EXTENSION DE L'IDÉE DE COUPURE : ARCS, AIRES

26. Le lecteur n'a pas manqué de remarquer que la défmition de ^/*, pour a irrationnel, reposait sur une extension de la notion de coupure; je n'exposerai pas ici les théorèmes généraux auquels donne lieu cette extension, dont je me contenterai de donner tout à l'heure quelques exemples.

Auparavant, je veux faire une remarque. On n'a considéré jusqu'iri (|ue des coupures pratiquées dans Tensemble des nombres rationnels: on pourrait, tout aussi bien, considérer une coupure pratiquée dan> Tensemble des nombres réels, ranger tous ces nombres dans une première et dans une seconde classes, tous les membres de la première classe étant plus petits que chaque nombre de la seconde classe; une pareille coupure définit encore un nombre, comme on le voit, par exemple, en pensant à l'image qui nous a servi plusieurs fois : seulement, ici, ce nombre a du forcément être rangé soit dans la première, soit dans la seconde classe. On voit sans peine que, dans le premier cas, il est le plus grand des nombres de la première classe et que» dans le second, il est le plus petit des nombres de la seconde classe.

Arcs et aires. — Soit à définir la longueur de la circonférence d'un cercle (G). Désignons, en général, par p le périmètre d'un j polygone {p) convexe inscrit dans le cercle, par/?' le périmètre d'un polygone {p') circonscrit au cercle; une proposition classique do géométrie élémentaire fournit de suite l'inégalité p <ip^ \ d'autre part, v\\\ raisonnement bien connu permet de montrer que, en choisissant pour les polygones (yp) et (/?') des polygones réguliers d'un même nombre décotes, suffisamment grand, la différence/?' — p peut être supposée aussi petite qu'on le veut. Ces deux remarques, en s'aidant de la même image qui nous a déjà servi aux n"* 10 et 2o, suffisent

à définir la longueur de la circonférence comme un nombre plus grand que le périmètre d'un polygone convexe quelconque inscrit dans le cercle, plus petit que le périmètre d'un polygone quelconque rirconscrit au cercle. Il suffira, en effet, d'imaginer que sur Taxe X'X on ait figuré en bleu, d'une part, les points dont l'abscisse est égale au périraèlre d'un polygone convexe inscrit ; qu'on ait figuré en rouge, d'autre part, les points dont l'abscisse est égale au périmètre d'un polygone circonscrit, qu'on ait coloré en bleu toute la partie de l'axe qui esl en deçà d'un point bleu, en rouge toute la partie de la droite qui est au delà d'un point rouge, pour reconnaître que la partie bleue ne peut empiéter sur la partie rouge, et qu'il ne peut y avoir aucun intervalle entre la partie bleue et la partie rouge; ces deux parties sont séparées par un point dont l'abscisse est la longueur de la circonférence. Un polygone inscrit et un polygone circonscrit fournissent des valeurs approchées, par défaut et par excès, de cette longueur avec une erreur moindre que la différence entre les deux périmètres. 11 va de soi que cette définition pourrait être présentée sous forme abstraite.

Elle s'étend à la définition de la longueur d'une courbe fermée convexe, pourvu qu'on sache établir l'existence de polygones inscrits et circonscrits dont les périmètres diffèrent aussi peu qu'on le veut. Elle s'étend aussi à la définition de la longueur d'un arc de courbe convexe, en particulier à la définition de la longueur d'un arc de cercle AB, celle-ci étant plus grande que la longueur de toute ligne brisée convexe inscrite dans AB, commençant en A, finissant en B, et plus petite que la longueur de toute ligne brisée circonscrite à l'arc et limitée aux mêmes points A, B.

Si l'on considère un troisième point C du cercle, tel que B soit compris entre A et G, et si l'on désigne respectivement par a, 6, c les longueurs des arcs AC, AB, BC, on aura a = b -\- c.

