Licence 1Algèbre

Logique propositionnelle et quantificateurs

50 min15 exercicesSéquence 1.1Licence 1

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Durée : 50 min

Logique propositionnelle et quantificateurs

### 1. Propositions et connecteurs logiques

Une proposition est un énoncé qui est soit vrai (V), soit faux (F), mais jamais les deux. On combine des propositions PP, QQ à l'aide de connecteurs logiques :

| Connecteur | Notation | Lecture |
|---|---|---|
| Négation | non P\text{non } P ou P\overline{P} | "il est faux que PP" |
| Conjonction | PQP \wedge Q | "PP et QQ" |
| Disjonction | PQP \vee Q | "PP ou QQ" (inclusif) |
| Implication | PQP \Rightarrow Q | "PP implique QQ" |
| Équivalence | PQP \Leftrightarrow Q | "PP équivaut à QQ" |

### 2. Tables de vérité

PQPQPQPQPQVVVVVVVFFVFFFVFVVFFFFFVV\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline P & Q & P \wedge Q & P \vee Q & P \Rightarrow Q & P \Leftrightarrow Q \\ \hline V & V & V & V & V & V \\ V & F & F & V & F & F \\ F & V & F & V & V & F \\ F & F & F & F & V & V \\ \hline \end{array}

Point clé sur l'implication : PQP \Rightarrow Q n'est fausse que dans le seul cas où PP est vraie et QQ est fausse. En particulier, si PP est fausse, PQP \Rightarrow Q est automatiquement vraie, quelle que soit la valeur de QQ (on dit que "le faux implique n'importe quoi").

### 3. Implication, contraposée, réciproque

Pour une implication PQP \Rightarrow Q, on distingue trois énoncés associés :

- Réciproque : QPQ \Rightarrow P (n'a en général pas la même valeur de vérité que PQP \Rightarrow Q).
- Contraposée : QP\overline{Q} \Rightarrow \overline{P}. C'est une proposition logiquement équivalente à PQP \Rightarrow Q (même table de vérité) : (PQ)(QP)(P \Rightarrow Q) \Leftrightarrow (\overline{Q} \Rightarrow \overline{P}).

Exemple : PP : "x=2x = 2", QQ : "x2=4x^2 = 4". L'implication PQP \Rightarrow Q est vraie. La réciproque QPQ \Rightarrow P est fausse (car x=2x = -2 vérifie QQ mais pas PP). La contraposée "x24x2x^2 \neq 4 \Rightarrow x \neq 2" est vraie, comme attendu puisqu'elle équivaut à PQP \Rightarrow Q.

### 4. Lois de De Morgan et négation des connecteurs

Pour nier une proposition composée, on applique les règles suivantes :

PQ=PQPQ=PQ\overline{P \wedge Q} = \overline{P} \vee \overline{Q} \qquad \overline{P \vee Q} = \overline{P} \wedge \overline{Q}

PQ=PQ\overline{P \Rightarrow Q} = P \wedge \overline{Q}

Justification de la dernière règle : PQP \Rightarrow Q est équivalente à PQ\overline{P} \vee Q (vérifiable par table de vérité). Donc :

PQ=PQ=PQ=PQ\overline{P \Rightarrow Q} = \overline{\overline{P} \vee Q} = \overline{\overline{P}} \wedge \overline{Q} = P \wedge \overline{Q}

Exemple : La négation de "il pleut \Rightarrow je prends un parapluie" est "il pleut et je ne prends pas de parapluie" (et non pas "il ne pleut pas \Rightarrow je ne prends pas de parapluie", qui est une erreur fréquente).

### 5. Quantificateurs universel et existentiel

- Quantificateur universel \forall : xE, P(x)\forall x \in E,\ P(x) signifie "pour tout élément xx de EE, P(x)P(x) est vraie".
- Quantificateur existentiel \exists : xE, P(x)\exists x \in E,\ P(x) signifie "il existe (au moins) un élément xx de EE tel que P(x)P(x) est vraie".
- On note parfois !x\exists! x pour "il existe un unique xx".

