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Cours d"analyse 1

Licence 1er semestre

Guy Laffaille

Christian Pauly

janvier 2006 2

Table des mati`eres

1 Les nombres r´eels et complexes 5

1.1 Nombres rationnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1.2 Nombres r´eels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1.3 Densit´e des rationnels et irrationnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

1.4 Nombres complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

1.5 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

2 Logique et langage des ensembles 15

2.1 Propositions et op´erateurs logiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

2.2 Quantificateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

2.3 Techniques de d´emonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

2.3.1 R´ecurrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

2.3.2 Contrapos´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

2.3.3 D´emonstration par l"absurde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

2.4 Langage des ensembles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

2.5 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3 Suites r´eelles et complexes 21

3.1 Limite d"une suite r´eelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

3.2 Propri´et´es de la limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

3.3 Suites adjacentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

3.4 Comparaison de suites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

3.5 Suites complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

3.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

4 Fonctions d"une variable r´eelle 39

4.1 Limite et continuit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

4.2 Propri´et´es de la limite d"une fonction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

4.3 Propri´et´es des fonctions continues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

4.4 Fonctions d´erivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

4.5 Propri´et´es des fonctions d´erivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47

4.6 Application aux suites r´eelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

4.7 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

5 D´eveloppements limit´es 55

5.1 Comparaison de fonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

5.2 Formules de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

5.3 Calcul de d´eveloppements limit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59

5.4 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61

3

4TABLE DES MATI`ERES6 Fonctions classiques 63

6.1 Fonctions bijectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

6.2 Logarithme et exponentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

6.3 D´eveloppements limit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65

6.4 Fonctions trigonom´etriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

7 Corrig´e des exercices 69

Remerciements.

Merci `a Thierry Mignon, Vladimir Verchinin, Julien Munier, Denis Trotabas et Daniel Maerten pour les exercices de TD. Merci `a Michele Bolognesi pour la r´edaction de quelques corrig´es d"exercices. Merci `a Ivan Babenko pour la preuve de l"irrationnalit´e du nombre d"Euler.

Chapitre 1

Les nombres r´eels et complexes

1.1 Nombres rationnels

On d´esigne parNl"ensemble des entiers naturels

N={0,1,2,3,...}.

Comme chaque entier naturelnadmet un successeurn+ 1, on se convainc sans peine queNest un ensemble infini. On noteN?l"ensembleN\{0}, c"est-`a-dire l"ensemble des entiers naturels non nuls. ´Etant donn´e deux entiers naturelsxetyon sait d´efinir les nombres x+y,x-y,x·yetxy ,siy?= 0.

On remarque que l"addition et la multiplication sont des op´erations qui ont leur r´esultat dansN.

Par contre le r´esultat d"une soustraction ou d"une division n"est pas toujours un entier naturel.

On cr´ee ainsi de nouveaux nombres

Z={...,-3,-2,-1,0,1,2,3,...},

l"ensemble des entiers relatifs - on noteraZ?=Z\ {0}- et Q=?ab |a?Zetb?Z?? l"ensemble des nombres rationnels dans lequel on identifie la fraction ab aveca·nb·npour touta?Z etb,n?Z?.

On a bien entendu les inclusions suivantes

N?Z?Q

et les quatre op´erations ´el´ementaires +,-,·et/peuvent s"´etendre `a l"ensembleQdes nombres

rationnels. Les Grecs classiques ont cru longtemps que toutes les quantit´es s"exprimaient par des nombres rationnels. Ils se sont aper¸cu que ce n"est pas toujours le cas. En effet on peut construire des nombres qui ne sont pas rationnels. Consid´erons par exemple un triangleABCrectangle enA5

6CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXESABC

b caSi on noteala longueur du segmentBC,bcelle deCAetccelle deAB, alors le th´eor`eme de

Pythagore dit qu"on a la relation

a

2=b2+c2.

Ainsi on obtient que la longueur de la diagonale d"un carr´e de cˆot´eb=c= 1 est ´egale `aa=⎷2.

Proposition 1.1.1Le nombre

⎷2n"est pas un nombre rationnel. D´emonstration.Nous allons faire une d´emonstration par l"absurde.1 Supposons que⎷2 est rationnel. Il existe alors deux entiers positifsa,btels que⎷2 =a/b. Si aetbsont pairs, on peut simplifier la fractiona/bpar 2. En simplifiant par 2 autant que possible, on arrive au cas o`u au moins un des deux entiersaoubestimpair.

