Nombre réel

Infos
En mathématiques, les nombres réels (caractères Unicode: ℝ) peuvent très informellement être conçus comme tous les nombres associés à des longueurs ou des grandeurs physiques. Ce sont les nombres, qu'ils soient positifs, négatifs ou nuls, ayant une représentation décimale finie ou infinie. Autrement dit, ce sont les rationnels (qui peuvent s'écrire sous forme de fraction) complétés par les nombres dont la représentation décimale est infinie non périodiqueEn e
Nombre réel

En mathématiques, les nombres réels (caractères Unicode: ℝ) peuvent très informellement être conçus comme tous les nombres associés à des longueurs ou des grandeurs physiques. Ce sont les nombres, qu'ils soient positifs, négatifs ou nuls, ayant une représentation décimale finie ou infinie. Autrement dit, ce sont les rationnels (qui peuvent s'écrire sous forme de fraction) complétés par les nombres dont la représentation décimale est infinie non périodiqueEn effet, un nombre (réel) est rationnel si son développement décimal est périodique. Par exemple, 1/3=0, 333333... est bien rationnel., tels la racine carrée de 2 et π. Ces derniers sont appelés nombres irrationnels. Parmi les nombres réels on distingue également les nombres algébriques et les nombres transcendants. Le terme de nombre réel apparaît pour la première fois chez Georg Cantor en 1883 dans ses publications sur les fondements de la théorie des ensembles. C'est un rétronyme, donné en réponse à la découverte des nombres imaginaires. Les nombres réels sont au centre de la discipline mathématique de l'analyse réelle, à laquelle ils doivent une grande part de leur histoire. La notation originale de l'ensemble des nombres réels est \textbf. Cependant, les lettres grasses étant difficiles à écrire sur un tableau ou une feuille, la notation \mathbb s'est imposée. droite des réels avec des exemples de constantes réelles

Dans la vie courante

Les nombres réels peuvent représenter n'importe quelle mesure physique telle que : le prix d'un produit, la durée entre deux événements, l'altitude (positive ou négative) d'un site géographique, la masse d'un atome ou la distance de la plus lointaine des galaxies. Une partie des nombres réels est utilisée tous les jours, par exemple en économie, en informatique, en mathématique, en physique ou en ingénierie. La plupart du temps, seuls certains sous-ensembles de réels sont utilisés :
-les entiers positifs,
-les entiers relatifs,
-les nombres rationnels, exprimables sous forme de fractions à numérateurs et dénominateurs entiers,
-les nombres décimaux, qui sont les réels que l'on peut écrire exactement en base 10 ;
-les nombres algébriques, qui comprennent notamment tous les nombres que l'on peut écrire en utilisant les quatre opérations élémentaires et les racines.
-les nombres calculables, qui comprennent la quasi-totalité des nombres utilisés en science et en ingénierie (notamment e et π). Bien que tous ces sous-ensembles des réels soient de cardinal infini, ils sont tous dénombrables et ne représentent donc qu'une infime partie de l'ensemble des réels. Ils ont chacun des propriétés propres. Deux sont particulièrement étudiés : les nombres rationnels et les nombres algébriques ; on appelle « irrationnels » les réels qui ne sont pas rationnels et « transcendants » ceux qui ne sont pas algébriques.

En science

La physique utilise les nombres réels comme ensemble de mesure pour deux raisons essentielles :
- Les résultats d'un calcul de physique utilisent fréquemment des nombres qui ne sont pas rationnels, sans que les physiciens ne prennent en compte la nature de ces valeurs dans leurs raisonnements.
- La science utilise des concepts comme la vitesse instantanée ou l'accélération. Ces concepts sont issus de théories mathématiques pour lesquelles l'ensemble des réels est une nécessité théorique. De plus, ces concepts disposent de propriétés fortes et indispensables si l'ensemble des mesures est l'espace des nombres réels. En revanche, le physicien ne peut réaliser des mesures de précision infinie. La représentation numérique du résultat d'un calcul peut être approchée aussi précisément qu'il le souhaite par un nombre décimal. Dans l'état actuel de la physique, il est même théoriquement impossible de réaliser des mesures de précision infinie. C'est pourquoi, aussi bien pour des besoins expérimentaux que théoriques, si le physicien calcule les mesures dans \R, il exprime les résultats numériques sous forme de nombres décimaux. Ainsi le physicien utilise les propriétés des nombres réels qui permettent de donner un sens aux mesures qu'il réalise et offrent des théorèmes puissants pour démontrer ses théories. Pour les valeurs numériques, il se contente des nombres décimaux. Quand il mesure la distance que parcourt un solide sur un cercle complet, il utilise la valeur π sans se poser de question sur son existence, mais un nombre de décimales souvent petit lui suffit pour les calculs. Enfin, bien que les nombres réels puissent représenter n'importe quelles grandeurs physiques, et bien que cet espace possède souvent plus de mesures qu'il n'est possible d'en utiliser, les nombres réels ne sont pas adaptés pour travailler sur de très nombreux problèmes physiques. Des « sur-ensembles » construits autour des réels ont été créés pour pouvoir manipuler certains espaces physiques. Par exemple :
- l'espace \mathbb^n , pour modéliser des espaces, par exemple de dimension 2, 3 (ou plus) ;
- l'ensemble des nombres complexes dont la structure possède des propriétés plus fortes que celle de l'ensemble des nombres réels.

Considérations technologiques

Les nombres réels peuvent être représentés sous la forme d'un développement décimal infini. En théorie, n'importe quelle grandeur peut donc être représentée de la sorte. En pratique, ces nombres à développement décimal infini ne sont pas adaptés aux calculs et ne sont pas représentables sur des ordinateurs. Les économistes et les ingénieurs les utilisent sous une forme arrondie, en tronquant ou en arrondissant le développement décimal infini. Typiquement les commerçants font un arrondi à deux chiffres après la virgule. Les informaticiens, bien que disposant des types de données telles que la virgule flottante (float ou double en pseudo-code anglais) et de la virgule fixe n'utilisent également que des approximations adaptées aux calculs informatiques. Pour représenter exactement certains réels sur un ordinateur, il faudrait disposer d'une mémoire infinie ou d'un processeur dédié aux calculs symboliques.

