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Partie 3 : Lois logiques - Raisonnements (1-4)

1 Lois logiques

Définition

Une loi logique (ou tautologie) est une proposition qui est toujours vraie quelles que soient les valeurs de vérité des propositions qui la constituent.

Lois de Morgan
$\overline{P \land Q} \iff \overline{P} \lor \overline{Q}$
$\overline{P \lor Q} \iff \overline{P} \land \overline{Q}$
Distributivité
$P \land (Q \lor R) \iff (P \land Q) \lor (P \land R)$
$P \lor (Q \land R) \iff (P \lor Q) \land (P \lor R)$
Double négation
$\overline{\overline{P}} \iff P$
Contraposée
$P \Rightarrow Q \iff \overline{Q} \Rightarrow \overline{P}$
Preuve d'une loi logique

Exemple : Montrons que $(P \land Q) \Rightarrow P$ est une loi logique.

On a, par définition de l'implication :

$(P \land Q) \Rightarrow P \iff \overline{P \land Q} \lor P$

D'après les lois de Morgan :

$\iff (\overline{P} \lor \overline{Q}) \lor P$

Par commutativité et associativité de $\lor$, on regroupe $\overline{P}$ et $P$ :

$\iff (\overline{P} \lor P) \lor \overline{Q}$

Or $\overline{P} \lor P = \mathbf{V}$ (toujours vraie), donc :

$\iff \mathbf{V} \lor \overline{Q} \iff \mathbf{V}$

📘 Remarque : $\mathbf{V}$ désigne une proposition toujours vraie (tautologie). La disjonction d'une tautologie avec n'importe quelle proposition est toujours vraie.

Conclusion : $(P \land Q) \Rightarrow P$ est toujours vraie, c'est donc une loi logique.

Résumé
  • Une loi logique est une proposition toujours vraie.
  • Lois de Morgan : $\overline{P \land Q} \iff \overline{P} \lor \overline{Q}$ et $\overline{P \lor Q} \iff \overline{P} \land \overline{Q}$.
  • La double négation : $\overline{\overline{P}} \iff P$.
  • La contraposée : $P \Rightarrow Q \iff \overline{Q} \Rightarrow \overline{P}$.
  • La distributivité de $\land$ sur $\lor$ et de $\lor$ sur $\land$.

2 Raisonnement par contre-exemple

Définition

Pour prouver que la propriété $\forall x \in E,\ P(x)$ est fausse, il suffit de prouver que $\exists x \in E,\ \overline{P(x)}$ est vraie (c.à.d. de trouver un élément x de E qui ne vérifie pas P(x), ce qu'on appelle un contre-exemple).

Ce mode de raisonnement s'appelle raisonnement par contre-exemple.

Exemple

Question : Est-ce que la somme de deux nombres irrationnels est un nombre irrationnel ?

Contre-exemple : $\sqrt{2}$ et $-\sqrt{2}$ sont deux nombres irrationnels.
Vérification : Leur somme est $\sqrt{2} + (-\sqrt{2}) = 0$ qui n'est pas un nombre irrationnel.

Conclusion : La propriété « la somme de deux irrationnels est irrationnelle » est fausse.

Un seul contre-exemple suffit pour réfuter ∀x ∈ E, P(x)

Résumé
  • On utilise le contre-exemple pour réfuter une propriété universelle ($\forall$).
  • Un seul contre-exemple suffit pour prouver qu'une propriété est fausse.

3 Raisonnement par équivalences successives

Définition

Pour démontrer que l'équivalence $P \Leftrightarrow Q$ est vraie, on démontre que :

$P \Leftrightarrow Q_1 \Leftrightarrow Q_2 \Leftrightarrow Q_3 \Leftrightarrow \cdots \Leftrightarrow Q_n \Leftrightarrow Q$

Ce mode de raisonnement s'appelle raisonnement par équivalences successives.

