A.- Le 7 août 1995, I._ a été victime d'un accident de la circulation au cours duquel il a subi, notamment, un traumatisme crânio-cérébral. Depuis lors, il n'a pas été en mesure de reprendre son activité de manoeuvre en raison de fortes céphalées. Les investigations médicales auxquelles il a été soumis ont révélé un syndrome subjectif post-traumatique (cf. les rapports des docteurs A._, B._ et C._, respectivement des 21 décembre 1995, 5 juillet et 15 novembre 1996). La Caisse nationale suisse en cas d'accidents (CNA), par laquelle I._ était assuré, a pris en charge le cas et lui a versé des indemnités journalières fondées sur une incapacité de travail de 100 % jusqu'au 25 novembre 1996; à cette date, elle a mis fin à ses prestations (décision du 22 novembre 1996).
Entre-temps, l'assuré a présenté une demande de rente de l'assurance-invalidité. A partir du 15 janvier 1997, son médecin traitant, la doctoresse D._, l'a jugé apte à travailler à 50 %. Cette capacité de travail réduite a été maintenue jusqu'au 1er novembre 1997, date à laquelle I._ a été victime d'un second accident de la circulation qui a entraîné une distorsion simple du rachis cervical et une nouvelle incapacité de travail de 100 %. A ce titre, le prénommé a perçu des indemnités journalières de la CNA jusqu'au 5 avril 1998. Afin d'élucider son droit aux prestations, l'Office de l'assurance-invalidité du canton du Valais (ci-après : l'office) a confié une expertise au docteur E._, psychiatre. Dans son rapport du 6 avril 1998, ce médecin a nié que le choc du premier accident ait pu engendrer chez l'assuré une atteinte organique cérébrale de quelque importance, et conclu qu'une grande part de son incapacité de travail, de l'ordre de 75 %, était de nature purement subjective. L'office a également commis le professeur F._, médecin-chef de la division autonome de neuropsychologie du Centre hospitalier X._, pour une expertise neuropsychologique. Ce dernier a fait état d'un affaiblissement cognitif associé à un fléchissement discret des aptitudes exécutives; à raison de ces troubles, qualifiés de très modérés, il a attesté d'une incapacité de travail de 25 % au maximum dans l'activité habituelle de l'assuré depuis le traumatisme crânien du 7 août 1995 (rapport du 17 novembre 1998).
Se fondant sur ces pièces, l'office a rendu trois décisions le 26 juillet 1999. Dans la première, il a alloué à l'assuré une rente entière d'invalidité pour la période allant du 1er août 1996 au 28 février 1997 (décision n° 1); dans la seconde, il lui a accordé une demi-rente pour cas pénible du 1er décembre 1997 au 28 février 1998 (décision n° 2), et enfin dans la troisième, à nouveau une rente entière du 1er mars au 31 juillet 1998 (décision n° 3). Ces prestations ont été assorties de rentes complémentaires pour l'épouse et les trois enfants de l'assuré.
B.- Ce dernier a recouru contre ces trois décisions devant le Tribunal des assurances du canton du Valais, en concluant à l'octroi d'une rente d'invalidité entière, non limitée dans le temps, dès le 1er août 1996.
Le 3 décembre 1999, en cours de procédure, l'office a rendu deux nouvelles décisions (remplaçant celles n° 2 et 3 du 26 juillet 1999), par lesquelles il a augmenté le montant des rentes octroyées à l'assuré, eu égard à la prise en compte de cotisations supplémentaires.
Le tribunal cantonal a déclaré sans objet les recours formés par l'assuré contre les décisions n° 2 et 3 du 26 juillet 1999 et rejeté celui visant la décision n° 1 datée du même jour. Il a en revanche partiellement admis les conclusions de l'assuré à l'encontre des deux décisions du 3 décembre 1999, en ce sens qu'il lui a reconnu le droit à une demi-rente d'invalidité du 1er décembre 1997 au 31 janvier 1998 et à une rente entière du 1er février au 31 juillet 1998 (jugement du 9 février 2001).
C.- L'office interjette recours de droit administratif contre ce jugement dont il requiert l'annulation, en concluant à la confirmation de ses décisions du 3 décembre 1999.
I._ conclut, sous suite de dépens, au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales propose son admission.

Considérant en droit :
1.- Le jugement entrepris expose correctement les dispositions légales applicables en ce qui concerne la notion d'invalidité (<ref-law>), l'échelonnement des rentes selon le taux d'invalidité de l'assuré (<ref-law>) et le moment où le droit à une rente prend naissance (<ref-law>), de sorte qu'on peut y renvoyer.