Exemple : xR, x20\forall x \in \mathbb{R},\ x^2 \geq 0 (vraie). xR, x2=1\exists x \in \mathbb{R},\ x^2 = -1 (fausse, car aucun réel n'a un carré négatif).

### 6. Négation des propositions quantifiées

La négation échange les quantificateurs et nie la proposition finale :

xE, P(x)xE, P(x)\overline{\forall x \in E,\ P(x)} \quad \Longleftrightarrow \quad \exists x \in E,\ \overline{P(x)}

xE, P(x)xE, P(x)\overline{\exists x \in E,\ P(x)} \quad \Longleftrightarrow \quad \forall x \in E,\ \overline{P(x)}

Exemple : Nier "xR, x0x21\forall x \in \mathbb{R},\ x \geq 0 \Rightarrow x^2 \geq 1" donne, en utilisant aussi la négation de l'implication (section 4) :

xR, x0x2<1\exists x \in \mathbb{R},\ x \geq 0 \wedge x^2 < 1

(c'est vrai : x=0,5x = 0{,}5 convient.)

### 7. Quantificateurs multiples et ordre des quantificateurs

Lorsqu'une proposition contient plusieurs quantificateurs, l'ordre est crucial et ne peut pas être échangé sans changer le sens de l'énoncé.

Piège classique : comparons

xE, yF, R(x,y)etyF, xE, R(x,y)\forall x \in E,\ \exists y \in F,\ R(x,y) \qquad \text{et} \qquad \exists y \in F,\ \forall x \in E,\ R(x,y)

Dans le premier énoncé (\forall \exists), yy peut dépendre de xx : pour chaque xx, on a le droit de choisir un yy différent. Dans le second (\exists \forall), yy est choisi une fois pour toutes, avant xx, et doit convenir simultanément pour tous les xx. Le second énoncé est plus fort : il implique le premier, mais la réciproque est fausse en général.

Exemple concret : Soit E=F=RE = F = \mathbb{R} et R(x,y)R(x,y) : "y>xy > x".
- xR, yR, y>x\forall x \in \mathbb{R},\ \exists y \in \mathbb{R},\ y > x : vraie (pour chaque xx, on prend y=x+1y = x+1).
- yR, xR, y>x\exists y \in \mathbb{R},\ \forall x \in \mathbb{R},\ y > x : fausse (aucun réel yy ne peut être strictement supérieur à tous les réels xx, en particulier pas à yy lui-même, ni à y+1y+1).

Cet exemple montre bien que \exists \forall \Rightarrow \forall \exists, mais pas l'inverse.

### 8. Négation d'une proposition à quantificateurs multiples

On applique la règle de négation (section 6) successivement, de gauche à droite :

x, y, R(x,y)x, y, R(x,y)x, y, R(x,y)\overline{\forall x,\ \exists y,\ R(x,y)} \quad \Longleftrightarrow \quad \exists x,\ \overline{\exists y,\ R(x,y)} \quad \Longleftrightarrow \quad \exists x,\ \forall y,\ \overline{R(x,y)}

Exemple : Nier ε>0, NN, nN, un<ε\forall \varepsilon > 0,\ \exists N \in \mathbb{N},\ \forall n \geq N,\ |u_n| < \varepsilon (définition de un0u_n \to 0) donne :

ε>0, NN, nN, unε\exists \varepsilon > 0,\ \forall N \in \mathbb{N},\ \exists n \geq N,\ |u_n| \geq \varepsilon

C'est exactement la méthode systématique utilisée pour nier les définitions ε\varepsilon-δ\delta rencontrées en analyse.

Exercices

Quelle est la valeur de vérité de PQP \Rightarrow Q lorsque PP est fausse ?

La proposition PPP \vee \overline{P} est :

Vrai ou faux : la négation de "PQP \wedge Q" est "PQ\overline{P} \wedge \overline{Q}".

Quelle est la contraposée de l'implication "x>2x2>4x > 2 \Rightarrow x^2 > 4" (pour xR+x \in \mathbb{R}^+) ?

Comment se lit xR, x2=2\exists x \in \mathbb{R},\ x^2 = 2 ?

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