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MP2I · Maths · semaine 1

Logique et raisonnement

Propositions, quantificateurs, négation, contraposée, absurde et récurrence. Comment rédiger une preuve propre et éviter les erreurs de logique qui coûtent des points en DS.

Sommaire

Le cours

L'essentiel

  • Une implication P⇒QP \Rightarrow Q n'est fausse que si PP est vraie et QQ fausse. Sa négation est « PP et non Q\text{non } Q ». Sa contraposée non Q⇒non P\text{non } Q \Rightarrow \text{non } P lui est équivalente, sa réciproque non.
  • On nie une phrase quantifiée en échangeant ∀\forall et ∃\exists dans l'ordre, puis en niant la fin. Savoir nier sans hésiter la définition de la limite, de la continuité, de la borne supérieure.
  • L'ordre des quantificateurs change le sens : « ∀x∈R, ∃y∈R, y>x\forall x \in \R, \ \exists y \in \R, \ y > x » est vraie, « ∃y∈R, ∀x∈R, y>x\exists y \in \R, \ \forall x \in \R, \ y > x » est fausse.
  • Six modes de raisonnement : direct, contraposée, absurde, disjonction de cas, analyse-synthèse, récurrence (simple, double, forte).
  • Savoir refaire : si n2n^2 est pair alors nn est pair (contraposée), 2\sqrt{2} est irrationnel (absurde), la décomposition paire-impaire d'une fonction (analyse-synthèse).
  • Une récurrence a trois étapes nommées : initialisation, hérédité, conclusion. Savoir rédiger une récurrence simple, double et forte.
Pourquoi ce chapitre

Toute démonstration de prépa repose sur un petit nombre de règles de logique et de schémas de raisonnement. Ce premier chapitre fixe le vocabulaire (proposition, connecteur, quantificateur) et les règles de négation. Il présente les six modes de raisonnement utilisés toute l'année : raisonnement direct, contraposée, absurde, disjonction de cas, analyse-synthèse et récurrence. Il fixe enfin les règles de rédaction, car une copie est jugée sur la validité de l'enchaînement logique, pas seulement sur le résultat.

1Propositions et connecteurs

Proposition

Définition 1.1Proposition

Une proposition (ou assertion) est un énoncé mathématique qui est soit vrai, soit faux, jamais les deux.

Exemple 1.2

« 22 est pair » est une proposition vraie. « 33 est pair » est une proposition fausse. En revanche, « xx est pair » n'est pas une proposition tant que xx n'est pas fixé.

Définition 1.3Prédicat

Un énoncé qui dépend d'une variable xx, comme « xx est pair », est un prédicat, noté P(x)P(x). Il devient une proposition quand on donne une valeur à xx, ou quand on quantifie xx (voir la section sur les quantificateurs).

Négation

Définition 1.4Négation

La négation d'une proposition PP, notée non P\text{non } P, est la proposition qui est vraie exactement quand PP est fausse.

Propriété 1.5Double négation

Pour toute proposition PP, la proposition non(non P)\text{non}(\text{non } P) a la même valeur de vérité que PP.

Démonstration

Si PP est vraie, alors non P\text{non } P est fausse, donc non(non P)\text{non}(\text{non } P) est vraie. Si PP est fausse, alors non P\text{non } P est vraie, donc non(non P)\text{non}(\text{non } P) est fausse. Dans les deux cas, non(non P)\text{non}(\text{non } P) et PP ont la même valeur de vérité.

Conjonction et disjonction

Définition 1.6Conjonction, disjonction

Soient PP et QQ deux propositions.

  • La conjonction « PP et QQ » est vraie quand PP et QQ sont toutes les deux vraies, et fausse sinon.
  • La disjonction « PP ou QQ » est vraie dès que l'une au moins des deux est vraie, et fausse seulement quand les deux sont fausses.

On résume ces définitions dans une table de vérité, où V signifie vrai et F faux.

PQP et QP ou QVVVVVFFVFVFVFFFF\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline P & Q & P \text{ et } Q & P \text{ ou } Q \\ \hline V & V & V & V \\ V & F & F & V \\ F & V & F & V \\ F & F & F & F \\ \hline \end{array}

AttentionLe « ou » est inclusif

En mathématiques, le « ou » est inclusif : quand PP et QQ sont toutes les deux vraies, « PP ou QQ » est vraie. Il ne signifie pas « l'un ou l'autre, mais pas les deux » comme dans « fromage ou dessert ».

Proposition 1.7Règles de De Morgan

Soient PP et QQ deux propositions.

  • La négation de « PP et QQ » est « non P\text{non } P ou non Q\text{non } Q ».
  • La négation de « PP ou QQ » est « non P\text{non } P et non Q\text{non } Q ».
Démonstration

On compare les valeurs de vérité dans les quatre cas possibles.

PQnon(P et Q)non P ou non QVVFFVFVVFVVVFFVV\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline P & Q & \text{non}(P \text{ et } Q) & \text{non } P \text{ ou non } Q \\ \hline V & V & F & F \\ V & F & V & V \\ F & V & V & V \\ F & F & V & V \\ \hline \end{array}

La colonne de non(P et Q)\text{non}(P \text{ et } Q) coïncide ligne à ligne avec celle de « non P\text{non } P ou non Q\text{non } Q », ce qui prouve la première règle. Pour la seconde, on compare de même :

PQnon(P ou Q)non P et non QVVFFVFFFFVFFFFVV\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline P & Q & \text{non}(P \text{ ou } Q) & \text{non } P \text{ et non } Q \\ \hline V & V & F & F \\ V & F & F & F \\ F & V & F & F \\ F & F & V & V \\ \hline \end{array}

Les deux colonnes coïncident : « non P\text{non } P et non Q\text{non } Q » est vraie seulement quand PP et QQ sont fausses, sur la dernière ligne, exactement comme non(P ou Q)\text{non}(P \text{ ou } Q).

Exemple 1.8

Soit xx un réel. Dire que x∈[0,1]x \in [0, 1], c'est dire « x⩾0x \geqslant 0 et x⩽1x \leqslant 1 ». Par la règle de De Morgan, dire que x∉[0,1]x \notin [0, 1] revient à dire « x<0x < 0 ou x>1x > 1 ».

Implication

Définition 1.9Implication

Soient PP et QQ deux propositions. L'implication « PP implique QQ », notée P⇒QP \Rightarrow Q, est fausse dans un seul cas : PP vraie et QQ fausse. Elle est vraie dans les trois autres cas, en particulier dès que PP est fausse.

PQP⇒QVVVVFFFVVFFV\begin{array}{|c|c|c|} \hline P & Q & P \Rightarrow Q \\ \hline V & V & V \\ V & F & F \\ F & V & V \\ F & F & V \\ \hline \end{array}

Proposition 1.10Implication et disjonction

L'implication P⇒QP \Rightarrow Q a la même valeur de vérité que « non P\text{non } P ou QQ ».

Démonstration

La proposition « non P\text{non } P ou QQ » est fausse exactement quand non P\text{non } P et QQ sont fausses toutes les deux, c'est-à-dire quand PP est vraie et QQ fausse. C'est exactement le seul cas où P⇒QP \Rightarrow Q est fausse. Les deux propositions sont donc vraies ou fausses en même temps.

Proposition 1.11Négation d'une implication

La négation de P⇒QP \Rightarrow Q est « PP et non Q\text{non } Q ».

Démonstration

D'après la proposition précédente, P⇒QP \Rightarrow Q a même valeur de vérité que « non P\text{non } P ou QQ ». Par la règle de De Morgan, sa négation est « non(non P)\text{non}(\text{non } P) et non Q\text{non } Q », c'est-à-dire, par double négation, « PP et non Q\text{non } Q ».

