🇨🇩 Algèbre et analyse

Langage mathématique et nombres réels

⏱ 30 minProgramme officiel : CD-H1-ALG-01

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🎯 Dans cette leçon, tu vas apprendre à

  • Utiliser quantificateurs, ensembles et notations ; situer N, Z, D, Q et R.
  • Calculer dans R : valeur absolue, proportionnalité, puissances.

La leçon

Introduction

Au marché de Gambela, Mujinga compare des prix, des poids et des températures : elle utilise sans le savoir des nombres entiers, des décimaux, des fractions et des distances. Pour parler de ces nombres avec précision, les mathématiques ont leur propre langage : ensembles, quantificateurs, valeur absolue et puissances. Dans cette leçon, tu apprends à le lire, à l’écrire et à calculer avec lui.

Explication

Notations et quantificateurs

  • ∈\in : « appartient à » ; ⊂\subset : « est inclus dans » ; ∩\cap : intersection ; ∪\cup : réunion.
  • ∀\forall : « pour tout » ; ∃\exists : « il existe au moins un ».
  • Négation : on change ∀\forall en ∃\exists (et inversement) et on nie la propriété finale. Exemple : la négation de « ∀x∈R, x>1\forall x\in\mathbb{R},\ x>1 » est « ∃x∈R, x≤1\exists x\in\mathbb{R},\ x\le 1 ».

Les ensembles de nombres

  • N\mathbb{N} : entiers naturels {0 ; 1 ; 2 ;… }\{0\,;\,1\,;\,2\,;\dots\} ; Z\mathbb{Z} : entiers relatifs.
  • D\mathbb{D} : nombres décimaux, de la forme a10n\dfrac{a}{10^n} avec a∈Za\in\mathbb{Z}, n∈Nn\in\mathbb{N} (exemple : 0,750{,}75).
  • Q\mathbb{Q} : rationnels, de la forme ab\dfrac{a}{b} avec a∈Za\in\mathbb{Z}, b∈Z∗b\in\mathbb{Z}^*.
  • R\mathbb{R} : ensemble des nombres réels, qui contient aussi les irrationnels comme 2\sqrt{2} ou π\pi.
N⊂Z⊂D⊂Q⊂R\mathbb{N}\subset\mathbb{Z}\subset\mathbb{D}\subset\mathbb{Q}\subset\mathbb{R}

Ainsi 13∈Q\dfrac13\in\mathbb{Q} mais 13∉D\dfrac13\notin\mathbb{D} ; 2∈R\sqrt2\in\mathbb{R} mais 2∉Q\sqrt2\notin\mathbb{Q}.

Explication

Valeur absolue

Pour x∈Rx\in\mathbb{R} : ∣x∣=x|x|=x si x≥0x\ge0 et ∣x∣=−x|x|=-x si x<0x<0. C’est la distance de xx à 00 ; ∣a−b∣|a-b| est la distance entre aa et bb.

  • ∣x∣≥0|x|\ge0 et ∣ab∣=∣a∣ ∣b∣|ab|=|a|\,|b|.
  • Pour r>0r>0 : ∣x∣=r  ⟺  x=r|x|=r\iff x=r ou x=−rx=-r.
  • Pour r>0r>0 : ∣x∣≤r  ⟺  −r≤x≤r|x|\le r\iff -r\le x\le r, soit x∈[−r ; r]x\in[-r\,;\,r].
  • Plus généralement, ∣x−a∣≤r  ⟺  x∈[a−r ; a+r]|x-a|\le r\iff x\in[a-r\,;\,a+r].

Explication

Puissances (a,b∈R∗a,b\in\mathbb{R}^*, m,n∈Zm,n\in\mathbb{Z})

  • a0=1a^0=1 ; a−n=1ana^{-n}=\dfrac1{a^n}.
  • am×an=am+na^m\times a^n=a^{m+n} ; aman=am−n\dfrac{a^m}{a^n}=a^{m-n} ; (am)n=amn(a^m)^n=a^{mn} ; (ab)n=anbn(ab)^n=a^nb^n.
  • Attention : (−3)2=9(-3)^2=9 mais −32=−9-3^2=-9.

Proportionnalité

Deux grandeurs sont proportionnelles s’il existe un nombre kk tel que y=kxy=kx (kk est le coefficient). Alors y1x1=y2x2\dfrac{y_1}{x_1}=\dfrac{y_2}{x_2}, et ab=cd  ⟺  ad=bc\dfrac ab=\dfrac cd\iff ad=bc (avec b,d≠0b,d\ne0). On retrouve une valeur inconnue par la règle de trois ou le produit en croix.

