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 ?
- Les affirmations (a), (c), (f) et (g) sont vraies. Les autres se corrigent ainsi :
Le symbole relie un élément à un ensemble, tandis que relie deux ensembles. Enfin, est bien décimal puisque
- La chaîne d'inclusions est
À ce stade, le symbole 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
Ces deux écritures sont de la forme avec et . Ainsi et sont décimaux.
(b) Pour un entier quelconque , on peut faire exactement la même chose :
Donc tout entier est un nombre décimal, ce qui donne
(c) On a
Le numérateur et le dénominateur sont des entiers et . Cette écriture est donc aussi de la forme utilisée dans la définition d'un rationnel : .
(d) Si , il existe et tels que
Or est un entier strictement positif, donc non nul. Cette écriture est donc un quotient de deux entiers avec un dénominateur non nul : . Ainsi
II - Une écriture peut en cacher une autre
- On commence toujours par déterminer la valeur du nombre, puis on le classe.
En effet,
- L'écriture contient une virgule, mais elle représente exactement le nombre . Or
Comme est inclus dans tous les ensembles suivants de la chaîne, le plus petit ensemble contenant est , et non .
III - Les frontières entre les ensembles
(a) Par exemple,
On savait déjà que . Comme il existe maintenant un élément de qui n'appartient pas à , les deux ensembles ne sont pas égaux. Donc
(b) De même,
Ainsi
- On sait déjà que . 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 et tels que
En multipliant les deux membres par , on obtient
(b) L'égalité signifie que est un multiple de . Dans le monde provisoire, on est donc conduit à conclure que est divisible par .
(c) est un suivi de zéros. La somme de ses chiffres vaut donc . D'après le critère de divisibilité par , n'est pas divisible par . On obtient donc deux conclusions incompatibles : serait à la fois divisible et non divisible par .
(d) Cette contradiction ne vient pas d'une erreur de calcul : elle montre que le monde provisoire construit au départ est impossible. L'hypothèse est donc fausse. Ainsi
Comme , il existe un rationnel qui n'est pas décimal. Par conséquent
- Le nombre est un réel et l'on admet qu'il n'est pas rationnel. Il existe donc un élément de qui n'appartient pas à . Comme , on en déduit
On peut maintenant réunir les quatre frontières :
Des témoins possibles sont respectivement
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
(b) Ces trois exemples conduisent naturellement à proposer
(c) Le nombre s'écrit
L'entier du numérateur vaut , donc
La formule proposée est bien démontrée.
(a) À partir de la formule précédente,
Ces nombres sont exactement les écarts entre les troncatures et .
(b) Pour avoir un écart strictement inférieur à , il faut dépasser le cas , pour lequel l'écart vaut exactement . Le plus petit choix est donc . De même, pour un écart strictement inférieur à , le plus petit choix est .
(c) Pour , on a
Si , alors . Cette condition suffit donc à obtenir l'écart demandé.
(d) Comme , on obtient, dès que ,
Ainsi, quelle que soit la précision décimale choisie à l'avance, il suffit d'écrire suffisamment de chiffres pour que l'écart entre et devienne encore plus petit.
- Pour tout , dès que , la question 10(d) donne . Toutes les troncatures suffisamment longues sont donc plus proches de que toute précision décimale fixée à l'avance. Le principe admis dans l'énoncé donne alors
Il ne s'agit pas d'une approximation : les deux écritures désignent exactement le même nombre. Pour chaque nombre fini de chiffres , on a bien ; l'égalité concerne l'écriture prolongée indéfiniment, ce que la notion de limite formalise.
- Puisque , on a
Son plus petit ensemble est donc
L'écriture infinie pourrait faire croire qu'il s'agit d'un nombre juste inférieur à , mais le classement porte sur la valeur du nombre, pas sur l'apparence de son écriture.