RemarqueContre-exemple

Pour prouver qu'une implication est fausse, on exhibe un cas où l'hypothèse est vraie et la conclusion fausse. C'est ce qu'on appelle un contre-exemple.

Exemple 1.12Hypothèse fausse

Une implication dont l'hypothèse est fausse est vraie. Ainsi « si 0=10 = 1 alors 2=32 = 3 » est une proposition vraie.

Définition 1.13Condition nécessaire, condition suffisante

Quand l'implication P⇒QP \Rightarrow Q est vraie, on dit que PP est une condition suffisante pour QQ, et que QQ est une condition nécessaire pour PP.

Exemple 1.14

Pour un entier nn, « nn est multiple de 44 » est une condition suffisante pour que « nn est pair ». Inversement, « nn est pair » est une condition nécessaire pour que « nn est multiple de 44 ».

Réciproque et contraposée

Définition 1.15Réciproque, contraposée

Soit l'implication P⇒QP \Rightarrow Q.

  • Sa réciproque est l'implication Q⇒PQ \Rightarrow P.
  • Sa contraposée est l'implication non Q⇒non P\text{non } Q \Rightarrow \text{non } P.

AttentionRéciproque

Une implication et sa réciproque n'ont aucune raison d'être vraies en même temps. Pour un entier nn, l'implication « nn est multiple de 4⇒n4 \Rightarrow n est pair » est vraie. Sa réciproque « nn est pair ⇒n\Rightarrow n est multiple de 44 » est fausse : n=2n = 2 est un contre-exemple.

Proposition 1.16Contraposée

Une implication et sa contraposée sont toujours vraies ou fausses en même temps.

Démonstration

La contraposée non Q⇒non P\text{non } Q \Rightarrow \text{non } P a même valeur de vérité que « non(non Q)\text{non}(\text{non } Q) ou non P\text{non } P », c'est-à-dire, par double négation, que « QQ ou non P\text{non } P ». Comme le « ou » ne dépend pas de l'ordre de ses termes, c'est « non P\text{non } P ou QQ », qui a même valeur de vérité que P⇒QP \Rightarrow Q.

Cette proposition est la base du raisonnement par contraposée, étudié plus loin.

Équivalence

Définition 1.17Équivalence

Soient PP et QQ deux propositions. L'équivalence P⇔QP \Leftrightarrow Q est la proposition « P⇒QP \Rightarrow Q et Q⇒PQ \Rightarrow P ». On dit que PP et QQ sont équivalentes, ou que PP est une condition nécessaire et suffisante pour QQ.

RemarqueDémontrer une équivalence

Pour démontrer une équivalence, on démontre en général les deux implications séparément. On peut enchaîner des équivalences seulement quand chaque étape du calcul est réversible.

AttentionDes équivalences qui n'en sont pas

Il ne faut pas enchaîner des « ⇔\Leftrightarrow » alors qu'une étape n'est qu'une implication. Trois opérations ne conservent qu'une implication : élever au carré, multiplier par une expression qui peut s'annuler, appliquer une fonction non injective. Par exemple x=1⇒x2=1x = 1 \Rightarrow x^2 = 1 est vraie, mais x2=1x^2 = 1 n'entraîne pas x=1x = 1 : le réel x=−1x = -1 est un contre-exemple.

2Quantificateurs

Quantificateur universel

Définition 2.1Quantificateur universel

Soient EE un ensemble et P(x)P(x) un prédicat portant sur les éléments xx de EE. La proposition « pour tout xx de EE, P(x)P(x) », notée ∀x∈E, P(x),\forall x \in E, \ P(x), affirme que P(x)P(x) est vraie pour chaque élément xx de EE.

RemarqueDémontrer une proposition universelle

Pour démontrer « ∀x∈E, P(x)\forall x \in E, \ P(x) », on prend un xx quelconque de EE (« soit xx dans EE ») et on prouve P(x)P(x) sans rien supposer de particulier sur xx.

Quantificateur existentiel

Définition 2.2Quantificateur existentiel

La proposition « il existe xx dans EE tel que P(x)P(x) », notée ∃x∈E, P(x),\exists x \in E, \ P(x), affirme qu'au moins un élément xx de EE vérifie P(x)P(x). La notation ∃! x∈E, P(x)\exists !\, x \in E, \ P(x) signifie « il existe un unique xx dans EE tel que P(x)P(x) ».

RemarqueDémontrer une proposition existentielle

Pour démontrer « ∃x∈E, P(x)\exists x \in E, \ P(x) », on exhibe un xx précis et on vérifie P(x)P(x), ou bien on utilise un théorème d'existence.

Négation d'une phrase quantifiée

Proposition 2.3Négation des quantificateurs

  • La négation de « ∀x∈E, P(x)\forall x \in E, \ P(x) » est « ∃x∈E, non P(x)\exists x \in E, \ \text{non } P(x) ».
  • La négation de « ∃x∈E, P(x)\exists x \in E, \ P(x) » est « ∀x∈E, non P(x)\forall x \in E, \ \text{non } P(x) ».
Démonstration

La proposition « ∀x∈E, P(x)\forall x \in E, \ P(x) » est fausse exactement quand P(x)P(x) n'est pas vraie pour chaque élément de EE, c'est-à-dire quand il existe au moins un xx de EE pour lequel P(x)P(x) est fausse, soit non P(x)\text{non } P(x) vraie. C'est la première règle. Pour la seconde, on applique la première au prédicat non P(x)\text{non } P(x) : la négation de « ∀x∈E, non P(x)\forall x \in E, \ \text{non } P(x) » est « ∃x∈E, non(non P(x))\exists x \in E, \ \text{non}(\text{non } P(x)) », c'est-à-dire « ∃x∈E, P(x)\exists x \in E, \ P(x) ». En niant les deux membres, la négation de « ∃x∈E, P(x)\exists x \in E, \ P(x) » est donc « ∀x∈E, non P(x)\forall x \in E, \ \text{non } P(x) ».

RemarqueRègle pratique

On nie une phrase à plusieurs quantificateurs en changeant chaque quantificateur en l'autre, dans l'ordre, puis en niant la proposition finale. Les ensembles auxquels appartiennent les variables ne changent pas.

Exemple 2.4Négation de la convergence

Soient (un)(u_n) une suite réelle et ℓ\ell un réel. La suite (un)(u_n) converge vers ℓ\ell signifie : ∀ε>0, ∃N∈N, ∀n⩾N, ∣un−ℓ∣⩽ε.\forall \varepsilon > 0, \ \exists N \in \N, \ \forall n \geqslant N, \ \abs{u_n - \ell} \leqslant \varepsilon. La négation est : ∃ε>0, ∀N∈N, ∃n⩾N, ∣un−ℓ∣>ε.\exists \varepsilon > 0, \ \forall N \in \N, \ \exists n \geqslant N, \ \abs{u_n - \ell} > \varepsilon. Savoir écrire cette négation sans hésiter est un exigible.

AttentionNier la condition « ε>0\varepsilon > 0 »

La négation porte sur la proposition finale, pas sur le domaine des variables. La négation de « ∀ε>0,…\forall \varepsilon > 0, \ldots » commence par « ∃ε>0\exists \varepsilon > 0 », et non par « ∃ε⩽0\exists \varepsilon \leqslant 0 ».

Ordre des quantificateurs

Propriété 2.5Ordre des quantificateurs

On peut permuter deux quantificateurs de même nature : « ∀x, ∀y, P(x,y)\forall x, \ \forall y, \ P(x, y) » équivaut à « ∀y, ∀x, P(x,y)\forall y, \ \forall x, \ P(x, y) », et de même avec deux ∃\exists. On ne peut pas, en général, permuter un ∀\forall et un ∃\exists.

