Dans ce cours, nous allons faire le point sur les différents types de raisonnement qui existent en mathématiques.

Nous allons aussi insister sur les éléments de rédaction afin de vous préparer au mieux pour le supérieur.

Un résumé de cours en version imprimable est téléchargeable ici.

Implication et Contraposée

Le connecteur implication est un connecteur binaire entre deux propositions AA et BB :

Si AA est vraie alors BB est vraie

On peut noter aussi :

ABAB.

Si ABCABC est un triangle rectangle en AA alors AB2+AC2=BC2AB2+AC2=BC2.

La contraposée d'une implication "AA implique BB" est la proposition :

Si BB n'est pas vraie alors AA n'est pas vraie

On peut noter aussi:

(NonB)(NonA)(NonB)(NonA)

Si AB2+AC2BC2AB2+AC2BC2 alors ABCABC n'est pas un triangle rectangle en AA.

Une implication est équivalente à sa contraposée.

Autrement dit, pour démontrer une implication, nous pouvons montrer sa contraposée et réciproquement.

  1. La proposition "s'il pleut, alors le sol est mouillé" est vraie.
    Sa contraposée, "si le sol n'est pas mouillé, alors il ne pleut pas" est elle aussi vraie.

  2. Par contre la proposition réciproque "si le sol est mouillé, alors il pleut" est fausse (il peut avoir plu, la pluie a cessé mais le sol reste encore humide).
    Sa contraposée, "s'il ne pleut pas, alors le sol n'est pas mouillé" est elle aussi fausse (pour la même raison).

L'exemple précédent prouve bien qu'il ne faut pas confondre " proposition contraposée" et "proposition réciproque".

Voici un exemple d'utilisation de la contraposée pour démontrer la proposition suivante : "Soit xx un nombre réel. Si x3=7x3=7, alors x<2x<2.".

Étape 1 : écrire la contraposée de la proposition
La contraposée de la proposition "Si x3=7x3=7, alors x<2x<2" est "si x2x2, alors x37x37".

Étape 2 : prouver que la contraposée est vraie
Si x2x2, alors si x323x323 puisque la fonction cube est croissante sur l'intervalle [2;+[[2;+[.
Comme x38x38, forcément x37x37".
On a ainsi prouver que "si x2x2, alors x37x37".

Étape 3 : conclure
Comme l'affirmation "si x2x2, alors x37x37" est vraie, sa contraposée "Si x3=7x3=7, alors x<2x<2." est elle aussi vraie.

Pour les exercices suivants et pour le reste de l'année, vous aurez besoin de connaître les définitions suivantes :

  1. Démontrer l'implication : pour tout nN, n impair n2 impair.
  2. Démontrer par contraposée l'implication : pour tout nN, n2 pair n pair.

Code de déblocage de la correction :

  1. Démontrer que pour tout nN, n pair n2 pair.
  2. Démontrer que pour tout nN, n2 impair n impair

Code de déblocage de la correction :

Raisonnement par l'absurde

Le raisonnement par l'absurde est un raisonnement qui permet de démontrer qu'une affirmation est vraie en montrant que son contraire est faux. Il s'appuie sur la règle logique que :

Si "non P" est faux, alors P est vraie.

Concrètement, pour démontrer une propriété P, on supposera que P est fausse et on essaiera d'obtenir une absurdité.

Voici un exemple de mise en oeuvre de ce raisonnement en essayant de prouver l'affirmation suivante :
"0 n'a pas d'inverse".

Étape 1 : supposer comme vraie le contraire de l'affirmation
On suppose ici que 0 admet un nombre réel inverse, noté ici a.
Cela signifie par définition de l'inverse que a×0=1.

Étape 2 : déduire des conséquences pour aboutir à une contradiction
1=a×0.
Comme 0=0+0, on en déduit que 1=a×(0+0), soit en développant 1=a×0+a×0.
Or, a×0=1, donc, en remplaçant dans le second membre, on en déduit que 1=1+1.
On aboutit à 1=2. Ceci est évidemment impossible, une contradiction avec ce que vous savez comme vrai.

Étape 3 : conclure en citant le raisonnement utilisé
Comme l'hypothèse de départ "0 admet un nombre réel inverse" aboutit à une contradiction, cette hypothèse est fausse.
Dès lors, son contraire est vrai, c'est-à-dire "0 n'admet pas d'inverse".
On a prouvé en utilisant le raisonnement par l'absurde que "0 n'a pas d'inverse".

Démontrer que 2 est un nombre irrationnel.

Vous pouvez admettre ici que tout nombre rationnel peut être écrit sous la forme d'une fraction irréductible aba et b deux nombres entiers tels qu'aucun nombre ne divise à la fois a et b.

Code de déblocage de la correction :

Nous serons souvent amenés à utiliser ce type de raisonnement cette année.

