Cours sur la logique

Eléments de logique.

Définition

Définition 1
  • Une proposition{\color{red}{proposition}}, encore appelée assertion{\color{red}{assertion}} (ou encore preˊdicat){\color{red}{prédicat)}}, est un énoncé mathématique qui ne peut prendre que deux états (ou valeurs de vérité) : vrai (VV) ou faux (FF).
    On appelle tautologie une proposition qui est toujours vraie.
    On appelle contradiction une proposition qui est toujours fausse.
    Un théorème, ou une proposition, est une proposition mathématique toujours vraie.

Négation d'une proposition

Définition 2
  • La neˊgation{\color{red}{négation}} d'une proposition PP est notée non P non\, P ou ¬P\neg P. Ainsi :
    ∙  {\color{blue}{\bullet \,\, }} Si PP est vraie alors ¬P \neg P est faux ;
    ∙∙  {\color{blue}{\bullet \bullet \,\, }} Si PP est faux alors ¬P \neg P est vraie.
    La table de vérité associée est :
    P¬PVFFV\begin{array}{|c|c|} \hline P & \neg P \\ \hline V & F \\ \hline F & V \\ \hline\end{array}
    Il ne faut pas confondre la négation de PP avec le contraire de PP.

Conjonction de deux propositions

Définition 3
  • La conjonction{\color{red}{conjonction}} de deux propositions PP et QQ est notée P et Q P \, et \, Q ou P∧QP \wedge Q. Ainsi :
    ∙  {\color{blue}{\bullet \,\, }} Si PP est vraie et en même temps QQ est vraie alors P∧QP \wedge Q est vraie ;
    ∙∙  {\color{blue}{\bullet \bullet \,\, }} Si au moins l'une des deux propositions participantes est fausse alors P∧QP \wedge Q est faux.
    La table de vérité associée est :
    PQP∧QVVVVFFFVFFFF\begin{array}{|c|c|c|} \hline P & Q & P \wedge Q \\ \hline V & V & V \\ \hline V & F & F \\ \hline F & V & F \\ \hline F & F & F \\ \hline\end{array}

Disjonction inclusive de deux propositions

Définition 4
  • La disjonction (inclusive){\color{red}{disjonction \, (inclusive)}} de deux propositions PP et QQ est notée P ou Q P \, ou \, Q ou P∨QP \vee Q. Ainsi :
    ∙  {\color{blue}{\bullet \,\, }} Si au moins l'une des deux propositions participantes est vraie alors P∨QP \vee Q est vraie ;
    ∙∙  {\color{blue}{\bullet \bullet \,\, }} Si PP est fausse et en même temps QQ est également fausse alors P∨QP \vee Q est fausse.
    La table de vérité associée est :
    PQP∨QVVVVFVFVVFFF\begin{array}{|c|c|c|} \hline P & Q & P \vee Q \\ \hline V & V & V \\ \hline V & F & V \\ \hline F & V & V \\ \hline F & F & F \\ \hline\end{array}
    La disjonction exclusive ne peut pas se traduire par "ou bien".

L'implication

Définition 5
  • L′implication{\color{red}{L'implication}} de QQ par PP est notée P⟹QP \Longrightarrow Q et est la proposition ¬P∨Q\neg P \vee Q. L'assertion vraie P⟹QP \Longrightarrow Q peut se traduire par :
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, PP implique QQ ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, PP entraine QQ ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, si on a PP alors on a QQ ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, QQ est la conséquence de PP ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, QQ est une condition nécessaire pour que l'on ait PP ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, Pour qu'on ait PP il faut (et il est nécessaire) qu'on ait QQ ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, PP est une condition suffisante pour qu'on ait QQ ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, Pour que l'on ait QQ il suffit (il est suffisant) qu'on ait PP.
    On prendra garde de ne pas confondre ⟹\Longrightarrow avec "alors" ou avec "donc".
    La table de vérité associée est :
    PQP⟹QVVVVFFFVVFFV\begin{array}{|c|c|c|} \hline P & Q & P \Longrightarrow Q \\ \hline V & V & V \\ \hline V & F & F \\ \hline F & V & V \\ \hline F & F & V \\ \hline\end{array}
   ∢  Exemple:{\color{blue}{\,\,\, \sphericalangle \,\,\bf{Exemple :}}}
Considérons l'assertion x⩾2⟹x2⩾4x \geqslant 2 \Longrightarrow x^2 \geqslant 4. Le fait d'avoir x⩾2x \geqslant 2 est suffisant pour avoir x2⩾4x^2 \geqslant 4. Cependant la condition x⩾2x \geqslant 2 n'est pas une nécessité pour avoir x2⩾4x^2 \geqslant 4, car si nous posons x=−2x=-2 (qui ne satisfait pas à x⩾2x \geqslant 2) on a pourtant bien x2⩾4x^2 \geqslant 4. Ainsi pour que x2⩾4x^2 \geqslant 4 il suffit d'avoir x⩾2x \geqslant 2, mais ce n'est pas nécessaire car il y a d'autre moyen d'arriver à la conclusion x2⩾4x^2 \geqslant 4.
Le fait de constater que x2⩾4x^2 \geqslant 4 est nécessaire (obligatoire) pour pouvoir affirmer que x⩾2x \geqslant 2.