On ajoutera qu'une décision par laquelle l'assurance-invalidité accorde une rente d'invalidité avec effet rétroactif et, en même temps, prévoit la réduction ou l'augmentation de cette rente, correspond à une décision de révision au sens de l'<ref-law> (<ref-ruling> sv. consid. 2d et les références). Aux termes de cette disposition, si l'invalidité d'un bénéficiaire de rente se modifie de manière à influencer le droit à la rente, celle-ci est, pour l'avenir, augmentée, réduite ou supprimée. A cet égard, l'<ref-law> précise que si l'incapacité de gain ou l'impotence d'un assuré s'aggrave, il y a lieu de considérer que ce changement accroît, le cas échéant, son droit aux prestations dès qu'il a duré trois mois sans interruption notable; l'<ref-law> est toutefois applicable par analogie. Selon cet article, si la rente a été supprimée du fait de l'abaissement du degré d'invalidité et que l'assuré, dans les trois ans qui suivent, présente à nouveau un degré d'invalidité ouvrant le droit à une rente en raison d'une incapacité de travail de même origine, on déduira de la période d'attente que lui imposerait l'art. 29, 1er alinéa, LAI, celle qui a précédé le premier octroi.
2.- a) Examinant l'ensemble des pièces médicales au dossier, les premiers juges ont retenu chez l'intimé les incapacités de travail suivantes : 100 % du 7 août 1995 au 25 novembre 1996, 30 % dès la fin du mois de novembre 1996 jusqu'au 31 octobre 1997, et enfin 100 % du 1er novembre 1997 au 5 avril 1998.
Ils ont confirmé la décision n° 1 de l'office du 26 juillet 1999 en tant qu'elle limitait au 28 février 1997 le droit de l'intimé à une rente d'invalidité entière, considérant qu'à partir de ce moment-là, son incapacité de gain s'était notablement réduite sur une période ininterrompue de plus de trois mois (cf. <ref-law>) au point de supprimer, à l'échéance de ce délai, tout droit aux prestations. Les juges cantonaux ont également confirmé le droit de l'intimé à une demi-rente pour cas pénible dès le 1er décembre 1997, retenant qu'une incapacité de travail moyenne de 40 % pendant une année avait été atteinte à partir de cette date; ils ont en revanche estimé, à la lumière de l'<ref-law>, que I._ pouvait à nouveau prétendre une rente d'invalidité entière dès le 1er février 1998 (et non pas seulement à partir du 1er mars 1998) dans la mesure où l'aggravation de son incapacité de travail, survenue le 1er novembre 1997, avait alors déjà duré trois mois consécutifs sans interruption notable.
b) L'office recourant critique l'interprétation faite par la juridiction cantonale de l'<ref-law>. Selon lui, cette disposition s'applique uniquement lorsque le degré d'invalidité d'un assuré s'aggrave "après la naissance du droit à l'allocation". Autrement dit, seul un assuré déjà au bénéfice d'une rente d'invalidité pourrait voir augmenter, au terme d'un délai de trois mois, son droit aux prestations en raison d'une aggravation de son incapacité de gain. Toujours selon l'office, c'est ainsi à tort que les premiers juges ont fixé, dans le cas de l'intimé, le point de départ du délai de trois mois prévu par l'<ref-law> au 1er novembre 1997, date à laquelle l'assuré, bien qu'incapable de travailler à 100 %, ne pouvait prétendre de rente de l'assurance-invalidité compte tenu de la période de carence d'une année prévue par l'<ref-law>.
