1Assertions et connecteurs logiques
Définition. Une assertion (ou proposition) est un énoncé mathématique dont on peut dire, sans ambiguïté, s’il est vrai ou s’il est faux. « » est une assertion vraie, « » une assertion fausse. Aucune définition formelle du vrai et du faux n’est donnée : toute étude systématique de la logique est hors programme. Les mots « assertion », « vrai », « faux » sont ici des mots du langage courant, employés avec rigueur.
Notation. On note , , des assertions. Une assertion peut dépendre d’une ou plusieurs variables : on écrit alors , et l’on parle de prédicat. « » n’a de valeur de vérité qu’une fois fixé (et une fois précisé l’ensemble où il varie) : c’est vrai pour , faux pour .
Définition. À partir de et on construit :
- la négation de , notée ou « non » : vraie lorsque est fausse, fausse lorsque est vraie ;
- la conjonction « et » : vraie lorsque et sont toutes deux vraies ;
- la disjonction « ou » : vraie lorsque au moins l’une des deux est vraie.
Propriété — table de vérité. Les valeurs de vérité des assertions composées se lisent dans le tableau suivant, où signifie « vraie » et « fausse ».
| et | ou | |||||
Propriété — lois de De Morgan. Pour toutes assertions et :
- équivaut à ;
- équivaut à ou ;
- équivaut à et .
Idée de preuve. On compare les deux colonnes correspondantes de la table de vérité, ligne par ligne : les quatre cas , , , donnent les mêmes valeurs.
« ou » est vraie lorsque les deux le sont : ou est vraie pour tout réel . Le « ou » exclusif du langage courant (« fromage ou dessert ») n’est pas celui des mathématiques. Retenir l’exemple fondamental : pour , ou , et et .
2Implication, contraposée, équivalence
Définition. L’implication est l’assertion « ou ». Elle se lit « implique », ou « si alors ». On dit alors que est une condition suffisante pour , et que est une condition nécessaire pour .
La troisième ligne de la table le dit : si est fausse, est vraie quelle que soit . Ainsi « » est une assertion vraie. Une implication n’affirme rien sur : elle affirme seulement qu’on ne peut pas avoir vraie et fausse.
Propriété. Pour toutes assertions et :
- la négation de est « et » ;
- la contraposée est équivalente à ;
- la réciproque n’est pas équivalente à .
Idée de preuve (exigible). est par définition « ou », et est « ou » : c’est la même assertion, la disjonction étant symétrique. Pour la négation, vaut « et » par De Morgan et double négation.
Définition. L’équivalence est l’assertion « et ». On dit que est une condition nécessaire et suffisante pour , ou que et sont équivalentes.
Les symboles et relient des assertions, jamais des nombres ni des expressions : « » n’a aucun sens (on écrit une égalité). Ne pas confondre la réciproque (on échange et ) et la contraposée (on nie et on échange). Enfin ne se démontre jamais « en supposant ».
Méthode — démontrer une équivalence. deux stratégies. Par double implication : on démontre , puis (c’est toujours possible, et c’est la méthode sûre). Par équivalences successives : on écrit une chaîne , mais il faut alors vérifier que chaque étape est une équivalence — élever au carré, multiplier par une quantité de signe inconnu, composer par une fonction non injective ne sont que des implications.
3Quantificateurs
Définition. Soient un ensemble et un prédicat portant sur .
- « » — quantificateur universel — signifie : est vraie pour tous les éléments de ;
- « » — quantificateur existentiel — signifie : il existe au moins un élément de tel que soit vraie ;
- « » signifie : il existe un unique élément de tel que soit vraie.
La variable est muette : on peut la renommer sans changer l’assertion, et elle n’a aucun sens en dehors de la portée du quantificateur.
Notation. Si , l’assertion « » est vraie et « » est fausse. Une assertion universelle portant sur un ensemble vide est vraie « par vacuité ».
Théorème — négation d’une assertion quantifiée. Pour tout ensemble et tout prédicat :
Méthode — nier une assertion quantifiée. on parcourt l’assertion de gauche à droite : chaque devient , chaque devient , les ensembles ne changent pas, et l’on nie in fine la conclusion. Par exemple, la négation de
On n’oublie pas de nier la conclusion elle-même : la négation de est , celle de est .
« » est vraie (prendre , qui dépend de ), alors que « » est fausse (un même devrait convenir pour tous les ). Deux quantificateurs de même nature consécutifs commutent ; deux quantificateurs de natures différentes, jamais.
Le programme est explicite : « l’emploi de quantificateurs en guise d’abréviation est exclu ». On écrit les symboles et lorsqu’on énonce une assertion quantifiée — par exemple pour la nier — mais une démonstration se rédige en français : on y écrit « soit un réel » ou « il existe un entier tel que… ». On n’écrit pas « croissante » au fil d’une phrase.
4Les modes de raisonnement
Méthode — déduction directe. pour démontrer : on suppose vraie (« supposons », « soit tel que… ») et l’on enchaîne des implications jusqu’à . Pour démontrer « », on commence par « soit » : est alors fixé quelconque.
Méthode — contraposition. pour démontrer , on démontre , qui lui est équivalente. À utiliser quand est une hypothèse plus maniable que : « si est impair alors est impair » se démontre en supposant pair.
Méthode — raisonnement par l’absurde. pour démontrer une assertion , on suppose et l’on aboutit à une contradiction (une assertion et sa négation simultanément vraies) ; on conclut que est vraie. C’est la méthode reine pour démontrer une non-existence (« il n’existe pas de rationnel de carré »).
Ce ne sont pas les mêmes raisonnements. Pour : par contraposition on part de pour arriver à ; par l’absurde on suppose à la fois et et l’on cherche une contradiction quelconque. L’absurde est plus souple, mais on y perd le fil : à niveau égal de difficulté, on préfère la contraposition.