En ´elevant au carr´e l"´egalit´e⎷2 =a/bet en chassant le d´enominateur, on arrive `a

2b2=a2.

Donca2est pair. Siaest impair, on peut ´ecrirea= 2a?+ 1, alorsa2= 4a?2+ 4a?+ 1 qui est impair. On en d´eduit donc queaestpair, donc on peut ´ecrirea= 2a?, ce qui donne 2b2= 4a?2et en simplifiant par 2, on obtient b

2= 2a?2.

C"est la mˆeme ´equation que ci-dessus aveca?`a la place debetb`a la place dea. Le mˆeme raisonnement montre alors quebest aussipair. On a donc une contradiction et⎷2 ne peut pas ˆetre rationnel.Voici d"autres exemples de nombres irrationnels.

1.Le nombreπ= 3,1415...d´efini comme la circonf´erence d"un cercle de diam`etre 1.2.Le nombre d"Eulere= 2,718..., la base de l"exponentielle, d´efini comme somme infinie2

e= 1 +11! +12! +13! +···+1k!+···3.Les racines carr´es ⎷nsinest un entier qui n"est pas un carr´e, c"est-`a-dire qui n"est pas de la formen=k2aveck?N.Proposition 1.1.2Le nombre d"Euleren"est pas un nombre rationnel.1 voir section 2.3.3

2Par d´efinitionn! = 1·2·3···n

1.2. NOMBRES R

´EELS7D´emonstration.Comme pour⎷2 nous allons faire une d´emonstration par l"absurde. Supposons

donc queeest rationnel. Il existe alors deux entiersa,b?N?tels que e=ab = 1 +11! +12! +13! +···+1n!+··· Multiplions parb!. Alors on obtient l"´egalit´e ab b!-? b! +b! +b!2! +b!3! +···+b!b!?

1b+ 1+1(b+ 1)(b+ 2)+1(b+ 1)(b+ 2)(b+ 3)+···+1(b+ 1)(b+ 2)···(b+n)+···

Il est clair que tous les termes de la somme `a gauche sont des nombres entiers, donc la somme, qu"on noteras, est aussi un entier. En utilisant la minoration (b+ 1)(b+ 2)···(b+n)>(b+ 1)n on obtient un l"encadrement suivant des

0< s <1b+ 1+1(b+ 1)2+1(b+ 1)3+···+1(b+ 1)n+···.

Cette derni`ere somme infinie vaut

1b+1·11-1b+1=1b

d"apr`es la formule donnant la somme d"une s´erie g´eom´etrique (voir (1.1)). Ainsi on obtient l"encadrement

0< s <1b

ce qui contreditsentier.La preuve de l"irrationalit´e deπet d´epasse largement le cadre de ce cours. Nous renvoyons par

exemple au livre "Autour du nombreπ" de Pierre Eymard et Jean-Pierre Lafon.

Par contre l"irrationalit´e de

⎷nse montre de la mˆeme fa¸con que celle de⎷2 (exercice).

1.2 Nombres r´eels

La proposition 1.1.1 dit que

⎷2 n"est pas rationnel, c"est-`a-dire ne peut pas s"´ecrire comme

quotient de deux entiers. Cependant nous savons que le nombre⎷2 peut s"´ecrire sous forme d"un

d´eveloppement d´ecimalinfini⎷2 = 1,41421356...

Dans ce cours nous prenons cette repr´esentation d´ecimale comme d´efinition d"un nombre r´eel.D´efinition 1.2.1 (nombre r´eel)Un nombre r´eel est une collection de chiffres{c0,...,cm}et

{d1,d2,...}compris entre0et9. Les chiffrescisont en nombre fini et les chiffresdjpeuvent ˆetre

en nombre infini. On fait correspondre `a cette collection le nombre donn´e par le d´eveloppement

d´ecimal x=cmcm-1...c1c0,d1d2d3...dn....

Exemples.

8CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXES1.Les d´ecimales du nombreπsont

c

0= 3, d1= 1, d2= 4, d3= 1,....2.S"il n"y a qu"un nombre fini de d´ecimalesdjnon nulles, alors le r´eelxest un rationnel et

x=cm10m+cm-110m-1+···+c110 +c0+d110-1+···+dn10-n

(xest rationnel, car c"est une somme de rationnels).3.Un nombre rationnel admet un d´eveloppement d´ecimal, donc est r´eel. On a

13

= 0,3333...(que des 3)Th´eor`eme 1.2.1Un nombre r´eel est rationnel si et seulement si son d´eveloppement d´ecimal est

p´eriodique `a partir d"un certain rang. Nous admettons ce r´esultat. On peut se convaincre que c"est vrai en effectuant une division de

deux entiers (3/7 par exemple) et en constatant qu"il n"y a qu"un nombre fini de possibilit´es pour

les restes, donc ¸c`a boucle.

