Chapitre 2 — Seconde GT

Ensembles de nombres

ℕ · ℤ · 𝔻 · ℚ · ℝ — Appartenance, inclusion, nombres irrationnels
I. Les cinq ensembles de nombres

En mathématiques, les nombres ne sont pas tous de la même nature : certains servent à compter, d'autres à mesurer des températures négatives, d'autres encore ne peuvent même pas s'écrire comme une fraction. Pour s'y retrouver, on les classe dans des ensembles — comme des tiroirs emboîtés, chaque tiroir contenant le précédent.

1) ℕ — Les entiers naturels
ℕ
Les entiers naturels
Le point de départ — les nombres pour compter

Ce sont tout simplement les nombres qu'on utilise pour compter des objets : le nombre d'élèves dans une classe, le nombre de pages d'un livre, etc. Ils sont tous positifs ou nuls, sans virgule.

\(\mathbb{N} = \{0,\ 1,\ 2,\ 3,\ 4,\ 5,\ \ldots\}\)
0 ✓1 ✓17 ✓1000 ✓−5 ✗2,3 ✗
⚠️ Attention : \(0 \in \mathbb{N}\). Le zéro est bien un entier naturel. Les négatifs et les décimaux ne le sont pas.
2) ℤ — Les entiers relatifs
ℤ
Les entiers relatifs
Les entiers naturels + leurs négatifs

On ajoute au tiroir ℕ tous les entiers négatifs : \(-1, -2, -3, \ldots\) Pense à une droite graduée avec le zéro au milieu : ℤ contient tous les traits de cette droite — les positifs à droite, les négatifs à gauche.

\(\mathbb{Z} = \{\ldots,\ -3,\ -2,\ -1,\ 0,\ 1,\ 2,\ 3,\ \ldots\}\)
−100 ✓−1 ✓0 ✓5 ✓2,5 ✗−0,3 ✗
Tout entier naturel est aussi un entier relatif : \(\mathbb{N} \subset \mathbb{Z}\). Mais \(-4 \in \mathbb{Z}\) et \(-4 \notin \mathbb{N}\).
3) 𝔻 — Les décimaux
𝔻
Les nombres décimaux
Les nombres avec un nombre fini de chiffres après la virgule

Un nombre décimal est un nombre dont le développement décimal se termine : il n'y a qu'un nombre fini de chiffres après la virgule. On peut toujours l'écrire comme une fraction avec \(10\), \(100\), \(1000\), etc. au dénominateur.

✓ Décimaux
\(0{,}25 = \dfrac{25}{100}\)
\(-1{,}5 = \dfrac{-15}{10}\)
\(3 = \dfrac{3}{1}\)
\(0{,}001 = \dfrac{1}{1000}\)
✗ Pas décimaux
\(\dfrac{1}{3} = 0{,}333\ldots\) infini
\(\dfrac{1}{7} = 0{,}142857\ldots\) infini
\(\sqrt{2} = 1{,}41421\ldots\) infini
\(\pi = 3{,}14159\ldots\) infini
Tout entier est décimal (on peut l'écrire avec \(0\) chiffre après la virgule). Donc \(\mathbb{Z} \subset \mathbb{D}\).
4) ℚ — Les rationnels
ℚ
Les nombres rationnels
Tous les nombres qui s'écrivent comme une fraction d'entiers

Un rationnel est un nombre qu'on peut toujours écrire sous la forme \(\dfrac{p}{q}\) où \(p\) et \(q\) sont des entiers et \(q \neq 0\). Le mot « rationnel » vient de « ratio » qui signifie rapport (ou fraction).

\(\mathbb{Q} = \left\{\dfrac{p}{q} \mid p \in \mathbb{Z},\ q \in \mathbb{Z},\ q \neq 0\right\}\)

Le développement décimal d'un rationnel est soit fini (comme \(0{,}25\)), soit infini mais périodique — c'est-à-dire qu'il finit par se répéter :

\(\dfrac{1}{3} = 0{,}\overline{3} = 0{,}333333\ldots\) (le chiffre 3 se répète indéfiniment) \(\dfrac{1}{7} = 0{,}\overline{142857} = 0{,}142857142857\ldots\) (le bloc 142857 se répète)
Tout décimal est rationnel. Donc \(\mathbb{D} \subset \mathbb{Q}\). Mais \(\frac{1}{3} \in \mathbb{Q}\) et \(\frac{1}{3} \notin \mathbb{D}\).
5) Les nombres irrationnels — une découverte surprenante
📘 Définition — Nombre irrationnel

Un nombre réel est irrationnel s'il est impossible de l'écrire sous la forme \(\dfrac{p}{q}\) avec \(p\) et \(q\) entiers. Son développement décimal est infini et non périodique : il ne se répète jamais, il n'a aucun schéma régulier.

