Ivan Shishkin, Birch Grove

Borne supérieure

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Français
Introduction

Pour un intervalle tel que [0,1[[0,1[, on souhaite qualifier le nombre 11 par rapport à cet intervalle.
On vérifie que 11 majore [0,1[[0,1[, mais 44, 12.512.5 majorent aussi [0,1[[0,1[. [0,1[[0,1[ n’admet pas un unique majorant. La question est, quelle est la différence entre 11 et les autres majorants ? 11 est-il le plus grand élément de [0,1[[0,1[ ? Non, 1∉[0,1[1 \notin [0,1[, par contre on peut dire que 11 est le plus petit majorant. Et c’est cette idée de plus petit majorant qui nous amène à définir la notion de borne supérieure.

Définition formelle
  • Cas des réels:
    Soit AA une partie de R\mathbb{R}. On dit que a∈Ra \in \mathbb{R} est une borne supérieure de AA si aa majore AA et que pour tout majorant mm de AA, on a a≤ma \le m.

Cette borne supérieure est unique et on la note sup⁡A\sup A.

Caractérisation avec des « epsilons » :

a=sup⁡A  ⟺  (∀x∈A, x≤a) et (∀ε>0, ∃x∈A, x>a−ε)a = \sup A \iff \big(\forall x \in A,\ x \le a\big) \ \text{et}\ \big(\forall \varepsilon > 0,\ \exists x \in A,\ x > a - \varepsilon\big)

Explication. La première condition dit simplement que aa majore AA. La seconde traduit le fait que aa est le plus petit des majorants, via la chaîne d’équivalences suivante :

a est le plus petit des majorants de A  ⟺  aucun reˊel y<a n’est un majorant de A  ⟺  pour tout ε>0, le reˊel a−ε n’est pas un majorant de A  ⟺  pour tout ε>0, il existe x∈A tel que x>a−ε\begin{aligned} a \text{ est le plus petit des majorants de } A &\iff \text{aucun réel } y < a \text{ n'est un majorant de } A \\ &\iff \text{pour tout } \varepsilon > 0, \text{ le réel } a - \varepsilon \text{ n'est pas un majorant de } A \\ &\iff \text{pour tout } \varepsilon > 0, \text{ il existe } x \in A \text{ tel que } x > a - \varepsilon \end{aligned}

(La première équivalence reformule "aa est le plus petit majorant" en "tout ce qui est strictement plus petit que aa n’est pas majorant". La deuxième paramètre les réels y<ay < a sous la forme y=a−εy = a - \varepsilon avec ε>0\varepsilon > 0. La dernière est simplement la négation de "a−εa-\varepsilon majore AA", à savoir qu’il existe un élément de AA qui lui échappe.)

  • Ces général :
    Soit (E,⪯)(E, \preceq) un ensemble ordonné. Soit AA une partie de EE. On dit que a∈Ea \in E est une borne supérieure si aa majore AA et que pour tout majorant mm de AA, on a a⪯ma \preceq m.
Remarques
  • Il existe des ensembles ordonnés EE et des parties AA de EE telles que AA n’admet pas de borne supérieure dans EE.
  • Si AA admet un maximum aa, alors aa est également la borne supérieure de AA.
  • Toute partie de R\mathbb{R} non vide et majorée admet une borne supérieure dans R\mathbb{R}.
Exemples
  • La borne supérieure de [0,1[[0,1[ dans R\mathbb{R} est 11.
  • L’ensemble {x∈Q,x2≤2}\{x \in \mathbb{Q}, x^{2} \le 2\} n’admet pas de borne supérieure dans Q\mathbb{Q}.
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