Mathématiques · Notion de logique

notion de logique

La logique mathématique étudie les règles du raisonnement et la validité des propositions. Une proposition est une phrase à laquelle on peut attribuer une valeur de vérité : vraie ou fausse. Les connecteurs logiques sont : la négation (non), la conjonction (et), la disjonction (ou) et l'implication (si… alors). Les tables de vérité permettent de déterminer la valeur de vérité des propositions composées et de vérifier les raisonnements mathématiques.

Niveau
1ère Bac
Session
Semestre 1
Cours الدرس

Notions de logique

I. Proposition – fonction propositionnelle

1. Proposition

1) Cocher la case convenable :

Énoncé Vrai Faux
Tout nombre pair est divisible par 4
La somme de deux nombres pairs est un nombre pair
La fonction \(f \colon x \mapsto x^2\) est une fonction paire
Le nombre 214 est un multiple de 3

2) Y a-t-il des énoncés sont vrais et faux au même temps ?

\(\Rightarrow\) Définition

On appelle une proposition un énoncé mathématique (texte mathématique) qui a un sens pouvant être vrai ou faux (mais pas les deux en même temps), et se note souvent par les lettres \(P\), \(Q\) ou \(R\),\dots

Remarque

  • L'adjectif « vrai » ou « faux » qui accompagne la proposition s'appelle « valeur de vérité ».
  • Si \(P\) est une proposition vraie, on dit alors que la valeur de vérité de \(P\) est « Vrai » et se note « V » (ou 1). Si \(P\) est une proposition fausse, on dit alors que la valeur de vérité de \(P\) est « faux » et se note « F » (ou 0).

Table de vérité :

\(P\) ou \(P\)
V1
F0

Exemples :

  • \(P : \text{« } 3 \times 2 = 6 \text{ »}\) \(\rightarrow\) V
  • \(Q : \text{« } -1 \text{ est une solution de l'équation } x^2 - 2x + 3 = 0 \text{ »}\) \(\rightarrow\) F

2. Fonction propositionnelle

Activité

On considère l'expression suivante : \(«\ x \in \mathbb{R} \;/\; x^2 - x \ge 0\ »\)

  1. L'expression précédente s'agit-il d'une proposition ?
  2. Donner la valeur de vérité de l'expression précédente si \(x = 2\) et si \(x = \frac{1}{2}\).

Définition

On appelle fonction propositionnelle une expression contenant une ou plusieurs variables qui appartiennent à des ensembles déterminés.
Si on remplace les variables par un élément de ces ensembles, la fonction propositionnelle devient une proposition.

Exemple :

  • \(P(x) : «\ x \in \mathbb{Z} \;;\; x + 2 > 0\ »\) est une fonction propositionnelle.
    \(P(-1)\) est vraie et \(P(-5)\) est fausse.
  • \(Q(x, y) : «\ (x, y) \in \mathbb{R}^2 \;;\; x^2 + y^2 = 4\ »\) est une fonction propositionnelle.
    \(Q(0, 2)\) est vraie et \(Q(-1, 1)\) est fausse.

II. Opérations sur les propositions

1. Négation d'une proposition

Étant donné une proposition \(P\). La négation de la proposition \(P\) est la proposition qui a une valeur de vérité « faux » si la proposition \(P\) est vraie, et une valeur de vérité « vrai » si la proposition \(P\) est fausse, et se note \(\overline{P}\) ou « non \(P\) ».

\(P\) \(\overline{P}\)
VF
FV

Remarque : Négation des symboles usuels

Symbole Négation
\(=\)\(\ne\)
\(<\)\(\ge\)
\(>\)\(\le\)
\(\le\)\(>\)
\(\ge\)\(<\)
\(\in\)\(\notin\)

Application

Donner la négation des propositions suivantes, en précisant la valeur de vérité :

  • \(P : «\ \sqrt{17} \le \sqrt{8} + \sqrt{9}\ »\)
  • \(Q : «\ \pi \in \mathbb{Q}\ »\)
  • \(R : «\ \frac{4}{5} \ne \frac{16}{25}\ »\)

2. Conjonction de deux propositions

La conjonction de deux propositions \(P\) et \(Q\) est la proposition qui est vraie uniquement si les deux propositions \(P\) et \(Q\) sont vraies en même temps et se note \((P \text{ et } Q)\) ou \((P \wedge Q)\).

\(P\) \(Q\) \(P \wedge Q\) / \(P \text{ et } Q\)
VVV
VFF
FVF
FFF

Application

Donner la valeur de vérité des propositions suivantes :

  • \(P : «\ 3 \in \mathbb{Z} \text{ et } 3 \times 5 = 14\ »\)
  • \(Q : «\ 5 \text{ divise } 35 \text{ et } 5 \text{ est un nombre premier}\ »\)
  • \(R : «\ \text{Le nombre } x = 7 \text{ et } 4x - 28 = 0\ »\)
  • \(S : «\ 12 \text{ est un nombre impair et } 12 > 0\ »\)

3. Disjonction de deux propositions

La disjonction de deux propositions \(P\) et \(Q\) est la proposition qui a une valeur de vérité « vrai » si au moins l'une des deux propositions est vraie. On la note \((P \text{ ou } Q)\) ou \(P \vee Q\).

\(P\) \(Q\) \(P \vee Q\) / \(P \text{ ou } Q\)
VVV
VFV
FVV
FFF

Application

Donner la valeur de vérité des propositions suivantes :

  • \(P : «\ \sqrt{2} \in \mathbb{N} \text{ ou } 0 \ne 5\ »\)
  • \(Q : «\ 12 \le 7 \text{ ou } 5 \text{ est un nombre pair}\ »\)
  • \(R : «\ 3 + 3 = 5 \text{ ou } 7^2 > 36\ »\)

4. Implication de deux propositions

L'implication de deux propositions \(P\) et \(Q\) est la proposition qui a une valeur de vérité « faux » uniquement si la proposition \(P\) est vraie et la proposition \(Q\) est fausse, et on la note \(P \Rightarrow Q\).
\(P \Rightarrow Q\) se lit « \(P\) implique \(Q\) » ou bien « si \(P\) alors \(Q\) ».

\(P\) \(Q\) \(P \Rightarrow Q\)
VVV
VFF
FVV
FFV

Application

Donner la valeur de vérité des propositions suivantes :

  • \(P : «\ 2<5 \Rightarrow -1^2 = 1\ »\)
  • \(Q : «\ 2^2 = -4 \Rightarrow \sqrt{25} = 5\ »\)
  • \(S : «\ 0 > 3 \Rightarrow 3 \text{ est un nombre pair}\ »\)
  • \(T : «\ 6 = 2 \times 3 \Rightarrow 37 \text{ est un nombre premier}\ »\)

Remarque

L'implication \(Q \Rightarrow P\) s'appelle l'implication réciproque de \(P \Rightarrow Q\).
« \(P \Rightarrow Q\) » et « \(Q \Rightarrow P\) » n'ont pas nécessairement la même valeur de vérité.

Exemples :

  • \(P : «\ 4 \text{ est un nombre pair}\ »\) ; \(Q : «\ -3 > 0\ »\).
    La proposition « \(P \Rightarrow Q\) » est fausse mais « \(Q \Rightarrow P\) » est vraie.
  • \(P : «\ 3 = 1.5\ »\) ; \(Q : «\ 36 \text{ divise } 8\ »\).
    La proposition « \(P \Rightarrow Q\) » est vraie et « \(Q \Rightarrow P\) » est également vraie.

5. Équivalence de deux propositions

L'équivalence de deux propositions \(P\) et \(Q\) est la proposition qui a une valeur de vérité « vrai » si \(P\) et \(Q\) ont la même valeur de vérité. On la note \(P \Leftrightarrow Q\).
\(P \Leftrightarrow Q\) se lit « \(P\) est équivalente à la proposition \(Q\) ».

