. Or
4N.4\in\mathbb N.

Comme N\mathbb N est inclus dans tous les ensembles suivants de la chaîne, le plus petit ensemble contenant 4,004{,}00 est N\mathbb N, et non D\mathbb D.

III - Les frontières entre les ensembles

(a) Par exemple,

1Zmais1N.-1\in\mathbb Z\quad\text{mais}\quad -1\notin\mathbb N.

On savait déjà que NZ\mathbb N\subseteq\mathbb Z. Comme il existe maintenant un élément de Z\mathbb Z qui n'appartient pas à N\mathbb N, les deux ensembles ne sont pas égaux. Donc

NZ.\boxed{\mathbb N\subsetneq\mathbb Z}.

(b) De même,

12=0,5Dmais12Z.\frac12=0{,}5\in\mathbb D\quad\text{mais}\quad \frac12\notin\mathbb Z.

Ainsi

ZD.\boxed{\mathbb Z\subsetneq\mathbb D}.
  1. On sait déjà que 13Q\dfrac13\in\mathbb Q. Pour décider s'il est aussi décimal, on imagine provisoirement un monde où ce serait le cas.

(a) Dans ce monde, la définition d'un nombre décimal donne des entiers aa et nn tels que

13=a10n.\frac13=\frac{a}{10^n}.

En multipliant les deux membres par 3×10n3\times10^n, on obtient

10n=3a.\boxed{10^n=3a}.

(b) L'égalité 10n=3a10^n=3a signifie que 10n10^n est un multiple de 33. Dans le monde provisoire, on est donc conduit à conclure que 10n10^n est divisible par 33.

(c) 10n10^n est un 11 suivi de nn zéros. La somme de ses chiffres vaut donc 11. D'après le critère de divisibilité par 33, 10n10^n n'est pas divisible par 33. On obtient donc deux conclusions incompatibles : 10n10^n serait à la fois divisible et non divisible par 33.

(d) Cette contradiction ne vient pas d'une erreur de calcul : elle montre que le monde provisoire construit au départ est impossible. L'hypothèse 13D\dfrac13\in\mathbb D est donc fausse. Ainsi

13D.\frac13\notin\mathbb D.

Comme 13Q\dfrac13\in\mathbb Q, il existe un rationnel qui n'est pas décimal. Par conséquent

DQ.\boxed{\mathbb D\subsetneq\mathbb Q}.
  1. Le nombre 2\sqrt2 est un réel et l'on admet qu'il n'est pas rationnel. Il existe donc un élément de R\mathbb R qui n'appartient pas à Q\mathbb Q. Comme QR\mathbb Q\subseteq\mathbb R, on en déduit
QR.\boxed{\mathbb Q\subsetneq\mathbb R}.

On peut maintenant réunir les quatre frontières :

NZDQR.\boxed{\mathbb N\subsetneq\mathbb Z\subsetneq\mathbb D\subsetneq\mathbb Q\subsetneq\mathbb R}.

Des témoins possibles sont respectivement

1,12,13,2.-1,\qquad \frac12,\qquad \frac13,\qquad \sqrt2.

À chaque fois, le nombre appartient à l'ensemble situé à droite de la frontière, mais pas à celui situé à gauche.

IV - Une écriture infinie

(a) On a

d1=910=1110,d2=99100=11100,d_1=\frac9{10}=1-\frac1{10},\qquad d_2=\frac{99}{100}=1-\frac1{100}, d3=9991000=111000.d_3=\frac{999}{1000}=1-\frac1{1000}.

(b) Ces trois exemples conduisent naturellement à proposer

dn=1110n.\boxed{d_n=1-\frac1{10^n}}.

(c) Le nombre dnd_n s'écrit

dn=999n chiffres 910n.d_n=\frac{\underbrace{99\ldots9}_{n\text{ chiffres }9}}{10^n}.

L'entier du numérateur vaut 10n110^n-1, donc

dn=10n110n=1110n.d_n=\frac{10^n-1}{10^n}=1-\frac1{10^n}.

La formule proposée est bien démontrée.

(a) À partir de la formule précédente,

1d1=101=0,1,1d2=102=0,01,1-d_1=10^{-1}=0{,}1,\qquad 1-d_2=10^{-2}=0{,}01, 1d3=103=0,001,1d6=106=0,000001.1-d_3=10^{-3}=0{,}001,\qquad 1-d_6=10^{-6}=0{,}000001.

Ces nombres sont exactement les écarts entre les troncatures dnd_n et 11.

(b) Pour avoir un écart strictement inférieur à 10310^{-3}, il faut dépasser le cas n=3n=3, pour lequel l'écart vaut exactement 10310^{-3}. Le plus petit choix est donc n=4n=4. De même, pour un écart strictement inférieur à 10610^{-6}, le plus petit choix est n=7n=7.

(c) Pour p1p\geq1, on a

1dn=10n.1-d_n=10^{-n}.

Si n>pn>p, alors 10n<10p10^{-n}<10^{-p}. Cette condition suffit donc à obtenir l'écart demandé.

(d) Comme 10n>010^{-n}>0, on obtient, dès que n>pn>p,

0<1dn<10p.\boxed{0<1-d_n<10^{-p}}.

Ainsi, quelle que soit la précision décimale 10p10^{-p} choisie à l'avance, il suffit d'écrire suffisamment de chiffres 99 pour que l'écart entre dnd_n et 11 devienne encore plus petit.

  1. Pour tout p1p\geq1, dès que n>pn>p, la question 10(d) donne 0<1dn<10p0<1-d_n<10^{-p}. Toutes les troncatures suffisamment longues sont donc plus proches de 11 que toute précision décimale fixée à l'avance. Le principe admis dans l'énoncé donne alors
0,999=1.\boxed{0{,}999\ldots=1}.

Il ne s'agit pas d'une approximation : les deux écritures désignent exactement le même nombre. Pour chaque nombre fini de chiffres 99, on a bien dn<1d_n<1 ; l'égalité concerne l'écriture prolongée indéfiniment, ce que la notion de limite formalise.

  1. Puisque 0,999=10{,}999\ldots=1, on a
0,999N,Z,D,Q,R.0{,}999\ldots\in\mathbb N,\mathbb Z,\mathbb D,\mathbb Q,\mathbb R.

Son plus petit ensemble est donc

N.\boxed{\mathbb N}.

L'écriture infinie pourrait faire croire qu'il s'agit d'un nombre juste inférieur à 11, mais le classement porte sur la valeur du nombre, pas sur l'apparence de son écriture.