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Proposition 5Multiplication des réels

Produit de deux coupures quelconques

Pour une coupure CC, on pose ∣C∣=C|C| = C si CC est positive, et ∣C∣=−C|C| = -C sinon. Deux coupures sont de même signe si elles sont toutes deux positives ou toutes deux non positives.

Pour deux coupures CC et DD, on pose C⋅D=∣C∣⋅∣D∣  si C et D sont de meˆme signe,C⋅D=−(∣C∣⋅∣D∣)  sinon,\begin{aligned} C \cdot D &= |C| \cdot |D| \ \text{ si } C \text{ et } D \\ &\qquad \text{ sont de même signe}, \\ C \cdot D &= -\big(|C| \cdot |D|\big) \ \text{ sinon}, \end{aligned} où ∣C∣⋅∣D∣|C| \cdot |D| est le produit des coupures positives (Produit des positives). Si CC et DD sont positives, on retrouve ce produit.

Pour σ∈{1,−1}\sigma \in \{1, -1\} et une coupure XX, on note 1X=X1X = X et (−1)X=−X(-1)X = -X ; comme −(−X)=X-(-X) = X, on a σ(τX)=(στ)X\sigma(\tau X) = (\sigma\tau)X.

Énoncé

(i) Pour toute coupure CC, ∣C∣|C| est positive, et C=σ∣C∣C = \sigma |C| pour un σ∈{1,−1}\sigma \in \{1, -1\}. Si AA est positive, alors ∣σA∣=A|\sigma A| = A pour σ=±1\sigma = \pm 1 ; en particulier ∣−C∣=∣C∣|-C| = |C|.

(ii) Si AA et BB sont positives et σ,τ∈{1,−1}\sigma, \tau \in \{1, -1\}, alors (σA)⋅(τB)=(στ)(A⋅B)(\sigma A) \cdot (\tau B) = (\sigma\tau)(A \cdot B).

(iii) Pour toutes coupures CC et DD, (−C)⋅D=−(C⋅D)=C⋅(−D)(-C) \cdot D = -(C \cdot D) = C \cdot (-D).

Démonstration

(i) Si CC est positive, ∣C∣=C|C| = C. Sinon, −C-C est positive (Produit des positives, (i)), et ∣C∣=−C|C| = -C, donc C=−∣C∣C = -|C|. Soit AA positive : ∣A∣=A|A| = A. Si A=0∗A = 0^*, alors −A=0∗-A = 0^* et ∣−A∣=0∗=A|-A| = 0^* = A. Si A≠0∗A \neq 0^*, alors −A-A n'est pas positive, toujours par Produit des positives (i), et ∣−A∣=−(−A)=A|-A| = -(-A) = A. Enfin, écrivant C=σ∣C∣C = \sigma|C|, on a −C=(−σ)∣C∣-C = (-\sigma)|C|, donc ∣−C∣=∣C∣|-C| = |C|.

(ii) Par (i), ∣σA∣=A|\sigma A| = A et ∣τB∣=B|\tau B| = B. Si A=0∗A = 0^*, alors σA=0∗\sigma A = 0^*, puisque −0∗=0∗-0^* = 0^* ; les deux membres sont alors ±(0∗⋅B)\pm(0^* \cdot B) et ±(A⋅B)\pm(A \cdot B), c'est-à-dire ±0∗=0∗\pm 0^* = 0^* (Produit des positives, (iii)). Il en va de même si B=0∗B = 0^*.

Supposons A≠0∗A \neq 0^* et B≠0∗B \neq 0^* : alors σA\sigma A est positive si et seulement si σ=1\sigma = 1, par (i) de Produit des positives, et de même pour τB\tau B. Les coupures σA\sigma A et τB\tau B sont donc de même signe si et seulement si σ=τ\sigma = \tau, c'est-à-dire στ=1\sigma\tau = 1, et la définition donne (σA)⋅(τB)=A⋅B(\sigma A) \cdot (\tau B) = A \cdot B dans ce cas, −(A⋅B)-(A \cdot B) dans l'autre : c'est (στ)(A⋅B)(\sigma\tau)(A \cdot B).

(iii) Écrivons C=σ∣C∣C = \sigma|C| et D=τ∣D∣D = \tau|D| par (i). Alors −C=(−σ)∣C∣-C = (-\sigma)|C|, et (ii) donne (−C)⋅D=(−στ)(∣C∣⋅∣D∣)=−((στ)(∣C∣⋅∣D∣))=−(C⋅D).\begin{aligned} (-C) \cdot D &= (-\sigma\tau)(|C| \cdot |D|) \\ &= -\big((\sigma\tau)(|C| \cdot |D|)\big) \\ &= -(C \cdot D). \end{aligned} Le calcul de C⋅(−D)C \cdot (-D) est le même.

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Remarque

Le point (ii) est l'outil de toute la suite : il ramène n'importe quel produit à un produit de coupures positives, affecté d'un signe que l'on calcule comme dans ℤ{\mathbb Z}. Le cas de 0∗0^*, à la fois positif et égal à son opposé, est le seul qui demande une attention particulière, et c'est pourquoi il est traité à part dans la preuve.

Remarque

La notation ∣C∣|C| annonce la valeur absolue de l'analyse réelle. Une fois établi que ℝ{\mathbb R} est un corps ordonné dont les éléments positifs sont les coupures positives (Corps ordonné, ℚ ⊂ ℝ), ∣C∣|C| est exactement le plus grand des deux éléments CC et −C-C, c'est-à-dire la valeur absolue max⁡(x,−x)\max(x, -x) du nœud Borne supérieure.

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