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Prépa, 1re année › Nombres réels › Caractérisation de la borne supérieure

Caractérisation de la borne supérieure : énoncé (MPSI)

Théorème

Caractérisation de la borne supérieure

Soit $A$ une partie de $\mathbb{R}$ et $M \in \mathbb{R}$. On a $M = \sup A$ si et seulement si :

  1. $M$ est un majorant de $A$ : $\forall a \in A,\ a \le M$ ;
  2. $\forall \varepsilon > 0,\ \exists a \in A,\ M - \varepsilon < a$.

De même, $m = \inf A$ si et seulement si $m$ minore $A$ et $\forall \varepsilon > 0,\ \exists a \in A,\ a < m + \varepsilon$.

Démonstration : Caractérisation de la borne supérieure
Démonstration

Preuve de la caractérisation

Sens direct. Si $M = \sup A$, alors $M$ majore $A$. Soit $\varepsilon > 0$. Le réel $M - \varepsilon$ est strictement inférieur à $M$, qui est le plus petit majorant : $M - \varepsilon$ n'est donc pas un majorant de $A$. Il existe donc $a \in A$ tel que $a > M - \varepsilon$.

Sens réciproque. Supposons 1 et 2. Soit $M'$ un majorant de $A$ ; montrons $M' \ge M$. Par l'absurde, si $M' < M$, on pose $\varepsilon = M - M' > 0$. Par 2, il existe $a \in A$ avec $a > M - \varepsilon = M'$, ce qui contredit le fait que $M'$ majore $A$. Donc $M$ est un majorant inférieur ou égal à tous les majorants : c'est le plus petit, $M = \sup A$.

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Dans le cours

Nombres réels : Caractérisation de la borne supérieure