Premières remarques sur la notion de « développement décimal infini »

Tout nombre réel peut être représenté sous la forme de « nombre à développement décimal infini ». Cette définition peut sembler plus simple que d'autres utilisées couramment par les mathématiciens. Pourtant, elle apparaît rapidement comme peu adaptée et implique des définitions et des démonstrations bien plus complexes. En effet les nombres réels sont intéressants pour la structure et les propriétés de l'ensemble qu'ils forment : addition, multiplication, relation d'ordre, et les propriétés qui lient ces notions. Ces propriétés sont mal reflétées par la définition « développement décimal infini » et des problèmes théoriques apparaissent :
- Certains nombres possèdent deux représentations. :: Par exemple, le nombre x=0, 9999... (les 9 se poursuivent à l'infini), vérifie l'équation 10x = 9+x. Le nombre y=1, 000000... (les 0 se poursuivent à l'infini) en est également solution Voir aussi Démonstration de l'égalité entre 0, 9999... et 1.. Or l'existence et l'unicité de solution à cette équation sont deux propriétés essentielles pour une définition univoque des réels. Pour remédier à cette situation, il devient nécessaire d'identifier les représentations décimales qui sont solutions d'une même équation : la définition devient plus complexe.
- Utiliser un développement décimal fait jouer un rôle particulier à la base 10. :: Cette difficulté n'est pas insurmontable. Elle est résolue par l'utilisation d'une base quelconque : on parle alors de développements en base p. Il est alors possible de démontrer que les ensembles construits à partir de ces bases sont isomorphes et que les propriétés des nombres réels sont valables dans toutes ces bases. Cependant les démonstrations deviennent lourdes, et la définition perd de sa simplicité.
- Enfin les algorithmes naturels pour effectuer une addition ou une multiplication, trouvent leur limite du fait de la double représentation des nombres décimaux. :: En effet, les « retenues » se calculent de la droite vers la gauche, et un algorithme effectif demande de ne traiter qu'un nombre fini de décimales, c'est-à-dire de tronquer les nombres sur lesquels on calcule : il se peut donc qu'en tronquant aussi loin que l'on veut, on n'ait jamais la moindre décimale exacte, par exemple sur le calcul 0, 33...+0, 66...=1. Surmonter cette difficulté demande de faire appel à des notions de convergence, qui amènent naturellement vers d'autres modes de définition des réels. Cependant, une fois établie la structure de l'ensemble des nombres réels, la notation par développement décimal permet des calculs effectifs, en gardant à l'esprit que ce n'est pas tant les décimales exactes d'un nombre qui comptent, que la position du nombre vis-à-vis des autres réels.

Aspect historique

Origine des nombres

Mise en place des fractions

Depuis l'Antiquité la représentation d'une grandeur mesurable a répondu à un besoin. La première réponse fut la construction des fractions (quotient de deux entiers positifs). Cette solution, mise en place très tôt chez les Sumériens et les Égyptiens, est finalement performante. Elle permet d'approcher une longueur quelconque avec toute la précision souhaitée.

Correspondance avec des longueurs

Euclide La première formalisation construite en système que l'on connaisse est le fruit du travail d'Euclide au Sa construction, inscrite dans les Éléments d'Euclide, apporte deux grandes idées d'un apport majeur dans l'histoire des mathématiques.
-Les mathématiques sont formalisées avec des axiomes, des théorèmes et des démonstrations. On peut alors construire un système, avec des théorèmes dont les démonstrations s'appuient sur d'autres théorèmes. Les mathématiques sont classées en catégories, la géométrie et l'arithmétique en sont les deux plus grandes. Parler de construction prend alors tout son sens.
-Un pont est bâti entre les deux grandes catégories. Cette démarche, permettant d'utiliser des résultats d'une des branches des mathématiques pour éclairer une autre branche est des plus fécondes. Les nombres sont alors mis en correspondance avec des longueurs de segments.

Problèmes d'incomplétude

Irrationalité de la racine carrée de 2

Le carré bleu est de surface double de celle du carré gris L'approche d'Euclide met en évidence la première contradiction entre la notion de nombre de l'époque - les fractions - et le rôle qui leur est attribué, la représentation d'une grandeur mesurable.
-Une longueur dont le carré est égal à 2 existe. Un raisonnement géométrique, déjà vieux à l'époque d'Euclide, montre qu'il est possible de construire un carré B de surface double de celle d'un carré initial A que l'on choisit de côté égal à 1. Si l'on note l la longueur du côté du carré B, qui est égale à la longueur de la diagonale du carré A, l'égalité l^2=2 est alors vérifiée.
-Une longueur dont le carré est égal à 2 n'existe pas sous forme de fraction. Quelques résultats sont déjà connus en arithmétique, par exemple le lemme d'Euclide. À partir de ce lemme on montre qu'aucun nombre ne peut être la racine carrée de 2. Ici, nombre signifie fraction positive non nulle car aucune autre formalisation n'est encore imaginable. Les Éléments d'Euclide se fondent sur une axiomatique qui semble permettre de prouver à la fois qu'une proposition est vraie et fausse. Plus de deux millénaires seront nécessaires à l'humanité pour résoudre cette apparente contradiction, expliquer pourquoi les rationnels ne représentent qu'imparfaitement la droite réelle et trouver comment bien les représenter. Il est à noter que trois siècles avant Euclide, Pythagore connaissait probablement l'irrationalité de certaines racines. En revanche, la première formalisation dans un véritable corpus mathématique construit nous vient d'Euclide. boîte déroulante|align=left|titre=La racine carrée de 2 est irrationnelle|contenu= Une démonstration par l'absurde, considérée comme l'une des plus belles par Paul Erdös, montre l'irrationalité de \sqrt. Supposons donc que \sqrt soit un rationnel. Il existe deux entiers p et q (strictement positifs) tels que :\sqrt = \frac p q. Quitte à simplifier par le P.G.C.D. de p et q, nous pouvons supposer p et q premiers entre eux (la fraction p/q est dite irréductible). Nous élevons au carré, les deux membres pour obtenir :2 =\frac En multipliant par q2 les deux côtés, nous obtenons alors :\ 2 \cdot q^2 =p^2 Nous en déduisons que 2 divise p2=p×p et d'après le lemme d'Euclide puisque 2 est premier, nous en déduisons que 2 divise p, donc il existe k un entier tel que p=2k. Nous obtenons alors en simplifiant par 2 : :\ q^2 =2 \cdot k^2 Cette égalité montre, d'après le lemme d'Euclide, que 2 divise q. On a donc montré que 2 divise p et q, ce qui est contradictoire avec l'hypothèse de départ, où l'on avait supposé p et q premiers entre eux.