\(P\) \(Q\) \(P \Leftrightarrow Q\)
VVV
VFF
FVF
FFV

Application

Donner la valeur de vérité des propositions suivantes :

  • \(P : «\ ABC \text{ est un triangle rectangle en } A \Leftrightarrow AB^2 + AC^2 = BC^2\ »\)
  • \(Q : «\ x^2 + 1 > 0 \Leftrightarrow -4 \in \mathbb{N}\ »\)
  • \(R : «\ 4 \times 3 = 20 \Leftrightarrow 5 \text{ est un nombre pair}\ »\)
  • \(S : «\ 1.25 \in \mathbb{Z} \Leftrightarrow 25 \text{ est un multiple de } 5\ »\)

6. Lois de Morgan

Soient \(P\), \(Q\) et \(R\) trois propositions, on a :

  1. \(P \Leftrightarrow \overline{\overline{P}}\)
  2. \((P \text{ et } Q) \Leftrightarrow (Q \text{ et } P)\)
  3. \((P \text{ ou } Q) \Leftrightarrow (Q \text{ ou } P)\)
  4. \(\overline{(P \text{ et } Q)} \Leftrightarrow (\overline{P}) \text{ ou } (\overline{Q})\)
  5. \(\overline{(P \text{ ou } Q)} \Leftrightarrow (\overline{P}) \text{ et } (\overline{Q})\)
  6. \((P \text{ et } (Q \text{ ou } R)) \Leftrightarrow (P \text{ et } Q) \text{ ou } (P \text{ et } R)\)
  7. \((P \Rightarrow Q) \Leftrightarrow (\overline{Q} \Rightarrow \overline{P})\)

III. Quantificateurs

Activité

Déterminer la valeur de vérité des propositions suivantes :

  • \(P : «\ \text{Il existe au moins un nombre réel } x \text{ tel que } |3x - 2| = 4\ »\)
  • \(Q : «\ \text{Pour tout } x \in \mathbb{R} \text{ on a } x^2 + 1 \ge 0\ »\)
  • \(S : «\ \text{Pour tout } x \in \mathbb{R} \text{ on a } x^2 > 0\ »\)

1) Définition

Soit \(«\ (x \in E) \; P(x)\ »\) une fonction propositionnelle telle que \(E\) est un ensemble bien défini.

  • La proposition \(«\ (\forall x \in E) \; P(x)\ »\) est une proposition vraie lorsque les propositions \(P(x)\) sont vraies pour tout \(x\) dans \(E\).
    On dit dans ce cas « pour tout \(x\) ou quel que soit \(x\) appartenant à \(E\), \(P(x)\) est vraie ».
    Le symbole \(\forall\) s'appelle le quantificateur universel.
  • La proposition \(«\ (\exists x \in E) \; P(x)\ »\) est une proposition vraie lorsque l'on trouve au moins un \(x\) dans \(E\) pour lequel \(P(x)\) est vraie.
    On dit dans ce cas « il existe un \(x\) appartenant à \(E\) tel que \(P(x)\) soit vraie ».
    Le symbole \(\exists\) s'appelle le quantificateur existentiel.
  • En particulier : S'il existe un seul élément \(x\) dans \(E\) vérifiant \(P(x)\), alors dans ce cas on écrit \(«\ (\exists! x \in E) \; P(x)\ »\).
    Le symbole \(\exists!\) s'appelle quantificateur d'existence et d'unicité.

Exemple : On considère la fonction propositionnelle : \(«\ (x \in \mathbb{Z}) \; x^2 - 1 = 0\ »\)

  • \(«\ (\forall x \in \mathbb{Z}) \; x^2 - 1 = 0\ »\) \(\rightarrow\) F
  • \(«\ (\exists x \in \mathbb{Z}) \; x^2 - 1 = 0\ »\) \(\rightarrow\) V
  • \(«\ (\exists! x \in \mathbb{Z}) \; x^2 - 1 = 0\ »\) \(\rightarrow\) F (car \(x=1\) et \(x=-1\))

Question :

1) Donner la valeur de vérité des propositions suivantes :

  • \(P : «\ (\forall y \in \mathbb{R})(\exists x \in \mathbb{R}) \;;\; y = 2x - 1\ »\)
  • \(Q : «\ (\exists x \in \mathbb{R})(\forall y \in \mathbb{R}) \;;\; y = 2x - 1\ »\)
  • \(S : «\ (\forall x \in \mathbb{R})(\forall y \in \mathbb{R}) \;;\; y = 2x - 1\ »\)

2) Que remarquez-vous ?


Remarque :

  • L'ordre des quantificateurs de même nature n'a aucune importance pour déterminer le sens du terme quantifié.
  • L'ordre des quantificateurs de nature différente est important pour déterminer le sens du terme quantifié.

2) Négation d'une proposition quantifiée

Propriété

Soit \(«\ (x \in E) \;;\; P(x)\ »\) une fonction propositionnelle :

  • La négation de \(«\ (\exists x \in E) \;;\; P(x)\ »\) est \(«\ (\forall x \in E) \;;\; \overline{P(x)}\ »\).
  • La négation de \(«\ (\forall x \in E) \;;\; P(x)\ »\) est \(«\ (\exists x \in E) \;;\; \overline{P(x)}\ »\).

Exemples :

  • La négation de \(P : «\ (\forall x \in \mathbb{R}) \;;\; x^2 \ge 0\ »\) est \(\overline{P} : «\ (\exists x \in \mathbb{R}) \;;\; x^2
  • La négation de \(P : «\ (\exists x \in \mathbb{R}) \;;\; x^2 - 2 = 0\ »\) est \(\overline{P} : «\ (\forall x \in \mathbb{R}) \;;\; x^2 - 2 \ne 0\ »\).

Application

Montrer que les propositions suivantes sont vraies puis déterminer leurs négations :

  • \(P_1 : (\exists x \in \mathbb{R}) : 3x + 6 = 0\)
  • \(P_2 : (\exists x \in \mathbb{R}) : x^2 - 3x + 2 = 0\)
  • \(P_3 : (\forall x \in [1; 6]) : x^2 - 7x + 6 \le 0\)
  • \(P_4 : (\forall x \in \mathbb{R}) : x^2 - 2x + 3 > 0\)

IV. Raisonnements mathématiques

1. Raisonnement déductif

Principe de raisonnement : Si \(P\) et \((P \Rightarrow Q)\) sont vraies alors \(Q\) est vraie.

Application 1

  1. Montrer que : \(\forall x \in \mathbb{R}_+^* : x + 1 \ge 2\sqrt{x}\).
  2. Montrer que : \(\forall x \in \mathbb{R}_+^* : x + \frac{1}{x} \ge 2\).

Solution :

1) Soit \(x \in \mathbb{R}_+^*\) :
On a \((\sqrt{x} - 1)^2 \ge 0 \Rightarrow \sqrt{x}^2 - 2\sqrt{x} + 1^2 \ge 0 \Rightarrow x - 2\sqrt{x} + 1 \ge 0 \Rightarrow x + 1 \ge 2\sqrt{x}\).

2) Soit \(x \in \mathbb{R}_+^*\) :
On a \((\sqrt{x} - \frac{1}{\sqrt{x}})^2 \ge 0 \Rightarrow \sqrt{x}^2 - 2\sqrt{x}\times\frac{1}{\sqrt{x}} + (\frac{1}{\sqrt{x}})^2 \ge 0 \Rightarrow x - 2 + \frac{1}{x} \ge 0 \Rightarrow x + \frac{1}{x} \ge 2\).

2. Raisonnement par la contraposition

Définition

Étant donné deux propositions \(P\) et \(Q\). Pour montrer que la proposition \(P \Rightarrow Q\) est vraie, il suffit de montrer que \(\overline{Q} \Rightarrow \overline{P}\) est vraie.
Ce raisonnement est basé sur la loi logique suivante : \((P \Rightarrow Q) \Leftrightarrow (\overline{Q} \Rightarrow \overline{P})\).

Exemple : Montrer que \(\forall (x, y) \in \mathbb{R}^+ \times \mathbb{R}^+\) ; \(x \ne y \Rightarrow 3\sqrt{x} + 1 \ne 3\sqrt{y} + 1\).

Démonstration : Par contraposée, montrons que \(3\sqrt{x} + 1 = 3\sqrt{y} + 1 \Rightarrow x = y\).
On a \(3\sqrt{x} + 1 = 3\sqrt{y} + 1 \Rightarrow 3\sqrt{x} = 3\sqrt{y} \Rightarrow \sqrt{x} = \sqrt{y} \Rightarrow x = y\).
Donc d'après le raisonnement par contraposée : \(x \ne y \Rightarrow 3\sqrt{x} + 1 \ne 3\sqrt{y} + 1\).

Application 2

  1. Soit \(y \in \mathbb{R}\) ; montrer que : \((y \ne 2 \text{ et } y \ne -2) \Rightarrow (2y^2 - 8 \ne 0)\).
  2. Soit \(x \in \mathbb{R}^+\) ; montrer que : \((x \ne 0) \Rightarrow (\sqrt{x + 1} \ne 1 + \frac{x}{2})\).
  3. Soit \(n \in \mathbb{N}\) ; montrer que si (\(n^2\) est pair) alors (\(n\) est pair).
  4. Soient \(x, y \in ]2; +\infty[\), montrer que \((x \ne y) \Rightarrow (x^2 - 4x \ne y^2 - 4y)\).

