La borne supérieure d'une somme de parties
Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques (PCSI), chapitre 5 — Nombres réels et suites numériques · A. Nombres réels, bornes supérieures et inférieures
Énoncé
Soient et deux parties non vides et majorées de . On note .
a) Montrer que est non vide et majorée, et que .
b) À l'aide de la caractérisation de la borne supérieure, montrer que .
c) Montrer qu'il existe une suite d'éléments de qui converge vers (on appliquera la caractérisation avec ), et retrouver l'égalité de la question b) par un passage à la limite.
d) Montrer que admet un plus grand élément si et seulement si et en admettent chacune un.
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. La propriété de la borne supérieure, admise par le cours, et sa caractérisation : si et seulement si majore et, pour tout , il existe tel que . On note et , qui existent puisque et sont non vides et majorées.
La stratégie. Une borne supérieure ne se « calcule » pas : elle s'encadre, par deux inégalités — l'une dit que majore , l'autre qu'aucun réel plus petit ne la majore. Ce sont les deux points de la caractérisation.
a) Un majorant. Comme et sont non vides, on peut choisir et : , qui n'est pas vide. Tout élément de s'écrit avec et ; par définition d'un majorant, et , et en ajoutant, . Ainsi majore , qui, non vide et majorée, admet une borne supérieure ; et comme celle-ci est le plus petit des majorants :
b) Le plus petit des majorants. Soit . La caractérisation de , appliquée avec , fournit tel que ; celle de fournit de même tel que . En ajoutant : et est un élément de . Ainsi, pour tout , le réel ne majore pas . Avec le a), vérifie les deux points de la caractérisation :
Le point délicat. On a demandé à chacune des deux parties une approximation à près, et non à près : deux erreurs s'ajoutent, et c'est leur somme qui doit rester inférieure à — le partage qu'on retrouve dans la limite d'une somme de deux suites.
c) La même égalité, par les suites. Soit . La caractérisation de avec fournit un élément de , que l'on note , tel que ; comme majore , on a aussi . Ainsi, pour tout , Les deux membres extrêmes tendent vers : par le théorème d'encadrement, . On construit de même une suite d'éléments de qui converge vers .
Pour tout , appartient à , donc . Par les opérations sur les limites, , et le passage à la limite dans une inégalité large donne Avec le a), on retrouve l'égalité. La seconde condition de la caractérisation s'est traduite en un énoncé sur les suites : la borne supérieure est la limite d'une suite d'éléments de la partie.
d) Le plus grand élément. Si et ont chacune un plus grand élément, ce sont leurs bornes supérieures : et . Alors appartient à et, d'après b), c'est sa borne supérieure : c'est donc un plus grand élément de .
Réciproquement, supposons que ait un plus grand élément. Il est égal à sa borne supérieure , et, comme tout élément de , il s'écrit avec et . On a et , donc les deux réels et sont positifs ; et leur somme vaut Une somme de deux réels positifs n'est nulle que si chacun est nul : et . Donc et : chacune des deux parties a un plus grand élément. Ainsi, avec , de borne supérieure non atteinte, et , la partie a pour borne supérieure , mais pas de plus grand élément.
Ce que l'exercice installe. Une borne supérieure s'établit toujours en deux inégalités : « c'est un majorant », puis « c'est le plus petit », la seconde par un partagé ou par une suite d'éléments de la partie — deux langages équivalents, entre lesquels il faut savoir passer. Ce geste est celui de tout le chapitre : le théorème de la limite monotone identifie la limite d'une suite croissante et majorée à la borne supérieure de ses termes, et c'est encore la borne supérieure qui, à travers les suites adjacentes, fondera au chapitre suivant la démonstration par dichotomie du théorème des valeurs intermédiaires.
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