Exemple 2.6Échanger les quantificateurs change le sens

La proposition « ∀x∈R, ∃y∈R, y>x\forall x \in \R, \ \exists y \in \R, \ y > x » est vraie : pour un réel xx donné, y=x+1y = x + 1 convient. La proposition « ∃y∈R, ∀x∈R, y>x\exists y \in \R, \ \forall x \in \R, \ y > x » est fausse : il n'existe pas de réel plus grand que tous les réels, puisqu'un tel yy devrait vérifier y>yy > y en prenant x=yx = y.

RemarqueDépendance

Dans « ∀x, ∃y\forall x, \ \exists y », le yy peut dépendre de xx. Dans « ∃y, ∀x\exists y, \ \forall x », le yy est le même pour tous les xx. C'est pourquoi on écrit parfois yxy_x pour rappeler cette dépendance.

Règles d'écriture

AttentionLes quantificateurs ne sont pas des abréviations

On ne mélange pas les symboles ∀\forall et ∃\exists à une phrase en français. On écrit soit une phrase complète en français, soit une formule entièrement symbolique. « Pour tout réel xx, x2⩾0x^2 \geqslant 0 » et « ∀x∈R, x2⩾0\forall x \in \R, \ x^2 \geqslant 0 » sont corrects, un mélange des deux ne l'est pas.

RemarqueVariable muette

Dans une formule, la variable quantifiée est muette : « ∀x∈E, P(x)\forall x \in E, \ P(x) » et « ∀t∈E, P(t)\forall t \in E, \ P(t) » disent la même chose.

3Les modes de raisonnement

Raisonnement direct

RemarqueRaisonnement direct (déduction)

Pour prouver P⇒QP \Rightarrow Q, on suppose PP vraie et on en déduit QQ par une chaîne d'implications vraies. C'est le mode par défaut.

Exemple 3.1

Soit nn un entier pair. Montrons que n2n^2 est pair. Par hypothèse, il existe k∈Zk \in \Z tel que n=2kn = 2k. Alors n2=4k2=2(2k2)n^2 = 4k^2 = 2(2k^2) avec 2k2∈Z2k^2 \in \Z, donc n2n^2 est pair.

Raisonnement par contraposée

Pour prouver P⇒QP \Rightarrow Q, on prouve non Q⇒non P\text{non } Q \Rightarrow \text{non } P, ce qui suffit puisque les deux implications ont même valeur de vérité. C'est utile quand la négation de QQ est plus maniable que PP.

Proposition 3.2Parité d'un carré

Soit nn un entier. Si n2n^2 est pair, alors nn est pair.

Démonstration

Raisonnons par contraposée : montrons que si nn est impair, alors n2n^2 est impair. Supposons nn impair. Il existe k∈Zk \in \Z tel que n=2k+1n = 2k + 1. Alors n2=4k2+4k+1=2(2k2+2k)+1,n^2 = 4k^2 + 4k + 1 = 2(2k^2 + 2k) + 1, avec 2k2+2k∈Z2k^2 + 2k \in \Z, donc n2n^2 est impair. La contraposée est prouvée, donc l'implication aussi : si n2n^2 est pair, alors nn est pair.

Raisonnement par l'absurde

Pour prouver une proposition PP, on suppose non P\text{non } P et on aboutit à une contradiction, c'est-à-dire à une proposition à la fois vraie et fausse. On en conclut que non P\text{non } P est fausse, donc que PP est vraie.

Proposition 3.3Irrationalité de 2\sqrt{2}

Le réel 2\sqrt{2} est irrationnel.

Démonstration

Raisonnons par l'absurde et supposons 2\sqrt{2} rationnel. Comme 2>0\sqrt{2} > 0, on peut écrire 2=pq\sqrt{2} = \frac{p}{q} avec pp et qq des entiers naturels non nuls premiers entre eux (on simplifie la fraction autant que possible). En élevant au carré, 2=p2q22 = \frac{p^2}{q^2}, donc p2=2q2.p^2 = 2q^2. Ainsi p2p^2 est pair, donc pp est pair d'après la proposition sur la parité d'un carré, démontrée par contraposée. Il existe donc un entier mm tel que p=2mp = 2m. En reportant, 4m2=2q24m^2 = 2q^2, soit q2=2m2q^2 = 2m^2. Donc q2q^2 est pair, et par la même proposition qq est pair. Alors 22 divise à la fois pp et qq, ce qui contredit le fait que pp et qq sont premiers entre eux. L'hypothèse est donc fausse : 2\sqrt{2} est irrationnel.

AttentionContraposée ou absurde

Il ne faut pas confondre les deux. La contraposée démontre une implication en la retournant. L'absurde démontre n'importe quelle proposition en supposant son contraire. Le raisonnement par l'absurde est souvent moins lisible : quand une contraposée suffit, on la préfère.

Disjonction de cas

Pour prouver une proposition PP, on découpe la situation en cas qui couvrent toutes les possibilités, et on prouve PP dans chaque cas.

Proposition 3.4

Pour tout entier nn, l'entier n(n+1)n(n + 1) est pair.

Démonstration

Soit nn un entier. Tout entier est pair ou impair, donc les deux cas suivants couvrent toutes les possibilités.

  • Si nn est pair, il existe k∈Zk \in \Z tel que n=2kn = 2k, et n(n+1)=2(k(n+1))n(n + 1) = 2\big(k(n + 1)\big) est pair.
  • Si nn est impair, alors n+1n + 1 est pair : il existe k∈Zk \in \Z tel que n+1=2kn + 1 = 2k, et n(n+1)=2(nk)n(n + 1) = 2(nk) est pair.

Dans les deux cas, n(n+1)n(n + 1) est pair.

AttentionDes cas exhaustifs

Il faut vérifier, et écrire, que les cas étudiés sont exhaustifs. Un cas oublié rend la preuve fausse.

Analyse-synthèse

RemarquePrincipe de l'analyse-synthèse

Pour déterminer tous les objets vérifiant une propriété, on procède en deux temps.

  • Analyse : on suppose qu'un objet convient, et on en déduit, par implications, la forme qu'il doit avoir. On obtient des candidats. À ce stade on n'a prouvé qu'une chose : si une solution existe, elle est parmi les candidats. C'est une condition nécessaire.
  • Synthèse : on vérifie quels candidats conviennent réellement, en les reportant dans la propriété de départ. C'est une condition suffisante.

Quand l'analyse aboutit à un seul candidat, elle prouve l'unicité, et la synthèse prouve l'existence.

Proposition 3.5Décomposition paire-impaire

Toute fonction f:R→Rf : \R \to \R s'écrit de manière unique comme somme d'une fonction paire et d'une fonction impaire.

Démonstration

Soit f:R→Rf : \R \to \R.

Analyse. Supposons que f=p+if = p + i avec p:R→Rp : \R \to \R paire et i:R→Ri : \R \to \R impaire. Pour tout réel xx, f(x)=p(x)+i(x)etf(−x)=p(−x)+i(−x)=p(x)−i(x).f(x) = p(x) + i(x) \quad \text{et} \quad f(-x) = p(-x) + i(-x) = p(x) - i(x). En ajoutant puis en soustrayant ces deux égalités, on obtient pour tout réel xx : p(x)=f(x)+f(−x)2,i(x)=f(x)−f(−x)2.p(x) = \frac{f(x) + f(-x)}{2}, \qquad i(x) = \frac{f(x) - f(-x)}{2}. Les fonctions pp et ii sont donc entièrement déterminées par ff : si une décomposition existe, elle est unique.

