2nde — Ensembles de nombres

Les Intervalles

I. Pourquoi les intervalles ?
📘 Définition

Un intervalle est un sous-ensemble de \(\mathbb{R}\) formé de tous les réels compris entre deux bornes \(a\) et \(b\). Les crochets indiquent si les bornes sont incluses ou non.

🌡️ Analogie 1 — Le thermomètre

La météo annonce : « Les températures seront comprises entre \(-3\,°C\) et \(12\,°C\). » Ce n'est pas 2 valeurs isolées, c'est une plage continue. L'intervalle \([-3\,;\,12]\) représente exactement cet ensemble.

🚗 Analogie 2 — Le radar de vitesse

La vitesse autorisée sur une autoroute est « entre \(0\) et \(130\) km/h inclus ». En maths : \([0\,;\,130]\). Rouler à \(65{,}7\) ou à \(130\) : dans l'intervalle. Rouler à \(131\) : en dehors.

📋 À retenir

On ne peut pas lister les réels d'un intervalle car ils sont en nombre infini : entre \(1\) et \(2\) se trouvent \(1{,}5\), \(\sqrt{2}\), \(1{,}001\)… et infiniment d'autres. L'intervalle est la notation compacte qui les désigne tous.

🎯 Explore — Fais glisser l'intervalle !

Déplace les poignées ▲ pour choisir ton intervalle. Coche si une borne est incluse ou exclue. L'écriture mathématique se met à jour en direct.

🧩 Exercice — Lis le schéma et écris l'intervalle

Pour chaque droite graduée ci-dessous, écris l'intervalle correspondant :

(a)

0 1 2 3 4 5
point plein = inclus

(b)

−1 0 1 2 3 4
plein = inclus vide = exclu

(c)

−2 −1 0 1 3 4

(a) Points pleins en \(1\) et \(4\) → les deux bornes sont incluses : \([1\,;\,4]\)

(b) Rond vide en \(1\) (exclu), point plein en \(3\) (inclus) → \(]1\,;\,3]\)

(c) Flèche vers \(-\infty\) + rond vide en \(1\) (exclu) → \(]-\infty\,;\,1[\)

🧩 Exercice — Lis l'écriture et repère sur la droite

Pour chaque intervalle, identifie les points pleins (●), les points vides (○), et de quel côté la droite est colorée :

(a) \([-3\,;\,2]\)   (b) \(]0\,;\,5[\)   (c) \([1\,;\,+\infty[\)   (d) \(]-\infty\,;\,-1]\)

(a) Points pleins ● en \(-3\) et en \(2\) — segment coloré entre les deux.

−3 −1 0 2 4

(b) Ronds vides ○ en \(0\) et \(5\) — segment coloré entre les deux (bornes exclues).

−1 0 2 5 6

(c) Point plein ● en \(1\) — flèche colorée vers \(+\infty\) à droite.

−1 0 1 3 5

(d) Point plein ● en \(-1\) — flèche colorée vers \(-\infty\) à gauche.

−4 −3 −2 −1 1 2
II. La droite des réels

L'ensemble \(\mathbb{R}\) est représenté par une droite infinie. Tout réel correspond à un point unique. Un intervalle, c'est un segment coloré sur cette droite.

La droite des réels \(\mathbb{R}\)
−∞ +∞ −3 −2 −1 0 1 2 3 √2 π
— — \(\sqrt{2} \approx 1{,}414\) : irationnel, entre 1 et 2 — — \(\pi \approx 3{,}14\) : irationnel, entre 3 et 4
💡 Remarque

\(\sqrt{2}\) et \(\pi\) sont des réels irrationnels : ils ont une place précise sur la droite, mais on ne peut pas les écrire comme fractions. Ils font bien partie de \(\mathbb{R}\), et donc d'intervalles qui les contiennent, comme \([1\,;\,2]\) pour \(\sqrt{2}\) ou \([3\,;\,4]\) pour \(\pi\).

III. Les 4 types d'intervalles
📋 Convention graphique

Sur une droite graduée :

Point plein ● = borne incluse → crochet fermé \([\,]\) Point vide ○ = borne exclue → crochet ouvert \(]\,[\)
1. Intervalle fermé \([a\,;\,b]\)
📘 Définition

L'intervalle \([a\,;\,b]\) est l'ensemble des réels \(x\) tels que \(a \leq x \leq b\). Les deux bornes sont incluses.

\([a\,;\,b] = \{x \in \mathbb{R} \mid a \leq x \leq b\}\)
✏️ Exemple
Représenter \([1\,;\,4]\) sur une droite graduée.
0 1 2 3 4 5

Points pleins ● en \(1\) et \(4\) : les deux bornes appartiennent à l'intervalle.