La contraposée

Définition 6
  • La contraposeˊe{\color{red}{contraposée}} de P⟹QP \Longrightarrow Q est la proposition ¬Q⟹¬P\neg Q \Longrightarrow \neg P.

La réciproque

Définition 7
  • La reˊciproque{\color{red}{réciproque}} de P⟹QP \Longrightarrow Q est la proposition Q⟹PQ \Longrightarrow P.

L'équivalence

Définition 8
  • L'eˊquivalence{\color{red}{équivalence}} de QQ par PP est notée P⟺QP \Longleftrightarrow Q et est la proposition (P⟹Q)∧(Q⟹P)\left(P \Longrightarrow Q \right) \wedge \left(Q \Longrightarrow P \right). L'assertion vraie P⟺QP \Longleftrightarrow Q peut se traduire par :
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, PP est équivalent à QQ ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, PP équivaut QQ ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, on a PP si et seulement si on a QQ ;
       ↬  \,\,\, \looparrowright \,\, PP est une condition nécessaire et suffisante pour avoir QQ.
    La table de vérité associée est :
    PQP⟺QVVVVFFFVFFFV\begin{array}{|c|c|c|} \hline P & Q & P \Longleftrightarrow Q \\ \hline V & V & V \\ \hline V & F & F \\ \hline F & V & F \\ \hline F & F & V \\ \hline\end{array}
    Deux assertions sont équivalentes si elles possèdent les mêmes tables de vérités.
    On a les cinq tautologies suivantes :
    ∙  {\color{blue}{\bullet \,\, }} ¬(¬P)⟺P \neg \left( \neg P \right) \Longleftrightarrow P ;
    ∙∙  {\color{blue}{\bullet \bullet \,\, }} ¬(P∨Q)⟺¬P∧¬Q\neg \left( P \vee Q \right) \Longleftrightarrow \neg P \wedge \neg Q ;
    ∙∙∙  {\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \,\, }} ¬(P∧Q)⟺¬P∨¬Q\neg \left( P \wedge Q \right) \Longleftrightarrow \neg P \vee \neg Q ;
    ∙∙∙∙  {\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \bullet \,\, }} P∨(Q∧R)⟺(P∨Q)∧(P∨R)P \vee \left( Q \wedge R \right) \Longleftrightarrow \left( P \vee Q \right) \wedge \left( P \vee R \right) ;
    ∙∙∙∙∙  {\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \,\, }} P∧(Q∨R)⟺(P∧Q)∨(P∧R)P \wedge \left( Q \vee R \right) \Longleftrightarrow \left( P \wedge Q \right) \vee \left( P \wedge R \right).
    Les quatre dernières relations portent le nom de lois de MorganMorgan.
    En outre, on a également :
    ∙  {\color{green}{\bullet \,\, }} l'assertion P∧¬P P \wedge \neg P est toujours fausse (principe de non contradiction) ;
    ∙∙  {\color{green}{\bullet \bullet \,\, }} l'assertion P∨¬P P \vee \neg P est toujours vraie (principe ddu tiers exclu).
    Rajoutons, à cette liste, la règle du détachement (ou règle d'inférence, ou encore règle du modus ponens) :
    ∙  {\color{red}{\bullet \,\, }} (P∧(P⟹Q))⟹Q \left( P \wedge \left(P \Longrightarrow Q\right) \right) \Longrightarrow Q.
    Et rajoutons une équivalence bien utile (qui se vérifie simplement par les tables de vérités) lors des démonstrations avec des assertions :
    ∙∙  {\color{red}{\bullet \bullet \,\, }} (P⟹Q)⟺(¬P∨Q)\left(P \Longrightarrow Q\right) \Longleftrightarrow (\neg P \vee Q)