Synthèse. Définissons pp et ii sur R\R par les formules précédentes. Pour tout réel xx, p(−x)=f(−x)+f(x)2=p(x),i(−x)=f(−x)−f(x)2=−i(x),p(-x) = \frac{f(-x) + f(x)}{2} = p(x), \qquad i(-x) = \frac{f(-x) - f(x)}{2} = -i(x), donc pp est paire et ii est impaire. De plus p(x)+i(x)=2f(x)2=f(x)p(x) + i(x) = \frac{2f(x)}{2} = f(x), donc p+i=fp + i = f. Une décomposition existe.

L'existence et l'unicité sont établies.

Raisonnement par récurrence

Théorème 3.6Principe de récurrence

Soient n0∈Nn_0 \in \N et P(n)P(n) un prédicat défini pour les entiers n⩾n0n \geqslant n_0. On suppose :

  • initialisation : P(n0)P(n_0) est vraie ;
  • hérédité : pour tout entier n⩾n0n \geqslant n_0, si P(n)P(n) est vraie, alors P(n+1)P(n + 1) est vraie.

Alors P(n)P(n) est vraie pour tout entier n⩾n0n \geqslant n_0.

Démonstration

On admet la propriété fondamentale de N\N : toute partie non vide de N\N possède un plus petit élément.

Raisonnons par l'absurde et supposons que P(n)P(n) soit fausse pour au moins un entier n⩾n0n \geqslant n_0. L'ensemble A={n∈N∣n⩾n0 et P(n) est fausse}A = \{ n \in \N \mid n \geqslant n_0 \text{ et } P(n) \text{ est fausse} \} est alors une partie non vide de N\N. Elle possède donc un plus petit élément mm. Comme P(n0)P(n_0) est vraie, m≠n0m \neq n_0, donc m>n0m > n_0, soit m−1⩾n0m - 1 \geqslant n_0. Comme m−1<mm - 1 < m et que mm est le plus petit élément de AA, on a m−1∉Am - 1 \notin A, donc P(m−1)P(m - 1) est vraie. L'hérédité appliquée au rang m−1m - 1 donne alors P(m)P(m) vraie, ce qui contredit m∈Am \in A. Donc P(n)P(n) est vraie pour tout entier n⩾n0n \geqslant n_0.

Remarque

Aucune construction ni axiomatique de N\N n'est exigible. La propriété du plus petit élément est admise.

Une récurrence se rédige en trois étapes nommées.

  • Initialisation : on vérifie P(n0)P(n_0).
  • Hérédité : on suppose P(n)P(n) vraie pour un entier n⩾n0n \geqslant n_0 fixé (c'est l'hypothèse de récurrence) et on prouve P(n+1)P(n + 1).
  • Conclusion : par le principe de récurrence, P(n)P(n) est vraie pour tout n⩾n0n \geqslant n_0.

Proposition 3.7Somme des premiers entiers

Pour tout entier n⩾1n \geqslant 1, 1+2+⋯+n=n(n+1)2.1 + 2 + \cdots + n = \frac{n(n + 1)}{2}.

Démonstration

Pour n⩾1n \geqslant 1, notons P(n)P(n) la proposition « 1+2+⋯+n=n(n+1)21 + 2 + \cdots + n = \frac{n(n + 1)}{2} ». Raisonnons par récurrence sur n⩾1n \geqslant 1.

Initialisation : pour n=1n = 1, le membre de gauche vaut 11 et celui de droite vaut 1×22=1\frac{1 \times 2}{2} = 1. Donc P(1)P(1) est vraie.

Hérédité : soit n⩾1n \geqslant 1 un entier fixé tel que P(n)P(n) soit vraie. Alors 1+⋯+n+(n+1)=n(n+1)2+(n+1)=(n+1)(n+2)2,1 + \cdots + n + (n + 1) = \frac{n(n + 1)}{2} + (n + 1) = \frac{(n + 1)(n + 2)}{2}, ce qui est P(n+1)P(n + 1).

Conclusion : par récurrence, P(n)P(n) est vraie pour tout entier n⩾1n \geqslant 1.

Propriété 3.8Récurrence double

Soient n0∈Nn_0 \in \N et P(n)P(n) un prédicat défini pour n⩾n0n \geqslant n_0. Si P(n0)P(n_0) et P(n0+1)P(n_0 + 1) sont vraies, et si pour tout n⩾n0n \geqslant n_0, « P(n)P(n) et P(n+1)P(n + 1) » entraîne P(n+2)P(n + 2), alors P(n)P(n) est vraie pour tout n⩾n0n \geqslant n_0.

Démonstration

Pour n⩾n0n \geqslant n_0, notons Q(n)Q(n) la proposition « P(n)P(n) et P(n+1)P(n + 1) ». On prouve Q(n)Q(n) pour tout n⩾n0n \geqslant n_0 par récurrence simple. Initialisation : Q(n0)Q(n_0) est « P(n0)P(n_0) et P(n0+1)P(n_0 + 1) », vraie par hypothèse. Hérédité : soit n⩾n0n \geqslant n_0 tel que Q(n)Q(n) soit vraie. Alors P(n+1)P(n + 1) est vraie, et P(n)P(n) et P(n+1)P(n + 1) entraînent P(n+2)P(n + 2), donc Q(n+1)Q(n + 1) est vraie. Par récurrence, Q(n)Q(n) est vraie pour tout n⩾n0n \geqslant n_0, donc en particulier P(n)P(n).

Exemple 3.9Suites récurrentes linéaires d'ordre deux

La récurrence double sert pour les suites définies par un+2=aun+1+bunu_{n+2} = a u_{n+1} + b u_n. Par exemple, si u0=0u_0 = 0, u1=1u_1 = 1 et un+2=3un+1−2unu_{n+2} = 3u_{n+1} - 2u_n, on montre par récurrence double que un=2n−1u_n = 2^n - 1 pour tout n∈Nn \in \N. Initialisation : 20−1=0=u02^0 - 1 = 0 = u_0 et 21−1=1=u12^1 - 1 = 1 = u_1. Hérédité : si un=2n−1u_n = 2^n - 1 et un+1=2n+1−1u_{n+1} = 2^{n+1} - 1, alors un+2=3(2n+1−1)−2(2n−1)=3⋅2n+1−2n+1−1=2n+2−1.u_{n+2} = 3(2^{n+1} - 1) - 2(2^n - 1) = 3 \cdot 2^{n+1} - 2^{n+1} - 1 = 2^{n+2} - 1.

Propriété 3.10Récurrence forte

Soient n0∈Nn_0 \in \N et P(n)P(n) un prédicat défini pour n⩾n0n \geqslant n_0. Si P(n0)P(n_0) est vraie, et si pour tout n⩾n0n \geqslant n_0, la vérité de P(k)P(k) pour tout entier kk compris entre n0n_0 et nn entraîne P(n+1)P(n + 1), alors P(n)P(n) est vraie pour tout n⩾n0n \geqslant n_0.

Démonstration

Pour n⩾n0n \geqslant n_0, notons Q(n)Q(n) la proposition « pour tout entier kk tel que n0⩽k⩽nn_0 \leqslant k \leqslant n, P(k)P(k) est vraie ». On prouve Q(n)Q(n) par récurrence simple. Initialisation : Q(n0)Q(n_0) est P(n0)P(n_0), vraie. Hérédité : si Q(n)Q(n) est vraie, alors l'hypothèse donne P(n+1)P(n + 1), et Q(n)Q(n) avec P(n+1)P(n + 1) donne Q(n+1)Q(n + 1). Par récurrence, Q(n)Q(n) est vraie pour tout n⩾n0n \geqslant n_0, et Q(n)Q(n) contient P(n)P(n).

Proposition 3.11Existence d'un diviseur premier

Tout entier n⩾2n \geqslant 2 admet un diviseur premier.