Considérons, en effet, une ligne brisée convexe incrite dans l'arc AB, commençant en A, finissant en B, une ligne brisée convexe inscrite dans l'arc BC, commençant en B, finissant-jen C, leur réunion constituera une ligne brisée inscrite dans l'arc AC; désignons respectivement par b\ c', a' les longueurs des lignes brisées inscrites dans les arcs AB, BC, AC; on aura a'=b'-hc'; or, en choisissant pour les lignes brisées des lignes brisées régulières d'un nombre de côtés suffisamment grand, on peut faire en sorte que «', 6', c' dif-

5i CHAPITRE I.

fèrent aussi peu qu'on le veut de a, />, c; les deux nombres aelb-\-c sont donc égaux, puisqu'il y a des nombres a'= //+ c' qui diffèrenl aussi peu qu'on le veut de l'un ou de l'autre.

L'aire d'un cercle (C) peut se définir de la même façon. Désignons par p l'aire d'un polygone (p) dont la ligne fermée qui le limite ail tous ses points à l'intérieur du cercle C ou sur sa circonférence; par p' l'aire d'un polygone (/>') dont la ligne fermée qui le limite ail tou^ ses points à l'extérieur du cercle (C) ou sur sa circonférence ; on aura p<^p'. D'un autre côté, en prenant pour les polygones (p) et (/>') des polygones réguliers d'un même nombre de côtés, suffisamment grand, il est aisé de voir que la différence p' — p peut être supposée aussi petite qu'on le veut.

L'aire du cercle peut, d'après cela, être regardée comme un nombre plus grand que l'aire de n'importe quel polygone (/>), plus petit que l'aire de n'importe quel polygone (p). Cette propriété, en vertu d'une démonstration que je crois inutile de répéter, suffit à définir cette aire. Les nombres/? elp* en fournissent des valeurs approchées avec une erreur moindre que />' — p.

Il est évident que ce mode de définition s'étend à l'aire d'une courbe fermée quelconque, pourvu qu'on sache prouver que, parmi les polygones intérieurs à la courbe et les polygones extérieurs, il v en a dont les aires diffèrent aussi peu qu'on veut.

On pourrait ensuite démontrer, d'une façon analogue à celle dont on s'est servi pour les arcs, que, si l'on considère deux aires P, Q, limitées respectivement par les lignes ABC, DBC, qui ont une partie commune, les deux aires n'ayant pas de points communs en dehor> de la limite commune BC, le nombre P -+- Q mesure l'aire totale, obtenue en supprimant la limite commune BC, et limitée ainsi par la courbe ABDC. On suppose, bien entendu, que la définition qui a été précédemment esquissée s'applique aux aires considérées.

EXERCICES

l. Calculer les valeurs approchées à o,oi près, par défaut, des nombres

en supposant

i. Soit a un nombre entier plus grand que i et /i un nombre naturel quelconque; la valeur approchée à — près, par défaut, d'un nombre quelconque A peut se mettre sous la forme

An= OLo-\- — -+- -^ -h ...-h —,

on désignant par a© un nombre entier et par ai, a», . . ., a„ des nombres entiers positifs ou nuls, moindres que a, et ne peut être mise sous cette forme que d'une seule façon.

En supposant « = 2, A = v/2, n = 10, calculer les nombres «o, ai, «2 . . ., am.

3. En supposant qu'on ait obtenu, sous la forme indiquée dans l'exercice précédent, la valeur approchée à — près de A, par défaut, quelle est la valeur

approchée de A, par excès, à — près ? quelle est la valeur approchée de A par

défaut, à — près, en supposant que le nombre naturel/? soit inférieur à /i?

■4. En conservant les mêmes notations que dans l'exercice (2), il est clair que, si l'on se donne les nombres A et a, le nombre a„ est déterminé, quelque grand que soit le nombre naturel n : Dans quel cas arrive-t-il que tous les nombres a» soient nuls à partir de l'un d'eux ? Dans quel cas arrive-t-il qu'ils se reproduisent périodiquement, à partir de l'un d'eux ?

Quelle est la période des nombres ai , a,, . . . , a„, . . . , quand on prend a — 2,

Il ne peut pas arriver que les nombres ai, aj, ..., ol., soient tous égaux ^ fl — I, à partir de l'un d'eux.