💡 Pour comprendre
Un rationnel comme \(\frac{1}{3} = 0{,}333\ldots\) a un développement qui "tourne en rond" (le 3 se répète). Un irrationnel comme \(\sqrt{2} = 1{,}41421356237\ldots\) n'a aucun motif répété : les décimales partent dans tous les sens sans jamais se stabiliser. C'est comme essayer d'écrire un nombre dont les chiffres après la virgule sont complètement aléatoires et ne s'arrêtent jamais.
📗 Propriété — Quand \(\sqrt{n}\) est-il irrationnel ?

\(\sqrt{n}\) est rationnel uniquement si \(n\) est un carré parfait (c'est-à-dire \(0, 1, 4, 9, 16, 25, 36\ldots\)).

Dans tous les autres cas, \(\sqrt{n}\) est irrationnel.

Carrés parfaits → rationnel ✓
\(\sqrt{0} = 0\)
\(\sqrt{1} = 1\)
\(\sqrt{4} = 2\)
\(\sqrt{9} = 3\)
\(\sqrt{16} = 4\)
\(\sqrt{25} = 5\)
Pas carré parfait → irrationnel ✗
\(\sqrt{2} \approx 1{,}41421\ldots\)
\(\sqrt{3} \approx 1{,}73205\ldots\)
\(\sqrt{5} \approx 2{,}23606\ldots\)
\(\sqrt{6} \approx 2{,}44948\ldots\)
\(\sqrt{7} \approx 2{,}64575\ldots\)
\(\pi \approx 3{,}14159\ldots\)
6) ℝ — Les réels
ℝ
Les nombres réels
Tous les points de la droite graduée, sans exception

L'ensemble ℝ est le plus grand des cinq. Il contient tous les rationnels (fractions, entiers, décimaux) et aussi tous les irrationnels (\(\sqrt{2}\), \(\sqrt{3}\), \(\pi\), \(e\)…). En fait, tout point qu'on peut placer sur une droite graduée correspond à un nombre réel.

Maintenant que tu sais ce que sont les irrationnels, la définition de ℝ est claire : les réels, ce sont les rationnels plus les irrationnels. Il n'existe pas de nombre réel qui ne soit ni l'un ni l'autre.

\(\sqrt{2}\) ✓\(\pi\) ✓\(\frac{1}{3}\) ✓\(-7\) ✓\(0{,}25\) ✓\(\sqrt{3}\) ✓
ℝ contient tout ce qu'on a vu avant : \(\mathbb{N} \subset \mathbb{Z} \subset \mathbb{D} \subset \mathbb{Q} \subset \mathbb{R}\).
7) Schéma de synthèse — les ensembles emboîtés

Maintenant que tu connais chacun des cinq ensembles, voici comment ils s'emboîtent. Chaque ellipse est entièrement contenue dans la suivante.

ℕ 0 1 2 3 … ℤ Relatifs −3 −1 𝔻 Décimaux 0,25 −1,5 ℚ Rationnels 1/3 −2/7 ℝ Réels √2 π √5 irrationnels Chaîne d'inclusion : ℕ ⊂ ℤ ⊂ 𝔻 ⊂ ℚ ⊂ ℝ

Chaque label est écrit dans la couronne de son ensemble (entre son ellipse et l'ellipse intérieure). Les exemples dans les zones entre deux ellipses appartiennent à l'ensemble extérieur mais pas à l'intérieur — par exemple, 1/3 est dans ℚ mais pas dans 𝔻.