Démonstration

Raisonnons par récurrence forte sur n⩾2n \geqslant 2, avec P(n)P(n) : « nn admet un diviseur premier ».

Initialisation : 22 est premier et se divise lui-même, donc P(2)P(2) est vraie.

Hérédité : soit n⩾2n \geqslant 2 tel que P(k)P(k) soit vraie pour tout entier kk compris entre 22 et nn. Si n+1n + 1 est premier, il est lui-même un diviseur premier de n+1n + 1. Sinon, n+1n + 1 s'écrit n+1=abn + 1 = ab avec aa et bb entiers et 2⩽a<n+12 \leqslant a < n + 1, soit 2⩽a⩽n2 \leqslant a \leqslant n. Par hypothèse de récurrence forte, aa admet un diviseur premier pp. Comme pp divise aa et aa divise n+1n + 1, pp divise n+1n + 1. Dans les deux cas, P(n+1)P(n + 1) est vraie.

Conclusion : par récurrence forte, tout entier n⩾2n \geqslant 2 admet un diviseur premier.

AttentionOublier l'initialisation

La propriété P(n)P(n) : « n=n+1n = n + 1 » est héréditaire, puisque n=n+1n = n + 1 entraîne n+1=n+2n + 1 = n + 2. Elle est pourtant fausse pour tout nn. Sans initialisation, l'hérédité ne prouve rien.

AttentionHypothèse ou conclusion

Écrire « supposons P(n)P(n) vraie pour tout nn » est une faute : c'est la conclusion, pas l'hypothèse. On écrit « soit n⩾n0n \geqslant n_0 un entier fixé tel que P(n)P(n) soit vraie ». Il faut aussi préciser à partir de quel rang n0n_0 la récurrence démarre.

4Rédiger une démonstration

Les règles suivantes valent pour toutes les copies.

  • Annoncer le mode de raisonnement : « par contraposée », « par récurrence sur nn », « raisonnons par l'absurde ».
  • Introduire chaque objet avant de l'utiliser : « soit xx un réel », « soit ε>0\varepsilon > 0 ».
  • Distinguer hypothèse et conclusion, en particulier dans une récurrence.
  • Ne jamais écrire une équivalence si une seule implication est justifiée.
  • Conclure explicitement : la dernière ligne doit être la proposition à démontrer.

AttentionExemple et contre-exemple

Un contre-exemple suffit à réfuter une propriété universelle. Un exemple ne suffit jamais à la prouver. Ainsi « pour tout entier nn, n2+n+41n^2 + n + 41 est premier » est vrai pour n=0,1,…,39n = 0, 1, \ldots, 39, mais faux pour n=40n = 40 puisque 402+40+41=41240^2 + 40 + 41 = 41^2.

Méthodes

MéthodeNier une phrase quantifiée

  1. Écrire la phrase entièrement en symboles, quantificateurs en tête.
  2. Changer chaque ∀\forall en ∃\exists et chaque ∃\exists en ∀\forall, dans le même ordre, sans toucher aux ensembles ni aux conditions comme ε>0\varepsilon > 0.
  3. Nier la proposition finale : « et » devient « ou » et inversement (De Morgan), P⇒QP \Rightarrow Q devient « PP et non Q\text{non } Q », ⩽\leqslant devient >>.
  4. Relire en français pour vérifier le sens.

MéthodeDémontrer une implication

  1. Essayer d'abord le raisonnement direct : supposer PP, en déduire QQ.
  2. Si la négation de QQ est plus maniable que PP, passer à la contraposée : supposer non Q\text{non } Q, en déduire non P\text{non } P. L'annoncer.
  3. Pour réfuter une implication, chercher un contre-exemple : un cas où PP est vraie et QQ fausse.

MéthodeDémontrer une équivalence

  1. Démontrer séparément les deux implications P⇒QP \Rightarrow Q et Q⇒PQ \Rightarrow P.
  2. N'enchaîner des ⇔\Leftrightarrow que si chaque étape est réversible. Se méfier d'une élévation au carré, d'une multiplication par une quantité qui peut s'annuler, d'une fonction non injective.

MéthodeDémontrer une proposition quantifiée

  1. Pour « ∀x∈E, P(x)\forall x \in E, \ P(x) » : écrire « soit x∈Ex \in E » et prouver P(x)P(x) sans rien supposer d'autre sur xx.
  2. Pour « ∃x∈E, P(x)\exists x \in E, \ P(x) » : exhiber un xx précis et vérifier P(x)P(x), ou invoquer un théorème d'existence.
  3. Pour « ∀x, ∃y\forall x, \ \exists y » : on a le droit de choisir yy en fonction de xx.

MéthodeProuver une proposition sans prise directe

  1. Si l'étude se découpe naturellement (parité, signe, position), faire une disjonction de cas en justifiant qu'ils sont exhaustifs.
  2. Sinon, raisonner par l'absurde : supposer le contraire, chercher une contradiction, puis conclure.

MéthodeTrouver tous les objets vérifiant une propriété

Raisonner par analyse-synthèse. En analyse, supposer qu'un objet convient et en déduire sa forme : on obtient une liste de candidats (condition nécessaire), et l'unicité si cette liste n'a qu'un élément. En synthèse, vérifier quels candidats conviennent : on obtient l'existence (condition suffisante). Conclure en donnant exactement l'ensemble des solutions.

MéthodeMontrer une propriété pour tous les entiers à partir d'un rang

  1. Définir clairement P(n)P(n) et le rang de départ n0n_0.
  2. Choisir le type de récurrence : simple si P(n+1)P(n + 1) ne dépend que de P(n)P(n), double si elle dépend de P(n)P(n) et P(n−1)P(n - 1), forte si elle dépend de rangs quelconques plus petits.
  3. Rédiger les trois étapes nommées : initialisation (deux rangs pour une récurrence double), hérédité avec un nn fixé, conclusion.

Exercices d'application

Exercice 1. Négation d'une continuité

Soient f:R→Rf : \R \to \R et a∈Ra \in \R. La continuité de ff en aa s'écrit ∀ε>0, ∃δ>0, ∀x∈R, ∣x−a∣⩽δ⇒∣f(x)−f(a)∣⩽ε.\forall \varepsilon > 0, \ \exists \delta > 0, \ \forall x \in \R, \ \abs{x - a} \leqslant \delta \Rightarrow \abs{f(x) - f(a)} \leqslant \varepsilon. Écrire la négation de cette proposition.

Voir le corrigé

On échange chaque quantificateur dans l'ordre, sans toucher aux conditions ε>0\varepsilon > 0 et δ>0\delta > 0, puis on nie l'implication finale. La négation de « A⇒BA \Rightarrow B » est « AA et non B\text{non } B ». On obtient : ∃ε>0, ∀δ>0, ∃x∈R, ∣x−a∣⩽δ  et  ∣f(x)−f(a)∣>ε.\exists \varepsilon > 0, \ \forall \delta > 0, \ \exists x \in \R, \ \abs{x - a} \leqslant \delta \ \text{ et } \ \abs{f(x) - f(a)} > \varepsilon. En français : il existe un ε>0\varepsilon > 0 tel que, aussi petit que soit δ>0\delta > 0, on trouve un réel xx à distance au plus δ\delta de aa dont l'image est à distance strictement plus grande que ε\varepsilon de f(a)f(a).

Exercice 2. Ordre des quantificateurs

Dire si chacune des deux propositions est vraie ou fausse, en justifiant.

