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Licence 1 · Logique, ensembles et raisonnement

Logique propositionnelle et quantificateurs

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 de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

D'après la table de vérité de l'implication, PQP \Rightarrow Q n'est fausse que lorsque PP est vraie et QQ fausse. Dès que PP est fausse, PQP \Rightarrow Q est vraie, quelle que soit QQ.

Exercice 2

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

Corrigé

Une proposition est soit vraie soit fausse : si PP est vraie, PPP \vee \overline{P} est vraie ; si PP est fausse, P\overline{P} est vraie donc PPP \vee \overline{P} est encore vraie. C'est le principe du tiers exclu.

Exercice 3

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

Corrigé

Faux. D'après les lois de De Morgan, PQ=PQ\overline{P \wedge Q} = \overline{P} \vee \overline{Q} (et non \wedge). Par exemple si PP est vraie et QQ fausse, PQP\wedge Q est fausse donc sa négation est vraie ; or PQ\overline P \wedge \overline Q est fausse (car P\overline P est fausse), alors que PQ\overline P \vee \overline Q est vraie.

Exercice 4

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

Corrigé

La contraposée de PQP \Rightarrow Q est QP\overline{Q} \Rightarrow \overline{P}. Ici Q\overline{Q} est "x24x^2 \leq 4" et P\overline{P} est "x2x \leq 2", donc la contraposée est "x24x2x^2 \leq 4 \Rightarrow x \leq 2".

Exercice 5

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

Corrigé

Le symbole \exists se lit "il existe (au moins un)". L'énoncé affirme l'existence d'un réel dont le carré vaut 22 (par exemple x=2x = \sqrt{2}), sans affirmer l'unicité.

Exercice 6

Quelle est la négation de xR, x20\forall x \in \mathbb{R},\ x^2 \geq 0 ?

Corrigé

La négation de x, P(x)\forall x,\ P(x) est x, P(x)\exists x,\ \overline{P(x)}. Ici P(x)\overline{P(x)} est "x2<0x^2 < 0", donc la négation est xR, x2<0\exists x \in \mathbb{R},\ x^2 < 0 (qui est d'ailleurs fausse, ce qui confirme que la proposition de départ est vraie).

Exercice 7

Vrai ou faux : xE, yF, R(x,y)\forall x \in E,\ \exists y \in F,\ R(x,y) implique toujours yF, xE, R(x,y)\exists y \in F,\ \forall x \in E,\ R(x,y).

Corrigé

Faux, c'est l'implication réciproque qui est toujours vraie. Contre-exemple : avec R(x,y)R(x,y) : "y>xy>x" sur R\mathbb{R}, x,y,y>x\forall x,\exists y, y>x est vraie (prendre y=x+1y=x+1) mais y,x,y>x\exists y,\forall x, y>x est fausse (aucun réel ne majore strictement tous les réels).

Exercice 8

Quelle est la négation de "x0x21x \geq 0 \Rightarrow x^2 \geq 1" ?

Corrigé

La négation de PQP \Rightarrow Q est PQP \wedge \overline{Q}. Ici cela donne "x0x \geq 0 et x2<1x^2 < 1", ce qui est cohérent : x=0,5x = 0{,}5 vérifie bien x0x\geq 0 et x2=0,25<1x^2 = 0{,}25 < 1, donc l'implication de départ est fausse pour ce xx.

Exercice 9

Parmi les énoncés suivants sur N\mathbb{N}, lequel est vrai ?

Corrigé

A est vraie : pour tout entier nn, il existe un entier plus grand (par exemple p=n+1p=n+1) — c'est la non-majoration de N\mathbb{N}. B affirmerait un entier pp supérieur à tous les entiers, ce qui est impossible (en particulier ppp \leq p). C et D sont fausses pour des raisons analogues.

Exercice 10

Vrai ou faux : la proposition PQP \Leftrightarrow Q est vraie si et seulement si PP et QQ ont la même valeur de vérité.

Corrigé

Vrai. D'après la table de vérité, PQP \Leftrightarrow Q est vraie dans les cas (V,V) et (F,F), c'est-à-dire exactement lorsque PP et QQ ont la même valeur de vérité.