Développement décimal illimité non périodique

Si les fractions permettent effectivement d'exprimer toute longueur avec la précision souhaitée, il faut néanmoins comprendre que les opérations et particulièrement la division deviennent complexes si le système de numération n'est pas adapté. Le problème est décrit par l'article fraction égyptienne qui propose quelques exemples concrets. Il faut attendre le pour voir l'école indienne découvrir le concept du zéro et développer un système de numération décimal et positionnel. Un deuxième problème apparaît alors. Toutes les fractions possèdent un développement décimal dans la mesure où ce développement est infini et périodique, c'est-à-dire que la suite des décimales ne s'arrête pas mais boucle sur un nombre fini de valeurs. La question de savoir quel sens donner à un objet caractérisé par une suite de décimales non périodique. Par exemple, le nombre à développement décimal infini qui s'exprime comme :0, 1010010001... où le nombre de 0 entre les chiffres 1 croît indéfiniment, correspond-il à une longueur ?

Suites et séries

Dans la deuxième moitié du , on assiste à un extraordinaire épanouissement des mathématiques dans le domaine du calcul des séries et des suites. Nicolaus Mercator, les Bernoulli, James Gregory, Godfried Leibniz, et d'autres travaillent sur des séries qui semblent converger mais dont la limite n'est pas rationnelle. C'est le cas par exemple :
- de la série de Mercator : \sum_^\infty (-1)^k \over k = 1 - \frac 12+\frac 13- \frac 14 + \cdots qui converge vers \ln (2)\,
- de la série de Grégory : \sum_^\infty (-1)^k \over = 1 - \frac 13+\frac 15- \frac 17 + \cdots qui converge vers \pi/4\, Pire, Liouville en 1844, prouve l'existence de nombres transcendants c'est-à-dire non racine d'un polynôme à coefficients entiers. Il ne suffit donc pas de compléter les rationnels en y ajoutant les nombres algébriques pour obtenir l'ensemble de tous les nombres.
- des séries du type \sum_^\infty \frac = \frac + \frac + \frac + \frac + \cdots représentant les nombres de Liouville, où (a_n) est une suite d'entiers compris entre 0 et 9.

Le calcul infinitésimal

Gottfried Wilhelm von Leibniz Durant la deuxième partie du , Isaac Newton et Gottfried Wilhelm von Leibniz inventent une toute nouvelle branche des mathématiques. On l'appelle maintenant l'analyse, à l'époque elle était connue sous le nom de calcul infinitésimal. Cette branche acquiert presque immédiatement une renommée immense car elle est la base d'une toute nouvelle théorie physique universelle : la théorie de la gravité newtonienne. Une des raisons de cette renommée est la résolution d'une vieille question, à savoir si la Terre tourne autour du Soleil ou l'inverse. Or le calcul infinitésimal ne peut se démontrer rigoureusement dans l'ensemble des nombres rationnels. Si les calculs sont justes, ils sont exprimés dans un langage d'une grande complexité et les preuves procèdent plus de l'intuition géométrique que d'une explicitation rigoureuse au sens de notre époque. L'impossibilité de la construction de l'analyse dans l'ensemble des fractions réside dans le fait que cette branche des mathématiques se fonde sur l'analyse des infiniment petits. Or, on peut comparer les nombres rationnels à une infinité de petits grains de sable (de taille infiniment petite) sur la droite réelle laissant infiniment plus de trous que de matière. L'analyse ne peut se contenter d'un tel support. Elle demande pour support un espace complet. Le mot est ici utilisé dans un double sens, le sens intuitif qui signifie que l'infinité de petits trous doit être bouchés et le sens que les mathématiciens donnent aujourd'hui plus abstrait mais rigoureusement formalisé. Cette notion est tellement importante qu'elle deviendra à l'aube du une large branche des mathématiques appelée topologie. boîte déroulante|align=left|titre=Pourquoi R est indispensable pour l'analyse|contenu= L'analyse suppose qu'une fonction réelle de la variable réelle est essentiellement connue par son comportement infinitésimal. Par exemple, si l'accélération d'une planète est connue à chaque instant et que sa position et sa vitesse initiales sont connues, alors il est possible d'en déduire la trajectoire exacte. Une chaîne de théorèmes, celle du théorème des accroissements finis qui se prouve par le théorème de Rolle qui se prouve par le théorème des bornes devient fausse sur les fractions rationnelles. Si on représente ce théorème en termes imagés, on peut décrire ces théorèmes de la manière suivante : pour le théorème des accroissements finis, si une voiture parcourt 120 km en 2 heures alors cette voiture se déplace au moins une fois à 60 km/h; pour le théorème de Rolle (respectivement le théorème des bornes), si une voiture part et arrive du même endroit sans jamais changer de route alors elle a fait au moins une fois demi-tour (respectivement il existe un moment où la voiture est le plus loin de son point de départ). Ce sont ces théorèmes qui intuitivement sont si évidents, que l'on se demande même comment il est possible de les démontrer. Newton a poussé tellement loin les conséquences de ces évidences, que seules quelques rares personnes pouvaient à son époque véritablement comprendre son ouvrage majeur Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Les preuves se fondaient toujours in fine sur une intuition. Explicitons alors pourquoi la démonstration du théorème des bornes impose une compréhension profonde de la nature topologique des nombres réels. Pour cela considérons la fonction f sur les rationnels de l'intervalle \left dans \mathbb, où \mathbb désigne l'ensemble des fractions rationnelles, définie par : :f(x)=\left\\begin x, & \mboxx^2 < 2 \\ 3-x, & \mbox \end\right. La fonction semble discontinue en un point dont le carré est égal à 2, mais ce point n'existe pas dans les rationnels, la fonction est donc continue partout où elle est définie. On remarque que les petits trous rompent notre notion intuitive de continuité. Un description infinitésimale ne peut donc décrire convenablement une fonction car les petits trous permettent des sauts qui ne sont pas décrits par le comportement infinitésimal. Notre notion intuitive de continuité n'a donc pas le même sens dans \mathbb que dans \mathbb. Plus l'abscisse se rapproche par la droite de ce point qui n'existe pas dans \mathbb, plus elle augmente. Il n'existe donc aucun point qui atteint le maximum.