Remarques.1.Cette d´efinition nous suffira pour ce cours mais elle n"est pas tr`es satisfaisante. D"abord un

nombre r´eel peut avoir deux d´eveloppements d´ecimaux distincts. Par exemple 1 = 0,9999... (toujours des 9). On peut pour s"en convaincre ´ecrire

0,9999···=910

1 +110

+···+110 n···? On voit qu"on a affaire `a un progression g´eom´etrique et on peut utiliser la formule donnant la somme d"une s´erie g´eom´etrique

11-a= 1 +a+a2+···+an+···(1.1)

vraie pour tout r´eelatel que|a|<1 (ici on prenda=110

.)2.Cette d´efinition fait r´ef´erence au nombre 10. On peut prendre une autre base de num´eration,

ce qui donnerait une d´efinition ´equivalente d"un nombre r´eel.3.Les op´erations addition, multiplication,... ne sont pas si faciles que l"on pourrait le penser

`a cause du probl`eme des retenues.4.Il existe des constructions plus intrins`eques de l"ensemble des r´eels. Ces constructions d´epassent

le cadre de ce cours.5.Il est impossible de d´efinir rigoureusement le nombreπpar son d´eveloppement d´ecimal. Il

faudrait un temps et un espace infini pour calculer TOUTES les d´ecimales deπ! Donner une

valeur approch´ee (utilis´ee dans le calcul num´erique) d"un nombre r´eel, aussi bonne qu"elle

soit, n"est pas une d´efinition au sens math´ematique. L"ensemble des r´eels sera not´eRet l"on a les inclusions

N?Z?Q?R.

On notera tr`es souventR?l"ensemble des r´eels non nuls. r´eels.

1.2. NOMBRES R

´EELS9D´efinition 1.2.2 (majorant, minorant, partie born´ee)

siAa un minorant.3.Si la partieAest major´ee et minor´ee, on dit queAestborn´ee.D´efinition 1.2.3 (intervalle, segment)

aussi que[a,b]est un segment.2.On note]a,b[l"ensemble des r´eelsxtels quea < x < b. C"est un intervalleouvert.

On d´efinit de mˆeme les intervalles mixtes ou semi-ouverts [a,b[ et ]a,b]. On introduit aussi le

Exemples.-1,23,πsont des majorants du segmentA= [0,1]. 1 est un majorant deA= [0,1[.-L"intervalle [a,+∞[ n"a pas de majorant.Th´eor`eme 1.2.2 (Propri´et´e d"Archim`ede)Soientxetydeux r´eels>0, alors il existe un

entierntel queny > x.

Nous ne d´emontrons pas cette propri´et´e. Elle dit qu"en faisant assez de pas de longueuryon

d´epassex. D"ailleurs avec notre d´efinition des r´eels la propri´et´e d"Archim`ede est ´evidente, ce qui

est loin d"ˆetre le cas quand on d´efinit un nombre r´eel de mani`ere intrins`eque.D´efinition 1.2.4 (borne sup´erieure, borne inf´erieure)SoitAune partie non vide deR(ou

le minimum de l"ensemble des majorants deAetborne inf´erieuredeAle maximum de l"ensemble des minorants deA.

Avant d"´enoncer le th´eor`eme d"existence de la borne sup´erieure dansR, montrons que la borne

sup´erieure n"existe pas toujours. On se place dansQmuni de l"ordre naturel.Proposition 1.2.1Consid´erons la partieA={x?Q|x2<2}. AlorsAn"a pas de borne

sup´erieure dansQ. D´emonstration.SoitMun majorant deAdansQ. Il y en a : 2,127 en sont. Posons M ?=M2+ 22M. Nous allons v´erifier queM?est un autre majorant (dansQ) et queM?< M, ce qui prouve qu"il n"y a pas de plus petit majorant. Montrons queM?est un majorant : il suffit de voir queM?2>2. On calcule M ?2-2 =(M2+ 2)24M2-2 =M4-4M2+ 44M2=(M2-2)24M2

10CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXESqui est bien strictement positif. En effetM2-2?= 0, car sinon⎷2 serait rationnel (voir proposition

1.1.1).