Solution :

1) Par contraposée montrons que : \((2y^2 - 8 = 0) \Rightarrow (y = 2 \text{ ou } y = -2)\).
\(2y^2 - 8 = 0 \Rightarrow 2y^2 = 8 \Rightarrow y^2 = 4 \Rightarrow y = 2 \text{ ou } y = -2\). D'où le résultat.

2) Par contraposée montrons que : \((\sqrt{x+1} = 1 + \frac{x}{2}) \Rightarrow (x = 0)\).
\(\sqrt{x+1} = \frac{2+x}{2} \Rightarrow 2\sqrt{x+1} = 2+x \Rightarrow 4(x+1) = (2+x)^2 \Rightarrow 4x+4 = 4+4x+x^2 \Rightarrow x^2 = 0 \Rightarrow x = 0\).

3) Par contraposée montrons que : si \(n\) est impair alors \(n^2\) est impair.
\(n\) est impair \(\Rightarrow n = 2k+1\) (\(k \in \mathbb{N}\)).
Donc \(n^2 = (2k+1)^2 = 4k^2 + 4k + 1 = 2(2k^2 + 2k) + 1\), ce qui est un nombre impair.

4) Par contraposée montrons : \((x^2 - 4x = y^2 - 4y) \Rightarrow x = y\).
\(x^2 - 4x + 4 = y^2 - 4y + 4 \Rightarrow (x-2)^2 = (y-2)^2 \Rightarrow (x-2)^2 - (y-2)^2 = 0\)
\(\Rightarrow (x+y-4)(x-y) = 0\).
Comme \(x > 2\) et \(y > 2\), on a \(x+y > 4\) d'où \(x+y-4 \ne 0\). Ainsi \(x - y = 0 \Rightarrow x = y\).

3. Raisonnement par équivalences successives

Propriété

Basé sur la règle logique : « Si \(P \Leftrightarrow Q\) et \(Q \Leftrightarrow R\) alors \(P \Leftrightarrow R\) ».

Exemple : Soit \(x \in \mathbb{R}_+^*\) ; montrer que \(x + \frac{1}{x} \ge 2\).
\(x + \frac{1}{x} \ge 2 \Leftrightarrow \frac{x^2+1}{x} \ge 2 \Leftrightarrow x^2+1 \ge 2x \Leftrightarrow x^2 - 2x + 1 \ge 0 \Leftrightarrow (x-1)^2 \ge 0\) (qui est toujours vraie).

Application 3

  1. Soit \(x \in \mathbb{R}\), montrer que \(\frac{x^2 + x + 1}{x^2 + 1} \le \frac{3}{2}\).
  2. Soient \(x\) et \(y\) deux réels positifs. Montrer que : \(\sqrt{x+y} = \sqrt{x} + \sqrt{y} \Leftrightarrow (x = 0 \text{ ou } y = 0)\).
  3. Soient \(a\) et \(b\) deux réels positifs. Montrer que : \((a+b = 0) \Leftrightarrow (a = 0 \text{ et } b = 0)\).
  4. Soient \(x\) et \(y\) deux réels positifs. Montrer que : \((x + y + 13 = 4\sqrt{x} + 6\sqrt{y}) \Leftrightarrow (x = 4 \text{ et } y = 9)\).

Solution :

1) Comme \(x^2 + 1 > 0\) :
\(\frac{x^2+x+1}{x^2+1} \le \frac{3}{2} \Leftrightarrow 2(x^2+x+1) \le 3(x^2+1) \Leftrightarrow 2x^2+2x+2 - 3x^2 - 3 \le 0 \Leftrightarrow -x^2+2x-1 \le 0 \Leftrightarrow -(x-1)^2 \le 0\) (qui est vraie).

2) \(\sqrt{x+y} = \sqrt{x} + \sqrt{y} \Leftrightarrow (\sqrt{x+y})^2 = (\sqrt{x} + \sqrt{y})^2 \Leftrightarrow x+y = x + 2\sqrt{x}\sqrt{y} + y \Leftrightarrow 2\sqrt{xy} = 0 \Leftrightarrow \sqrt{xy} = 0 \Leftrightarrow x=0 \text{ ou } y=0\).

3) Si \(a=0\) et \(b=0\) alors \(a+b=0\). Réciproquement, si \(a+b=0\) avec \(b \ge 0\), alors \(a = -b \le 0\). Or \(a \ge 0\), donc \(a = 0\) et par suite \(b = 0\).

4. Raisonnement par disjonction des cas

Propriété

Pour montrer qu'une proposition \(Q\) est vraie, on peut prouver que \((P \Rightarrow Q)\) et \((\overline{P} \Rightarrow Q)\) sont toutes les deux vraies.

Exemple : Résoudre dans \(\mathbb{R}\) l'équation : \((E) : 2|x - 1| + x = 0\)

  • 1er cas : Si \(x - 1 \ge 0\) (c.-à-d. \(x \ge 1\)), alors \(|x-1| = x-1\).
    \((E) \Rightarrow 2(x-1) + x = 0 \Rightarrow 3x - 2 = 0 \Rightarrow x = \frac{2}{3}\). Or \(\frac{2}{3}
  • 2ème cas : Si \(x - 1 \le 0\) (c.-à-d. \(x \le 1\)), alors \(|x-1| = -x+1\).
    \((E) \Rightarrow 2(-x+1) + x = 0 \Rightarrow -x + 2 = 0 \Rightarrow x = 2\). Or \(2 > 1\), donc pas de solution non plus.

D'où l'ensemble des solutions : \(S = \emptyset\).

Application 4

  1. Soit \(n \in \mathbb{N}\) ; Montrer que pour tout \(n \in \mathbb{N}\), l'entier \(n^2 + n + 1\) est impair.
  2. Montrer que : \((\forall x \in \mathbb{R}) \;;\; \sqrt{x^2 + 1} - x > 0\).
  3. Résoudre dans \(\mathbb{R}\) l'équation : \(x^2 - |x-1| - 1 = 0\).

Solution (extraits) :

1) Étudions la parité de \(n\) :

  • Si \(n\) est pair (\(n = 2k\)) : \(n^2+n+1 = 4k^2+2k+1 = 2(2k^2+k)+1\) (impair).
  • Si \(n\) est impair (\(n = 2k+1\)) : \(n^2+n+1 = (2k+1)^2+2k+1+1 = 4k^2+6k+3 = 2(2k^2+3k+1)+1\) (impair).
Conclusion : Pour tout \(n \in \mathbb{N}\), \(n^2+n+1\) est impair.

2)

  • Si \(x \le 0\) : \(-x \ge 0\) et \(\sqrt{x^2+1} > 0\), donc la somme \(\sqrt{x^2+1} - x > 0\).
  • Si \(x > 0\) : \(x^2+1 > x^2 \Rightarrow \sqrt{x^2+1} > \sqrt{x^2} \Rightarrow \sqrt{x^2+1} > x \Rightarrow \sqrt{x^2+1}-x > 0\).

5. Raisonnement par contre-exemple

Propriété

Pour montrer que la proposition \((\forall x \in E) \; P(x)\) est fausse, il suffit de montrer que sa négation \((\exists x \in E) \; \overline{P(x)}\) est vraie (c'est-à-dire trouver un élément qui ne vérifie pas la relation).

Exemple : Montrer que \(«\ (\forall x \in \mathbb{R}) \;;\; x^2 > 0\ »\) est fausse.
Pour \(x = 0\), on a \(0^2 = 0\) et non \(> 0\). Donc la proposition est fausse.

Application 5

Montrer que les propositions suivantes sont fausses :

  1. \((\forall x \in \mathbb{N})\) : le nombre \(x^2\) est un nombre impair.
  2. \((\forall n \in \mathbb{N})\) : le nombre \(n^2 + n + 1\) est un nombre premier.

6. Raisonnement par l'absurde

Règle

Pour montrer qu'une proposition \(P\) est vraie, on suppose que \(P\) est fausse (c'est-à-dire que \(\overline{P}\) est vraie) et on cherche une contradiction avec les données ou un résultat mathématique connu.