3.- a) L'intimé a été victime, à deux ans et trois mois d'intervalle, de deux accidents qui ont entraîné des atteintes à la santé distinctes. Tandis que l'incapacité de travail de 100 % provoquée par la première atteinte avait, dès la fin du mois de novembre 1996, notablement diminué pour se stabiliser à 30 % (circonstance qui a du reste fondé la suppression de la rente entière d'invalidité allouée à l'intimé depuis le 1er août 1996), les suites du second accident ont derechef engendré une incapacité de travail totale dès le 1er novembre 1997. On peut donc admettre que la cause de cette nouvelle incapacité de travail n'est pas la même que celle ayant provoqué l'invalidité initiale. A juste titre, l'office et les premiers juges n'ont dès lors pas fait application par analogie de l'<ref-law> qui permet de tenir compte, lorsqu'un assuré est victime d'une reprise de son invalidité due à la même atteinte à la santé, de la période d'incapacité de travail ayant précédé la première attribution de rente. Il en résulte cependant que l'intimé ne peut, à raison de la nouvelle aggravation de son état de santé, prétendre l'allocation d'une rente qu'à partir du moment où il a subi une incapacité de travail de 40 % en moyenne pendant une année au sens de l'<ref-law>, sans que l'on puisse déduire de cette période de carence celle qui l'a précédée. En dehors de l'hypothèse visée par la règle spéciale de l'<ref-law>, on se trouve en effet en présence de deux cas d'assurance différents, si bien que pour chacune des situations données, le droit à une rente est subordonné à l'écoulement de la période de carence imposée par l'<ref-law>. Selon la jurisprudence, cette période peut courir dès que l'assuré subit un taux d'incapacité de travail de l'ordre de 20 % (VSI 1998 p. 126). Pour calculer l'incapacité de travail moyenne de l'intimé, c'est ainsi à bon droit que l'office et les premiers juges ont pris en considération une partie de la période d'incapacité de travail précédant le second accident; I._ n'avait en effet recouvré, à la fin du mois de novembre 1996, que le 70 % de sa capacité de travail totale. Ce faisant, ils ont toutefois commis une erreur de calcul : ce n'est qu'à partir du 1er janvier 1998 (et non pas dès le 1er décembre 1997) que l'intimé a présenté - rétrospectivement - une incapacité de travail de 40 % en moyenne lui ouvrant le droit à une demi-rente d'invalidité pour cas pénible (10 mois à 30 % et 2 mois à 100 %, soit un taux moyen de 41,6 %). Le début du droit de I._ à une demi-rente aurait, par conséquent, dû être fixé au 1er janvier 1998 au lieu du 1er décembre 1997.
b) Cela étant, c'est à bon droit que l'office recourant reproche à la juridiction cantonale d'avoir mal appliqué l'<ref-law> pour déterminer quand la rente entière a succédé à la demi-rente.
L'<ref-law> est une disposition d'exécution de l'<ref-law> (révision du droit à la rente) en ce sens qu'il fixe le moment à partir duquel une modification de l'invalidité d'un bénéficiaire de rente est réputée suffisamment durable pour déployer ses effets sur le droit aux prestations (cf. Meyer-Blaser, ad <ref-law>, p. 262); son alinéa premier concerne les cas où la capacité de gain de l'assuré s'est améliorée; le deuxième alinéa ceux où elle s'est péjorée. L'<ref-law> est ainsi étroitement lié à un cas de révision, de sorte que le délai de trois mois qui y figure ne saurait débuter avant la naissance du droit à une rente, soit avant que la période de carence imposée par l'<ref-law> ne soit arrivée à échéance. En l'occurrence, le droit de l'intimé à une demi-rente n'a pris naissance qu'à compter du 1er janvier 1998. C'est ainsi à cette date au plus tôt qu'un cas de révision pouvait être réalisé. L'aggravation de l'état de santé de l'intimé remonte certes au 1er novembre 1997, date de la survenance du second accident, mais la période de carence d'une année qui conditionne le droit à une rente n'était alors pas encore écoulée. En revanche, l'intimé étant toujours incapable de travailler à 100 % au moment de la naissance de son droit à une demi-rente, cette dernière circonstance constitue un cas de révision au sens de l'<ref-law> et fait courir le délai de trois mois prévu par l'<ref-law>. Il s'ensuit que le passage de la demi-rente à la rente entière ne pouvait intervenir avant le 1er avril 1998. Par ailleurs, c'est à juste titre que cette prestation a été supprimée dès le 31 juillet 1998 puisqu'à partir du 4 avril 1998, l'intimé avait d'ores et déjà recouvré une capacité de gain entière excluant tout droit à une rente d'invalidité et que cette amélioration avait perduré au-delà de trois mois (cf. <ref-law>).
4.- Au vu de ce qui précède, l'intimé ne peut, en définitive, prétendre qu'une demi-rente d'invalidité pour cas pénible du 1er janvier au 31 mars 1998 et une rente entière du 1er avril au 31 juillet 1998.
Le recours de l'office est bien fondé.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral des assurances
prononce :
I. Le recours est admis et le jugement du 9 février 2001
du Tribunal des assurances du canton du Valais est réformé
en ce sens que l'intimé a droit à une demi-rente
d'invalidité pour cas pénible du 1er janvier au
31 mars 1998 et à une rente entière du 1er avril au
31 juillet 1998.
II. Il n'est pas perçu de frais de justice, ni alloué de dépens.
III. Le présent arrêt sera communiqué aux parties, au Tribunal
des assurances du canton du Valais et à l'Office
fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 10 décembre 2001
Au nom du
Tribunal fédéral des assurances
Le Président de la IIIe Chambre :
La Greffière :