  1. ∀n∈N, ∃m∈N, m⩾n2\forall n \in \N, \ \exists m \in \N, \ m \geqslant n^2.
  2. ∃m∈N, ∀n∈N, m⩾n2\exists m \in \N, \ \forall n \in \N, \ m \geqslant n^2.
Voir le corrigé
  1. Vraie. Soit n∈Nn \in \N. Posons m=n2m = n^2, qui est un entier naturel. Alors m⩾n2m \geqslant n^2. L'entier mm dépend de nn, ce qui est permis.
  2. Fausse. Montrons sa négation : ∀m∈N, ∃n∈N, m<n2\forall m \in \N, \ \exists n \in \N, \ m < n^2. Soit m∈Nm \in \N. Posons n=m+1n = m + 1. Alors n2=m2+2m+1⩾m+1>mn^2 = m^2 + 2m + 1 \geqslant m + 1 > m. La négation est vraie, donc la proposition est fausse. Les deux propositions ne diffèrent que par l'ordre des quantificateurs, et elles n'ont pas la même valeur de vérité.

Exercice 3. Contraposée

Soit nn un entier. Montrer par contraposée que si n2−1n^2 - 1 n'est pas divisible par 88, alors nn est pair.

Voir le corrigé

La contraposée est : si nn est impair, alors 88 divise n2−1n^2 - 1. Supposons nn impair, et écrivons n=2k+1n = 2k + 1 avec k∈Zk \in \Z. Alors n2−1=4k2+4k=4k(k+1).n^2 - 1 = 4k^2 + 4k = 4k(k + 1). D'après la proposition démontrée par disjonction de cas, k(k+1)k(k + 1) est pair : il existe j∈Zj \in \Z tel que k(k+1)=2jk(k + 1) = 2j. Donc n2−1=8jn^2 - 1 = 8j est divisible par 88. La contraposée est démontrée, donc l'implication aussi : si n2−1n^2 - 1 n'est pas divisible par 88, alors nn est pair.

Exercice 4. Analyse-synthèse

Déterminer toutes les fonctions f:R→Rf : \R \to \R telles que, pour tous réels xx et yy, f(x+y)=f(x)+yf(x + y) = f(x) + y.

Voir le corrigé

Analyse. Soit ff une solution. Pour tout réel yy, en prenant x=0x = 0, on obtient f(y)=f(0)+yf(y) = f(0) + y. En notant c=f(0)c = f(0), on a donc f(y)=y+cf(y) = y + c pour tout réel yy. Les seules solutions possibles sont les fonctions x↦x+cx \mapsto x + c, avec cc réel.

Synthèse. Soient c∈Rc \in \R et f:x↦x+cf : x \mapsto x + c. Pour tous réels xx et yy, f(x+y)=x+y+c=(x+c)+y=f(x)+y.f(x + y) = x + y + c = (x + c) + y = f(x) + y. Donc ff est solution.

Conclusion. Les solutions sont exactement les fonctions x↦x+cx \mapsto x + c, où cc décrit R\R.

Exercice 5. Récurrence simple

Montrer que pour tout entier n⩾4n \geqslant 4, 2n⩾n22^n \geqslant n^2.

Voir le corrigé

Pour n⩾4n \geqslant 4, notons P(n)P(n) la proposition « 2n⩾n22^n \geqslant n^2 ». Raisonnons par récurrence sur n⩾4n \geqslant 4.

Initialisation : 24=162^4 = 16 et 42=164^2 = 16, donc P(4)P(4) est vraie.

Hérédité : soit n⩾4n \geqslant 4 un entier fixé tel que P(n)P(n) soit vraie. Alors 2n+1=2×2n⩾2n22^{n+1} = 2 \times 2^n \geqslant 2n^2. Il suffit de montrer que 2n2⩾(n+1)22n^2 \geqslant (n + 1)^2, c'est-à-dire n2−2n−1⩾0n^2 - 2n - 1 \geqslant 0. Or n2−2n−1=(n−1)2−2⩾32−2=7>0n^2 - 2n - 1 = (n - 1)^2 - 2 \geqslant 3^2 - 2 = 7 > 0 puisque n−1⩾3n - 1 \geqslant 3. Donc 2n+1⩾(n+1)22^{n+1} \geqslant (n + 1)^2, et P(n+1)P(n + 1) est vraie.

Conclusion : par récurrence, 2n⩾n22^n \geqslant n^2 pour tout entier n⩾4n \geqslant 4. Le rang de départ compte : pour n=3n = 3, 23=8<9=322^3 = 8 < 9 = 3^2.

Méthodes et exercices

Les résultats à connaître

Ce chapitre contient peu de théorèmes et beaucoup de règles. Le programme demande de savoir les appliquer sans hésiter, et en particulier de savoir nier n'importe quelle proposition.

  • Règles de De Morgan : non (P et Q) équivaut à (non P ou non Q), non (P ou Q) équivaut à (non P et non Q). Exigible, se vérifie par table de vérité.
  • Lecture de l'implication : P ⇒ Q équivaut à (non P ou Q). Exigible, table de vérité.
  • Négation d'une implication : non (P ⇒ Q) équivaut à (P et non Q). Exigible, conséquence immédiate de la précédente.
  • Contraposée : P ⇒ Q et (non Q ⇒ non P) ont toujours la même valeur de vérité. Exigible, table de vérité.
  • Négation des quantificateurs : non (∀x ∈ E, P(x)) équivaut à ∃x ∈ E, non P(x), et non (∃x ∈ E, P(x)) équivaut à ∀x ∈ E, non P(x). Exigible, c'est la règle la plus utilisée de l'année.
  • Permutation des quantificateurs : deux ∀ ou deux ∃ consécutifs se permutent. Un ∀ et un ∃ ne se permutent pas. En revanche « ∃y, ∀x, P(x, y) » entraîne toujours « ∀x, ∃y, P(x, y) ». Exigible.
  • Principe de récurrence, simple, double et forte : exigible. Le programme le relie au fait que toute partie non vide de N admet un plus petit élément, propriété admise. Toute construction de N est hors programme.
  • Résultats d'exemple exigibles avec preuve : si n² est pair alors n est pair (contraposée), √2 est irrationnel (absurde), décomposition unique d'une fonction en somme d'une fonction paire et d'une fonction impaire (analyse-synthèse).

Clés de démonstration

Équivalence entre une implication et sa contraposée. On dresse la table de vérité à quatre lignes. P ⇒ Q est fausse dans le seul cas P vraie, Q fausse. La contraposée non Q ⇒ non P est fausse dans le seul cas non Q vraie, non P fausse, c'est-à-dire Q fausse, P vraie. Ce sont les mêmes lignes. Astuce : ne jamais chercher à « comprendre » ce cas, dresser la table.

Négation d'une phrase quantifiée. On lit la phrase de gauche à droite, on remplace chaque ∀ par ∃ et chaque ∃ par ∀ sans changer l'ordre, puis on nie la proposition finale. Astuce : ne toucher aux quantificateurs qu'à la fin, quand la proposition finale est niée proprement, sinon on oublie une négation.

Principe de récurrence à partir du plus petit élément. Soit A l'ensemble des entiers n ≥ n₀ pour lesquels P(n) est fausse. Si A est non vide, il a un plus petit élément m, qui vaut au moins n₀ + 1 grâce à l'initialisation. Alors P(m − 1) est vraie par minimalité, et l'hérédité donne P(m) vraie, contradiction. Astuce : c'est un raisonnement par l'absurde sur l'ensemble des contre-exemples, dit du plus petit contre-exemple.

n² pair implique n pair. On prouve la contraposée. Si n est impair, n = 2k + 1, alors n² = 2(2k² + 2k) + 1 est impair. Astuce : la négation de « pair » est « impair », ce qui s'écrit avec un entier k, alors que l'hypothèse « n² pair » ne dit rien d'exploitable sur n.