   ★★  Deˊmonstrations{\color{blue}{\,\,\, \bigstar \bigstar \,\,\bf{Démonstrations}}}
Il existe différent type (ou méthodes) de démonstrations qui reposent sur ces éléments de logiques.
      1−  Deˊmonstrer P⟹Q{\color{green}{\,\,\,\,\,\, 1 - \,\,\bf{Démonstrer}} \, P \Longrightarrow Q}
Il y a deux manières de démontrer l'implication P⟹QP \Longrightarrow Q. La première est de supposer PP vraie et de démontrer que, sous cette hypothèse, le proposition QQ est également vraie.
   ∢  Exemple:{\color{blue}{\,\,\, \sphericalangle \,\,\bf{Exemple :}}}
Voici un exemple classique. Soit n∈Nn \in \mathbb{N}. Démontrons que nn impair ⟹\Longrightarrow n2n^2 impair.
On suppose que nn est impair, donc l'entier naturel nn peut s'écrire sous la forme n=2p+1  (p∈N)n = 2p+1\,\, (p \in \mathbb{N}). Dans ce cas on a n2=(2p+1)2n^2 = (2p+1)^2. En développant l'identité remarquable, on obtient n2=4p2+4p+1=2(2p2+2p)+1n^2 = 4p^2+4p+1 = 2(2p^2+2p)+1. Posons q=2p2+2p=2p(p+1)q = 2p^2+2p = 2p(p+1). Comme p∈Np \in \mathbb{N} cela signifie que 2p(p+1)∈N2p(p+1) \in \mathbb{N}, d'où q∈Nq \in \mathbb{N}. De fait, 2q+1∈N2q + 1 \in \mathbb{N} et est donc impair. On peut alors conclure que que n2n^2 est un nombre entier naturel impair. ■{\color{blue}{\blacksquare}} (Ce petit symbole ■{\color{blue}{\blacksquare}} signifie simplement que la démonstation est terminée).
Le deuxième méthode pour démontrer l'implication P⟹QP \Longrightarrow Q est de démontrer sa contraposée. En effet, on a l'équivalence logique (P⟹Q)⟺(¬Q⟹¬P)\left(P \Longrightarrow Q\right) \Longleftrightarrow \left(\neg Q \Longrightarrow \neg P \right). Pour illustrer ce principe de démonstration, enisageons le célèbre exemple dans lequep PP repésente la propposition il pleut\it{il \, pleut} et QQ représente la proposition je prends mon parapluie\it{je \, prends \, mon \, parapluie}. On observe immédiatement que P⟹QP \Longrightarrow Q car si il pleut\it{il \, pleut} alors je prends mon parapluie\it{je \, prends \, mon \, parapluie}. Mais nous pouvons également remarquer que "si il ne pleut pas alors je ne prends pas mon parapluie". Ce qui s'identifie à ¬Q⟹¬P\neg Q \Longrightarrow \neg P.
   ∢  Exemple:{\color{blue}{\,\,\, \sphericalangle \,\,\bf{Exemple :}}}
Voici un exemple classique. Soit n∈Nn \in \mathbb{N}. Démontrons que n2n^2 pair ⟹\Longrightarrow nn pair.
Notons par PP la proposition n2n^2 pair, et désignons par QQ la proposition nn pair. Nous cherchons à démontrer que P⟹QP \Longrightarrow Q. La proposition contraposée ¬Q⟹¬P\neg Q \Longrightarrow \neg P s'identifie à nn impair ⟹\Longrightarrow n2n^2 impair. La démonstration de la contraposée à été réalisée dans l'exemple précédent. Ce qui achève la démonstration, et nous pouvons affirmer que n2n^2 pair ⟹\Longrightarrow nn pair. ■{\color{blue}{\blacksquare}}
   ★★  Deˊmonstrations{\color{blue}{\,\,\, \bigstar \bigstar \,\,\bf{Démonstrations}}}