Exemple :• \( \text{Montrer } (\forall x \in \mathbb{R}) \;;\; x^2 \ne x - 1 \)

• \( \text{On suppose que } (\forall x \in \mathbb{R}) \;;\; x^2 \ne x - 1 \text{ alors } (\exists x \in \mathbb{R}) \;;\; x^2 = x - 1 \)  \( \text{On a } x^2 = x - 1 \Rightarrow x^2 - x + 1 = 0 \)  \( \text{On a } \Delta = (-1)^2 - 4 \times 1 \times 1 = -3 < 0 \) ,  \( \text{Donc l’équation n’a pas de solutions ; donc il y a une contradiction} \) ,  \( \text{Par conséquent } (\forall x \in \mathbb{R}) \;;\; x^2 \ne x - 1 \) .

7. Raisonnement par récurrence

Propriété

Soit \(P(n)\) une fonction propositionnelle et \(n_0 \in \mathbb{N}\). Pour montrer que \(«\ (\forall n \ge n_0) \; P(n)\ »\) est vraie :

  1. Initialisation : Vérifier que \(P(n_0)\) est vraie.
  2. Hérédité : Soit \(n \ge n_0\). On suppose que \(P(n)\) est vraie, et on montre que \(P(n+1)\) est vraie.
  3. Conclusion : D'après le principe de récurrence, \((\forall n \ge n_0) \; P(n)\) est vraie.

Exemple : Montrer que \((\forall n \in \mathbb{N}) \;;\; 3^n \ge 2n + 1\).

  • Pour \(n = 0\) : \(3^0 = 1 \ge 2(0) + 1 = 1\) (vrai).
  • Supposons que \(3^n \ge 2n + 1\) et montrons que \(3^{n+1} \ge 2(n+1) + 1 = 2n + 3\).
    On a \(3^n \ge 2n + 1 \Rightarrow 3 \times 3^n \ge 3(2n + 1) \Rightarrow 3^{n+1} \ge 6n + 3\).
    Comme \(6n + 3 \ge 2n + 3\), on en déduit que \(3^{n+1} \ge 2n + 3\).
  • Conclusion : \((\forall n \in \mathbb{N}) \;;\; 3^n \ge 2n + 1\).

Application 7

Montrer par récurrence que :

  1. \((\forall n \in \mathbb{N}^*) : «\ 7^n - 2^n \text{ est divisible par } 5\ »\)
  2. \((\forall n \in \mathbb{N}) : 2^n \ge n\)

Solution :

1) Montrons que \(7^n - 2^n\) est divisible par 5 pour tout \(n \in \mathbb{N}^*\) :

  • Pour \(n = 1\) : \(7^1 - 2^1 = 5\), divisible par 5. (Vrai)
  • Soit \(n \in \mathbb{N}^*\). Supposons que \(7^n - 2^n = 5k\) (\(k \in \mathbb{N}\)), d'où \(7^n = 5k + 2^n\).
    Montrons que \(7^{n+1} - 2^{n+1}\) est divisible par 5 :
    \(7^{n+1} - 2^{n+1} = 7 \times 7^n - 2 \times 2^n = 7(5k + 2^n) - 2 \times 2^n = 35k + 5 \times 2^n = 5(7k + 2^n)\).
    Donc \(7^{n+1} - 2^{n+1}\) est bien divisible par 5.
  • Conclusion : \((\forall n \in \mathbb{N}^*) : 7^n - 2^n\) est divisible par 5.

2) Montrons que \(2^n \ge n\) pour tout \(n \in \mathbb{N}\) :

  • Pour \(n = 0\) : \(2^0 = 1 \ge 0\). (Vrai)
  • Soit \(n \in \mathbb{N}\). Supposons que \(2^n \ge n\).
    Comme \(2^n \ge 1\) pour tout \(n \in \mathbb{N}\), on a :
    \(2^{n+1} = 2^n + 2^n \ge n + 1\).
  • Conclusion : \((\forall n \in \mathbb{N}) : 2^n \ge n\).
Exercices corrigés تمارين محلولة 12
Exercice 1

Exercice 1

Facile

Série n° 1 – Notions de logique · 1ère Bac Sc. Exp. (BIOF) · Prof : Yassine NACHIT

Exercice 1 · Quantificateurs

Montrer que les propositions suivantes sont vraies, puis déterminer leurs négations :

\(P_1 :\ (\exists x\in\mathbb{R}) : 3x+6=0\) ;
\(P_2 :\ (\exists x\in\mathbb{R}) : x^2-3x+2=0\) ;
\(P_3 :\ (\forall x\in[1\,;6]) : x^2-7x+6\le 0\) ;
\(P_4 :\ (\forall x\in\mathbb{R}) : x^2-2x+3>0\).

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Série n° 1 – Notions de logique · 1ère Bac Sc. Exp. (BIOF) · Prof : Yassine NACHIT

Correction de l’exercice 1 · Quantificateurs

Rappel : quantificateurs et négation

  • « Pour tout » (ou « quel que soit ») se note \(\forall\). La proposition \((\forall x\in E) : p(x)\) est vraie lorsque \(p(x)\) est vraie pour tout \(x\in E\).
  • « Il existe au moins un » se note \(\exists\). La proposition \((\exists x\in E) : p(x)\) est vraie lorsqu’il existe au moins un \(x\in E\) tel que \(p(x)\) soit vraie.
  • « Il existe un unique » se note \(\exists!\). La proposition \((\exists! x\in E) : p(x)\) est vraie lorsqu’il existe un seul \(x\in E\) tel que \(p(x)\) soit vraie.
  • Négations : \(\overline{(\forall x\in E) : p(x)}\) est \((\exists x\in E) : \overline{p(x)}\) ; \(\overline{(\exists x\in E) : p(x)}\) est \((\forall x\in E) : \overline{p(x)}\).

Rappel : signe du trinôme \(ax^2+bx+c\) \((a\ne 0)\)

On pose \(\Delta=b^2-4ac\).

• Si \(\Delta>0\), le trinôme admet deux racines distinctes \(\dfrac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}\) et \(\dfrac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}\), que l’on note \(x_1<x_2\) :

\(x\)\(-\infty\)\(x_1\)\(x_2\)\(+\infty\)
\(f(x)\)signe de \(a\)\(0\)signe de \(-a\)\(0\)signe de \(a\)

• Si \(\Delta=0\), le trinôme admet une racine double \(x_0=-\dfrac{b}{2a}\) :

\(x\)\(-\infty\)\(x_0\)\(+\infty\)
\(f(x)\)signe de \(a\)\(0\)signe de \(a\)

• Si \(\Delta<0\), le trinôme n’a pas de racine réelle et \(f(x)\) a le signe de \(a\) pour tout \(x\in\mathbb{R}\).

1) \(P_1 :\ (\exists x\in\mathbb{R}) : 3x+6=0\).

On résout l’équation :

\[3x+6=0 \iff 3x=-6 \iff x=-2.\]

Le réel \(-2\) vérifie \(3\times(-2)+6=0\), donc \(P_1\) est vraie.
Négation : \(\overline{P_1} :\ (\forall x\in\mathbb{R}) : 3x+6\ne 0\).

2) \(P_2 :\ (\exists x\in\mathbb{R}) : x^2-3x+2=0\).

On a \(a=1\), \(b=-3\) et \(c=2\), donc

\[\Delta=(-3)^2-4\times1\times2=9-8=1>0.\]

L’équation admet donc deux solutions :

\[x_1=\frac{3-\sqrt{1}}{2}=1 \qquad\text{et}\qquad x_2=\frac{3+\sqrt{1}}{2}=2.\]

Par exemple \(x=1\) convient, donc \(P_2\) est vraie.
Négation : \(\overline{P_2} :\ (\forall x\in\mathbb{R}) : x^2-3x+2\ne 0\).

3) \(P_3 :\ (\forall x\in[1\,;6]) : x^2-7x+6\le 0\).

On a \(a=1\), \(b=-7\) et \(c=6\), donc

\[\Delta=(-7)^2-4\times1\times6=49-24=25>0.\]

Les racines du trinôme sont :

\[x_1=\frac{7-\sqrt{25}}{2}=1 \qquad\text{et}\qquad x_2=\frac{7+\sqrt{25}}{2}=6.\]

\(x\)\(-\infty\)\(1\)\(6\)\(+\infty\)
\(x^2-7x+6\)\(+\)\(0\)\(-\)\(0\)\(+\)

Donc pour tout \(x\in[1\,;6]\), on a \(x^2-7x+6\le 0\) : \(P_3\) est vraie.
Négation : \(\overline{P_3} :\ (\exists x\in[1\,;6]) : x^2-7x+6>0\).

4) \(P_4 :\ (\forall x\in\mathbb{R}) : x^2-2x+3>0\).