La droite réelle

Si l'existence des nombres négatifs apparaît très tôt dans l'histoire (mathématiques indiennes), il faut attendre 1770 pour qu'ils obtiennent grâce à Euler un vrai statut de nombre et perdent leur caractère d'artifice de calcul. Mais il faut attendre encore un siècle pour voir l'ensemble des réels associé à l'ensemble des points d'une droite orientée, appelée droite réelle. On considère une droite D contenant un point O que l'on appellera, par convention, origine. Soit un point I distinct de O appartenant à D que l'on identifie au nombre 1. Par convention, on dira que la distance de O à I est égale à 1 et que l'orientation de la droite est celle de O vers I. À tout point M de la droite, on associe la distance entre O et M. Si M et I sont du même côté par rapport à O alors la distance est comptée positivement, sinon elle est négative. Cette relation que la formalisation actuelle appelle bijection permet d'identifier un nombre réel à un point d'une droite. Droite réelle L'abscisse du point Q est égale à -\frac=-3, OI et OQ désignant les distances de O à I et de O à Q respectivement

Après 2200 ans : la solution

La construction

Augustin Louis Cauchy Article détaillé : Construction des nombres réels L'analyse permet une intuition de plus en plus précise sur la topologie des nombres. Un siècle sera alors suffisant pour permettre de construire rigoureusement les nombres réels c'est-à-dire boucher les trous. Richard Dedekind Comme parfois en mathématiques, une fois le problème arrivé à maturité, ce n'est pas un, mais deux penseurs qui résolvent la difficulté. Le premier à avoir défini un concept permettant de résoudre la problématique de la construction des nombres réels est Augustin Louis Cauchy. Son approche est restée la plus fructueuse. Elle s'applique à bien d'autres cas que celui des nombres réels. Son idée est la suivante: une suite de nombres devrait converger (c'est-à-dire avoir une limite), si, au bout d'un certain temps, tous les éléments de la suite sont à une distance les uns des autres aussi petite que l'on veut. Cette idée est formalisée dans l'article suite de Cauchy. Considérons la suite 1 puis 1, 4 puis 1, 41 et ainsi de suite en alignant une par une toutes les décimales de \sqrt 2, cette suite vérifie le critère de Cauchy. Sa limite est un bon candidat pour représenter la racine carrée de 2 et cette approche permet de construire les nombres réels. Il est à noter que ce n'est que vers la fin du que cette idée permet une construction rigoureuse de l'ensemble des réels qui est réalisée par deux mathématiciens Cantor en 1872 et Méray en 1869. Le second est Richard Dedekind qui, en 1872, propose dans son ouvrage Was sind und was sollen die Zahlen (ce que sont et ce que doivent être les nombres) une méthode plus simple en étudiant la relation d'ordre sur les fractions. Son idée consiste à considérer les coupures, par exemple tous les nombres négatifs ou dont le carré est plus petit que 2. Cet objet est aussi un bon candidat pour représenter la racine carrée de 2. Il existe une autre méthode à partir des développements décimaux, cependant l'addition puis la multiplication ne sont pas des opérations simples à définir. C'est probablement cette raison qui fait de cette approche la moins populaire. Ces méthodes construisent toutes le même ensemble, celui des nombres réels.

La solution est plus riche que prévue

Carl Friedrich Gauss Le montre que cette nouvelle structure, l'ensemble des nombres réels, ses opérations et sa relation d'ordre, non seulement remplit ses promesses mais va au-delà.
- Non seulement le paradoxe de la \sqrt est résolu, mais également un théorème puissant : le Théorème des valeurs intermédiaires qui permet de construire toutes les fonctions réciproques nécessaires, aussi bien de la forme des radicaux avec les fonctions de type x \mapsto \sqrt, que dans le cas des fonctions trigonométriques.
- Les développements décimaux infinis ont maintenant un sens. De plus, il devient possible de mieux comprendre les nombres réels et de les classifier. Ainsi, en dehors des fractions rationnelles on découvre le corps des nombres algébriques, c'est-à-dire des nombres qui sont racines d'un polynôme à coefficients entiers. Une nouvelle famille de nombres est exhibée : les transcendants qui ne sont racines d'aucune équation polynomiale à coefficients entiers. Les propriétés de ces nombres permettent la démonstration de vieilles conjectures comme la quadrature du cercle.
- Enfin, le Théorème de Rolle est généralisé et permet la démonstration d'un résultat essentiel pour l'analyse. Le comportement infinitésimal d'une fonction, par exemple le fait que la dérivée soit toujours positive, permet de déduire un comportement global. Cela signifie par exemple, que si un solide se déplace sur une droite avec une vitesse instantanée toujours positive, alors le solide a avancé, c'est-à-dire qu'il s'est déplacé positivement (vers « l'avant ») par rapport à l'origine. Cette problématique qui avait arrêté les Grecs, incapables de résoudre les paradoxes de Zénon, est définitivement comprise. Ce résultat, que l'intuition déclare évident, a demandé des siècles d'efforts.
- Dans le développement du calcul infinitésimal, la manipulation des infiniment petits peut alors être abordée différemment. L'ensemble des nombres réels ne pourra satisfaire tous les mathématiciens. Dans les années 1960, Abraham Robinson met en place la notion de nombre hyperréel et permet le développement de l'analyse non standard. Cette nouvelle théorie permet d'exprimer et de démontrer plus simplement certains résultats fondamentaux comme le Théorème de Bolzano-Weierstrass.

Nature : mathématiques et philosophie

L'évolution des concepts de nombre réel et de continuité est tout aussi philosophique que mathématique. Que les nombres réels forment une entité continue veut dire qu'il n'y a pas de « saut » ou de « bande interdite ». Intuitivement, c'est tout comme la perception humaine de l'espace ou de l'écoulement du temps. Certains philosophes conçoivent qu'il est d'ailleurs exactement de même pour tous les phénomènes naturels. Ce concept est résumé par la devise du mathématicien et philosophe Leibniz : natura non facit saltus, « la nature ne fait pas de sauts ».