      2−  Deˊmonstrer P⟺Q{\color{green}{\,\,\,\,\,\, 2 - \,\,\bf{Démonstrer}} \, P \Longleftrightarrow Q}
Pour démontrer P⟺QP \Longleftrightarrow Q on doit impérativement vérifier les deux sens ! On commence, dans un premier temps, par vérifier l'implication directe (c'est-à-dire la condition nécessaire) P⟹QP \Longrightarrow Q, puis dans un second temps, on vérifie l'implication réciproque (c'est-à-dire la condition suffisante).
   ∢  Exemple:{\color{blue}{\,\,\, \sphericalangle \,\,\bf{Exemple :}}}
Un exemple classique et pédagogique. Soit xx et mm deux nombres réels. Démontrons que l'expression f(x)=mx+1f(x) = mx+1 garde un signe constant sur R\mathbb{R} si et seulement si m=0m=0.
∙  Implication  directe:la  condition  neˊcessaire{\color{green}{ \bullet \,\, } \bf{Implication \,\ directe : la \,\, condition \,\, nécessaire}}
Si m=0m=0 alors f(x)=1>0f(x) = 1 > 0. Dans ce cas, pour tout xx réel, signe(f(x))=signe(1)\mathrm{signe}(f(x)) = \mathrm{signe}(1) et de fait, pour tout xx réel, signe(f(x))=+\mathrm{signe}(f(x)) = +. Ainsi le signe de l'expression f(x)f(x) est constant sur R\mathbb{R}.
∙∙  Implication  reˊciproque:la  condition  suffisante{\color{green}{\bullet \bullet \,\, } \bf{Implication \,\ réciproque : la \,\, condition \,\, suffisante}}
Réciproquement, pour montrer que si l'expression f(x)f(x) conserve un signe constant alors m=0m=0 nous allons utiliser la contraposée associée (expliquée ci-avant dans l'implication), à savoir : si m≠0m \neq 0 alors l'expression f(x)f(x) change de signe.
Donc, si m≠0m \neq 0 alors f(x)=m(x+1m)=m(x−(−1m))f(x) = m \left( x + \dfrac{1}{m} \right) = m \left( x - \left(-\dfrac{1}{m} \right)\right). On constate alors qu'il y a changement de signe de l'expression f(x)f(x) lorsque x=−1mx = -\dfrac{1}{m}. Par conclusion de la méthode de la contraposée, nous pouvons donc affirmer que si l'expression f(x)f(x) conserve un signe constant alors m=0m=0.
∙∙∙  Conclusion{\color{green}{\bullet \bullet \bullet\,\, } \bf{Conclusion}}
Nous avons bien démontrer les deux implications, directe et réciproque, et nous pouvons donc conclure que l'expression f(x)=mx+1f(x) = mx+1 garde un signe constant sur R\mathbb{R} si et seulement si m=0m=0. ■{\color{blue}{\blacksquare}}
   ★★  Deˊmonstrations{\color{blue}{\,\,\, \bigstar \bigstar \,\,\bf{Démonstrations}}}
      3−  Deˊmonstrer  par  l′absurde{\color{green}{\,\,\,\,\,\, 3 - \,\,\bf{Démonstrer \,\, par \,\, l'absurde}}}
Le principe de la démonstration par l'absurde s'appuie sur la règle logique suivante, que le lecteur pourra vérifier sans peine par les tables de vérités : ((¬P⟹Q)∧(¬P⟹¬Q))⟺P \left( \left( \neg P \Longrightarrow Q\right) \wedge \left( \neg P \Longrightarrow \neg Q\right) \right) \Longleftrightarrow P.
Dans la pratique, pour démontrer que PP est vraie, on va supposer la négation, à savoir que PP est fausse, et on cherche alors une contradiction engendrée par l'hypothèse "PP est fausse". Ainsi PP est nécessairement vraie.