√2 irrationnel. On suppose √2 = p/q avec p et q entiers premiers entre eux. Alors p² = 2q² est pair, donc p est pair, p = 2m, donc q² = 2m² est pair, donc q est pair. Contradiction avec p et q premiers entre eux. Astuce : le choix d'une fraction irréductible dès le départ est ce qui fournit la contradiction.

Décomposition paire-impaire. Analyse : si f = g + h avec g paire et h impaire, on écrit f(x) et f(−x) et on résout le système de deux équations en g(x) et h(x). Synthèse : on vérifie que les deux fonctions trouvées ont la parité voulue et que leur somme vaut f. Astuce : évaluer la relation en x et en −x, c'est le geste de toute analyse-synthèse avec une symétrie.

Exemples et contre-exemples à connaître

  1. « Si 0 = 1 alors 2 = 3 » est une implication vraie. Une implication dont l'hypothèse est fausse est vraie, et cela n'a rien de paradoxal.
  2. « n multiple de 4 ⇒ n pair » est vraie, sa réciproque est fausse (n = 2). Une implication et sa réciproque sont indépendantes.
  3. « ∀x ∈ R, ∃y ∈ R, y > x » est vraie, « ∃y ∈ R, ∀x ∈ R, y > x » est fausse. L'ordre des quantificateurs est un sens.
  4. La propriété « n = n + 1 » est héréditaire et fausse pour tout n. Une récurrence sans initialisation ne prouve rien.
  5. x = 1 implique x² = 1, mais x² = 1 n'implique pas x = 1. Élever au carré ne conserve qu'une implication.
  6. « Pour tout n, n² − n + 41 est premier » est vraie pour n de 0 à 40 et fausse pour n = 41. Quarante et un exemples ne font pas une preuve.
  7. Le « ou » mathématique est inclusif : « x ≥ 0 ou x ≤ 0 » est vraie pour tout réel, y compris x = 0.
  8. La négation de « f est croissante » n'est pas « f est décroissante » mais « il existe x < y tels que f(x) > f(y) ».
  9. Une suite qui ne converge pas vers l n'a pas forcément une limite différente de l, elle peut n'avoir aucune limite. Nier une convergence ne donne pas une convergence.

Techniques du chapitre

Technique 1 : nier une phrase quantifiée. Mini-exercice : nier « f est bornée sur R », c'est-à-dire « ∃M ∈ R, ∀x ∈ R, |f(x)| ≤ M ». Réponse : ∀M ∈ R, ∃x ∈ R, |f(x)| > M. On a échangé les deux quantificateurs dans l'ordre, et remplacé ≤ par >.

Technique 2 : choisir la contraposée quand la conclusion se nie bien. Mini-exercice : soit x réel, montrer que si x² ≤ 1 alors x ≤ 1. Contraposée : si x > 1 alors x² > 1. Preuve : x > 1 > 0 donc x² > x > 1, par produit d'inégalités entre nombres positifs.

Technique 3 : démontrer une équivalence par deux implications. Mini-exercice : pour x réel, montrer que x² = x équivaut à x ∈ {0, 1}. Sens direct : x² − x = x(x − 1) = 0 donc x = 0 ou x = 1. Sens réciproque : 0² = 0 et 1² = 1. Les deux sens sont écrits, on peut conclure.

Technique 4 : disjonction de cas exhaustive. Mini-exercice : montrer que pour tout entier n, n(n + 1)(n + 2) est multiple de 3. Cas n = 3k : c'est n qui est multiple de 3. Cas n = 3k + 1 : n + 2 = 3(k + 1). Cas n = 3k + 2 : n + 1 = 3(k + 1). Les trois cas couvrent tous les entiers.

Technique 5 : analyse-synthèse pour une équation fonctionnelle. Mini-exercice : trouver les réels x tels que √(x + 2) = x. Analyse : si x convient, alors x ≥ 0 et x + 2 = x², donc x² − x − 2 = (x − 2)(x + 1) = 0, donc x = 2 (x = −1 est exclu par x ≥ 0). Synthèse : √4 = 2, donc x = 2 convient. Unique solution : 2.

Technique 6 : rédiger une récurrence avec la propriété nommée. Mini-exercice : montrer que pour tout n ≥ 4, 2n ≥ n². On pose P(n) : « 2n ≥ n² ». Initialisation : 16 ≥ 16. Hérédité : soit n ≥ 4 avec P(n). Alors 2n+1 = 2·2n ≥ 2n², et 2n² ≥ (n + 1)² équivaut à n² − 2n − 1 ≥ 0, vrai dès n ≥ 3. Donc P(n + 1). Conclusion : P(n) pour tout n ≥ 4.

Technique 7 : prouver une unicité en supposant deux objets. Mini-exercice : montrer qu'une fonction a au plus un point fixe si elle vérifie |f(x) − f(y)| < |x − y| pour tous x ≠ y. Si a et b sont deux points fixes distincts, |a − b| = |f(a) − f(b)| < |a − b|, absurde. Donc a = b.

Exercices classiques corrigés

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Exercice 1. Négations à écrire sans hésiter

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Écrire la négation des propositions suivantes. (a) La suite (un) est majorée. (b) La fonction f est croissante sur R. (c) La suite (un) converge vers l. (d) Pour tout ε > 0, il existe δ > 0 tel que pour tous x, y avec |x − y| ≤ δ, |f(x) − f(y)| ≤ ε.

Technique négation des quantificateurs dans l'ordre.

Voir le corrigé
  1. (a) s'écrit ∃M, ∀n, un ≤ M. Négation : ∀M, ∃n, un > M.
  2. (b) s'écrit ∀x, ∀y, (x ≤ y ⇒ f(x) ≤ f(y)). Négation : ∃x, ∃y, x ≤ y et f(x) > f(y). On a utilisé la négation d'une implication.
  3. (c) : ∃ε > 0, ∀N ∈ N, ∃n ≥ N, |un − l| > ε.
  4. (d) : ∃ε > 0, ∀δ > 0, ∃x, ∃y, |x − y| ≤ δ et |f(x) − f(y)| > ε.

piège : Dans (b), écrire « f(x) ≥ f(y) » au lieu de « f(x) > f(y) ». La négation de ≤ est >, stricte.

Exercice 2. Parité et divisibilité par contraposée

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Soit n un entier. Montrer que si n² est divisible par 3, alors n est divisible par 3.

Technique contraposée plus disjonction de cas.

Voir le corrigé
  1. Contraposée : si n n'est pas divisible par 3, alors n² ne l'est pas.
  2. Si n n'est pas multiple de 3, alors n = 3k + 1 ou n = 3k + 2 pour un entier k.
  3. Cas n = 3k + 1 : n² = 9k² + 6k + 1 = 3(3k² + 2k) + 1, non multiple de 3.
  4. Cas n = 3k + 2 : n² = 9k² + 12k + 4 = 3(3k² + 4k + 1) + 1, non multiple de 3.
  5. Dans les deux cas n² n'est pas multiple de 3, ce qui prouve la contraposée.

piège : Oublier un des deux cas, ou tenter une preuve directe à partir de « 3 divise n² » sans outil d'arithmétique.

Exercice 3. Irrationalité de √2 + √3

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Montrer que √6 est irrationnel, puis que √2 + √3 est irrationnel.

Technique raisonnement par l'absurde, deux fois.

Voir le corrigé
  1. Supposons √6 = p/q avec p, q entiers naturels non nuls et premiers entre eux. Alors p² = 6q².
  2. p² est pair, donc p est pair (exercice de cours), p = 2m. Alors 4m² = 6q², soit 2m² = 3q².
  3. 3q² est pair, donc q² est pair (car 3 est impair et un produit d'impairs est impair), donc q est pair. Contradiction avec p et q premiers entre eux.
  4. Supposons maintenant √2 + √3 = r rationnel. En élevant au carré, 5 + 2√6 = r², donc √6 = (r² − 5)/2 serait rationnel. Contradiction avec l'étape 3.

piège : À l'étape 4, l'élévation au carré est licite car on cherche seulement une conséquence, pas une équivalence. Il faut le dire.