Exemple résolu

Problème : Parmi −4-4 ; 0,750{,}75 ; 13\dfrac13 ; 9\sqrt9 ; 2\sqrt2, lesquels sont dans Z\mathbb{Z}, dans D\mathbb{D}, dans Q\mathbb{Q} ?

Étape 1 : 9=3\sqrt9=3 et −4-4 sont des entiers relatifs : ils sont dans Z\mathbb{Z}.

Étape 2 : 0,75=751000{,}75=\dfrac{75}{100} est décimal ; les entiers sont aussi décimaux. Donc D\mathbb{D} contient −4-4 ; 0,750{,}75 ; 9\sqrt9.

Étape 3 : 13\dfrac13 est un quotient d’entiers, mais n’a pas d’écriture a10n\dfrac a{10^n} : il est dans Q\mathbb{Q}, pas dans D\mathbb{D}.

Réponse : Z\mathbb{Z} : −4-4 ; 9\sqrt9. D\mathbb{D} : ces deux-là et 0,750{,}75. Q\mathbb{Q} : ces trois-là et 13\dfrac13. Le nombre 2\sqrt2 est seulement dans R\mathbb{R}.

Exemple résolu

Problème : Résous ∣2x−3∣=7|2x-3|=7, puis ∣x−2∣≤3|x-2|\le3.

Étape 1 : ∣2x−3∣=7  ⟺  2x−3=7|2x-3|=7\iff 2x-3=7 ou 2x−3=−72x-3=-7.

Étape 2 : 2x=102x=10 donc x=5x=5 ; ou 2x=−42x=-4 donc x=−2x=-2.

Étape 3 : Vérification : ∣2×5−3∣=7|2\times5-3|=7 et ∣2×(−2)−3∣=∣−7∣=7|2\times(-2)-3|=|-7|=7.

Étape 4 : ∣x−2∣≤3  ⟺  −3≤x−2≤3  ⟺  −1≤x≤5|x-2|\le3\iff -3\le x-2\le3\iff -1\le x\le5.

Réponse : {−2 ; 5}\{-2\,;\,5\} pour l’équation ; [−1 ; 5][-1\,;\,5] pour l’inéquation.

Exemple résolu

Problème : Calcule A=23×2−52−1A=\dfrac{2^3\times2^{-5}}{2^{-1}}.

Étape 1 : Numérateur : 23×2−5=23+(−5)=2−22^3\times2^{-5}=2^{3+(-5)}=2^{-2}.

Étape 2 : Quotient : 2−22−1=2−2−(−1)=2−1\dfrac{2^{-2}}{2^{-1}}=2^{-2-(-1)}=2^{-1}.

Étape 3 : 2−1=122^{-1}=\dfrac12.

Réponse : A=12=0,5A=\dfrac12=0{,}5.

Attention

Attention : Pour une lettre, ∣x∣|x| n’est pas toujours « xx sans son signe » : si x<0x<0, alors ∣x∣=−x|x|=-x. Par exemple, si x=−3x=-3, alors ∣x∣=−(−3)=3|x|=-(-3)=3. De plus, ∣x−5∣≠∣x∣−5|x-5|\ne|x|-5 en général (pour x=−3x=-3 : 8≠−28\ne-2).

À retenir

  • N⊂Z⊂D⊂Q⊂R\mathbb{N}\subset\mathbb{Z}\subset\mathbb{D}\subset\mathbb{Q}\subset\mathbb{R} ; 13∈Q∖D\dfrac13\in\mathbb{Q}\setminus\mathbb{D} et 2∈R∖Q\sqrt2\in\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q}.
  • Négation : ∀↔∃\forall\leftrightarrow\exists et on nie la propriété.
  • ∣x∣|x| est une distance : ∣x∣=r  ⟺  x=±r|x|=r\iff x=\pm r ; ∣x∣≤r  ⟺  −r≤x≤r|x|\le r\iff -r\le x\le r.
  • aman=am+na^m a^n=a^{m+n} ; aman=am−n\dfrac{a^m}{a^n}=a^{m-n} ; (am)n=amn(a^m)^n=a^{mn} ; a−n=1ana^{-n}=\dfrac1{a^n}.
  • Proportionnalité : y=kxy=kx ; produit en croix.

✍️ Exercices

Réponds à un exercice à la fois. Ta réponse est corrigée aussitôt, avec une explication.

Exercice 1 sur 8

★ Facile

Quel est le plus petit de ces ensembles qui contient le nombre −7-7 ?

Ta réponse