   ∢  Exemple:{\color{blue}{\,\,\, \sphericalangle \,\,\bf{Exemple :}}}
Démontrons classiquement que le nombre 2\sqrt{2} est un nombre irrationnel.
On rappelle que les nombres irrationnels sont représentés par Q′\mathbb{Q}′ et sont les nombres dont le développement décimal est infini et non périodique. Autrement dit, un nombre irrationnel est un nombre réel qui n'est pas rationnel, c'est-à-dire qu'il ne peut pas s'écrire sous la forme d'une fraction ab\dfrac{a}{b}, où aa et bb sont deux entiers relatifs (avec bb non nul).
Nous cherchons à démontrer que 2∉Q\sqrt{2} \notin \mathbb{Q}. C'est pourquoi nous allons faire l'hypothèse 2∈Q\sqrt{2} \in \mathbb{Q} et chercher une contradiction engendrée.
Si 2∈Q\sqrt{2} \in \mathbb{Q} alors 2=ab\sqrt{2} = \dfrac{a}{b}, où aa et bb sont deux entiers relatifs (avec bb non nul). On peut supposer que la fraction ab\dfrac{a}{b} soit irréductible. Ceci signifie que les nombres aa et bb n'ont pas de diviseur commun, autre que 11. En passant au carré, on a 22=a2b2\sqrt{2}^2 = \dfrac{a^2}{b^2}. Donc a2=2b2a^2 = 2 b^2. Ceci signifie que a2a^2 est pair, ce qui implique aa est également pair (voir ci-dessus l'exemple de la démonstration par contraposée). Ainsi aa est un multiple de 22, et on pose a=2pa=2p avec p∈Np \in \mathbb{N}. On a alors 4p2=2b24p^2 = 2b^2, soit 2p2=b22p^2 = b^2, et donc b2b^2 est une quantité paire, et donc bb est également pair. D'où b=2qb = 2q avec q∈Nq \in \mathbb{N}. On constate que les deux nombres aa et bb sont pairs, donc ils admettent un diviseur commun qui est 22. Cette constatation est une contradiction{\color{blue}{contradiction}} aux fait que la fraction ab\dfrac{a}{b} soit irréductible. Donc notre hypothèse initiale, à savoir 2∈Q,estfausse\sqrt{2} \in \mathbb{Q}, est fausse. On en conclut donc que 2∉Q\sqrt{2} \notin \mathbb{Q}, autrement dit 2\sqrt{2} n'est pas un nombre rationnel, c'est un nombre irrationnel. ■{\color{blue}{\blacksquare}}
   ★★  Deˊmonstrations{\color{blue}{\,\,\, \bigstar \bigstar \,\,\bf{Démonstrations}}}
      4−  Deˊmontrer  par  reˊcurrence{\color{green}{\,\,\,\,\,\, 4 - \,\,\bf{Démontrer \,\, par \,\, récurrence}}}
Soit P(n)P(n) une propriété qui dépend d'un entier naturel nn. Ce type de démonstration s'applique aux propositions dont l'énoncé dépend d'un entier naturel nn. Pour montrer une proposition de la forme ∀n∈N, P(n)\forall n \in \mathbb{N}, \, P(n), il est souvent plus efficace d'utiliser une démonstration par récurrence plutôt qu'une démonstration classique.
La propriété de récurrence est ici présentée comme une conséquence de la construction de l'ensemble N\mathbb{N} (mais il faut savoir qu'elle peut à son tour servir de base à cette même construction; on change, dans ce cas, de jeu d'axiomes).
Elle s'appuie sur le théorème d'arithmétique suivant :
Toute partie XX (et x∈Xx \in X) de N\mathbb{N} qui vérifie les deux propriétés
(1) 0∈X0 \in X,