💡 Pour comprendre
Un rationnel comme \(\frac{1}{3} = 0{,}333\ldots\) a un développement qui "tourne en rond" (le 3 se répète). Un irrationnel comme \(\sqrt{2} = 1{,}41421356237\ldots\) n'a aucun motif répété : les décimales partent dans tous les sens sans jamais se stabiliser. C'est comme essayer d'écrire un nombre dont les chiffres après la virgule sont complètement aléatoires et ne s'arrêtent jamais.
📗 Propriété — Quand \(\sqrt{n}\) est-il irrationnel ?

\(\sqrt{n}\) est rationnel uniquement si \(n\) est un carré parfait (c'est-à-dire \(0, 1, 4, 9, 16, 25, 36\ldots\)).

Dans tous les autres cas, \(\sqrt{n}\) est irrationnel.

Carrés parfaits → rationnel ✓
\(\sqrt{0} = 0\)
\(\sqrt{1} = 1\)
\(\sqrt{4} = 2\)
\(\sqrt{9} = 3\)
\(\sqrt{16} = 4\)
\(\sqrt{25} = 5\)
Pas carré parfait → irrationnel ✗
\(\sqrt{2} \approx 1{,}41421\ldots\)
\(\sqrt{3} \approx 1{,}73205\ldots\)
\(\sqrt{5} \approx 2{,}23606\ldots\)
\(\sqrt{6} \approx 2{,}44948\ldots\)
\(\sqrt{7} \approx 2{,}64575\ldots\)
\(\pi \approx 3{,}14159\ldots\)
6) ℝ — Les réels
ℝ
Les nombres réels
Tous les points de la droite graduée, sans exception

L'ensemble ℝ est le plus grand des cinq. Il contient tous les rationnels (fractions, entiers, décimaux) et aussi tous les irrationnels (\(\sqrt{2}\), \(\sqrt{3}\), \(\pi\), \(e\)…). En fait, tout point qu'on peut placer sur une droite graduée correspond à un nombre réel.

Maintenant que tu sais ce que sont les irrationnels, la définition de ℝ est claire : les réels, ce sont les rationnels plus les irrationnels. Il n'existe pas de nombre réel qui ne soit ni l'un ni l'autre.

\(\sqrt{2}\) ✓\(\pi\) ✓\(\frac{1}{3}\) ✓\(-7\) ✓\(0{,}25\) ✓\(\sqrt{3}\) ✓
ℝ contient tout ce qu'on a vu avant : \(\mathbb{N} \subset \mathbb{Z} \subset \mathbb{D} \subset \mathbb{Q} \subset \mathbb{R}\).
7) Schéma de synthèse — les ensembles emboîtés

Maintenant que tu connais chacun des cinq ensembles, voici comment ils s'emboîtent. Chaque ellipse est entièrement contenue dans la suivante.

ℝ Réels √2 π √5 irrationnels ℚ Rationnels 1/3 −2/7 𝔻 Décimaux 0,25 −1,5 ℤ Relatifs −3 −1 ℕ 0 1 2 3 … Chaîne d'inclusion : ℕ ⊂ ℤ ⊂ 𝔻 ⊂ ℚ ⊂ ℝ

Les exemples placés entre deux ellipses appartiennent à l'ensemble extérieur mais pas à l'intérieur — par exemple, 1/3 est dans ℚ mais pas dans 𝔻.

📗 Propriété — Chaîne d'inclusion
\(\mathbb{N} \subset \mathbb{Z} \subset \mathbb{D} \subset \mathbb{Q} \subset \mathbb{R}\)

Ce que cette formule dit concrètement : tout entier naturel est un entier relatif, tout entier relatif est un décimal, tout décimal est un rationnel, tout rationnel est un réel.

II. Symboles d'appartenance et d'inclusion
1) Le symbole ∈ — appartenance
📘 Définition

On écrit \(x \in E\) pour dire que le nombre \(x\) appartient à l'ensemble \(E\), c'est-à-dire qu'il est un élément de \(E\).

On écrit \(x \notin E\) pour dire que \(x\) n'appartient pas à \(E\).

Pense à \(\in\) comme une flèche qui dit « est dans » : \(-3 \in \mathbb{Z}\) se lit « \(-3\) est dans ℤ ».