V´erifions queM?< M. On calcule

M-M?=M-M2+ 22M=M2-22M

qui est bien strictement positif puisqueMest un majorant rationnel deA. On peut aussi tracer le graphe de la fonction qui donneM?en fonction deM y=x2+ 22x C"est une hyperbole de centre l"origine, d"asymptotex= 0 ety=x/2 qui coupe la premi`ere

bissectrice au point (⎷2,⎷2) o`u on a une tangente horizontale. On voit alors imm´ediatement sur

le dessin que⎷2< M?< Msi on a prisM >⎷2.MM0p2Remarque. Le choix de la fonctionfqui d´efinitM?=f(M) n"est pas essentiel. Ici on a choisif(x) =x2+22x, mais n"importe quelle fonction rationnelle (=quotient de deux polynˆomes) satisfaisant aux trois conditions (1)f(⎷2) =

aurait pu servir dans la preuve pr´ec´edente. Ceci sera expliqu´e en d´etail un peu plus tard (section

4.6).Th´eor`eme 1.2.3SoitAune partie non vide deR.1.SiAest major´ee, alorsAadmet une borne sup´erieure, not´eesupA.2.SiAest minor´ee, alorsAadmet une borne inf´erieure, not´eeinfA.

Nous admettons ce th´eor`eme.

Exemples.-On a sup[0,1] = 1 et sup[0,1[ = 1.-On a sup{x?Q|x2<2}=⎷2 mais comme partie deQon vient de voir que cette partie

n"a pas de borne sup´erieure.

1.3. DENSIT

´E DES RATIONNELS ET IRRATIONNELS111.3 Densit´e des rationnels et irrationnels D´efinition 1.3.1 (densit´e)SoitAune partie deR. On dit queAestdensedansRsiArencontre tout intervalle ouvert]a,b[aveca < b.Th´eor`eme 1.3.1L"ensembleQest dense dansR. D´emonstration.Soita,bdeux r´eels tels quea < b. Il s"agit d"exhiber un rationnelp/qtel que a < p/q < b.

En appliquant la propri´et´e d"Archim`ede (th´eor`eme 1.2.2), on voit qu"il existe un entierqtel

que1b-a< q (on prendy= 1 etx= 1/(b-a)). On obtient qa+ 1< qb.(1) Soitple plus petit entier relatif tel quep > qa. On a alors D´emonstration.Soitiun nombre irrationnel, par exemple⎷2.

Soientaetbdeux r´eels tels quea < b. On applique le th´eor`eme pr´ec´edent `a ]a-i,b-i[ : il

existe un rationnelrtel quea-i < r < b-i. Alorsa < i+r < b. Le nombrex=i+rest irrationnel, sinoni=x-rserait rationnel contrairement `a l"hypoth`ese. Le th´eor`eme est donc d´emontr´e.Remarque. Il y a beaucoup plus de nombres r´eels que de nombres rationnels. On peut montrer que les ensemblesZetQpeuvent ˆetre mis en bijection avecN, c"est-`a-dire que l"on peut num´eroter avec les entiers naturels les ´el´ements deZetQ. On dit queZetQsont d´enombrables. Par contreR n"est pas d´enombrable (th´eor`eme de Cantor) et pourtantQest dense dansR.

1.4 Nombres complexes

Certains polynˆomes `a coefficients r´eels, par exempleP(x) =x2+1, n"ont pas de racines r´eelles.

Le polynˆomeP(x) =ax2+bx+caveca?= 0 a deux racines -b±⎷Δ 2a

si le discriminant Δ =b2-4acest≥0. Si Δ<0, il y a un probl`eme. Grˆace aux nombres complexes

on peut donner un sens math´ematique aux racines carr´ees de nombres n´egatifs.D´efinition 1.4.1 (nombre complexe)Un nombre complexe est un couple de nombres r´eels

(a,b).

12CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXESOn d´efinit l"addition et la multiplication des nombres complexes par les formules

(a,b) + (c,d) = (a+c,b+d) (a,b)·(c,d) = (ac-bd,ad+bc) On noteile nombre complexe (0,1). La formule du produit donnei2= (0,1)·(0,1) = (-1,0).

En identifiant le r´eelaavec le nombre complexe (a,0), l"´egalit´e pr´ec´edente s"´ecrit

i 2=-1. Ainsiiapparait comme une racine carr´e de-1. C"est pourquoi on ´ecrit tr`es souventi=⎷-1.

