Résumé
Cette leçon ouvre l’unité consacrée aux ensembles de nombres. Elle présente le parcours de l’unité, qui commence aux entiers naturels et arrive, par extensions successives, aux entiers relatifs, aux rationnels, aux réels et aux complexes ; elle reconstitue l’histoire de ces extensions, depuis les fractions égyptiennes et la crise grecque des incommensurables jusqu’à la fondation rigoureuse du XIXe siècle ; elle formule avec précision le problème qui leur a donné naissance, qui est toujours une équation sans solution dans l’ensemble disponible, et examine le cas de Bombelli, où une équation à solutions réelles exige de passer par les nombres complexes. Elle se termine en indiquant où ces ensembles interviennent dans la suite du cours, dans d’autres cours du site et dans la science et la technique.
Objectifs d’apprentissage
- Décrire le parcours de l’unité et expliquer ce que chaque leçon apporte à la suite de constructions qui va des entiers naturels aux complexes.
- Formuler, pour chaque extension, l’équation qui la motive, et indiquer quelle propriété est gagnée et laquelle est perdue à chaque passage.
- Situer dans leur contexte historique les principales phases de l’extension de la notion de nombre et identifier le problème de mesure, de calcul ou de fondement qui a motivé chacune d’elles.
- Indiquer où interviennent les ensembles de nombres dans la suite du cours, dans d’autres cours et dans des applications scientifiques et techniques.
Évaluation d’entrée
Avant de parcourir l’unité, il convient de mesurer le point de départ. Cette auto-évaluation n’est pas notée : elle sert à savoir où s’arrêter. Les dix premières questions portent sur les huit leçons de contenu de l’unité : la sixième et la septième relèvent toutes deux des puissances à exposant rationnel (la seconde d’entre elles, de la rationalisation du dénominateur), et la dixième revient au développement décimal pour poser un problème en contexte et communiquer son résultat en écriture scientifique, avec l’arrondi adéquat. Les mêmes compétences sont mesurées de nouveau à la fin, dans la leçon de synthèse, avec d’autres données ; les trois dernières vérifient ce que cette unité tient pour acquis de la précédente, sur les entiers naturels : la division euclidienne, le plus grand commun diviseur et le lemme d’Euclide.
Avant de commencer l’unité, mesurez votre point de départ. C’est une autoévaluation brève : elle n’est pas notée et son résultat n’est conservé que dans votre navigateur.
Question 1Laquelle de ces équations a une solution dans mais pas dans ?
Sa solution, , est déjà rationnelle : cette équation est celle qui oblige à passer des entiers relatifs aux rationnels, non des rationnels aux réels.Sa solution, , est un entier relatif : cette équation motive le passage des entiers naturels aux entiers relatifs.Elle n’a pas de solution réelle, car le carré d’un réel n’est jamais strictement négatif ; ses solutions, et , sont complexes.Ses solutions sont et , qui sont réelles ; et n’est pas rationnel, car n’est pas le carré d’un entier naturel. C’est le même argument qui démontre l’irrationalité de .À revoir : Ensembles de nombres : des entiers naturels aux complexes
Question 2Dans la construction des entiers relatifs, lequel de ces couples d’entiers naturels représente le même entier relatif que le couple ?
Il représente l’opposé, : échanger les composantes réfléchit le couple par rapport à la diagonale. La condition n’est pas vérifiée.Les deux composantes ont été multipliées par , comme pour l’amplification d’une fraction. Les couples d’entiers naturels s’identifient par la différence, non par le quotient : .On a ajouté à une seule composante, ce qui change la différence : représente , car . Pour passer à un autre représentant, il faut ajouter le même nombre aux deux composantes.Deux couples et sont équivalents lorsque ; ici . Tous deux représentent l’entier relatif .À revoir : Les entiers relatifs : construction, signes et ordre
Question 3Calculer et donner le résultat sous forme de fraction irréductible.
Bonne réponse :
Le plus petit commun multiple de et est , et . Avec le dénominateur , on obtient , qui se simplifie en le même résultat. Qui obtient a soustrait numérateurs et dénominateurs séparément.À revoir : Les nombres rationnels : les fractions et leurs opérations
Question 4Laquelle de ces fractions a un développement décimal fini ?
Le dénominateur de la fraction irréductible a le facteur premier , et alors le développement est périodique : Il ne suffit pas que le dénominateur soit un multiple de .Que le dénominateur se termine par ne suffit pas : a le facteur , et le développement est périodique.Que le dénominateur soit pair ne suffit pas : a le facteur , et le développement est périodique.Elle est irréductible et son dénominateur est , sans autres facteurs premiers : le développement est fini, .Question 5Quel est l’ensemble des réels qui vérifient ?