(2) ∀x∈x+1∈N\forall x \in x+1 \in \mathbb{N},
est identique à N\mathbb{N}.
Dans la pratique, cette méthode s'exprime et s'articule en trois étapes :
∙  Etape 1:L′initialisation{\color{green}{\bullet \,\, } \bf{Etape \, 1 : L'initialisation}}
Soit n0n_0 le plus petit entier naturel auquel on peut vérifier la propriété PP. On vérifie alors que P(n0)P(n_0) est effectivement vraie.
∙∙  Etape 2:La  transmission{\color{green}{\bullet \bullet \,\, } \bf{Etape \, 2 : La \,\, transmission}}
Soit n∈Nn \in \mathbb{N}, tel que n>n0n > n_0. On fait la supposition que P(n)P(n) est vraie, et sous cette hypothèse, on démontre que P(n+1)P(n+1) est également vraie. Autrement dit, l'objectif de cette deuxième étape est de démontrer l'implication P(n)⟹P(n+1)P(n) \Longrightarrow P(n+1).
∙∙∙  Etape 3:La  conclusion{\color{green}{\bullet \bullet \bullet \,\, } \bf{Etape \, 3 : La \,\, conclusion}}
On écrit "En vertu des axiomes de la récurrence, la propriété P(n):...P(n) : ... est vraie pour tout entier naturel n⩾n0n \geqslant n_0, ce qui achève la démonstration ■{\color{blue}{\blacksquare}}".
   ∢  Exemple:{\color{blue}{\,\,\, \sphericalangle \,\,\bf{Exemple :}}}
Démontrons par récurrence que nous avons la propriété P(n)P(n), avec n∈N⋆n \in \mathbb{N}^\star suivante :
P(n):1+2+⋯+n=n(n+1)2P(n) : 1+2+\cdots+n= \dfrac{n(n+1)}{2}.
∙  Etape 1:L′initialisation{\color{green}{\bullet \,\, } \bf{Etape \, 1 : L'initialisation}}
On vérifie la propriété PP pour n=1n=1. On a effectivement :
P(1):1=1(1+1)2P(1) : 1 = \dfrac{1(1+1)}{2}.
∙∙  Etape 2:La  transmission{\color{green}{\bullet \bullet \,\, } \bf{Etape \, 2 : La \,\, transmission}}
Soit n∈Nn \in \mathbb{N}, tel que n>1n > 1. On fait la supposition que P(n)P(n) est vraie, à savoir que nous avons la propriété 1+2+⋯+n=n(n+1)21+2+\cdots+n= \dfrac{n(n+1)}{2}. Dans ce cas, examinons la vérité de P(n+1)P(n+1). On a donc, sous l'hypothèse que P(n)P(n) soit vraie :
P(n+1):1+2+⋯+n+(n+1)=n(n+1)2+(n+1)P(n+1) : 1+2+\cdots+n+(n+1)= \dfrac{n(n+1)}{2}+(n+1)
A savoir :
P(n+1):1+2+⋯+n+(n+1)=(n+1)(n2+1)P(n+1) : 1+2+\cdots+n+(n+1)= (n+1) \left(\dfrac{n}{2}+1\right)
Soit :
P(n+1):1+2+⋯+n+(n+1)=(n+1)(n+22)P(n+1) : 1+2+\cdots+n+(n+1)= (n+1) \left(\dfrac{n+2}{2}\right)
Soit encore :
P(n+1):1+2+⋯+n+(n+1)=(n+1)(n+2)2P(n+1) : 1+2+\cdots+n+(n+1)= \dfrac{(n+1)(n+2)}{2}
Qui s'écrit également sous la forme :
P(n+1):1+2+⋯+n+(n+1)=(n+1)(n+1+1)2P({\color{red}{n+1}}) : 1+2+\cdots+n+(n+1)= \dfrac{({\color{red}{n+1}})({\color{red}{n+1}}+1)}{2}
On peut donc affirmer que si P(n)P(n) est vraie alors P(n+1)P({\color{red}{n+1}}) est également vraie.
∙∙∙  Etape 3:La  conclusion{\color{green}{\bullet \bullet \bullet \,\, } \bf{Etape \, 3 : La \,\, conclusion}}
En vertu des axiomes de la récurrence, la propriété P(n):1+2+⋯+n=n(n+1)2P(n) : 1+2+\cdots+n= \dfrac{n(n+1)}{2} est vraie pour tout entier naturel n⩾1n \geqslant 1, ce qui achève la démonstration ■{\color{blue}{\blacksquare}}.