On peut alors noter de mani`ere plus agr´eable (a,b) =a+ibet on v´erifie que la formule qui donne

le produit vient du d´eveloppement de (a+ib)(c+id) =ac+i(bc+ad) +i2bd=ac-bd+i(ad+bc). Siz=a+ib, avecaetbr´eels,aest appel´e la partie r´eelle dezetbsa partie imaginaire. Sizest un nombre complexe non nul, c"est-`a-dire siaoubest non nul, alorsza un inverse multiplicatif : il existez?tel quezz?= 1.

On v´erifie aussi quez·z?=z?·zpour tout nombre complexezetz?.D´efinition 1.4.2 (conjugu´e, module, argument)Soitz=a+ibun nombre complexe avec

a,br´eels.1.Leconjugu´edezest le nombre complexez=a-ib.2.Lemoduledezest le nombre r´eel positif⎷a

2+b2=⎷zz. On note|z|le module dez.3.L"argumentdezest le nombre r´eelθ?[0,2π[tel que

z=|z|(cosθ+isinθ). On ´etablit sans peine les formules suivantes-|z·z?|=|z| · |z?|-|z|=|z|-1 z =z |z|2pourz?= 0

L"ensemble des nombres complexes sera not´eC.

Interpr´etation g´eom´etrique : plan complexeOn associe `az=a+ibaveca,br´eels le point du plan de coordonn´ees (a,b).

1.5. EXERCICES13b= sin

a= cosz=a+ib D´efinition 1.4.3 (exponentielle)L"exponentielle complexe est d´efinie par e z= 1 +z1! +z22! +···+znn!+···

Il faut ´evidemment donner un sens `a cette somme infinie. On a alorsTh´eor`eme 1.4.1 (Formule de Moivre)Pour toutθ?R, on a

e iθ= cosθ+isinθ.Th´eor`eme 1.4.2Pour toutz,z??Con a la formule e z+z?=ez·ez?. Cette formule jointe `a la formule de Moivre permet de retrouver beaucoup de formules de trigo- nom´etrie.

1.5 Exercices

Exercice 1.1.Trouver des entiers naturelsa,btels queab = 5,1736363636...- `a partir de la

troisi`eme d´ecimale le d´eveloppement d´ecimal est compos´e d"une suite infinie de nombres 36.

Exercice 1.2.Pour chacune des parties suivantes deRdire si elle est major´ee, minor´ee, born´ee.

14CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXESExercice 1.3.Pour tout nombre r´eelx?=-1/3, on pose

g(x) =2x+ 13x+ 1.1.Tracer le graphe de la fonctionx?→g(x).2.On poseg(N) ={g(0),g(1),g(2),...}Quel est le plus petit majorant deg(N)? de l"ensemble

g(Z)?3.Trouver le plus grand minorant de l"ensembleg(N).4.L"ensembleg(Z) est-il born´e? Exercice 1.4.Mettre les nombres complexes suivants sous la formea+ib, aveca,br´eels :

15 + 3i,3 + 2i3-2i,1(4 + 3i)(3-2i).

Exercice 1.5.Calculer sous la formea+ib, aveca,br´eels, les racines carr´ees des nombres complexes suivants

1 +i⎷3,5 + 12i,1 +i1-i.

Exercice 1.6.Calculer les racines quatri`emes dei. En d´eduire cos(π8 ) et sin(π8

Chapitre 2

Logique et langage des ensembles

Le but de ce chapitre est de pr´esenter les quantificateurs?et?qui apparaˆıtront dans ce cours

(limite d"une suite, continuit´e d"une fonction) et de rappeler les d´efinitions ´el´ementaires de la

th´eorie des ensembles.

2.1 Propositions et op´erateurs logiquesD´efinition 2.1.1Une relation (ou proposition) est une phrase affirmative qui est vraie ou fausse

(V ou F en abr´eg´e). Une relation porte sur des objets math´ematiques comme des nombres, des fonctions, des figures g´eom´etriques,etc. Voici quelques exemples de relations. On indique entre parenth`eses la valeur de v´erit´e (V = vrai et F= faux).

Exemples.-5 + 7 = 11.(F)-L"aire d"un triangle est ´egale `a la moiti´e du produit de la base par la hauteur (V).