On a \(a=1\), \(b=-2\) et \(c=3\), donc

\[\Delta=(-2)^2-4\times1\times3=4-12=-8<0.\]

Le trinôme n’a pas de racine : il a le signe de \(a=1>0\) sur \(\mathbb{R}\). Donc \((\forall x\in\mathbb{R}) : x^2-2x+3>0\), et \(P_4\) est vraie.

Remarque : on peut aussi écrire \(x^2-2x+3=(x-1)^2+2>0\).

Négation : \(\overline{P_4} :\ (\exists x\in\mathbb{R}) : x^2-2x+3\le 0\).

Exercice 2

Contre-exemple

Moyen

Série n° 1 – Notions de logique · 1ère Bac Sc. Exp. (BIOF) · Prof : Yassine NACHIT


  1. Montrer que les propositions suivantes sont fausses :
    \(P_1 :\ (\forall x\in\mathbb{R}) : \sqrt{x^2}=x\) ;
    \(P_2 :\ (\forall x\in\mathbb{R}) : x^2\ge x\).
  2. Donner la négation de la proposition : \((R) :\ (\forall x\in\mathbb{R}) : \left[\,x^2=2x \Rightarrow x=0\,\right]\).
  3. En déduire que la proposition \((R)\) est fausse.
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Correction de l’exercice 2 · Contre-exemple

Rappel : contre-exemple

Pour montrer que la proposition \((\forall x\in E) : p(x)\) est fausse, il suffit de montrer que sa négation \((\exists x\in E) : \overline{p(x)}\) est vraie, c’est-à-dire de trouver un contre-exemple.

1) \(P_1 :\ (\forall x\in\mathbb{R}) : \sqrt{x^2}=x\).

Montrons que \(\overline{P_1} :\ (\exists x\in\mathbb{R}) : \sqrt{x^2}\ne x\) est vraie.
Pour \(x=-1\) : \(\sqrt{(-1)^2}=\sqrt{1}=1\) et \(1\ne -1\).
Donc \(\overline{P_1}\) est vraie, d’où \(P_1\) est fausse.

Remarque : pour tout \(x\in\mathbb{R}\), \(\sqrt{x^2}=|x|\).

\(P_2 :\ (\forall x\in\mathbb{R}) : x^2\ge x\).
Montrons que \(\overline{P_2} :\ (\exists x\in\mathbb{R}) : x^2<x\) est vraie.
Pour \(x=\dfrac12\) : \(\left(\dfrac12\right)^2=\dfrac14\) et \(\dfrac14<\dfrac12\).
Donc \(\overline{P_2}\) est vraie, d’où \(P_2\) est fausse.

Remarque : pour trouver un contre-exemple, on peut résoudre l’inéquation \(x^2<x\) ; on trouve \(S=\left]0\,;1\right[\).

2) La négation de \((P\Rightarrow Q)\) est \(\left(P \text{ et } \overline{Q}\right)\). Donc :

\[(\overline{R}) :\ (\exists x\in\mathbb{R}) : \left[\,x^2=2x \text{ et } x\ne 0\,\right].\]

3) Pour \(x=2\) : \(x^2=4=2x\) et \(x\ne 0\).

Donc \(\overline{R}\) est vraie, d’où \((R)\) est fausse.

Remarque : pour trouver ce contre-exemple, on peut résoudre l’équation \(x^2=2x\), dont les solutions sont \(0\) et \(2\).

Exercice 3

Exercice 3

Moyen


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Exercice 3 · Contre-exemple

Soit \(f\) la fonction définie sur \(\mathbb{R}\) par : \(f(x)=x^2-3x+2\).

  1. Résoudre dans \(\mathbb{R}\) l’équation \(f(x)=0\).
  2. Donner la négation de la proposition : \((P) :\ \left(\forall (a,b)\in\mathbb{R}^2\right) : f(a)=f(b)\Rightarrow a=b\).
  3. En déduire que \((P)\) est fausse.
  4. Calculer \(f(1)\) et \(f(-1)\), puis en déduire que la fonction \(f\) n’est ni paire ni impaire.
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Correction de l’exercice 3 · Contre-exemple

1) \(f(x)=0 \iff x^2-3x+2=0\).

\(\Delta=(-3)^2-4\times1\times2=1>0\), donc

\[x_1=\frac{3-\sqrt{1}}{2}=1 \qquad\text{et}\qquad x_2=\frac{3+\sqrt{1}}{2}=2.\]

D’où \(S=\{1\,;2\}\).

2) \((\overline{P}) :\ \left(\exists (a,b)\in\mathbb{R}^2\right) : f(a)=f(b) \text{ et } a\ne b\).

3) D’après la question 1), \(f(1)=f(2)=0\) avec \(1\ne 2\).

Donc \((\overline{P})\) est vraie, d’où \((P)\) est fausse.

Rappel : fonction paire, fonction impaire

  • \(f\) est paire si, pour tout \(x\in D_f\) : \(-x\in D_f\) et \(f(-x)=f(x)\).
  • \(f\) est impaire si, pour tout \(x\in D_f\) : \(-x\in D_f\) et \(f(-x)=-f(x)\).

4) \(f(1)=1-3+2=0\) et \(f(-1)=1+3+2=6\).

  • \(f(-1)\ne f(1)\), donc \(f\) n’est pas paire.
  • \(f(-1)\ne -f(1)\) (car \(6\ne 0\)), donc \(f\) n’est pas impaire.

Conclusion : \(f\) n’est ni paire ni impaire.

Exercice 4

Exercice 4

Moyen

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Exercice 4 · Implication

Soit \(x\in\mathbb{R}\). On considère la proposition :

\[(P) :\ \left(x^2=4x\right) \Rightarrow \left(x=0 \text{ ou } x=4\right).\]

  1. Montrer que la proposition \((P)\) est vraie.
  2. Déterminer l’implication contraposée de \((P)\).
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Correction de l’exercice 4 · Implication

Rappel : implication et contraposée

Pour montrer que \(P\Rightarrow Q\) est vraie, on suppose que \(P\) est vraie et on montre que \(Q\) est vraie.
La contraposée de \(P\Rightarrow Q\) est \(\overline{Q}\Rightarrow\overline{P}\) ; elles ont la même valeur de vérité.

1) Supposons que \(x^2=4x\). Alors :

\[\begin{aligned} x^2=4x &\Rightarrow x^2-4x=0 \\ &\Rightarrow x(x-4)=0 \\ &\Rightarrow x=0 \text{ ou } x-4=0 \\ &\Rightarrow x=0 \text{ ou } x=4. \end{aligned}\]

Donc la proposition \((P)\) est vraie.

2) La contraposée de \((P)\) est :

\[\left(x\ne 0 \text{ et } x\ne 4\right) \Rightarrow \left(x^2\ne 4x\right).\]

Exercice 5

Exercice 5

Moyen


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Exercice 5 · Raisonnement déductif

  1. Soient \(x\in\mathbb{R}\) et \(y\in\mathbb{R}\). Montrer que : \(\left(x^2+y^2=2xy\right)\Rightarrow\left(x=y\right)\).
  2. Soient \(x\in\mathbb{R}\) et \(y\in\mathbb{R}\). Montrer que : \(\left(1+xy-x-y=0\right)\Rightarrow\left(x=1 \text{ ou } y=1\right)\).
  3. Montrer que si \(m\) et \(n\) sont deux entiers naturels impairs, alors \(m+n\) est pair.
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Correction de l’exercice 5 · Raisonnement déductif

Rappel : raisonnement déductif (direct)

Pour montrer que \(P\Rightarrow Q\) est vraie, on suppose que \(P\) est vraie et on montre que \(Q\) est vraie.
Pour tout \(X\in\mathbb{R}\) : si \(X^2=0\), alors \(X=0\).

1) Soient \(x,y\in\mathbb{R}\) tels que \(x^2+y^2=2xy\). Alors :

\[\begin{aligned} x^2+y^2=2xy &\Rightarrow x^2-2xy+y^2=0 \\ &\Rightarrow (x-y)^2=0 \\ &\Rightarrow x-y=0 \\ &\Rightarrow x=y. \end{aligned}\]

2) Soient \(x,y\in\mathbb{R}\) tels que \(1+xy-x-y=0\). Alors :

\[\begin{aligned} 1+xy-x-y=0 &\Rightarrow x(y-1)-(y-1)=0 \\ &\Rightarrow (y-1)(x-1)=0 \\ &\Rightarrow y-1=0 \text{ ou } x-1=0 \\ &\Rightarrow x=1 \text{ ou } y=1. \end{aligned}\]

3) \(m\) et \(n\) sont impairs, donc il existe deux entiers naturels \(k\) et \(k'\) tels que \(m=2k+1\) et \(n=2k'+1\). Alors :

\[m+n=2k+2k'+2=2(k+k'+1),\]

avec \(k+k'+1\in\mathbb{N}\). Donc \(m+n\) est pair.