Méthode — disjonction de cas. pour démontrer , on partage la situation en cas dont on vérifie qu’ils recouvrent tous les possibles, et l’on démontre dans chacun. Les cas peuvent se chevaucher ; ils ne doivent rien laisser de côté. Exemples : pair ou impair ; ou pour lever une valeur absolue ; ou avant de diviser.
Méthode — contre-exemple. pour démontrer que « » est fausse, il suffit d’exhiber un tel que soit fausse : c’est exactement la négation. Réciproquement, un exemple ne démontre jamais une assertion universelle.
Méthode — analyse-synthèse. pour résoudre un problème d’existence et d’unicité (« montrer qu’il existe un unique objet tel que… »). Analyse : on suppose le problème résolu et l’on en tire des conditions nécessaires, jusqu’à ne plus avoir qu’un seul candidat — ce qui démontre l’unicité. Synthèse : on vérifie que ce candidat convient effectivement — ce qui démontre l’existence. Les deux temps sont indispensables : l’analyse seule ne prouve pas l’existence.
Méthode — double implication, double inclusion. pour une équivalence, deux implications ; pour une égalité d’ensembles, deux inclusions ; pour une égalité de réels, deux inégalités. Même schéma, trois usages.
- Absurde. Supposons avec entiers, , la fraction étant irréductible. Alors , donc est pair, donc est pair (contraposée de « impair impair »). En écrivant il vient , soit : est pair lui aussi. Ainsi divise et , ce qui contredit l’irréductibilité. Donc .
- Disjonction de cas. Pour , : si , et le membre de droite vaut ; si , et il vaut . Les deux cas recouvrent .
- Analyse-synthèse. Toute fonction s’écrit de manière unique avec paire et impaire. Analyse : si , alors , donc nécessairement et . Synthèse : ces deux fonctions sont respectivement paire et impaire, et leur somme vaut .
5Raisonnement par récurrence
Théorème — propriété fondamentale de — admise. Toute partie non vide de admet un plus petit élément. Toute partie non vide et majorée de admet un plus grand élément. Toute construction et toute axiomatique de sont hors programme : cette propriété est admise et sert de point de départ.
Théorème — principe de récurrence. Soit un prédicat portant sur . Si
alors est vraie pour tout .
Démonstration (exigible). Par l’absurde, soit et supposons . Alors admet un plus petit élément . Comme est vraie, , donc et . Par minimalité de , , c’est-à-dire est vraie ; l’hypothèse (ii) appliquée à donne alors vraie, donc : contradiction. Donc .
Méthode — rédiger une récurrence. quatre temps, toujours les mêmes.
- Énoncer la propriété : « pour , notons la propriété … ». Elle doit dépendre de et de rien d’autre.
- Initialisation : vérifier pour le premier rang utile, en calculant les deux membres séparément.
- Hérédité : « soit tel que soit vraie ; montrons ». On indique où l’hypothèse de récurrence est utilisée.
- Conclusion : « par récurrence, est vraie pour tout ».
Théorème — variantes. Soit et un prédicat.
- Récurrence à partir de : si et si pour tout , alors est vraie pour tout .
- Récurrence double : si et sont vraies et si, pour tout , , alors est vraie pour tout . Deux initialisations.
- Récurrence forte : si est vraie et si, pour tout , , alors est vraie pour tout .
Idée de preuve. On les déduit du principe de récurrence appliqué à une propriété auxiliaire : « » pour la première, « et » pour la récurrence double, « est vraie pour tout » pour la récurrence forte.
Méthode — choisir sa récurrence. récurrence double lorsque s’exprime à l’aide de et ; récurrence forte lorsque le passage au rang utilise un rang antérieur inconnu (décomposition d’un entier, division, algorithme glouton). Lorsque l’hérédité échoue de peu, essayer de renforcer la propriété : une propriété plus forte peut être plus facile à hériter.
Écrire « supposons vraie pour tout » en guise d’hypothèse de récurrence : on suppose alors ce qu’on veut démontrer. Oublier l’initialisation : la propriété « est impair » est héréditaire — si est impair, l’est aussi — et pourtant fausse pour tout , faute d’initialisation. Enfin, pour une récurrence double, une seule initialisation ne suffit pas.
- Nier une assertion quantifiée, y compris à plusieurs quantificateurs ; distinguer « pour tout … il existe … » et « il existe … pour tout … ».
- Écrire la réciproque et la contraposée d’une implication ; reconnaître une condition nécessaire, suffisante, nécessaire et suffisante.
- Choisir le mode de raisonnement : direct, contraposition, absurde, disjonction de cas, contre-exemple, analyse-synthèse.
- Rédiger une récurrence simple, double, forte, en identifiant précisément la propriété et le rang initial.
- Utiliser la propriété du plus petit élément de : non-existence de suite d’entiers strictement décroissante, descente, algorithme glouton.
- Employer , , comme abréviations dans une phrase rédigée : c’est explicitement exclu par le programme.
- Échanger deux quantificateurs de natures différentes ; utiliser une variable muette hors de sa portée.
- Confondre réciproque et contraposée ; confondre « condition nécessaire » et « condition suffisante ».
- Croire qu’un exemple démontre une assertion universelle, ou qu’un contre-exemple réfute une assertion existentielle.
- Nier une conjonction en ne niant qu’un seul membre ; oublier de nier la conclusion d’une assertion quantifiée.
- Oublier une initialisation, ou n’en faire qu’une pour une récurrence double ; confondre récurrence forte et récurrence simple.
- Enchaîner des « » sans vérifier la réversibilité de chaque étape (élévation au carré, multiplication par une quantité de signe inconnu).