✓ Exemples vrais

\(-3 \in \mathbb{Z}\)

\(\sqrt{2} \in \mathbb{R}\)

\(0 \in \mathbb{N}\)

\(\dfrac{1}{3} \in \mathbb{Q}\)

✗ Exemples faux

\(-3 \notin \mathbb{N}\)

\(\sqrt{2} \notin \mathbb{Q}\)

\(\dfrac{1}{3} \notin \mathbb{D}\)

\(\pi \notin \mathbb{Q}\)

2) Le symbole ⊂ — inclusion
📘 Définition

On écrit \(A \subset B\) pour dire que l'ensemble \(A\) est inclus dans l'ensemble \(B\), ce qui signifie que tout élément de \(A\) est aussi un élément de \(B\).

Exemple : \(\mathbb{N} \subset \mathbb{Z}\) signifie que tout entier naturel est aussi un entier relatif. C'est vrai : \(5 \in \mathbb{N}\) et \(5 \in \mathbb{Z}\).

⚠️ Ne pas confondre ∈ et ⊂ — erreur très fréquente

Ces deux symboles ne jouent pas le même rôle :

\(\in\) relie un nombre à un ensemble.   ✓ \(3 \in \mathbb{N}\)    ✗ \(\mathbb{N} \in \mathbb{Z}\) (ℕ n'est pas un nombre, c'est un ensemble)
\(\subset\) relie deux ensembles.   ✓ \(\mathbb{N} \subset \mathbb{Z}\)    ✗ \(3 \subset \mathbb{N}\) (\(3\) n'est pas un ensemble)
III. Tableau récapitulatif d'appartenance

Pour chaque nombre, on indique à quels ensembles il appartient. Les nombres sont présentés dans l'ordre : d'abord les entiers naturels, puis les relatifs, puis les décimaux, puis les rationnels, puis les irrationnels.

Nombre ℕ ℤ 𝔻 ℚ ℝ Pourquoi ?
\(3\) entier naturel ✓✓✓✓✓ Entier positif → dans tous les ensembles
\(0\) zéro ✓✓✓✓✓ \(0 \in \mathbb{N}\) par convention
\(-5\) entier relatif négatif ✗✓✓✓✓ Entier négatif → pas dans ℕ
\(0{,}25\) décimal positif ✗✗✓✓✓ \(0{,}25 = \frac{25}{100}\), décimal fini
\(-\dfrac{7}{5}\) décimal négatif ✗✗✓✓✓ \(-\frac{7}{5} = -1{,}4\), décimal fini négatif
\(\dfrac{1}{3}\) rationnel non décimal ✗✗✗✓✓ \(0{,}333\ldots\) infini périodique — pas dans 𝔻
\(\sqrt{2}\) irrationnel ✗✗✗✗✓ \(1{,}41421\ldots\) infini non périodique
\(\pi\) irrationnel ✗✗✗✗✓ \(3{,}14159\ldots\) infini non périodique
💡 Méthode — Comment classer rapidement un nombre
  • 1Est-ce un entier ? Si oui, est-il positif ou nul ? → ℕ. Sinon (entier négatif) → ℤ.
  • 2Sinon : a-t-il un développement décimal qui s'arrête ? → 𝔻.
  • 3Sinon : peut-on l'écrire \(\frac{p}{q}\) avec \(p, q\) entiers ? (développement qui se répète) → ℚ.
  • 4Sinon (radical non carré parfait, \(\pi\), etc.) → ℝ seulement (irrationnel).
IV. Exercices
✏️ Exemple guidé — Classer des nombres
Pour chacun des nombres suivants, donner le plus petit ensemble auquel il appartient et justifier :
\(-7\) ; \(\dfrac{3}{4}\) ; \(\sqrt{9}\) ; \(\sqrt{5}\) ; \(\dfrac{1}{3}\) ; \(-1{,}5\)
\(-7\) : C'est un entier, mais il est négatif donc il ne peut pas être dans ℕ. → Plus petit ensemble : ℤ.
\(\dfrac{3}{4}\) : \(3 \div 4 = 0{,}75\), développement décimal fini → Plus petit ensemble : 𝔻.
\(\sqrt{9}\) : \(\sqrt{9} = 3\), c'est un entier positif. → Plus petit ensemble : ℕ.
\(\sqrt{5}\) : \(5\) n'est pas un carré parfait → irrationnel. → Plus petit ensemble : ℝ (hors ℚ).
\(\dfrac{1}{3}\) : \(\dfrac{1}{3} = 0{,}333\ldots\) infini périodique, pas décimal. Mais c'est bien une fraction d'entiers. → Plus petit ensemble : ℚ.
\(-1{,}5\) : Développement décimal fini (\(-1{,}5 = -\dfrac{3}{2}\)), négatif donc pas dans ℕ ni ℤ. → Plus petit ensemble : 𝔻.
🧩 Exercice 1 — Appartenance
Répondre en justifiant soigneusement chaque réponse.