2. Intervalle ouvert \(]a\,;\,b[\)
📘 Définition

L'intervalle \(]a\,;\,b[\) est l'ensemble des réels \(x\) tels que \(a < x < b\). Les deux bornes sont exclues.

\(]a\,;\,b[ = \{x \in \mathbb{R} \mid a < x < b\}\)
✏️ Exemple
Représenter \(]1\,;\,4[\) sur une droite graduée.
0 1 2 3 4 5

Points vides ○ en \(1\) et \(4\) : les bornes n'appartiennent pas à l'intervalle.

3. Intervalles semi-ouverts
Semi-ouvert à droite \([a\,;\,b[\)

\(a\) inclus ●  |  \(b\) exclu ○
\(a \leq x < b\)

Semi-ouvert à gauche \(]a\,;\,b]\)

\(a\) exclu ○  |  \(b\) inclus ●
\(a < x \leq b\)

✏️ Exemple
Représenter \([1\,;\,4[\) — le \(1\) est inclus (●), le \(4\) est exclu (○).
0 1 2 3 4 5
4. Intervalles infinis
📗 Propriété

L'infini n'est jamais inclus : on écrit toujours \(]-\infty\,;\,...[\) et \(]...\,;\,+\infty[\) avec des crochets ouverts vers l'extérieur du côté de l'infini.

Infini à gauche \(]-\infty\,;\,b]\)

Tous les \(x \leq b\)

Infini à droite \([a\,;\,+\infty[\)

Tous les \(x \geq a\)

✏️ Exemple
Représenter \(]-\infty\,;\,2]\) — tous les réels inférieurs ou égaux à \(2\).
−2 −1 0 2 4 6
⚠️ Erreur classique : écrire \([-\infty\,;\,3]\) est faux. L'infini n'est pas un nombre, il ne peut pas être atteint. On écrit toujours \(]-\infty\,;\,3]\).
IV. Notation — tableau récapitulatif
💡 Moyen mnémotechnique

Crochet tourné vers l'intérieur \([\) ou \(]\) → borne incluse (\(\leq\) ou \(\geq\)).
Crochet tourné vers l'extérieur \(]\) ou \([\) → borne exclue (\(<\) ou \(>\)).

NotationInégalitéSchémaType
\([a\,;\,b]\)\(a \leq x \leq b\) Fermé
\(]a\,;\,b[\)\(a < x < b\) Ouvert
\([a\,;\,b[\)\(a \leq x < b\) Semi-ouvert
\(]a\,;\,b]\)\(a < x \leq b\) Semi-ouvert
\(]-\infty\,;\,b]\)\(x \leq b\) Infini gauche
\(]-\infty\,;\,b[\)\(x < b\) Infini gauche
\([a\,;\,+\infty[\)\(x \geq a\) Infini droit
\(]a\,;\,+\infty[\)\(x > a\) Infini droit
\(]-\infty\,;\,+\infty[\)tout \(x \in \mathbb{R}\) \(\mathbb{R}\) entier
🧩 Exercice
Traduis chaque intervalle en inégalité, et chaque inégalité en intervalle :

(a) \(x \in [-2\,;\,5]\)   (b) \(x > 3\)   (c) \(x \in ]0\,;\,7[\)   (d) \(-5 \leq x < 1\)

(a) \(x \in [-2\,;\,5]\) → \(-2 \leq x \leq 5\)

(b) \(x > 3\) → \(x \in ]3\,;\,+\infty[\)

(c) \(x \in ]0\,;\,7[\) → \(0 < x < 7\)

(d) \(-5 \leq x < 1\) → \(x \in [-5\,;\,1[\)

V. Erreurs fréquentes à éviter

Voici les pièges les plus courants. Compare les colonnes :

❌ Faux

\([-\infty\,;\,5]\)

✅ Correct

\(]-\infty\,;\,5]\) — l'infini est toujours exclu

❌ Faux

\([5\,;\,+\infty]\)

✅ Correct

\([5\,;\,+\infty[\) — l'infini n'est jamais inclus

❌ Faux

\([5\,;\,2]\) — borne gauche > borne droite

✅ Correct

\([2\,;\,5]\) — on écrit toujours le plus petit à gauche

❌ Faux

\((3\,;\,7)\) — notation parenthèses

✅ Correct

\(]3\,;\,7[\) — en France on utilise les crochets

❌ Faux

\(3 \in ]3\,;\,8[\)

✅ Correct

\(3 \notin ]3\,;\,8[\) — la borne exclue n'appartient pas à l'intervalle

VI. Intersection \(\cap\) et réunion \(\cup\)
1. L'intersection \(A \cap B\) — la partie commune
📘 Définition

\(A \cap B\) est l'ensemble des réels qui appartiennent à la fois à \(A\) et à \(B\). C'est la zone où les deux intervalles se chevauchent.