-⎷2 est un nombre rationnel (F) (voir proposition 1.1.1)

SoientRetSdeux relations. On peut en former d"autres :-la conjonction, not´ee (RetS).-la disjonction, not´ee (RouS). (le ou n"est pas exclusif)-la n´egation, not´ee (nonR).D´efinition 2.1.2

-L"implication(R?S)est la relation (nonR) ouS.-L"´equivalence(R?S)est la relation(R?S)et(S?R). Ainsi la valeur de v´erit´e d"une relation comme par exempleR?SouR?Ssera fonction

des valeurs de v´erit´e deRetS. La situation est d´ecrite dans la table suivante.RSRetSRouSnon R(R?S)(R?S)VVVVFVV

VFFVFFF

FVFVVVF

FFFFVVV

15

16CHAPITRE 2. LOGIQUE ET LANGAGE DES ENSEMBLESProposition 2.1.1On a les ´equivalences suivantes :

1.non(nonR)?R2.non (RouS)?(nonRet (nonS)3.non(RetS)?(nonR) ou (nonS)4.Ret (SouT)?(RetS) ou (RetT)5.(P?Q)?(nonQ?nonP)

D´emonstration.Il suffit d"´ecrire la table des v´erit´es pour chacune des relations. Traitons le

dernier cas. La relation (P?Q) est par d´efinition la relation ((nonP) ouQ) qui ´equivaut `a (Q

ou (nonP)) qui par d´efinition est la relation (nonQ?nonP).Tr`es souvent une relation fait intervenir des param`etres ou variables et la valeur V ou F de la

relation peut d´ependre de ces param`etres. Soit par exempleR(x) la relation "x2-2≥0" o`ux est un param`etre r´eel. AlorsR(x) est vraie pourx??-∞,-⎷2 ?oux??⎷2,+∞?etR(x) est fausse pourx??-⎷2,⎷2 Il peut arriver queRfasse intervenir plusieurs variables (x,y,z,a1,a2,...).

2.2 Quantificateurs

Nous avons vu plusieurs proc´ed´es logiques pour former de nouvelles relations. Dans la pratique,

on a besoin d"un autre proc´ed´e qui exprime l"assertion qu"´etant donn´ees une relationRet une

variablexqui intervient dansRil existe au moins un objet math´ematiqueApour lequel la relation obtenue en rempla¸cantxparAest vraie, autrement ditAv´erifieR. On introduit pour cela le quantificateur existentiel, not´e par le symbole La relation (?x)R(x) se lit "il existexqui v´erifieR".

Exemples.

(?x)((x?R) et (x4+ 1 = 0)) (F) (?x)((x?C) et (x4+ 1 = 0)) (V) A partir du symbole?on introduit lequantificateur universelnot´e SiRest une relation etxune variable, on note (?x)R(x) la relation non((?x)(nonR(x))) La relation (?x)R(x) se lit "pour toutxon aR(x)". Ainsi la n´egation de (?x)R(x) est (?x) (non

R(x)), c"est-`a-dire on a l"´equivalence

non((?x)R(x))?(?x)(nonR(x)).

De mˆeme on a l"´equivalence

non((?x)R(x))?(?x)(nonR(x)).

2.3. TECHNIQUES DE D

´EMONSTRATION17Exemple.

La n´egation de "tous les hommes sont mortels" est "il existe un homme immortel". Il convient de prendre garde `a l"ordre des quantificateurs : en g´en´eral on ne peut pas les

´echanger.

Exemples.-?x,x?R,?y,y?R,x < yqui est vraie : ´etant donn´e un r´eelxon peut toujours trouver un

autre r´eelyqui est plus grand.-?y,y?R,?x,x?R,x < yqui est fausse : l"´el´ementyserait plus grand que tous les r´eels.

Il faut savoir qu"en math´ematiques il y a beaucoup d"abus de langage. Sans eux, on ne pourrait

rien faire, mais le d´ebutant risque d"ˆetre perdu. Ainsi on ´ecrit presque toujours?x?R,?y?R,x <

yau lieu de ?x(x?R?(?y(y?Retx < y))) On se ram`ene syst´ematiquement `a une ´ecriture plus correcte en rempla¸cant?x?E ...par ?x(x?E?...) et?x?E ...par?x(x?Eet...).

2.3 Techniques de d´emonstration

2.3.1 R´ecurrence

Cette technique repose sur le fait que toute partie non vide deNa un plus petit ´el´ement. Soit

R(n) une propri´et´e d´ependant d"un entiern. On suppose que1.la relationR(0) est vraie,2.la relationR(n)?R(n+ 1) est vraie.