Raisonnement par disjonction des cas.

Lors d'un raisonnement par disjonction des cas, on étudie tous les cas possibles en faisant au préalable un tri pour restreindre le nombre de cas à étudier.

Voici un exemple d'utilisation de la disjonction de cas pour démontrer la proposition suivante :
"Pour tout réel x de l'intervalle ]2;1], 0|x|<2".

Étape 1 : séparer en plusieurs cas disjoints dont la réunion correspond à l'ensemble des cas possibles
L'intervalle ]2;1] est découpé en deux intervalles : ]2;0] et ]0;1]. Il y a donc deux cas à étudier.

Étape 2 : étudier chaque cas séparément

  1. Cas où x]2;0] :
    Si x]2;0] alors 2<x0. En multipliant par 1 négatif, on a : 2>x0.
    Comme x0, |x|=x, on déduit donc de 2>x0 que 0|x|<2.
    On a donc prouvé dans ce cas que 0|x|<2.

    On aurait aussi pu utiliser ici les variations de la fonction valeur absolue sur ]2;0].

  2. Cas où x]0;1] :
    Si x]0;1] alors 0<x1.
    Comme x0, |x|=x, on déduit donc de 0<x1 que 0<|x|1.
    A fortiori, on a donc : 0|x|<2 car ]0;1][0;2[
    On a donc prouvé dans ce cas que 0|x|<2.

Étape 3 : conclure
Comme dans chacun des cas possibles pour x, on a bien 0|x|<2, on a prouvé par disjonctions de cas que : "Pour tout réel x de l'intervalle ]2;1], 0|x|<2".

Démontrer que pour tout entier naturel n, le produit n(n+1) est un nombre pair.

Code de déblocage de la correction :

Equivalence et double implication

Raisonner par double implication.

P équivaut à Q si, et seulement si PQ et QP.

On note PQ

Concrètement, ce type de raisonnement se fera en deux étapes :

  1. PQ
  2. QP

Voici un exemple de mise en oeuvre de ce raisonnement en essayant de prouver la proposition suivante :
"Soit x>0. x2>xx>1".

Étape 1 : Prouver une des implications
On suppose ici que x>1. Le but de montrer que x2>x.
Comme x>1, x est positif, donc en multipliant chaque membre de l'inégalité par x, on en déduit que : x×x>1×x.
Ainsi, on a prouvé le "sens réciproque" : "si x>1 alors x2>x".

Étape 2 : Prouver l'implication réciproque
On suppose ici que x2>x, avec x>0. Le but de montrer que x>1.
Montrons ici que la contraposée de cette implication est vraie, c'est-à-dire que "si 0<x1 alors x2x".
Comme 0<x1, x est positif, donc en multipliant chaque membre de l'inégalité par x, on en déduit que : 0<x×x1×x.
Ainsi, on a prouvé que "si 0<x1 alors x2x".
La contraposée est donc elle aussi vraie soit pour x>0 "si x2>x alors x>1." Ainsi, on a prouvé le "sens direct" : "si x2>x alors x>1".

Étape 3 : conclure
Comme on a prouvé que, pour x>0, "si x>1 alors x2>x" et sa réciproque "si x2>x alors x>1", on a montré par double implication que, pour x>0, "x>1x2>x".

Soit f la fonction définie sur R par f:xmx+1.

Montrer que f garde un signe constant sur R si, et seulement si m=0

Code de déblocage de la correction :

Exercices pour reprendre en autonomie ces raisonnements

Soient m et n deux nombres entiers naturels non nuls.

  1. Démontrer que si de le produit m×n est impair alors m et n sont des nombres impairs.

  2. L'équivalence ci-dessous est-elle vraie ?
    Le produit m×n est impair si, et seulement si, m et n sont des nombres impairs.

Code de déblocage de la correction :

Montrer que 13 n'est pas un nombre décimal.

Un nombre décimal est un nombre qui peut s'écrire sous la forme a10na est un nombre entier relatif et n un nombre entier naturel.

Un nombre entier est divisible par 3 si, et seulement si, la somme des chiffres qui le composent est un nombre divisible par 3.

Code de déblocage de la correction :

Montrer que la somme d'un nombre rationnel et d'un nombre irrationnel est un nombre irrationnel.

Code de déblocage de la correction :

Soit n un nombre entier relatif.

Démontrer que le nombre n(n+1)(2n+1)3 est un nombre entier.

Vous pouvez utiliser le fait que tout nombre entier relatif n, il existe un entier k tel que n peut être écrit sous la forme n=3k ou n=3k+1 ou n=3k+2.

Code de déblocage de la correction :

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Le raisonnement par récurrence vu en spécialité Maths en Terminale fait partie des raisonnements essentiels à maîtriser en mathématiques. Nous ne le travaillons pas dans ce chapitre mais il sera utile dans plusieurs autres cette année.

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