Schéma — Intersection : la zone violette appartient aux deux intervalles
A B A ∩ B zone commune → dans A ET dans B
✏️ Exemple
Calculer \(A \cap B\) avec \(A = [1\,;\,5]\) et \(B = [3\,;\,7]\).

Sur le schéma, chaque ligne représente un intervalle. La zone violette est la partie commune :

A B A∩B 1 2 3 4 5 6 7

Sur le schéma, \(A\) va de \(1\) à \(5\) et \(B\) va de \(3\) à \(7\). La partie commune (en violet) part de \(3\) et va jusqu'à \(5\).

En \(3\) : borne de \(B\), incluse \([\). En \(5\) : borne de \(A\), incluse \(]\).

Conclusion : \([1\,;\,5] \cap [3\,;\,7] = [3\,;\,5]\)
2. La réunion \(A \cup B\) — tout ce qui est dans l'un ou l'autre
📘 Définition

\(A \cup B\) est l'ensemble des réels qui appartiennent à \(A\) ou à \(B\) (ou aux deux à la fois).

Schéma — Réunion : tout ce qui est coloré (les deux cercles en entier)
A B les deux → tout ce qui est coloré = A ∪ B dans A OU dans B (ou les deux)
✏️ Exemple
Calculer \(A \cup B\) avec \(A = [1\,;\,5]\) et \(B = [3\,;\,7]\).
A B A∪B 1 2 3 4 5 6 7

Les deux intervalles se chevauchent (ils partagent \([3\,;\,5]\)). On les fusionne : on prend tout depuis le début de \(A\) jusqu'à la fin de \(B\).

La réunion commence en \(1\) (borne de \(A\), incluse) et finit en \(7\) (borne de \(B\), incluse).

Conclusion : \([1\,;\,5] \cup [3\,;\,7] = [1\,;\,7]\)
⚠️ Cas disjoint : si les deux intervalles ne se touchent pas, on ne peut pas les fusionner. Par exemple, \([1\,;\,2]\) et \([5\,;\,7]\) : la réunion reste \([1\,;\,2] \cup [5\,;\,7]\).
Exemple — intervalles disjoints : pas de fusion possible
A B rien ici → pas de fusion 1 2 3 5 7
🧩 Exercice — Intersection et réunion avec schéma
Soit \(A = [-2\,;\,5]\) et \(B = [1\,;\,8[\). Calcule \(A \cap B\) et \(A \cup B\) en t'aidant du schéma.
A B −2 0 1 3 5 6 8

Intersection \(A \cap B\) :

La zone commune commence là où \(B\) démarre : en \(1\) (inclus). Elle finit là où \(A\) s'arrête : en \(5\) (inclus).

A ∩ B −2 1 5 8
Résultat : \(A \cap B = [1\,;\,5]\)

Réunion \(A \cup B\) :

Les deux intervalles se chevauchent. On prend tout depuis le début de \(A\) (\(-2\), inclus) jusqu'à la fin de \(B\) (\(8\), exclu).

A ∪ B −2 1 5 8
Résultat : \(A \cup B = [-2\,;\,8[\)
🎮 Explorateur interactif — \(\cap\) et \(\cup\)

Entre les bornes de \(A\) et \(B\). La droite graduée se met à jour en direct !

→ A = [a₁ ; a₂]
→ B = [b₁ ; b₂]
VII. Appartenance et écriture avec \(\in\)
📘 Définition

Le symbole \(\in\) se lit « appartient à ». On écrit \(x \in [a\,;\,b]\) si et seulement si \(a \leq x \leq b\).
Le symbole \(\notin\) se lit « n'appartient pas à ».

✏️ Exemples
✅ Vrai\(3 \in [1\,;\,5]\) car \(1 \leq 3 \leq 5\)
❌ Faux\(5 \notin ]3\,;\,5[\) — \(5\) est la borne exclue
✅ Vrai\(-7 \in ]-\infty\,;\,0[\) car \(-7 < 0\)
❌ Faux\(0 \notin ]-\infty\,;\,0[\) — \(0\) est exclu
✅ Vrai\(1 \in [1\,;\,5]\) — borne gauche incluse
✅ Vrai\(\pi \in [3\,;\,4]\) car \(3 \leq \pi \leq 4\)
🧩 Exercice
Vrai ou faux ? Justifie.

(a) \(4 \in [4\,;\,10]\)   (b) \(0 \in ]-3\,;\,0[\)   (c) \(-1 \in ]-\infty\,;\,0[\)   (d) \(7 \in [7\,;\,+\infty[\)   (e) \(\sqrt{2} \in ]1\,;\,2[\)

(a) ✅ Vrai — \(4\) est la borne gauche incluse : \(4 \leq 4 \leq 10\).

