Intervalle (mathématiques)

Initialement, on appelle intervalle réel un ensemble de nombres délimité par deux nombres réels constituant une borne inférieure et une borne supérieure. Un intervalle contient tous les nombres réels compris entre ces deux bornes.

Cette définition regroupe les intervalles des types suivants (avec a et b réels et a < b) :

• ${\displaystyle \{x\in \mathbb {R} \mid a<x<b\}=\;]a,b[}$ (ouvert et non fermé)
• ${\displaystyle \{x\in \mathbb {R} \mid a\leq x\leq b\}=[a,b]}$ (fermé et non ouvert)
• ${\displaystyle \{x\in \mathbb {R} \mid a<x\leq b\}=\;]a,b]}$ (semi-ouvert à gauche, semi-fermé à droite)
• ${\displaystyle \{x\in \mathbb {R} \mid a\leq x<b\}=[a,b[}$ (semi-fermé à gauche, semi-ouvert à droite)

Les intervalles du premier type sont appelés intervalles ouverts ; les seconds intervalles fermés, et les deux derniers intervalles semi-ouverts.

Une autre notation (d'origine anglaise mais très répandue également) utilise, pour les intervalles (semi-)ouverts, une parenthèse au lieu d'un crochet : les intervalles ci-dessus sont alors notés respectivement

${\displaystyle (a,b),\qquad [a,b]\qquad (a,b],\qquad [a,b).}$

Ces deux notations sont décrites dans la norme ISO 31 (pour les mathématiques : ISO 31-11 (en)). À ces intervalles se sont ajoutés les ensembles des réels inférieurs à une valeur, ou supérieurs à une valeur. On ajoute donc les intervalles de ce type :

• ${\displaystyle \left\{x\in \mathbb {R} \mid x<a\right\}=\;]{-\infty },a[\;=(-\infty ,a)}$ (ouvert et non fermé)
• ${\displaystyle \left\{x\in \mathbb {R} \mid x\leq a\right\}=\;]{-\infty },a]=(-\infty ,a]}$ (fermé et non ouvert)
• ${\displaystyle \left\{x\in \mathbb {R} \mid x>a\right\}=\;]a,+\infty [\;=(a,+\infty )}$ (ouvert et non fermé)
• ${\displaystyle \left\{x\in \mathbb {R} \mid x\geq a\right\}=[a,+\infty [\;=[a,+\infty )}$ (fermé et non ouvert)

Auxquels se sont ajoutés les intervalles :

• l'ensemble vide ∅ (à la fois ouvert et fermé) ;
• les singletons {a} = [a, a] (fermé et non ouvert) ;
• l'ensemble des nombres réels ${\displaystyle \mathbb {R} =\;]{-\infty },+\infty [\;=(-\infty ,+\infty )}$ (à la fois ouvert et fermé).

Un intervalle de ℝ est une partie convexe de ℝ, c'est-à-dire un ensemble I de réels vérifiant la propriété suivante :

${\displaystyle \forall (x,y)\in I^{2},\ (x\leq y\Rightarrow [x,y]\subset I)}$

autrement dit :

${\displaystyle \forall (x,y)\in I^{2},\ \forall z\in \mathbb {R} ,\ (x\leq z\leq y\Rightarrow z\in I)\ .}$

Une intersection d'intervalles de ℝ est toujours un intervalle. Par exemple,

• ${\displaystyle [-3,5[\;\cap \;]{-\infty },2]=[-3,2]}$
• ${\displaystyle [-3,5[\;\cap \;[2,+\infty [\;=[2,5[}$
• ${\displaystyle [3,5[\;\cap \;]{-\infty },2]=\varnothing }$

Une union d'intervalles de ℝ n'est pas toujours un intervalle. Ce sera un intervalle si l'ensemble obtenu reste convexe (intuitivement s'il n'y a pas de « trou »). Dans le cas d'une union de deux intervalles, il suffit que l'intersection de ces intervalles soit non vide pour que leur réunion soit convexe. Par exemple,

• ${\displaystyle ]{-\infty },2]\;\cup [-3,5[\;=\;]{-\infty },5[}$
• ${\displaystyle [-3,5[\;\cup \;[2,+\infty [\;=[-3,+\infty [}$
• ${\displaystyle [3,5[\;\cup \;]{-\infty },2]=\;]{-\infty },2]\cup [3,5[}$ (N.B. on note de préférence les deux bornes d’un intervalle dans l’ordre croissant).

Cette union ne forme pas un intervalle étant donné qu'il y a un trou entre 2 et 3.

Les parties connexes de ℝ (pour la topologie usuelle) sont exactement les intervalles.

Les intervalles fermés bornés, c'est-à-dire contenant leurs bornes, sont appelés segments. Ce sont les seuls intervalles réels compacts. Ce résultat est un cas particulier du théorème de Borel-Lebesgue.

Tout ouvert de ℝ est réunion dénombrable d'intervalles ouverts deux à deux disjoints[1] : ses composantes connexes.

Les intervalles sont les parties de ℝ les plus intéressantes dès que l'on parle de continuité et de dérivabilité.

Un intervalle réel est dit non trivial s'il est non vide et non réduit à un point.

On trouve alors (entre autres) pour les fonctions réelles d'une variable réelle, des propriétés telles que :

• L'image par une fonction continue d'un intervalle de ℝ est un intervalle de ℝ (théorème des valeurs intermédiaires).
• Une fonction dérivable et à dérivée identiquement nulle sur un intervalle est constante sur cet intervalle.
• Une fonction dérivable est croissante (au sens large) sur un intervalle non trivial si et seulement si sa dérivée reste positive (au sens large) sur cet intervalle[2].

Remarque : La fonction f : ℝ* → ℝ définie par f(x) = x/|x| est dérivable sur ℝ*, et sa dérivée est identiquement nulle ; mais f n'est pas constante. Ceci tient au fait que ℝ* = ℝ\{0} n'est pas un intervalle.