Exercice 6

Exercice 6

Moyen

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Exercice 6 · Équivalence

  1. Soit \(x\in\mathbb{R}\). Montrer que \(\dfrac{x^2+x+1}{x^2+1}\le\dfrac32\).
  2. Soient \(x\) et \(y\) deux réels positifs. Montrer que : \(\sqrt{x+y}=\sqrt{x}+\sqrt{y} \iff \left(x=0 \text{ ou } y=0\right)\).
  3. Soient \(a\) et \(b\) deux réels positifs. Montrer que : \(\left(a+b=0\right)\iff\left(a=0 \text{ et } b=0\right)\).
  4. Soient \(x\) et \(y\) deux réels positifs. Montrer que : \(\left(x+y+13=4\sqrt{x}+6\sqrt{y}\right)\iff\left(x=4 \text{ et } y=9\right)\).
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Correction de l’exercice 6 · Équivalence

Rappel : équivalence

Pour montrer que \(P\iff Q\), on montre que \(P\Rightarrow Q\) et \(Q\Rightarrow P\), ou bien on raisonne par équivalences successives.

1) Soit \(x\in\mathbb{R}\). Comme \(x^2+1>0\), on peut multiplier par \(2(x^2+1)>0\) :

\[\begin{aligned} \frac{x^2+x+1}{x^2+1}\le\frac32 &\iff 2(x^2+x+1)\le 3(x^2+1) \\ &\iff 2x^2+2x+2-3x^2-3\le 0 \\ &\iff -x^2+2x-1\le 0 \\ &\iff -(x-1)^2\le 0, \end{aligned}\]

ce qui est vrai. Donc \(\dfrac{x^2+x+1}{x^2+1}\le\dfrac32\).

Autre méthode : on étudie le signe de la différence :

\[\frac{x^2+x+1}{x^2+1}-\frac32=\frac{-(x-1)^2}{2(x^2+1)}\le 0.\]

2) Soient \(x,y\ge 0\). Les deux membres \(\sqrt{x+y}\) et \(\sqrt{x}+\sqrt{y}\) sont positifs, donc ils sont égaux si et seulement si leurs carrés sont égaux :

\[\begin{aligned} \sqrt{x+y}=\sqrt{x}+\sqrt{y} &\iff x+y=\left(\sqrt{x}+\sqrt{y}\right)^2 \\ &\iff x+y=x+2\sqrt{x}\sqrt{y}+y \\ &\iff 2\sqrt{x}\sqrt{y}=0 \\ &\iff \sqrt{x}=0 \text{ ou } \sqrt{y}=0 \\ &\iff x=0 \text{ ou } y=0. \end{aligned}\]

3) Soient \(a,b\ge 0\).

  • Si \(a=0\) et \(b=0\), alors \(a+b=0\).
  • Réciproquement, supposons \(a+b=0\). Alors \(a=-b\) ; or \(b\ge 0\), donc \(-b\le 0\), d’où \(a\le 0\). Comme \(a\ge 0\), on obtient \(a=0\), puis \(b=-a=0\).

Donc \(\left(a+b=0\right)\iff\left(a=0 \text{ et } b=0\right)\).

4) Soient \(x,y\ge 0\) ; on a alors \(x=\left(\sqrt{x}\right)^2\) et \(y=\left(\sqrt{y}\right)^2\).

\[\begin{aligned} x+y+13=4\sqrt{x}+6\sqrt{y} &\iff x-4\sqrt{x}+4+y-6\sqrt{y}+9=0 \\ &\iff \left(\sqrt{x}-2\right)^2+\left(\sqrt{y}-3\right)^2=0. \end{aligned}\]

Ces deux carrés sont positifs, donc d’après la question 3) :

\[\begin{aligned} &\iff \left(\sqrt{x}-2\right)^2=0 \text{ et } \left(\sqrt{y}-3\right)^2=0 \\ &\iff \sqrt{x}=2 \text{ et } \sqrt{y}=3 \\ &\iff x=4 \text{ et } y=9. \end{aligned}\]

Exercice 7

Exercice 7

Moyen

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Exercice 7 · Disjonction des cas

  1. Montrer que, pour tout \(n\in\mathbb{N}\), l’entier \(n^2+n+1\) est impair.

    Indication : distinguer les cas \(n=2k\) et \(n=2k+1\).

  2. Soit \(n\in\mathbb{N}\). Montrer que \(n(n+1)(n+2)\) est un multiple de \(3\).

    Indication : distinguer les cas \(n=3k\) ; \(n=3k+1\) ; \(n=3k+2\).

  3. Montrer que \((\forall x\in\mathbb{R}) : \sqrt{x^2+1}-x>0\).

    Indication : distinguer les cas \(x<0\) et \(x\ge 0\).

  4. Résoudre dans \(\mathbb{R}\) les équations suivantes :
    \((E_1) :\ x^2-|x-1|-1=0\)

    Indication : distinguer les cas \(x<1\) et \(x\ge 1\).

    \((E_2) :\ |x+1|-3|x-2|+1=0\).
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Correction de l’exercice 7 · Disjonction des cas

Rappel : disjonction des cas

Pour montrer qu’une propriété est vraie pour tout élément d’un ensemble \(E\), on peut partager \(E\) en plusieurs cas qui recouvrent \(E\), puis démontrer la propriété dans chacun des cas.

1) Soit \(n\in\mathbb{N}\).

► Cas 1 : \(n\) est pair, \(n=2k\) avec \(k\in\mathbb{N}\).

\(n^2+n+1=4k^2+2k+1=2(2k^2+k)+1\), donc \(n^2+n+1\) est impair.

► Cas 2 : \(n\) est impair, \(n=2k+1\) avec \(k\in\mathbb{N}\).

\[\begin{aligned} n^2+n+1 &= (2k+1)^2+(2k+1)+1 \\ &= 4k^2+6k+3=2(2k^2+3k+1)+1, \end{aligned}\]

donc \(n^2+n+1\) est impair.

Conclusion : pour tout \(n\in\mathbb{N}\), l’entier \(n^2+n+1\) est impair.

2) Le reste de la division euclidienne de \(n\) par \(3\) vaut \(0\), \(1\) ou \(2\) ; d’où trois cas (\(k\in\mathbb{N}\)).

► Cas 1 : \(n=3k\).

\(n(n+1)(n+2)=3k(3k+1)(3k+2)\) est un multiple de \(3\).

► Cas 2 : \(n=3k+1\).

\[\begin{aligned} n(n+1)(n+2) &= (3k+1)(3k+2)(3k+3) \\ &= 3(3k+1)(3k+2)(k+1), \end{aligned}\]

c’est un multiple de \(3\).

► Cas 3 : \(n=3k+2\).

\[\begin{aligned} n(n+1)(n+2) &= (3k+2)(3k+3)(3k+4) \\ &= 3(3k+2)(k+1)(3k+4), \end{aligned}\]

c’est un multiple de \(3\).

Conclusion : pour tout \(n\in\mathbb{N}\), \(n(n+1)(n+2)\) est un multiple de \(3\).

3) Soit \(x\in\mathbb{R}\).

► Cas 1 : \(x<0\).

On a \(-x>0\) et \(\sqrt{x^2+1}>0\), donc \(\sqrt{x^2+1}-x=\sqrt{x^2+1}+(-x)>0\).

► Cas 2 : \(x\ge 0\).

On a \(x^2+1>x^2\), donc \(\sqrt{x^2+1}>\sqrt{x^2}=|x|=x\) (car \(x\ge 0\)). D’où \(\sqrt{x^2+1}-x>0\).

Autre méthode (cas 2), avec l’expression conjuguée :

\[\begin{aligned} \sqrt{x^2+1}-x &= \frac{(x^2+1)-x^2}{\sqrt{x^2+1}+x} \\ &= \frac{1}{\sqrt{x^2+1}+x}>0. \end{aligned}\]

Conclusion : \((\forall x\in\mathbb{R}) : \sqrt{x^2+1}-x>0\).

4) Équation \((E_1) :\ x^2-|x-1|-1=0\).

On a \(|x-1|=x-1\) si \(x\ge 1\), et \(|x-1|=-(x-1)\) si \(x<1\).