5. Si l'on se donne, d'une part, le nombre entier a plus grand que i et, d'autre part, le nombre entier positif, nul ou négatif a©, et la suite infinie (') do nombres entiers positifs ou nuls et tous inférieurs à a,

ai, a,, ..., a„, ...,

(') En disant que la suite a,, a^, ..., a^, ... est infinie, on entend que chaque lennc de cette suite est suivi d'un autre terme; en disant qu'on se donne cette suite, on entend qu'on se donne le moyen de calculer n'importe quel terme de celte suite qaand on connaît son rang.

il existe un nombre rationnel ou irrationnel A dont la valeur approchée à — près, par drfaut, (••il

et cela quel que soit le nombre naturel /i, pour\u toutefois que les nombre ai, aj, ..., a«, ... ne soient pas, à partir de l'un d'eux, toujours égaux à a — I. Si pour n^p on a a^ = a — i, le nombre A^, quand n grandit indô-

finiment, s'approche indéfiniment de la limite A;, H •

6. On peut calculer la valeur de a^ où a et a sont des nombres positifs donm-s. avec telle approximation que l'on veut, par des multiplications et des exlra»tions de racines carrées : il suffit pour cela de remplacer a par sa valeur

approchée à — en prenant n suffisamment grand. Montrer comment le calcul

peut se faire en profitant de la forme indiquée à l'exercice 2.

Calculer de cette façon 3*^* en se servant de la valeur approchée de \''i

à ^-rr près : Sur quelle approximation i)eut-<m compter?

7. On donne une suite infinie ai, a,, . . ., a„, ... de nombres entiers, tonplus grands que i.

La valeur approchée d'un nombre A à près, par défaut, peut *•••

UiUf . , , an

mettre, et cela d'une seule façon, sous la forme

«1 aiaj aiaïUi aiaf. , . an

où «0 désigne un nombre entier et aj, aj, ..., at„ des nombres entiers t«'»^ positifs ou nul»*, respectivement inférieurs à aj, as, . . ., a„.

Calculer les nombres olq^ «i, a2, «s, av en supposant A = 2,7182818... et ai = 2, aj = j, . . . , a„ = n -h 1 , ....

Supposons, en revenant au cas général, qu'on ait mis la valeur approch»'»'

de A à près, par défaut, sous la forme indiquée plus haut, rnin-

ment peut-on mettre sous la même forme, la valeur approchée de A à —

**^ aiai...(h

près, par excès, la \aleur approchée de A à près, par défaut^ l'u

«1^2... ap

supposant le nombre naturel p inférieur à /* ?

8. Si, dans l'exercice précédent, on suppose que n croisse indéfiniment. !<' nombre a« est évidemment déterminé, j)our chaque valeur de /i, quand on <<•

donne A. Montrer qu'il ne peut pas arriver que l'on ait pour toules les valeurs de n égales ou supérieures à /?, %,i = a„ — 1 .

Si l'on suppose, comme dans l'exemple numérique de l'exercice précédent, que l'on ait

a, = 2, at=3, ..., an—n-^\, ...,

le* nombres ai, «j, ...,»;, seront tous nuls à partir de l'un d'entre eux si A e-ii rationnel, et seulement dans ce cas.

9. Si l'on se donne, d'une part, la suite infinie de nombres entiers ai, «j, . . ., <i„ ..., tous plus grands que i, d'autre part le nombre entier ao, et la suite infinie de nombres entiers positifs ou nuls «i, aj, ..., ««, ... respectivement plus petits que ai, «j, .. ., a,it il existe un nombre A tel que la valeur approchée de ce nombre à près, par défaut, soit égale à

ai aiUf ai as... a/,

«t cela quel que soit /i, pourvu que l'on n'ait pas a„= a„ — 1 pour toutes les valeurs de n supérieures ou égales à un nombre naturel p.

Dans le cas où l'on a «„= a« — i pour toutes les valeurs de n supérieures ou égales à />, le nombre A^, quand n grandit indéfiniment, s'approche ind»'-

iiniment de la limite A» H •

ai as . . . Up

10. A quelle condition les nombres rationnels a, 6, a\ b' doivent-ils satisfaire pour que l'expression

où A est un nombre irrationnel, soit un nombre rationnel?

il. Si a et b sont des nombres rationnels positifs, le nombre ^a -h ^b no peut être rationnel si a et 6 ne sont pas les carrés de nombres rationnels. Il en est de même de \fâ — /ï, en supposant a différent de b,

12. Si a, b sont des nombres rationnels et si l'on a b > o, les expressions (a -4-/6)', (a — >fbY "^ peuvent pas être des nombres rationnels, à moins que b ne soit le carré d'un nombre rationnel.