(a) \(\sqrt{16} \in \mathbb{N}\) ? Justifie.
(b) \(-\dfrac{3}{2} \in \mathbb{N}\) ? \(\in \mathbb{Z}\) ? \(\in \mathbb{D}\) ?
(c) Donne un nombre appartenant à \(\mathbb{R}\) mais pas à \(\mathbb{Q}\).
(d) Donne un nombre appartenant à \(\mathbb{Q}\) mais pas à \(\mathbb{D}\).
(e) Vrai ou Faux : \(\sqrt{2} \in \mathbb{Q}\) ? Justifie ta réponse.

(a) \(\sqrt{16} = 4\). Or \(4\) est un entier positif : \(\sqrt{16} \in \mathbb{N}\). ✓
(b) \(-\dfrac{3}{2} = -1{,}5\). Décimal fini, mais négatif. Donc \(-\dfrac{3}{2} \notin \mathbb{N}\) (négatif), \(\notin \mathbb{Z}\) (pas entier), mais \(\in \mathbb{D}\) (décimal fini).
(c) Exemples : \(\sqrt{2}\), \(\sqrt{3}\), \(\sqrt{5}\), \(\pi\). Ce sont des irrationnels : ils sont dans \(\mathbb{R}\) mais pas dans \(\mathbb{Q}\).
(d) Exemples : \(\dfrac{1}{3}\), \(\dfrac{2}{7}\), \(\dfrac{1}{9}\). Leur développement décimal est infini et périodique : ils ne sont pas dans \(\mathbb{D}\), mais bien dans \(\mathbb{Q}\).
(e) Faux. \(\sqrt{2}\) est irrationnel. Son développement décimal \(1{,}41421356\ldots\) est infini et ne se répète jamais. Il est impossible de l'écrire sous la forme \(\dfrac{p}{q}\). Donc \(\sqrt{2} \notin \mathbb{Q}\).
🧩 Exercice 2 — Écriture avec les symboles ∈, ∉, ⊂
Écrire chaque phrase en utilisant les symboles mathématiques (\(\in\), \(\notin\), \(\subset\)) :

(a) \(5\) appartient à l'ensemble des entiers naturels.
(b) \(-2\) n'appartient pas à l'ensemble des entiers naturels.
(c) L'ensemble des entiers relatifs est inclus dans l'ensemble des rationnels.
(d) \(\pi\) n'est pas un rationnel.
(e) \(\sqrt{4}\) est un entier naturel.

(a) \(5 \in \mathbb{N}\)
(b) \(-2 \notin \mathbb{N}\)
(c) \(\mathbb{Z} \subset \mathbb{Q}\)
(d) \(\pi \notin \mathbb{Q}\)
(e) \(\sqrt{4} = 2 \in \mathbb{N}\)
V. Entraîne-toi — Outils interactifs
1) Testeur d'appartenance
🔍 Testeur d'appartenance
Entre un nombre (par exemple -3, 1/4, √5 ou π), choisis un ensemble, et clique sur "Tester". L'outil t'explique pourquoi.
Entre un nombre ci-dessus, puis clique sur "Tester".
2) Classifieur interactif
🎯 Trouve le plus petit ensemble d'appartenance
Clique d'abord sur un nombre (il devient violet), puis clique sur l'ensemble cible. Quand tu as tout classé, clique sur "Vérifier".
7 −4 0,3 1/3 √5 0 −1/2 π 2/7 −12
ℕ Naturels
ℤ Relatifs
𝔻 Décimaux
ℚ Rationnels
ℝ Réels seul.
3) Quiz — Vrai ou Faux ?
❓ Quiz — Appartenance et inclusion
Réponds à chaque question. Que tu aies raison ou tort, une explication détaillée apparaîtra.

1.   \(\sqrt{4} \in \mathbb{N}\)   — Vrai ou Faux ?