► Cas 1 : \(x\in\left[1\,;+\infty\right[\), donc \(|x-1|=x-1\).

\[\begin{aligned} (E_1) &\iff x^2-(x-1)-1=0 \iff x^2-x=0 \\ &\iff x(x-1)=0 \iff x=0 \text{ ou } x=1. \end{aligned}\]

Or \(0\notin\left[1\,;+\infty\right[\), donc \(S_1=\{1\}\).

► Cas 2 : \(x\in\left]-\infty\,;1\right[\), donc \(|x-1|=-(x-1)\).

\[(E_1) \iff x^2+(x-1)-1=0 \iff x^2+x-2=0.\]

\(\Delta=1^2-4\times1\times(-2)=9>0\), d’où

\[x_1=\frac{-1-3}{2}=-2 \qquad\text{et}\qquad x_2=\frac{-1+3}{2}=1.\]

Or \(1\notin\left]-\infty\,;1\right[\), donc \(S_2=\{-2\}\).

Conclusion : \(S=S_1\cup S_2=\{-2\,;1\}\).

Équation \((E_2) :\ |x+1|-3|x-2|+1=0\).

On a \(|x+1|=x+1\) si \(x\ge -1\), et \(|x+1|=-(x+1)\) si \(x<-1\) ;
\(|x-2|=x-2\) si \(x\ge 2\), et \(|x-2|=-(x-2)\) si \(x<2\).

\(x\)\(-\infty\)\(-1\)\(2\)\(+\infty\)
\(|x+1|\)\(-x-1\)\(0\)\(x+1\)\(x+1\)
\(|x-2|\)\(-x+2\)\(-x+2\)\(0\)\(x-2\)

► Cas 1 : \(x\in\left[2\,;+\infty\right[\).

\[\begin{aligned} (E_2) &\iff (x+1)-3(x-2)+1=0 \\ &\iff -2x+8=0 \iff x=4. \end{aligned}\]

Or \(4\in\left[2\,;+\infty\right[\), donc \(S_1=\{4\}\).

► Cas 2 : \(x\in\left[-1\,;2\right[\).

\[\begin{aligned} (E_2) &\iff (x+1)-3(-x+2)+1=0 \\ &\iff 4x-4=0 \iff x=1. \end{aligned}\]

Or \(1\in\left[-1\,;2\right[\), donc \(S_2=\{1\}\).

► Cas 3 : \(x\in\left]-\infty\,;-1\right[\).

\[\begin{aligned} (E_2) &\iff -(x+1)-3(-x+2)+1=0 \\ &\iff 2x-6=0 \iff x=3. \end{aligned}\]

Or \(3\notin\left]-\infty\,;-1\right[\), donc \(S_3=\varnothing\).

Conclusion : \(S=S_1\cup S_2\cup S_3=\{1\,;4\}\).

Exercice 8

Exercice 8

Moyen

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Exercice 8 · Contraposée

  1. Soient \(y\in\mathbb{R}\) et \(x\in\mathbb{R}^+\). Montrer que :
    1. \(\left(y\ne 2 \text{ et } y\ne -2\right)\Rightarrow\left(2y^2-8\ne 0\right)\) ;
    2. \(\left(x\ne 0\right)\Rightarrow\left(\sqrt{x+1}\ne 1+\dfrac{x}{2}\right)\).
  2. Soit \(n\in\mathbb{N}\). Montrer que si \(n^2\) est pair, alors \(n\) est pair.
  3. Soient \(x,y\in\left]2\,;+\infty\right[\). Montrer que : \(\left(x\ne y\right)\Rightarrow\left(x^2-4x\ne y^2-4y\right)\).
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Série n° 1 – Notions de logique · 1ère Bac Sc. Exp. (BIOF) · Prof : Yassine NACHIT

Correction de l’exercice 8 · Contraposée

Rappel : raisonnement par contraposée

Pour montrer que \(P\Rightarrow Q\) est vraie, il suffit de montrer que sa contraposée \(\overline{Q}\Rightarrow\overline{P}\) est vraie : on suppose que \(\overline{Q}\) est vraie et on montre que \(\overline{P}\) est vraie.

1) a) Soit \(y\in\mathbb{R}\). Par contraposée, montrons que :

\[\left(2y^2-8=0\right)\Rightarrow\left(y=2 \text{ ou } y=-2\right).\]

On a :

\[\begin{aligned} 2y^2-8=0 &\Rightarrow y^2=4 \\ &\Rightarrow y=2 \text{ ou } y=-2. \end{aligned}\]

D’où \(\left(y\ne 2 \text{ et } y\ne -2\right)\Rightarrow\left(2y^2-8\ne 0\right)\).

b) Soit \(x\in\mathbb{R}^+\). Par contraposée, montrons que :

\[\left(\sqrt{x+1}=1+\frac{x}{2}\right)\Rightarrow\left(x=0\right).\]

On a :

\[\begin{aligned} \sqrt{x+1}=1+\frac{x}{2} &\Rightarrow 2\sqrt{x+1}=2+x \\ &\Rightarrow 4(x+1)=(2+x)^2 \\ &\Rightarrow 4x+4=4+4x+x^2 \\ &\Rightarrow x^2=0 \Rightarrow x=0. \end{aligned}\]

D’où \(\left(x\ne 0\right)\Rightarrow\left(\sqrt{x+1}\ne 1+\dfrac{x}{2}\right)\).

2) Soit \(n\in\mathbb{N}\). Par contraposée, montrons que si \(n\) est impair, alors \(n^2\) est impair.

Si \(n\) est impair, \(n=2k+1\) avec \(k\in\mathbb{N}\), donc

\[n^2=4k^2+4k+1=2(2k^2+2k)+1\]

est impair. D’où : si \(n^2\) est pair, alors \(n\) est pair.

3) Soient \(x,y\in\left]2\,;+\infty\right[\). Par contraposée, montrons que :

\[\left(x^2-4x=y^2-4y\right)\Rightarrow\left(x=y\right).\]

On a :

\[\begin{aligned} x^2-4x=y^2-4y &\Rightarrow x^2-4x+4=y^2-4y+4 \\ &\Rightarrow (x-2)^2-(y-2)^2=0 \\ &\Rightarrow (x-2+y-2)(x-2-y+2)=0 \\ &\Rightarrow (x+y-4)(x-y)=0. \end{aligned}\]

Or \(x>2\) et \(y>2\), donc \(x+y-4>0\), en particulier \(x+y-4\ne 0\).
Donc \(x-y=0\), c’est-à-dire \(x=y\).
D’où \(\left(x\ne y\right)\Rightarrow\left(x^2-4x\ne y^2-4y\right)\).

Exercice 9

Exercice 9

Moyen


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Exercice 9 · Raisonnement par l’absurde

Montrer que :

  1. \(\left(\forall x\in\mathbb{R}-\left\{\dfrac23\right\}\right) : \dfrac{4x+1}{3x-2}\ne\dfrac43\) ;
  2. \((\forall n\in\mathbb{N}) : \dfrac{6n+5}{4n+2}\notin\mathbb{N}\) ;
  3. \((\forall x\in\mathbb{R}) : x-\sqrt{x^2+1}<0\).
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Correction de l’exercice 9 · Raisonnement par l’absurde

Rappel : raisonnement par l’absurde

Pour montrer qu’une proposition \(P\) est vraie, on suppose que \(\overline{P}\) est vraie et on montre que cela conduit à une contradiction (une proposition fausse). On conclut alors que \(P\) est vraie.

1) Supposons qu’il existe \(x\in\mathbb{R}-\left\{\dfrac23\right\}\) tel que

\[\frac{4x+1}{3x-2}=\frac43.\]

Alors (produit en croix, avec \(3x-2\ne 0\)) :

\[\begin{aligned} 3(4x+1)=4(3x-2) &\Rightarrow 12x+3=12x-8 \\ &\Rightarrow 3=-8, \end{aligned}\]

ce qui est absurde. Donc :

\[\left(\forall x\in\mathbb{R}-\left\{\frac23\right\}\right) : \frac{4x+1}{3x-2}\ne\frac43.\]

2) Supposons qu’il existe \(n\in\mathbb{N}\) et \(k\in\mathbb{N}\) tels que

\[\frac{6n+5}{4n+2}=k.\]

Alors :

\[\begin{aligned} 6n+5=k(4n+2) &\Rightarrow 6n+4+1=k(4n+2) \\ &\Rightarrow 2(3n+2)+1=2k(2n+1). \end{aligned}\]

Le membre de gauche est impair et celui de droite est pair : contradiction. Donc :

\[(\forall n\in\mathbb{N}) : \frac{6n+5}{4n+2}\notin\mathbb{N}.\]

3) Supposons qu’il existe \(x\in\mathbb{R}\) tel que \(x-\sqrt{x^2+1}\ge 0\), c’est-à-dire

\[x\ge\sqrt{x^2+1}.\]

Comme \(\sqrt{x^2+1}>0\), on a \(x>0\) ; les deux membres étant positifs, on peut élever au carré :

\[x^2\ge x^2+1, \quad\text{d’où}\quad 0\ge 1,\]

ce qui est absurde. Donc :

\[(\forall x\in\mathbb{R}) : x-\sqrt{x^2+1}<0.\]

Exercice 10

Exercice 10

Moyen

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Exercice 10 · Récurrence

Pour tout \(n\in\mathbb{N}^*\), on pose : \(S_n=1+2+\cdots+n\).