De la Grèce antique au début des Temps modernes

L'histoire de la continuité débute en Grèce antique. Au , les atomistes ne croient pas seulement que la nature est faite de « sauts », mais aussi qu'il existe des particules de base non divisibles, les atomes. Les synéchistes quant à eux clament que tout est connecté, continu , de l'encyclopédie de philosophie Stanford, en ligne.. Démocrite est un tenant d'une nature faite d'atomes intercalés de vide, tandis que Eudoxe le contredit, faisant de ses travaux certains des plus anciens précurseurs de l'analyse. Ceux-ci évoluent plus tard en ce que l'on connaît sous le nom de géométrie euclidienne. Encore au , des mathématiciens énonçaient qu'une fonction continue est en fait constituée de lignes droites infiniment petites, c'est-à-dire infinitésimales. C'est ainsi que le concept d'infiniment petit, vu dans l'optique atomiste, peut promouvoir cette façon de concevoir la nature. La question d'infini est donc centrale à la compréhension de la continuité et des nombres réels. Les paradoxes de Zénon illustrent la contre-intuitivité de la notion d'infini. L'un des plus connus est celui de la flèche, dans lequel on imagine une flèche en vol. À chaque instant, la flèche se trouve à une position précise et si l'instant est trop court, alors la flèche n'a pas le temps de se déplacer et reste au repos pendant cet instant. Les instants suivants, elle reste immobile pour la même raison. La flèche est toujours immobile et ne peut pas se déplacer : le mouvement est impossible. Pour résoudre ce paradoxe, il faut additionner ces infiniment petits un nombre infini de fois, par la méthode de la limite, découverte au cours de l'évolution de l'analyse.

Histoire de l'analyse

Le concept de continuité des nombres réels est central en analyse, dès le début de son histoire. Une question fondamentale est de déterminer si une fonction donnée est en fait une fonction continue. Au , on formulait cette question comme « est-ce qu'une variation infinitésimale dans son domaine engendre une variation infinitésimale dans son image ? » Au , cette formulation est abandonnée et remplacée par celle des limites. Dès le siècle, les infinitésimales tombent en disgrâce : elles sont dites d'utilité pratique, mais erronées, non nécessaires et contradictoires. Cantor les qualifie même de « maladie infectieuse » des mathématiques. Les limites les remplacent tout à fait et à partir du début du , les infinitésimales ne sont plus le soubassement de l'analyse. En mathématiques elles demeurent en quelque sorte des non-concepts, jusqu'à ce qu'on les réintroduise à grands frais en géométrie différentielle, leur donnant le statut mathématique de champ tensoriel. Dans les sciences appliquées, en particulier en physique et en génie, on se sert toujours des infinitésimales. Ceci cause évidemment des problèmes de communication entre ces sciences et les mathématiques.

Définitions axiomatiques de \mathbb R et premières propriétés

Si l'on souhaite être bref, on peut caractériser l'ensemble des nombres réels que l'on note en général \mathbb R, par la phrase de David Hilbert : \mathbb R est le dernier corps commutatif archimédien et il est complet. « Dernier » signifie que tout corps commutatif archimédien est isomorphe à un sous ensemble de \mathbb R. Ici « isomorphe » signifie intuitivement qu'il possède la même forme, ou se comporte exactement de la même manière, on peut donc sans grande difficulté, dire qu'ils sont les mêmes.