(b) ❌ Faux — \(0\) est la borne droite exclue de \(]-3\,;\,0[\).

(c) ✅ Vrai — \(-1 < 0\) donc \(-1 \in ]-\infty\,;\,0[\).

(d) ✅ Vrai — \(7\) est la borne gauche incluse : \(7 \geq 7\).

(e) ✅ Vrai — \(\sqrt{2} \approx 1{,}414\) et \(1 < 1{,}414 < 2\).

🎮 Testeur d'appartenance

Choisis un intervalle, entre un nombre et vérifie s'il lui appartient :

VIII. Exercices progressifs
🧩 Exercice 1 — Lire une notation ⭐
Écris l'inégalité correspondant à chaque intervalle :

(a) \(x \in [-3\,;\,7]\)   (b) \(x \in ]2\,;\,9[\)   (c) \(x \in [0\,;\,+\infty[\)   (d) \(x \in ]-\infty\,;\,5[\)

(a) \(-3 \leq x \leq 7\)

(b) \(2 < x < 9\)

(c) \(x \geq 0\)

(d) \(x < 5\)

🧩 Exercice 2 — Écrire un intervalle ⭐
Traduis chaque inégalité en notation d'intervalle :

(a) \(-1 \leq x \leq 4\)   (b) \(x > 3\)   (c) \(-5 < x \leq 0\)   (d) \(x \leq -2\)

(a) \([-1\,;\,4]\)

(b) \(]3\,;\,+\infty[\)

(c) \(]-5\,;\,0]\)

(d) \(]-\infty\,;\,-2]\)

🧩 Exercice 3 — Intersection et réunion ⭐⭐
Soit \(A = [-1\,;\,4]\), \(B = ]2\,;\,6]\) et \(C = [5\,;\,+\infty[\). Calcule en t'aidant d'un schéma :

(a) \(A \cap B\)   (b) \(A \cup B\)   (c) \(B \cap C\)   (d) \(A \cap C\)

Visualisation de A, B et C sur la droite
A B C −1 1 2 4 5 6

(a) \(A \cap B\) : la zone commune entre \(A\) (de \(-1\) à \(4\)) et \(B\) (de \(2\) à \(6\)). Elle commence en \(2\) (borne de \(B\), exclue) et finit en \(4\) (borne de \(A\), incluse).
\(A \cap B = ]2\,;\,4]\)

(b) \(A \cup B\) : \(A\) et \(B\) se chevauchent. On fusionne depuis \(-1\) (début de \(A\), inclus) jusqu'à \(6\) (fin de \(B\), inclus).
\(A \cup B = [-1\,;\,6]\)

(c) \(B \cap C\) : \(B\) va de \(2\) à \(6\) et \(C\) démarre à \(5\). La zone commune commence en \(5\) (borne de \(C\), incluse) et finit en \(6\) (borne de \(B\), incluse).
\(B \cap C = [5\,;\,6]\)

(d) \(A \cap C\) : \(A\) se termine en \(4\) et \(C\) commence en \(5\). Ils ne se touchent pas : aucun nombre n'appartient aux deux à la fois.
\(A \cap C = \emptyset\) (ensemble vide).

🧩 Exercice 4 — Problème contextuel ⭐⭐⭐
Une salle de sport n'accepte les membres que si leur âge \(a\) vérifie : au moins 16 ans et moins de 70 ans.

(a) Écris l'intervalle des âges acceptés.
(b) Élise a 15 ans. Peut-elle adhérer ? Justifie avec \(\in\) ou \(\notin\).
(c) Marc a 70 ans. Peut-il adhérer ?
(d) La salle ouvre aussi aux seniors jusqu'à 80 ans inclus. Écris la réunion et simplifie-la.

(a) « au moins 16 » → \(a \geq 16\) → borne gauche incluse ; « moins de 70 » → \(a < 70\) → borne droite exclue.
Intervalle : \([16\,;\,70[\)

(b) \(15 \notin [16\,;\,70[\) car \(15 < 16\). ❌ Élise ne peut pas adhérer.

(c) \(70 \notin [16\,;\,70[\) car \(70\) est la borne droite exclue. ❌ Marc ne peut pas adhérer.

(d) Intervalles : \([16\,;\,70[\) et \([70\,;\,80]\).
En \(70\) : exclu dans \([16\,;\,70[\), inclus dans \([70\,;\,80]\) — les deux intervalles se collent exactement en \(70\), on peut les fusionner :
\([16\,;\,70[ \cup [70\,;\,80] = [16\,;\,80]\)

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