Vrai Faux

2.   \(\mathbb{Q} \subset \mathbb{Z}\)   — Vrai ou Faux ?

Vrai Faux

3.   \(-\dfrac{3}{2} \in \mathbb{D}\)   — Vrai ou Faux ?

Vrai Faux

4.   \(\pi \in \mathbb{Q}\)   — Vrai ou Faux ?

Vrai Faux

5.   \(\mathbb{N} \subset \mathbb{R}\)   — Vrai ou Faux ?

Vrai Faux

6.   \(0 \in \mathbb{N}\)   — Vrai ou Faux ?

Vrai Faux
VI. Questions que tu te poses peut-être…

Cette section répond aux vraies questions qu'on n'ose pas toujours poser en classe. Si tu te retrouves bloqué sur une idée, lis d'abord ici.

En pratique, si. Dans la vie quotidienne, on travaille presque toujours dans ℝ et on n'a pas besoin de distinguer. Mais en mathématiques, classer les nombres permet de savoir ce qu'on peut faire avec eux. Par exemple, dans ℕ, la soustraction ne marche pas toujours (\(3 - 5\) n'est pas dans ℕ). Dans ℤ, la division n'est pas toujours possible (\(3 \div 4\) n'est pas dans ℤ). Connaître l'ensemble dans lequel on travaille permet de savoir à l'avance quelles opérations resteront "à l'intérieur" de cet ensemble.

\(1{,}41\) est une approximation de \(\sqrt{2}\), mais ce n'est pas \(\sqrt{2}\) lui-même. \(\sqrt{2}\) c'est le nombre exact dont le carré vaut \(2\) — et ce nombre-là ne peut pas s'écrire comme fraction d'entiers, quoi qu'on fasse. Les mathématiciens grecs ont démontré cela il y a plus de 2 500 ans : si on suppose que \(\sqrt{2} = \frac{p}{q}\) avec \(p\) et \(q\) entiers, on aboutit à une contradiction. Donc c'est impossible.

En pratique dans les exercices, \(\sqrt{2}\) reste écrit \(\sqrt{2}\) — on ne le remplace jamais par un décimal, sauf quand on veut une valeur approchée.

Tu n'as pas besoin de tout mémoriser. Voici la règle pratique : écris \(\frac{1}{3}\) sous forme décimale. Tu obtiens \(0{,}333\ldots\) — ça ne s'arrête pas. Donc ce n'est pas dans 𝔻.

Plus généralement, une fraction \(\frac{p}{q}\) (irréductible) est dans 𝔻 si et seulement si les seuls facteurs premiers du dénominateur sont 2 et/ou 5. C'est parce que notre système décimal est en base 10, et \(10 = 2 imes 5\). Exemple : \(\frac{3}{8} = \frac{3}{2^3}\) → décimal (\(0{,}375\)) ; \(\frac{1}{3}\) → dénominateur \(3\), facteur premier différent de \(2\) et \(5\) → pas décimal.

Non. \(\frac{22}{7} \approx 3{,}142857\ldots\) est une approximation de \(\pi\), mais \(\pi = 3{,}14159265\ldots\) Ces deux nombres ne sont pas égaux : ils diffèrent à partir de la troisième décimale. \(\pi\) est irrationnel, donc il ne peut jamais s'écrire exactement comme une fraction d'entiers. \(\frac{22}{7}\) est juste la fraction simple la plus connue qui s'en approche.

Voici une façon de ne plus jamais les confondre :

  • \(\in\) se lit "appartient à". Il relie un objet individuel à une boîte.
    Ex : \(3 \in \mathbb{N}\) → le nombre 3 est dans la boîte ℕ.
    Pense : une personne dans un groupe.
  • \(\subset\) se lit "est inclus dans". Il relie une boîte entière à une autre boîte.
    Ex : \(\mathbb{N} \subset \mathbb{Z}\) → toute la boîte ℕ est à l'intérieur de la boîte ℤ.
    Pense : un tiroir dans une armoire.

Test rapide : si ce qui est à gauche du symbole est un nombre → \(\in\). Si c'est un ensemble (comme ℕ, ℤ…) → \(\subset\).