Approche axiomatique

David Hilbert Une approche axiomatique consiste à caractériser un concept par une ou une série de définitions. Ce point de vue, dont Hilbert est le précurseur dans son formalisme moderne, s'est révélé extrêmement fécond au . Des notions comme la topologie, la théorie de la mesure, ou les probabilités se définissent maintenant par une axiomatique. Une approche axiomatique suppose une compréhension parfaite de la structure en question et permet une démonstration des théorèmes uniquement à partir de ces définitions. C'est la raison pour laquelle de bonnes définitions peuvent en mathématiques s'avérer si puissantes. L'approche axiomatique de \mathbb R ne montre néanmoins pas son existence. Il apparaît alors nécessaire de construire cette structure. Cette question est traitée dans l'article Construction des nombres réels. La définition axiomatique nous est essentiellement donnée en introduction. \mathbb R est l'unique corps archimédien complet, un tel corps est nécessairement commutatif. Mais on trouve aussi une autre définition axiomatique plus simple qui lui est équivalente. \R est l'unique corps totalement ordonné qui satisfait l'axiome de la borne supérieure. L'unicité signifie ici que, si K est un corps totalement ordonné possédant la propriété de la borne supérieure, il existe un unique isomorphisme strictement croissant de K dans \R.
- \mathbb R est un corps. \mathbb R a donc une structure algébrique pure, autrement dit toutes ses lois sont internes. En effet l'addition (respectivement la multiplication) s'appliquent à deux nombres réels pour donner un troisième nombre réel. \mathbb R est un corps commutatif. Ses deux opérations, l'addition et la multiplication, possèdent donc toutes les propriétés usuelles.
- \mathbb R est un corps totalement ordonné . Cela signifie que tous les nombres peuvent être comparés entre eux (l'un est soit plus grand, soit plus petit, soit égal à l'autre) et que cette relation respecte l'addition et la multiplication. En langage mathématique on a:
-:\forall (a, b, c) \in \mathbb^3 \quad a>b \; \Rightarrow a+c>b+c\;;
-:\forall (a, b) \in \mathbb^2, \forall c \in \mathbb_+^
-\quad a>b \; \Rightarrow a\times c>b\times c\;
- L'axiome de la borne supérieure s'exprime de la manière suivante : si un ensemble A est non vide et majoré, autrement dit s'il existe un nombre donné plus grand ou égal à chaque élément de A; alors A admet une borne supérieure, c'est le plus petit des majorants. Ce dernier axiome différencie \mathbb R de tous les autres corps. Il existe en effet une infinité de corps commutatifs totalement ordonnés, mais un seul satisfait l'axiome de la borne supérieure.
- \mathbb R est archimédien. Cela signifie que si l'on considère un nombre a strictement positif, par exemple 2 et que l'on considère la suite a, 2a, 3a, ... C’est-à-dire dans notre exemple 2, 4, 6, ... alors on obtiendra dans la suite, des nombres aussi grands que l'on veut. En langage mathématique, cela s'écrit : ::\forall (a, b) \in \mathbb_+^
-^2 \;\exists n \in \mathbb \quad n\cdot a > b\;
- \mathbb R est un corps complet. C'est-à-dire que toute suite de Cauchy réelle converge. boîte déroulante|align=left|titre=Démonstrations|contenu= Il s'agit de démontrer l'équivalence entre les deux définitions axiomatiques.
- Si E\, est un corps totalement ordonné vérifiant la propriété de la borne supérieure alors E\, est archimédien. Soit a\, un élément de E\, , a > 0\, et b\, un élément de E\, . Il s'agit de trouver un entier n\, tel que na \geq b\, .
- Si a \geq b, il suffit de prendre n= 1\,
- Sinon, on considère l'ensemble A = \na \quad t.q. \quad n \in \mathbb N \wedge na < b\. A\, est non vide et majoré par b\, donc possède une borne supérieure c\, . L'élément c-a\, n'est donc pas un majorant de A\, , il existe donc un entier n\, tel que na >c-a\, alors (n+1)a > c\, donc (n+1)a \notin A donc (n+1)a \geq b.
- Si E\, est un corps totalement ordonné vérifiant la propriété de la borne supérieure alors E\, est complet. Soit (a_n)\, une suite de Cauchy dans E\, , il s'agit de prouver que (a_n)\, converge. Une suite de Cauchy est toujours bornée. Il en est de même de l'ensemble A_n = \a_m \quad t.q. \quad m \geq n\ non vide et borné, il possède une borne supérieure S_n\, et une borne inférieure I_n\, . On va prouver que les suites (S_n)\, et (I_n)\, sont adjacentes.
- (S_n)\, est décroissante. En effet S_n\, est un majorant de A_n\, donc de A_\, donc S_n \geq S_.
- (I_n)\, est croissante. Démonstration analogue.
- Pour tout \varepsilon > 0\, , il existe N\, tel que, pour tout m\, et n\, tels que m \geq n \geq N, a_n-\varepsilon/2 \leq a_m \leq a_n + \varepsilon/2 (car la suite (a_n)\, est de Cauchy). a_n + \varepsilon/2 est donc un majorant de A_n\, donc S_n \leq a_n + \varepsilon/2. De même I_n \geq a_n - \varepsilon/2. Donc a_n-\varepsilon/2 \leq I_n \leq S_n \leq a_n + \varepsilon/2 donc |S_n - I_n| \leq \varepsilon. La suite (S_n - I_n)\, converge donc vers 0. : Deux suites adjacentes convergent vers la même limite (c'est une conséquence directe de la propriété de la borne supérieure - voir plus bas). On note a\, cette limite. On sait que I_n \leq a \leq S_n . D'après la remarque précédente, pour tout \varepsilon > 0\, , il existe N\, tel que, pour tout n \geq N, a_n-\varepsilon/2 \leq I_n \leq S_n \leq a_n + \varepsilon/2 . Comme I_n \leq a \leq S_n, on aura |a_n - a| \leq \varepsilon/2. Ce qui confirme que la suite (a_n)\, converge vers a\, .
- Tout corps commutatif archimédien complet vérifie la propriété de la borne supérieure. La démonstration est analogue à celle utilisée pour la construction des nombres réels par les suites de Cauchy

Premières propriétés

Archimède, Domenico Fetti, 1620 Musée Alte Meister, Dresden, Allemagne Cette section est essentiellement technique. Elle traite des propriétés essentielles et élémentaires pour un travail analytique sur \mathbb R. La propriété suivante provient du fait que \R est archimédien.
- Entre deux réels distincts, il existe toujours un rationnel et un irrationnel. Les autres propriétés sont des conséquences de la propriété de la borne supérieure.
-Tout ensemble non vide et minoré de \mathbb R admet une borne inférieure.
-Toute suite croissante et majorée dans \mathbb R est convergente.
-Toute suite décroissante et minorée dans \mathbb R est convergente.
- Deux suites adjacentes convergent vers la même limite. On appelle suites adjacentes deux suites, l'une croissante, l'autre décroissante, dont la différence tend vers 0. boîte déroulante|align=left|titre=Démonstrations|contenu=
-Tout ensemble non vide et minoré de \mathbb R admet une borne inférieure. La démonstration est analogue à celle de l'axiome de la borne supérieure.
-Toute suite (u_n)\; croissante et majorée dans \mathbb R est convergente. Considérons l'ensemble d'arrivée de cette suite. Il est non vide et majoré. Il admet donc une borne supérieure que nous notons l. Tout élément strictement plus petit que l n'est pas une borne supérieure. On en déduit donc: ::(1)\quad \forall \epsilon > 0, \exists N\in \mathbb N, u_N> l-\epsilon :La suite (u_n)\; est croissante, on en déduit que la proposition (1) s'écrit aussi: ::(2)\quad \forall \epsilon > 0, \exists N\in \mathbb N, \forall n>N, |l-u_n|< \epsilon :La proposition (2) est la définition de la convergence de la suite (u_n)\;.
-Toute suite décroissante et minorée dans \mathbb R est convergente. La démonstration est analogue à la précédente.
- Deux suites adjacentes convergent vers la même limite. voir théorème des suites adjacentes
- Entre deux réels distincts, il existe toujours un rationnel. Soit deux réels distincts. Notons le plus petit a\, et le plus grand b\, . Montrons qu'il existe un rationnel entre les deux. Appelons d\, le réel strictement positif b-a\, . \R étant archimédien, il existe un entier q\, tel que 1/d < q\, . On considère alors l'ensemble des entiers relatifs p\, tels que \frac\leq a. Comme \R est archimédien, cet ensemble est non vide et majoré. Il admet alors un plus grand élément p_0\, tel que \frac \leq a < \frac + \frac< b. Le rationnel \frac est bien strictement compris entre a\, et b\, .
- Entre deux réels distincts, il existe toujours un irrationnel. Pour cela, nous devons considérer un irrationnel. Or \sqrt 2\; est irrationnel d'après une démonstration donnée dans l'appendice. Montrer l'existence d'une telle valeur est aisé, il suffit de considérer une suite rationnelle convergeant vers cette valeur. L'article Fraction continuée en donne un exemple dans la section Équation de Pell. On prend les réels a' = \frac\sqrt 2 et b' = \frac\sqrt, d'après la propriété précédente, il existe un rationnel r\, compris entre a'\, et b'\, , puis en multipliant par \sqrt2, il existe un irrationnel r\sqrt 2 compris entre a\, et b\, .