Les quantificateurs logiques.

Définition

Définition 1
  •    ★★★  Les  quantificateurs  logiques{\color{blue}{\,\,\, \bigstar \bigstar \bigstar \,\,\bf{Les \,\, quantificateurs \,\, logiques}}}
    Le domaine de validité d'une assertion, ou tout au moins certaines parties de ce domaine, jouant un rôle fondamental. Dès lors une notion de quantification s'introduit naturellement et, avec elle, les quantificateurs{\color{green}{\bf{quantificateurs}}} qui permettent, lorsqu'ils sont bien utilisés, certains automatismes de raisonnement.
    Le quantificateur  universel{\color{red}{\it{quantificateur \,\, universel}}} est représenté par le symbole ∀{\color{red}{\forall}}, et il signifie pour  tout{\color{red}{\bf{pour \,\, tout}}}. Ainsi l'écriture mathématique suivante
    ∀x∈E,  P(x){\color{red}{\forall}} x \in E, \,\, P(x) se traduit par pour  tout  x{\color{red}{\bf{pour \,\, tout}}} \,\,x appartenant à l'ensemble EE, la propriété P(x)P(x) est vraie. On dit également quelque  soit  x{\color{red}{\bf{quelque \,\, soit}}} \,\,x de l'ensemble EE, on a la propriété P(x)P(x).
    Le quantificateur  existentiel{\color{blue}{\it{quantificateur \,\, existentiel}}} est représenté par le symbole ∃{\color{blue}{\exist}}, et il signifie il  existe{\color{blue}{\bf{il \,\, existe}}}. Ainsi l'écriture mathématique suivante
    ∃x∈E,  P(x){\color{blue}{\exist}} x \in E, \,\, P(x) se traduit par il  existe  au  moins  un  x{\color{blue}{\bf{il \,\, existe}} \,\, au \,\, moins \,\, un} \,\,x appartenant à l'ensemble EE, qui rend la propriété P(x)P(x) vraie.
    L'écriture ∃!{\color{blue}{\exist !}} signifie il  existe  un  unique{\color{blue}{\bf{il \,\, existe \,\, un \,\, unique}}}. Ainsi l'écriture mathématique suivante ∃!x∈E,  P(x){\color{blue}{\exist !}} x \in E, \,\, P(x) se traduit par il  existe  un  unique  x{\color{blue}{\bf{il \,\, existe}} \,\, un \,\, unique} \,\,x appartenant à l'ensemble EE, qui rend la propriété P(x)P(x) vraie.
    La négation de ∀x∈E,  P(x){\color{red}{\forall}} x \in E, \,\, P(x) est définie par :
    ¬(∀x∈E,  P(x))⟺∃x∈E,  ¬P(x)\neg \left( {\color{red}{\forall}} x \in E, \,\, P(x) \right) \Longleftrightarrow {\color{blue}{\exist}} x \in E, \,\, \neg P(x)
    La négation de ∃x∈E,  P(x){\color{blue}{\exist}} x \in E, \,\, P(x) est définie par :
    ¬(∃x∈E,  P(x))⟺∀x∈E,  ¬P(x)\neg \left( {\color{blue}{\exist}} x \in E, \,\, P(x) \right) \Longleftrightarrow {\color{red}{\forall}} x \in E, \,\, \neg P(x)
   ∢  Exemple:{\color{blue}{\,\,\, \sphericalangle \,\,\bf{Exemple :}}}
La négation de ∃x∈]0 ; 1[,  x>x{\color{blue}{\exist}} x \in ]0\,;\,1[, \,\, \sqrt{x} > x est ∀x∈]0 ; 1[,  x<x{\color{red}{\forall}} x \in ]0\,;\,1[, \,\, \sqrt{x} < x. Le première assertion est vraie, et donc sa négation, la seconde, est fausse. En effet on vérifie ceci facilement par les graphes représentatifs :

En effet, prenons x=0,5∈]0 ; 1[x = 0,5 \in ]0\,;\,1[. On a bien 0,5>0,5\sqrt{0,5} > 0,5. Donc, il existe bien au moins une valeur de xx dans l'intervalle ]0 ; 1[]0\,;\,1[ qui permet d'affirmer que x>x\sqrt{x} > x.
A ceci, rajoutons la négation (très souvent utile) suivante :
¬(∀x∈E,P(x)⟹Q(x))⟺∃x∈E,P(x)∧¬Q(x)\neg \left( {\color{red}{\forall}} x \in E, P(x) \Longrightarrow Q(x) \right) \Longleftrightarrow {\color{blue}{\exist}} x \in E, P(x) \wedge \neg Q(x)
▶\blacktriangleright Remarquons que pour démontrer que la proposition ∀x∈E,  P(x){\color{red}{\forall}} x \in E, \,\, P(x) est fausse, il est possible (et suffisant) de trouver un contre  exemple{\color{black}{\bf{contre \,\, exemple}}}. Autrement dit, trouver un élément xx de l'ensemble EE qui rend la propriété P(x)P(x) vraie.
   ∢  Exemple:{\color{blue}{\,\,\, \sphericalangle \,\,\bf{Exemple :}}}
On considère ∀x∈R,x2>1⟹x>1{\color{red}{\forall}} x \in \mathbb{R}, x^2 > 1 \Longrightarrow x > 1. La négation est donc :
¬(∀x∈R,x2>1⟹x>1)⟺∃x∈R,x2>1  et  x⩽1\neg \left( {\color{red}{\forall}} x \in \mathbb{R}, x^2 > 1 \Longrightarrow x > 1 \right) \Longleftrightarrow {\color{blue}{\exist}} x \in \mathbb{R}, x^2 > 1 \,\, \mathrm{et} \,\, x \leqslant 1
On constate que le choix x=−2∈Rx = - 2 \in \mathbb{R} permet de donner la vérité fausse à ∀x∈R,x2>1⟹x>1{\color{red}{\forall}} x \in \mathbb{R}, x^2 > 1 \Longrightarrow x > 1, et de fait offre la vérité vraie à ∃x∈R,x2>1  et  x⩽1{\color{blue}{\exist}} x \in \mathbb{R}, x^2 > 1 \,\, \mathrm{et} \,\, x \leqslant 1. Donc x=−2∈Rx = - 2 \in \mathbb{R} est contre  exemple{\color{black}{\bf{contre \,\, exemple}}}.