On en d´eduit alors que

R(n) est vraie pour toutn.

En effet siA, l"ensemble des entiersnpour lesquels pour lesquelsR(n) est fausse, n"est pas vide, il a un plus petit ´el´ement qu"on notep. Mais alorsp-1 n"est pas dansAdoncR(p-1) est vraie et par suiteR(p-1 + 1) =R(p) est vraie (`a cause de l"hypoth`ese (2)).

Exemple.

SoitR(n) la relation "2n+ 1 est divisible par 3". Il s"agit de montrer queR(n) est vraie pour tout entiernimpair. Pourn= 1, on a 21+1 = 3. SupposonsR(n) vraie avecnimpair, c"est-`a-dire que l"on peut ´ecrire 2 n+ 1 = 3kaveck?N. Alors 2n= 3k-1. L"entier impair suivant estn+ 2.

On a 2

n+2= 4.2n= 4(3k-1) = 12k-4 = 3(4k-1)-1, d"o`u 2n+2+1 = 3(4k-1). C"estR(n+2).

La propri´et´e est donc d´emontr´ee.

Le lecteur pr´ecautionneux expliquera pourquoi dans cet exemple on consid`ereR(1) etR(n+2) au lieu deR(0) etR(n+ 1).

2.3.2 Contrapos´ee

C"est l"´equivalence d´ej`a vue :

(P?Q)?(nonQ?nonP)

18CHAPITRE 2. LOGIQUE ET LANGAGE DES ENSEMBLESExemple.

Un entier est premier s"il n"est divisible que par 1 et lui-mˆeme. On veut montrer que si 2 n+ 1 est premier alorsnest pair. Ici nonQest "nest impair", on vient de voir qu"alors 2n+ 1 est divisible par 3, donc n"est pas premier, c"est nonP, c"est-`a-direP?Qo`uPest la relation "2n+1 est premier" etQest la relation "nest pair".

2.3.3 D´emonstration par l"absurde

On veut montrer queRest vraie. Pour cela on suppose queRest fausse. D"autre part supposons

que l"on d´eduit `a partir de cette hypoth`ese, c"est-`a-dire (nonR) vraie, une propri´et´eSet que l"on

sait queSest fausse. En termes formels cela veut dire que (nonR)?Svraie etSfausse. Ainsi la seule ligne de la table des v´erit´esRSR?SnonRnonR?SVVVFV VFFFV FVVVV FFVVF ayant ces valeurs de v´erit´es (c"est-`a-direSfausse et (nonR)?Svraie) est la deuxi`eme. Donc

Rest vraie.

En d"autres termes si on arrive `a d´eduire un r´esultat fauxS`a partir de la n´egation deR, alors

Rest vraie.

Exemple.

On a montr´e par cette m´ethode dans le premier chapitre que⎷2 n"est pas rationnel (proposition

1.1.1). Dans cet exemple on avait consid´er´e les deux relations-R:⎷2 est irrationnel.

-S:⎷2 = ab , aveca,b?Netaoubimpair. et montr´e que (nonR?S) est vraie etSest fausse.

2.4 Langage des ensembles

Un ensembleEest une collection d"objets (au sens na¨ıf) appel´es ´el´ements.

Exemples.-N,Z,Q,R,Csont des ensembles.-Les fonctions continues de l"intervalle [0,1] `a valeurs r´eelles forment un ensemble.-Les parties d"un ensembleEforme un autre ensembleP(E), dont les ´el´ements peuvent ˆetre

vus aussi comme des ensembles d"´el´ements deE.

Sixest un ´el´ement deE, on notex?E, qu"on litxappartient `aE. La n´egation estx /?E.D´efinition 2.4.1 (inclusion)SoientEetFdeux ensembles. On dit queEest contenu dansF,

ou queFcontientE, si tout ´el´ement deEappartient `aF. On noteE?F.

2.5. EXERCICES192.5 Exercices

Exercice 2.1.Pour tout entiern≥1, on consid`ere la somme dentermes S

n=11·2+12·3+13·4+···+1n·(n+ 1).1.CalculerS1,S2,S3,S4.2.Proposer une formule ennpourSn.3.D´emontrer cette formule par r´ecurrence.