Clôture algébrique

Il existe un ensemble de fonctions particulièrement intéressantes, les polynômes. Un polynôme peut parfois être factorisé. C'est-à-dire qu'il s'exprime sous la forme de produit de polynômes non constants de degrés plus petits. L'idéal étant que l'on puisse factoriser tout polynôme en facteurs de degré 1 (c'est-à-dire sous la forme ax+b\;). Cette propriété dépend du corps sur lequel on construit ces polynômes. Par exemple sur le corps des rationnels, quel que soit n entier supérieur ou égal à deux, il existe des polynômes de degré n irréductibles, c'est-à-dire que l'on ne peut pas les exprimer sous forme de produit de polynômes de degrés plus petits. Pour les nombres réels, on démontre que le plus grand degré d'un polynôme irréductible est égal à deux. En d'autres termes, si le polynôme ne se décompose pas, c'est qu'il est de la forme ax^2+bx+c\;. Les corps qui n'ont comme polynômes irréductibles que les polynômes de degré 1 sont dit algébriquement clos. Si \mathbb R n'est pas algébriquement clos, on peut plonger ce corps dans un corps plus vaste. Il s'agit d'un nouveau corps, le corps des nombres complexes. Cependant ce corps n'est pas globalement « meilleur ». Sa clôture algébrique est une propriété fort intéressante, mais elle a un coût : le corps des complexes ne peut pas posséder de relation d'ordre compatible avec ses deux opérations. En quelque sorte, ce qui est gagné d'un côté est perdu d'un autre.

Topologie

La raison d'être des nombres réels est d'offrir un ensemble de nombres avec les bonnes propriétés permettant la construction de l'analyse. Deux approches utilisant deux concepts différents sont possibles.
-On peut utiliser la notion d'espace métrique qui sur \mathbb R associe la distance usuelle. Cette distance, que l'on ici note d\;, était déjà utilisée par Euclide. Elle est définie de la manière suivante: ::\forall (x, y)\in \mathbb^2, d(x, y)=|y-x|\; :Ce concept est le plus intuitif et en général demande des démonstrations un peu plus naturelles. C'est souvent à partir de ce concept que les propriétés analytiques de \mathbb R sont développées et prouvées.
-On peut aussi utiliser la théorie de la topologie. Cette théorie est plus générale que celle associée à la distance. Tout espace métrique est associé à un espace topologique. Mais la réciproque n'est pas vraie. L'élégance favorise la base axiomatique la plus faible. Au un travail de reformulation générale des mathématiques est entrepris par l'association Bourbaki et se traduit par la rédaction d'un ouvrage appelé Éléments de mathématique. Cet ouvrage traite, de manière rigoureuse, d'une vaste partie des mathématiques actuelles. Pour cette raison, les Éléments développent et démontrent les propriétés de l'ensemble des réels à partir de la topologie. C'est le choix que nous suivrons ici. boîte déroulante|align=left|titre=Propriétés|contenu=
- Soit a\; un nombre réel. Un voisinage de a\; est un ensemble contenant un intervalle ouvert contenant a\;. Démonstration dans l'article Voisinage.
- \mathbb R est un espace séparé.
-\mathbb Q est partout dense dans \mathbb R. Démonstration dans l'article Adhérence.
- Les ouverts de \mathbb R sont les réunions quelconques d'intervalles ouverts. Démonstration dans l'article Voisinage.
- Les compacts de \mathbb R sont les fermés bornés. Cette propriété permet une démonstration simple et rapide du Théorème des bornes. En particulier les segments sont compacts. Démonstration dans l'article Espace compact.
- Toutes suites bornée de \mathbb R admet une sous-suite convergente. Démonstration dans l'article Théorème de Bolzano-Weierstrass
- \mathbb R est connexe et simplement connexe. Démonstration dans les articles Connexité et Connexité simple.
- Les connexes de \mathbb R sont les intervalles. Cette propriété permet une démonstration simple et rapide du Théorème des valeurs intermédiaires. Démonstration dans l'article Connexité.
- Théorème des fermés emboîtés. Soit (F_n)\; une suite de fermés bornés emboités non vides. Alors leur intersection est non vide. En termes mathématiques, cela signifie que: ::\forall n \in \mathbb N \;\forall m>n \quad F_m\subset F_n\quad \Rightarrow \quad \bigcap_n \in \mathbb N F_n\;\ne \varnothing \;. :En effet, considérons une suite (u_n)\; qui vérifie la propriété u_n \in F_n\;. C'est une suite bornée, elle admet donc une sous-suite convergente. Sa limite est adhérente à tout intervalle F_n\; et comme cet ensemble est un fermé, il contient tous ses points adhérents.