Compléments.


       ★★★★  Compleˊments{\color{blue}{\,\,\, \bigstar \bigstar \bigstar \bigstar \,\,\bf{Compléments}}}
    On note par PP, QQ et RR trois assertions.
    On a l'équivalence entre P∧(Q∧R)P \wedge (Q \wedge R) et P∧Q∧RP \wedge Q \wedge R.
    On a l'équivalence entre P∧(Q∨R)P \wedge (Q \vee R) et P∨Q∨RP \vee Q \vee R.
    Il  ne  faut  pas  confondre{\color{red}{\bf{Il \,\, ne \,\, faut \,\, pas \,\,confondre}}} P⟹Q⟹RP \Longrightarrow Q \Longrightarrow R avec P⟹(Q⟹R)P \Longrightarrow (Q \Longrightarrow R). En effet, on a :
    (P⟹Q⟹R)⟺((P⟹Q)∧(Q⟹R))(P \Longrightarrow Q \Longrightarrow R) \Longleftrightarrow ((P \Longrightarrow Q) \wedge (Q \Longrightarrow R))
    Egalement, il  ne  faut  pas  confondre{\color{red}{\bf{il \,\, ne \,\, faut \,\, pas \,\,confondre}}} P⟺Q⟺RP \Longleftrightarrow Q \Longleftrightarrow R avec P⟺(Q⟺R)P \Longleftrightarrow (Q \Longleftrightarrow R). En effet, on a :
    (P⟺Q⟺R)⟺((P⟺Q)∧(Q⟺R))(P \Longleftrightarrow Q \Longleftrightarrow R) \Longleftrightarrow ((P \Longleftrightarrow Q) \wedge (Q \Longleftrightarrow R))
    Dans la pratique des exercices, pour montrer la validité de (P⟺Q)∧(Q⟺R)(P \Longleftrightarrow Q) \wedge (Q \Longleftrightarrow R) il est bien plus eˊconomique{\color{blue}{\bf{économique}}} de montrer que la relation assertionnelle (P⟹Q)∧(Q⟹R)∧(R⟹P)(P \Longrightarrow Q) \wedge (Q \Longrightarrow R) \wedge (R \Longrightarrow P) est vraie. C'est la  deˊmonstration  circulaire{\color{blue}{\bf{la \,\, démonstration \,\, circulaire}}}.
    Notons, au passage, que les écritures P⟹Q⟹RP \Longrightarrow Q \Longrightarrow R et P⟺Q⟺RP \Longleftrightarrow Q \Longleftrightarrow R sont abusives, mais elles sont tolérées.
    Les opérations logiques, ∨\vee et ∧\wedge, sont idempotentes{\color{red}{\bf{idempotentes}}}. C'est à dire qu'elles satisfont à la propriété :
    ↬  P∨P⟺P\looparrowright \,\, P \vee P \Longleftrightarrow P
    ↬  P∧P⟺P\looparrowright \,\, P \wedge P \Longleftrightarrow P
    Indiquons également que (mais c'est logiquelogique) l'on a l'équivalence suivante :
    ↬  ((P⟹Q)∧(Q⟹R))⟺(P⟹R){\color{blue}{ \looparrowright \,\, \big( (P \Longrightarrow Q ) \wedge (Q \Longrightarrow R) \big)\Longleftrightarrow (P \Longrightarrow R) }}
    Cette dernière relation s'appelle la  transitiviteˊ  de  l′implication{\color{blue}{\bf{la \,\, transitivité \,\, de \,\, l'implication}}}.

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