Exercice 2.2.D´emontrer par r´ecurrence que :1.pour toutn?N?, 1 + 2 + 3 + 4 +...+n=n(n+1)2 ;2.pour toutn?N?, 12+ 22+ 32+ 42+...+n2=n(n+1)(2n+1)6 Exercice 2.3.SoientEl"ensemble des r´eelsxqui s"´ecrivent sous la formex=p+q⎷2 avecpet

qdes entiers relatifs etu=⎷2-1.1.Est-ce queZ?E?2.Montrer que pour tout entiern?Zet pour toutv?Eon anv?E.3.Montrer par r´ecurrence que l"on aun?Epour toutn?N.4.D´eterminer l"intersectionE∩Q. (on se souviendra que⎷2 n"est pas rationnel)

Exercice 2.4.Pour quelles valeurs du nombre r´eelxla proposition (2x2+ 5x-12<0 oux2+ 3x+ 2>0) est-elle vraie? Exercice 2.5.Les propositions suivantes sont-elles vraies ou fausses? Justifiez votre r´eponse en

faisant une d´emonstration.1.?x?R,(x=|x|oux=-|x|).2.(?x?R, x=|x|) ou (?x?R, x=-|x|).3.?x?Z,?y?Z, y-x+x2<0.4.?y?Z,?x?Z, y-x+x2<0.5.?y?Z,?x?Z, y-x+x2>0.

20CHAPITRE 2. LOGIQUE ET LANGAGE DES ENSEMBLES

Chapitre 3

Suites r´eelles et complexes

3.1 Limite d"une suite r´eelleD´efinition 3.1.1Un suite r´eelle est une famille `a valeurs dansRindex´ee par les entiers naturels.

On note(un)n?Nou tout simplement(un).

Parfois on prend comme ensemble d"indices les entiers naturels non nulsN?.

Exemples.1.u

n= sinn,un=1n pourn≥1,un=en.2.Suites r´ecurrentes. (a)La suite de Fibonacci est d´efinie paru0=u1= 1 et u n+1=un+un-1.

Elle est li´ee au nombre d"or Φ =

1+⎷5

2 et apparaˆıt dans le best seller actuel "Da Vinci

code".(b)Plus g´en´eralement on a les suites r´ecurrentes lin´eaires d"ordre 2 d´efinies par la formule

u n+1=aun+bun-1

avecu0etu1donn´es.(c)Suites arithm´etiquesun+1=un+aaveca?Rfix´e. Une r´ecurrence facile montre que

pour toutnon aun=na+u0.(d)Suites g´eom´etriquesun+1=aunaveca?Rfix´e. On montre par r´ecurrence que pour

toutnon aun=anu0.3.Plus g´en´eralementun+1=f(un) o`ufest une fonction, par exemplef(x) =x2+22xcomme

dans la preuve de la proposition 1.2.14.Plus "bizarre". (a)u n=n-i`eme d´ecimale deπ.(b)u

22CHAPITRE 3. SUITES R´EELLES ET COMPLEXES-croissantesi pour toutnon aun+1≥un.-strictement croissantesi pour toutnon aun+1> un.-monotonesi elle est croissante ou d´ecroissante.-p´eriodiques"il existe un entierp?N?tel que pour toutnon aun+p=un. L"entierpest la

p´eriode de la suite. On d´efinit de mˆeme une suite d´ecroissante, strictement d´ecroissante. Il arrive qu"une propri´et´e ne soit pas vraie pour tous les premiers termes d"une suite mais seulement `a partir d"un certain rang. Par exemple, (un) est croissante `a partir d"un certain rang s"il existe un entierNtel que pour toutn≥Non aun+1≥un.

Exemples.1.u

n= sinnest major´ee.2.u n=1n pourn≥1 est strictement d´ecroissante et born´ee.3.u

n=enest croissante, minor´ee mais pas major´ee.4.On suppose queu0>0 eta >0, la suite g´eom´etriqueun=anu0est croissante non major´ee

sia >1, d´ecroissante et born´ee sia <1, constante sia= 1.5.La suiteun= sin(2πn17

) est p´eriodique de p´eriode 17.Proposition 3.1.1La suite(un)est born´ee si et seulement si la suite(|un|)est major´ee.

D´emonstration.Supposons la suite (un) born´ee, elle est donc major´ee. Par d´efinition il existe

R´eciproquement supposons que la suite (|un|) est major´ee. On a un r´eelMtel que pour tout

minorant de la suite (un).D´efinition 3.1.3 (limite d"une suite)On dit qu"une suite(un)admet le r´eel?pourlimiteou

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