  1. Calculer \(S_1\), \(S_2\) et \(S_3\).
  2. Montrer par récurrence que, pour tout \(n\in\mathbb{N}^*\) : \(1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}\).
  3. En déduire que \(n(n+1)\) est pair.
  4. Calculer \(S_{100}\).
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Correction de l’exercice 10 · Récurrence

Rappel : raisonnement par récurrence

Soient \(n_0\in\mathbb{N}\) et \(p(n)\) une propriété. Pour montrer que \((\forall n\ge n_0) : p(n)\), on suit trois étapes :

  • Initialisation : on vérifie que \(p(n_0)\) est vraie.
  • Hérédité : soit \(n\ge n_0\) ; on suppose que \(p(n)\) est vraie (hypothèse de récurrence) et on montre que \(p(n+1)\) est vraie.
  • Conclusion : d’après le principe de récurrence, \(p(n)\) est vraie pour tout \(n\ge n_0\).

1) \(S_1=1\) ; \(\quad S_2=1+2=3\) ; \(\quad S_3=1+2+3=6\).

2) Initialisation : pour \(n=1\), on a \(S_1=1\) et \(\dfrac{1\times(1+1)}{2}=1\). La propriété est vraie pour \(n=1\).

Hérédité : soit \(n\in\mathbb{N}^*\). Supposons que

\[1+2+\cdots+n=\frac{n(n+1)}{2}\]

et montrons que

\[1+2+\cdots+n+(n+1)=\frac{(n+1)(n+2)}{2}.\]

On a :

\[\begin{aligned} 1+2+\cdots+n+(n+1) &= \frac{n(n+1)}{2}+(n+1) \\ &= \frac{n(n+1)+2(n+1)}{2} \\ &= \frac{(n+1)(n+2)}{2}. \end{aligned}\]

Conclusion : d’après le principe de récurrence,

\[(\forall n\in\mathbb{N}^*) :\ 1+2+\cdots+n=\frac{n(n+1)}{2}.\]

3) Soit \(n\in\mathbb{N}^*\). D’après 2), \(n(n+1)=2(1+2+\cdots+n)=2S_n\) avec \(S_n\in\mathbb{N}\). Donc \(n(n+1)\) est pair.

4) \(S_{100}=\dfrac{100\times101}{2}=5050\).

Exercice 11

Exercice 11

Moyen

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Exercice 11 · Récurrence

Montrer par récurrence que :

  1. pour tout \(n\in\mathbb{N}^*\), \(7^n-2^n\) est divisible par \(5\) ;
  2. pour tout \(n\in\mathbb{N}\) : \(1+4+4^2+\cdots+4^n=\dfrac{4^{n+1}-1}{3}\) ;
  3. pour tout \(n\in\mathbb{N}^*\) : \(1^3+2^3+\cdots+n^3=\left[\dfrac{n(n+1)}{2}\right]^2\) ;
  4. pour tout \(n\in\mathbb{N}\), \(2^n\ge n\).
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Correction de l’exercice 11 · Récurrence

1) Initialisation : pour \(n=1\), \(7^1-2^1=5\), qui est divisible par \(5\).

Hérédité : soit \(n\in\mathbb{N}^*\). Supposons que \(7^n-2^n\) est divisible par \(5\) : il existe \(k\in\mathbb{N}\) tel que \(7^n-2^n=5k\), c’est-à-dire \(7^n=5k+2^n\). Alors :

\[\begin{aligned} 7^{n+1}-2^{n+1} &= 7\times7^n-2\times2^n \\ &= 7(5k+2^n)-2\times2^n \\ &= 35k+5\times2^n=5\left(7k+2^n\right). \end{aligned}\]

Donc \(7^{n+1}-2^{n+1}\) est divisible par \(5\).

Conclusion : pour tout \(n\in\mathbb{N}^*\), \(7^n-2^n\) est divisible par \(5\).

2) Initialisation : pour \(n=0\), le membre de gauche vaut \(4^0=1\) et \(\dfrac{4^{0+1}-1}{3}=1\). La propriété est vraie pour \(n=0\).

Hérédité : soit \(n\in\mathbb{N}\). Supposons que

\[1+4+\cdots+4^n=\frac{4^{n+1}-1}{3}.\]

Alors :

\[\begin{aligned} 1+4+\cdots+4^n+4^{n+1} &= \frac{4^{n+1}-1}{3}+4^{n+1} \\ &= \frac{4^{n+1}-1+3\times4^{n+1}}{3} \\ &= \frac{4\times4^{n+1}-1}{3}=\frac{4^{n+2}-1}{3}. \end{aligned}\]

Conclusion : pour tout \(n\in\mathbb{N}\),

\[1+4+4^2+\cdots+4^n=\frac{4^{n+1}-1}{3}.\]

3) Initialisation : pour \(n=1\), \(1^3=1\) et \(\left[\dfrac{1\times2}{2}\right]^2=1\).

Hérédité : soit \(n\in\mathbb{N}^*\). Supposons que

\[1^3+2^3+\cdots+n^3=\left[\frac{n(n+1)}{2}\right]^2.\]

Alors :

\[\begin{aligned} 1^3+\cdots+n^3+(n+1)^3 &= \frac{n^2(n+1)^2}{4}+(n+1)^3 \\ &= \frac{(n+1)^2\left(n^2+4(n+1)\right)}{4} \\ &= \frac{(n+1)^2\left(n^2+4n+4\right)}{4} \\ &= \frac{(n+1)^2(n+2)^2}{4} \\ &= \left[\frac{(n+1)(n+2)}{2}\right]^2. \end{aligned}\]

Conclusion : pour tout \(n\in\mathbb{N}^*\),

\[1^3+2^3+\cdots+n^3=\left[\frac{n(n+1)}{2}\right]^2.\]

4) Initialisation : pour \(n=0\), \(2^0=1\ge 0\).

Hérédité : soit \(n\in\mathbb{N}\). Supposons que \(2^n\ge n\). On a aussi \(2^n\ge 1\) (car \(n\ge 0\)). En additionnant ces deux inégalités :

\[2^n+2^n\ge n+1, \quad\text{c’est-à-dire}\quad 2^{n+1}\ge n+1.\]

Conclusion : \((\forall n\in\mathbb{N}) :\ 2^n\ge n\).

Exercice 12

Exercice 12

Moyen


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Exercice 12 · Récurrence

  1. Développer le produit \((n+2)(2n+3)\).
  2. Montrer par récurrence que, pour tout \(n\in\mathbb{N}^*\) : \(1^2+2^2+\cdots+n^2=\dfrac{n(n+1)(2n+1)}{6}\).
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Série n° 1 – Notions de logique · 1ère Bac Sc. Exp. (BIOF) · Prof : Yassine NACHIT

Correction de l’exercice 12 · Récurrence

1) On développe :

\[\begin{aligned} (n+2)(2n+3) &= 2n^2+3n+4n+6 \\ &= 2n^2+7n+6. \end{aligned}\]

2) Initialisation : pour \(n=1\), \(1^2=1\) et \(\dfrac{1\times2\times3}{6}=1\).

Hérédité : soit \(n\in\mathbb{N}^*\). Supposons que

\[1^2+2^2+\cdots+n^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\]

et montrons que

\[1^2+\cdots+n^2+(n+1)^2=\frac{(n+1)(n+2)(2n+3)}{6}.\]

On a :

\[\begin{aligned} 1^2+\cdots+n^2+(n+1)^2 &= \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}+(n+1)^2 \\ &= \frac{(n+1)\left[n(2n+1)+6(n+1)\right]}{6} \\ &= \frac{(n+1)(2n^2+7n+6)}{6} \\ &= \frac{(n+1)(n+2)(2n+3)}{6} \quad \text{(d’après 1))}. \end{aligned}\]

Conclusion : d’après le principe de récurrence, pour tout \(n\in\mathbb{N}^*\),

\[1^2+2^2+\cdots+n^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}.\]