Exemple

Montrer que : $\forall a,b \in \mathbb{R} : a^2 + b^2 = 2ab \iff a = b$

Soient $a, b \in \mathbb{R}$. On a :

$a^2 + b^2 = 2ab$

on transpose $2ab$ dans le premier membre :

$\iff a^2 + b^2 - 2ab = 0$

on reconnaît une identité remarquable $a^2 - 2ab + b^2 = (a-b)^2$ :

$\iff (a - b)^2 = 0$

or un carré est nul si et seulement si sa base est nulle, d'où :

$\iff a - b = 0 \iff a = b$

Conclusion : $\forall a,b \in \mathbb{R} : a^2 + b^2 = 2ab \iff a = b$

Résumé
  • On enchaîne des équivalences logiques.
  • Si $P \Leftrightarrow Q_1 \Leftrightarrow Q_2 \Leftrightarrow \cdots \Leftrightarrow Q$, alors $P \Leftrightarrow Q$.
  • Utile pour les démonstrations d'égalités ou d'équations.

4 Raisonnement déductif

Définition

Si on a l'implication $P \Rightarrow Q$ est vraie et on a comme donnée la proposition P, alors on déduit que la proposition Q est vraie.

Ce mode de raisonnement s'appelle raisonnement par déduction.

Modus ponens : de P et P⇒Q on déduit Q

Exemple

On suppose qu'on a démontré la propriété : $\forall a,b > 0,\ \sqrt{ab} \le \dfrac{a+b}{2}$

On veut en déduire que : $\forall x > 0,\ 2\sqrt{x} \le 1 + x$

On applique la propriété avec $a = 1$ et $b = x$ :

$\sqrt{1 \times x} \le \dfrac{1 + x}{2}$

c'est-à-dire $\sqrt{x} \le \dfrac{1+x}{2}$, donc en multipliant les deux membres par 2 :

$2\sqrt{x} \le 1 + x$

Conclusion : $\forall x > 0,\ 2\sqrt{x} \le 1 + x$

Résumé
  • Si $P \Rightarrow Q$ est vraie et $P$ est vraie, alors $Q$ est vraie.
  • Le raisonnement déductif utilise la règle du modus ponens.
  • Forme générale : $P$ (donnée) et $P \Rightarrow Q$ (théorème) $\Rightarrow Q$ (conclusion).

5 Raisonnement par contraposée

Définition

Pour démontrer l'implication $P \Rightarrow Q$, il suffit de démontrer l'implication $\overline{Q} \Rightarrow \overline{P}$.

Ce mode de raisonnement s'appelle raisonnement par contraposée.

P ⇒ Q et sa contraposée ¬Q ⇒ ¬P sont équivalentes

Exemple

Montrer que : $\forall x,y \in ]2, +\infty[,\ x \neq y \Rightarrow x^2 - 4x \neq y^2 - 4y$

On utilise un raisonnement par contraposée.

Il suffit de démontrer : $\forall x,y \in ]2, +\infty[,\ x^2 - 4x = y^2 - 4y \Rightarrow x = y$

Soient $x,y \in ]2, +\infty[$ tels que $x^2 - 4x = y^2 - 4y$. On a :

$x^2 - 4x = y^2 - 4y$

on ajoute 4 aux deux membres :

$\Rightarrow x^2 - 4x + 4 = y^2 - 4y + 4$

on reconnaît des identités remarquables :

$\Rightarrow (x-2)^2 = (y-2)^2$

or $x,y > 2$ donc $x-2 > 0$ et $y-2 > 0$ ; deux nombres positifs de carrés égaux sont égaux, d'où :

$\Rightarrow x-2 = y-2 \Rightarrow x = y$

Conclusion : L'implication contraposée est vraie, donc l'implication initiale est vraie.

Résumé
  • $P \Rightarrow Q \iff \overline{Q} \Rightarrow \overline{P}$
  • Utile quand il est plus facile de démontrer la contraposée.
  • Souvent utilisé pour les implications avec des inégalités.