Le signe de a été changé : de il suit , et non .Les extrémités n’appartiennent pas à l’ensemble, car l’inégalité est stricte : en on a , qui n’est pas strictement inférieur à .Seule l’inéquation a été résolue. La valeur absolue exige aussi , et par exemple donne .La condition équivaut à ; avec , en ajoutant et en divisant par , il vient .À revoir : La droite réelle : ordre, intervalles et valeur absolue
Question 6Calculer .
Bonne réponse :
La puissance est la racine cubique de , et comme , on a . Qui obtient a oublié que l’exposant strictement négatif donne l’inverse ; qui obtient a confondu l’exposant strictement négatif avec un signe du résultat.À revoir : Puissances à exposant rationnel et radicaux
Question 7Quel est le résultat obtenu en rendant rationnel le dénominateur de ?
Les carrés ont été additionnés, : le produit de la somme par la différence de deux nombres est la différence de leurs carrés, non leur somme.Le binôme du dénominateur a été conservé au lieu de son expression conjuguée. Si c’était le résultat, vaudrait , mais il vaut .Il a été écrit : la racine d’une différence n’est pas la différence des racines.On multiplie le numérateur et le dénominateur par l’expression conjuguée du dénominateur, ; le dénominateur devient la différence des carrés, , qui se simplifie avec le numérateur.À revoir : Puissances à exposant rationnel et radicaux
Question 8Pour quelle valeur de le système , a-t-il une infinité de solutions ?
Bonne réponse :
Le déterminant du système est , et la deuxième équation a les coefficients de la première multipliés par . Si , les deux équations sont la même et il y a une infinité de solutions ; si , elles sont incompatibles et il n’y en a aucune. Que le déterminant soit nul ne suffit pas pour qu’il y ait une infinité de solutions.À revoir : Équations et inéquations du premier degré, systèmes linéaires
Question 9Quelles sont les solutions dans de l’équation ?
On a pris au lieu de dans la formule : la somme des solutions doit être , et non .Il manque la division par . En remplaçant l’inconnue par dans l’équation, on n’obtient pas .On a pris la racine de au lieu de celle de . Ces nombres ne sont pas solutions : leur produit est , et non .Le discriminant est , dont la racine carrée dans est ; les solutions sont , conjuguées, comme il convient à une équation à coefficients réels.Question 10Un robinet mal fermé laisse tomber une goutte toutes les secondes, et chaque goutte a un volume de millilitre. Combien de litres d’eau perd-il en une année de jours ? Exprimer le résultat en écriture scientifique, arrondi à deux chiffres significatifs.
Les chiffres en trop ont été supprimés au lieu d’arrondir : est plus proche de que de . Tronquer peut presque doubler l’erreur de l’arrondi.Ce nombre compte des millilitres, non des litres : il manque la division par .On a supposé une goutte par seconde ; il en tombe la moitié, une toutes les deux secondes.Une année compte secondes ; il tombe la moitié de ce nombre de gouttes, , qui font en tout millilitres, c’est-à-dire litres. Arrondi à deux chiffres significatifs, , avec une erreur relative strictement inférieure à .Question 11Des unités précédentesQuels sont le quotient et le reste de la division euclidienne de par ?
L’égalité est vraie, mais le reste doit vérifier . C’est le quotient tronqué vers zéro, qui coïncide avec celui de la division euclidienne seulement lorsque celle-ci est exacte ou que le dividende est positif ou nul.On a divisé par et changé seulement le signe du quotient : , et non .On a avec , et le quotient et le reste vérifiant ces conditions sont uniques.À revoir : Divisibilité et division euclidienne
Question 12Des unités précédentesCalculer le plus grand commun diviseur de et .
Bonne réponse :
Avec l’algorithme d’Euclide, , et ; le dernier reste non nul est . De même, et ont en commun . Qui obtient a calculé le plus petit commun multiple, et qui obtient a oublié le facteur commun .À revoir : Plus grand commun diviseur et plus petit commun multiple
Question 13Des unités précédentesSi un nombre premier divise , avec entier naturel, que peut-on affirmer ?
Le lemme d’Euclide vaut pour tout produit d’entiers naturels ; ce qui est exigé, c’est que le diviseur soit premier, non les facteurs.C’est l’inverse : comme divise , le carré divise .L’argument ne dépend pas de la parité : le lemme d’Euclide vaut pour tout nombre premier.D’après le lemme d’Euclide, un nombre premier qui divise un produit divise l’un des facteurs ; ici les deux facteurs sont . C’est l’argument clé de la preuve que n’est pas rationnel.À revoir : Nombres premiers et théorème fondamental de l’arithmétique
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