Exercice 4. Équation fonctionnelle par analyse-synthèse

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Déterminer toutes les fonctions f de R dans R telles que, pour tout réel x, f(x) + 2 f(1 − x) = x².

Technique analyse-synthèse, évaluation en x et en 1 − x.

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  1. Analyse. Soit f une solution. En remplaçant x par 1 − x, on obtient pour tout x : f(1 − x) + 2 f(x) = (1 − x)².
  2. On a un système linéaire en les deux inconnues f(x) et f(1 − x). En multipliant la seconde relation par 2 et en soustrayant la première : 3 f(x) = 2(1 − x)² − x² = x² − 4x + 2.
  3. Donc f(x) = (x² − 4x + 2)/3 pour tout x. Il y a au plus une solution.
  4. Synthèse. Soit f définie par cette formule. Alors f(1 − x) = ((1 − x)² − 4(1 − x) + 2)/3 = (x² + 2x − 1)/3, et f(x) + 2 f(1 − x) = (x² − 4x + 2 + 2x² + 4x − 2)/3 = x². La fonction convient.
  5. Conclusion : unique solution, f(x) = (x² − 4x + 2)/3.

piège : S'arrêter après l'analyse. Sans la synthèse, on n'a prouvé qu'une condition nécessaire.

Exercice 5. Le sens des quantificateurs

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Soit f une fonction de [0, 1] dans R. On considère les deux propositions A : « ∀x ∈ [0, 1], ∃M ∈ R, |f(x)| ≤ M » et B : « ∃M ∈ R, ∀x ∈ [0, 1], |f(x)| ≤ M ». Montrer que A est toujours vraie, que B entraîne A, et donner une fonction sur ]0, 1] pour laquelle l'analogue de B est fausse.

Technique lecture de la dépendance entre variables.

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  1. A : soit x ∈ [0, 1]. Le nombre M = |f(x)| convient. Donc A est vraie, quelle que soit f. Le M dépend de x.
  2. B ⇒ A : si un M convient pour tous les x, alors pour chaque x ce même M convient. C'est le sens toujours valable, ∃∀ entraîne ∀∃.
  3. Sur ]0, 1], prenons f(x) = 1/x. Pour tout M, l'élément x = 1/(|M| + 1) de ]0, 1] vérifie f(x) = |M| + 1 > M. Donc « ∀M, ∃x, f(x) > M » est vraie, ce qui est la négation de B.

piège : Croire que A dit que f est bornée. A ne dit rien du tout, elle est toujours vraie.

Exercice 6. Une identité impossible modulo 4

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Montrer qu'il n'existe pas d'entiers relatifs a et b tels que a² − 4b = 2.

Technique absurde et disjonction de cas sur la parité.

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  1. Supposons que de tels entiers existent. Alors a² = 4b + 2 est pair, donc a est pair, a = 2c.
  2. Alors 4c² = 4b + 2, soit 2c² = 2b + 1. Le membre de gauche est pair, celui de droite est impair. Contradiction.

piège : Conclure « a² pair donc a pair » sans avoir démontré ou cité ce résultat. C'est la contraposée de l'exercice de cours.

Exercice 7. Récurrence double et nombre d'or

Classiques de khôlle et concours · Écrit CCINP

On pose u₀ = 1, u₁ = 1 et un+2 = un+1 + un pour tout n. On note a = (1 + √5)/2. Montrer que pour tout n, un ≤ an.

Technique récurrence double, en utilisant a² = a + 1.

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  1. Vérification préliminaire : a est racine de x² − x − 1 = 0, donc a² = a + 1. De plus a > 1.
  2. On pose P(n) : « un ≤ an ». Initialisation double : u₀ = 1 ≤ 1 = a⁰, et u₁ = 1 ≤ a puisque a > 1.
  3. Hérédité : soit n tel que P(n) et P(n + 1) soient vraies. Alors un+2 = un+1 + un ≤ an+1 + an = an (a + 1) = an · a² = an+2. Donc P(n + 2).
  4. Conclusion : par récurrence double, un ≤ an pour tout n.

piège : Faire une récurrence simple avec une seule hypothèse, alors que le passage au rang n + 2 utilise deux rangs. Et oublier la seconde initialisation.

Exercice 8. Renforcer l'hypothèse de récurrence

Classiques de khôlle et concours · Écrit CCINP

Montrer que pour tout n ≥ 1, la somme des 1/k² pour k de 1 à n est inférieure ou égale à 2 − 1/n. En déduire qu'elle est inférieure à 2. Expliquer pourquoi la récurrence directe sur « somme ≤ 2 » échoue.

Technique récurrence sur une propriété plus forte que celle visée.

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  1. P(n) : « Sn ≤ 2 − 1/n ». Initialisation : S₁ = 1 ≤ 1.
  2. Hérédité : soit n ≥ 1 avec P(n). Alors Sn+1 = Sn + 1/(n + 1)² ≤ 2 − 1/n + 1/(n + 1)².
  3. Il suffit de montrer que 1/(n + 1)² ≤ 1/n − 1/(n + 1) = 1/(n(n + 1)). Cela équivaut à n ≤ n + 1, vrai. Donc Sn+1 ≤ 2 − 1/(n + 1).
  4. Conclusion : P(n) pour tout n ≥ 1, et comme 1/n > 0, Sn < 2.
  5. La récurrence sur « Sn ≤ 2 » échoue : de Sn ≤ 2 on tire Sn+1 ≤ 2 + 1/(n + 1)², ce qui ne redonne pas 2. L'hypothèse plus forte laisse une marge 1/n qui absorbe le nouveau terme.

piège : Écrire la chaîne d'inégalités dans le mauvais sens à l'étape 3, en partant de ce qu'on veut prouver sans utiliser d'équivalences.

Exercice 9. Une existence sans exemple

Approfondissement · Type oral Centrale

Montrer qu'il existe deux réels irrationnels a et b tels que ab soit rationnel. On admet que √2 est irrationnel et on utilise seulement les règles de calcul sur les puissances.

Technique disjonction de cas non constructive.

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  1. On pose c = √2 puissance √2. Ce réel est rationnel ou irrationnel, et on ne cherche pas à savoir lequel.
  2. Cas 1 : c est rationnel. Alors a = b = √2 conviennent.
  3. Cas 2 : c est irrationnel. On pose a = c et b = √2. Alors ab = √2 puissance (√2 × √2) = √2 puissance 2 = 2, rationnel. Les deux réels a et b sont irrationnels.
  4. Dans chaque cas on a trouvé un couple convenable. L'existence est démontrée.

piège : Se croire obligé de décider quel cas est le bon. La disjonction de cas prouve une existence sans exhiber l'objet, c'est légitime.

Erreurs fréquentes

  1. Enchaîner des ⇔ quand une étape n'est qu'un ⇒ (carré, multiplication par une expression pouvant s'annuler). Le correcteur enlève les points de toute la chaîne.
  2. Nier « ∀x, P(x) » en « ∀x, non P(x) ». La négation d'un « pour tout » est un « il existe ».
  3. Écrire « supposons P(n) vraie pour tout n » dans l'hérédité. On suppose P(n) pour un n fixé, sinon on suppose la conclusion.
  4. Confondre contraposée et réciproque. La contraposée est équivalente à l'implication, la réciproque ne l'est pas.
  5. Utiliser une variable non introduite. Toute lettre doit être précédée d'un « soit », d'un « il existe » ou d'un « pour tout ». Une variable muette ne sort jamais de sa formule.