Cardinalité

Combien y a t-il de nombres réels ? Une infinité, mais laquelle ? Il existe plusieurs cardinaux infinis. Ici cardinal peut se comprendre naïvement comme le nombre d'éléments que contient un ensemble. Dans le cas où les ensembles ne sont pas finis, notre première intuition est trompeuse. Pour comprendre le piège, comparons le cardinal des nombres entiers positifs et des nombres pairs positifs. Notre premier réflexe est de dire que le cardinal des entiers positifs est plus grand car cet ensemble contient, non seulement les nombres pairs mais en plus les nombres impairs, donc deux fois plus de nombres. Puis on peut se dire que l'application qui, à un nombre entier positif, associe le double de ce nombre, montre une correspondance bijective, c'est-à-dire qui associe à chaque nombre de l'ensemble de départ un et un unique élément dans l'ensemble d'arrivée. Notre premier réflexe n'est pas le bon et ne permet pas de construire de théorie des cardinaux. Les deux cardinaux sont en fait égaux. En fait, l'ensemble des entiers positifs et l'ensemble des entiers pairs positifs (ou impairs positifs) correspondent à un même cardinal dit dénombrable. Autrement dit, il y a autant de nombres entiers positifs que de nombres pairs (ou impairs) positifs !.. Qu'en est-il du cardinal des nombres rationnels ? Il semble infiniment plus grand que celui des entiers car entre deux entiers il existe une infinité de fractions. Cependant, il est encore possible d'établir une bijection entre l'ensemble des entiers et celui des fractions. La démonstration en est donnée dans l'article Ensemble dénombrable. Posons nous alors la même question pour l'ensemble \mathbb R. Son cardinal n'est pas dénombrable, il est supérieur à celui des nombres entiers. Le cardinal des nombres rationnels est noté \aleph_0\; et se prononce aleph 0. Celui des nombres réels est noté c\; ou 2^\aleph_0\; et il est appelé le cardinal du continu. D'où provient ce changement d'échelle de cardinal ? En fait, les rationnels et même les nombres algébriques ont toujours un cardinal dénombrable. L'ensemble des nombres réels possède le cardinal du continu. Ils sont donc infiniment plus nombreux que les nombres algébriques et donc que les nombres entiers. Georg Cantor, génial inventeur de l'argument de la diagonale, établit cette théorie et se pose la question de l'existence d'un cardinal strictement plus grand que celui des nombres rationnels et strictement plus petit que celui des nombres réels. Son hypothèse est qu'un tel cardinal n'existe pas, on l'appelle l'hypothèse du continu. Cette conjecture est fondamentale dans l'histoire des mathématiques à deux titres :
-Tout d'abord la question des cardinaux a été englobée par Cantor dans une théorie plus vaste, la théorie des ensembles, qui sert maintenant de fondement à toute la Mathématique. L'intégralité du formalisme et de la construction des mathématiques possède pour fondation cette théorie.
-Ensuite la réponse à la question de l'hypothèse du continu est réellement étrange, il a fallu attendre la deuxième moitié du pour la trouver. Elle est indécidable. Cela signifie qu'il est aussi impossible de démontrer l'existence d'un tel ensemble, que de montrer que cet ensemble n'existe pas, si l'on ne modifie pas la base axiomatique utilisée, c’est-à-dire la logique. La modification de la logique devient alors un acte possible, qui par exemple débouche sur la théorie de l'analyse non standard. Une rumeur prétend que cette question a fini par rendre Cantor fou. Ce que l'on peut affirmer, c'est que Cantor a travaillé sur ce problème, qu'il ne l'a jamais résolu et qu'il était atteint d'une psychose maniaco-dépressive. boîte déroulante|align=left|titre=Démonstration|contenu= Montrons que le cardinal de l'intervalle \left\; n'est pas dénombrable. Pour cela il nous faut montrer qu'une suite (u_i)\; injective dans \left\; n'est jamais surjective. Il nous suffit de trouver un point l\; qui n'est pas dans l'ensemble d'arrivée de la suite. Pour cela construisons deux suites (a_i)\;, (b_i)\; définies par récurrence telles que la proposition suivante soit vraie: ::(1)\quad\forall i
Sujets connexes
Addition   Adhérence (mathématiques)   Aleph   Algorithmique   Analyse (mathématiques)   Analyse non standard   Analyse réelle   Anglais   Antiquité   Application réciproque   Archimède   Archimédien   Argument de la diagonale de Cantor   Argument diagonal   Arithmétique   Atome   Atomisme   Augustin Louis Cauchy   Axiomes des probabilités   Base (arithmétique)   Bernoulli   Bijection   Calcul infinitésimal   Calcul symbolique   Champ tensoriel   Charles Méray   Commerce   Commutativité   Complet   Conjecture   Connexité (mathématiques)   Connexité simple   Construction des nombres réels   Continuité   Convergence   Corps (mathématiques)   Corps algébriquement clos   Corpus   Coupure de Dedekind   David Hilbert   Denis Guedj   Distance (mathématiques)   Domenico Fetti   Droite (mathématiques)   Démonstration   Dénombrable   Dénominateur   Dérivée   Développement décimal   E (nombre)   Ensemble dénombrable   Entier naturel   Espace complet   Espace mesurable   Espace métrique   Espace séparé   Espace topologique   Espace vectoriel   Euclide   Eudoxe de Cnide   Factorisation des polynômes   Fonction polynôme   Fraction   Fraction égyptienne   Gabrielle Émilie Le Tonnelier de Breteuil   Gemäldegalerie Alte Meister   Georg Cantor   Gottfried Wilhelm von Leibniz   Grèce antique   Génie   Géométrie   Géométrie différentielle   Géométrie euclidienne   Histoire des mathématiques   Hypothèse du continu   Infini   Infiniment petit   Informaticien   Injection (mathématiques)   Intervalle (mathématiques)   Isaac Newton   Isomorphisme   James Gregory   Joseph Liouville   Lemme (mathématiques)   Lemme d'Euclide   Leonhard Euler   Limite (mathématiques)   Longueur   Mathématiques   Mathématiques indiennes   Mécanique du solide   Mécanique newtonienne   Nicolas Bourbaki   Nicolaus Mercator   Nombre   Nombre algébrique   Nombre cardinal   Nombre complexe   Nombre de Liouville   Nombre décimal   Nombre hyperréel   Nombre irrationnel   Nombre premier   Nombre rationnel   Nombre réel calculable   Nombre transcendant   Nombres premiers entre eux   Notation positionnelle   Numérateur   Ordinateur   Ordre total   Paradoxes de Zénon   Parité (arithmétique)   Philosophiae Naturalis Principia Mathematica   Philosophie   Physique   Pi   Plan (mathématiques)   Plus grand commun diviseur   Polynôme   Preuve (mathématiques)   Processeur   Pseudo-code   Pythagore   Racine (mathématiques)   Racine carrée   Raisonnement par l'absurde   Relation d'ordre   Richard Dedekind   Roger Godement   Réciproque   Rétronymie   Segment (mathématiques)   Simon Stevin   Soleil   Structure algébrique   Suite (mathématiques)   Suite de Cauchy   Sumer   Surjection   Système de numération   Série (mathématiques)   Terre   Théorie des ensembles   Théorème   Théorème de Bolzano-Weierstrass   Théorème de Rolle   Théorème des accroissements finis   Théorème des bornes   Théorème des suites adjacentes   Théorème des valeurs intermédiaires   Topologie   Trigonométrie   Type (informatique)   Virgule fixe   Virgule flottante   Vitesse   Voltaire  
#
Accident de Beaune   Amélie Mauresmo   Anisocytose   C3H6O   CA Paris   Carole Richert   Catherinettes   Chaleur massique   Championnat de Tunisie de football D2   Classement mondial des entreprises leader par secteur   Col du Bonhomme (Vosges)   De viris illustribus (Lhomond)   Dolcett   EGP  
^