Oui ! Il existe des nombres complexes (notés ℂ), qui permettent notamment de calculer \(\sqrt{-1}\). Tu les verras en Terminale. Les nombres complexes contiennent tous les réels, et plus encore. Mais en Seconde, on travaille exclusivement dans ℝ.

VII. Un peu d'histoire — comment les hommes ont découvert ces ensembles

Les ensembles de nombres n'ont pas tous été inventés en même temps. Leur découverte s'est étalée sur des millénaires, et chaque étape a représenté une révolution dans la façon de penser les mathématiques.

ℕ
Préhistoire (−40 000 ans et plus)
Les entiers naturels

Les premiers humains comptaient déjà : des encoches sur des os témoignent du comptage dès la préhistoire. Dénombrer des animaux, des jours, des objets — c'est le tout premier besoin mathématique de l'humanité.

𝔻 ℚ
Antiquité (−3000 à −500 av. J.-C.)
Les fractions et les décimaux

Les Égyptiens et les Babyloniens avaient besoin de partager des terres, des récoltes, des marchandises. Ils ont inventé les fractions. Les Babyloniens utilisaient même une forme de nombres décimaux en base 60 (d'où nos 60 secondes et 60 minutes).

√
Grèce antique (env. −500 av. J.-C.)
La découverte des irrationnels — un scandale !

Les Pythagoriciens croyaient que tout dans l'univers pouvait s'exprimer par des fractions entières. Un de leurs élèves, Hippase de Métaponte, démontra que \(\sqrt{2}\) ne peut pas s'écrire comme fraction. Ce fut un choc philosophique. La légende dit qu'il fut jeté à la mer pour avoir révélé ce secret…

ℤ
Moyen-Âge (VII–XII siècle)
Les nombres négatifs

Les mathématiciens indiens (Brahmagupta, VIIe siècle) et arabes acceptèrent les nombres négatifs pour représenter des dettes. Les Européens ont mis bien plus longtemps à les accepter — encore au XVIe siècle, certains mathématiciens les appelaient "nombres absurdes".

ℝ
XIXe siècle
La formalisation des réels

Ce n'est qu'au XIXe siècle que les mathématiciens (Cauchy, Weierstrass, Dedekind, Cantor) ont formalisé rigoureusement l'ensemble ℝ. Avant cela, tout le monde les utilisait intuitivement sans les avoir vraiment définis. Cantor a même montré qu'il existe "autant" de rationnels que d'entiers (infinité dénombrable), mais "infiniment plus" de réels — une idée vertigineuse.

VIII. À retenir — fiche de révision rapide

Tout ce que tu dois savoir sur ce chapitre, résumé en une page.

ℕ — Entiers naturels

\(\{0, 1, 2, 3, \ldots\}\)

Pour compter. Toujours ≥ 0. Toujours entier.

✓ 0, 5, 1000    ✗ −3, 2,5

ℤ — Entiers relatifs

\(\{\ldots, -2, -1, 0, 1, 2, \ldots\}\)

Tous les entiers, positifs et négatifs.

✓ −7, 0, 4    ✗ 1,5, π

𝔻 — Décimaux

Développement décimal fini.

S'écrit \(\dfrac{p}{10^n}\).

✓ 0,25 ; −1,5    ✗ 1/3

ℚ — Rationnels

S'écrit \(\dfrac{p}{q}\), \(p,q\) entiers.

Développement fini ou périodique.

✓ 1/3 ; −7/5    ✗ √2, π

ℝ — Réels

Tous les points de la droite graduée.

= Rationnels + Irrationnels

✓ Tout nombre qu'on peut placer sur une droite

Irrationnels : ni entier, ni fraction.

Développement décimal infini, non périodique.

Ex : √2, √3, π, √5, e…

Les deux symboles à connaître absolument
∈ appartenance

\(3 \in \mathbb{N}\) — "3 appartient à ℕ"

Relie un nombre à un ensemble

⊂ inclusion

\(\mathbb{N} \subset \mathbb{Z}\) — "ℕ est inclus dans ℤ"

Relie deux ensembles l'un à l'autre

📗 La chaîne d'inclusion à connaître par cœur
\(\mathbb{N} \subset \mathbb{Z} \subset \mathbb{D} \subset \mathbb{Q} \subset \mathbb{R}\)

Mnémotechnique : Nos Zèbres Dansent Quand il faut Rire.

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