Exercice 11

Énoncer et nier (en justifiant chaque étape) la proposition ε>0, NN, nN, un<ε\forall \varepsilon > 0,\ \exists N \in \mathbb{N},\ \forall n \geq N,\ |u_n - \ell| < \varepsilon (définition de unu_n \to \ell).

Corrigé

Méthode : on parcourt l'énoncé de gauche à droite et on transforme chaque \forall en \exists (et inversement), puis on nie la proposition finale.

ε>0, N, nN, un<ε\overline{\forall \varepsilon>0,\ \exists N,\ \forall n\geq N,\ |u_n-\ell|<\varepsilon}

Étape 1 : ε>0, ()ε>0, ()\overline{\forall \varepsilon>0,\ (\cdots)} \Leftrightarrow \exists \varepsilon>0,\ \overline{(\cdots)}.

Étape 2 : N, ()N, ()\overline{\exists N,\ (\cdots)} \Leftrightarrow \forall N,\ \overline{(\cdots)}.

Étape 3 : nN, ()nN, ()\overline{\forall n\geq N,\ (\cdots)} \Leftrightarrow \exists n\geq N,\ \overline{(\cdots)}.

Étape 4 : la négation de un<ε|u_n-\ell|<\varepsilon est unε|u_n-\ell|\geq \varepsilon.

Conclusion :

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

Cela signifie : "il existe une marge ε\varepsilon que la suite ne respecte jamais durablement" — c'est bien la négation de la convergence vers \ell. \square

Exercice 12

Soient EE un ensemble non vide et R(x,y)R(x,y) une relation sur EE. Vrai ou faux : yE, xE, R(x,y)\exists y \in E,\ \forall x \in E,\ R(x,y) est strictement plus forte que xE, yE, R(x,y)\forall x \in E,\ \exists y \in E,\ R(x,y) (c'est-à-dire que la première implique la seconde, sans réciproque en général).

Corrigé

Vrai. Si un même y0y_0 convient pour tous les xx (énoncé \exists\forall), alors en particulier pour chaque xx il existe (au moins) ce y0y_0 qui convient, ce qui donne l'énoncé \forall\exists. La réciproque est fausse en général, comme le montre l'exemple R(x,y)R(x,y) : "y>xy>x" sur R\mathbb{R} (voir cours, section 7).

Exercice 13

Démontrer que PQP \Rightarrow Q est logiquement équivalente à PQ\overline{P} \vee Q, puis en déduire la formule de négation PQ=PQ\overline{P \Rightarrow Q} = P \wedge \overline{Q}.

Corrigé

Étape 1 — équivalence par table de vérité :

PQPQPPQVVVFVVFFFFFVVVVFFVVV\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline P & Q & P\Rightarrow Q & \overline{P} & \overline{P}\vee Q \\\hline V&V&V&F&V\\V&F&F&F&F\\F&V&V&V&V\\F&F&V&V&V\\\hline\end{array}

Les colonnes PQP\Rightarrow Q et PQ\overline{P}\vee Q sont identiques dans les quatre lignes, donc PQPQP\Rightarrow Q \Leftrightarrow \overline{P}\vee Q.

Étape 2 — négation : en niant les deux membres de cette équivalence et en appliquant la loi de De Morgan AB=AB\overline{A \vee B} = \overline{A}\wedge\overline{B} avec A=PA=\overline{P}, B=QB=Q :

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

ce qui est la formule annoncée. \square

Exercice 14

Soit f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R}. L'énoncé "ff est bornée" se traduit par MR, xR, f(x)M\exists M \in \mathbb{R},\ \forall x \in \mathbb{R},\ |f(x)| \leq M. Quelle est sa négation ?

Corrigé

On échange M\exists M en M\forall M, puis x\forall x en x\exists x, et on nie l'inégalité finale (\leq devient >>) : MR, xR, f(x)>M\forall M \in \mathbb{R},\ \exists x \in \mathbb{R},\ |f(x)| > M. C'est bien la définition d'une fonction non bornée : pour toute borne candidate MM, on trouve un point où ff la dépasse.

Exercice 15

Vrai ou faux : pour montrer qu'une proposition de la forme xE, P(x)\forall x \in E,\ P(x) est fausse, il suffit d'exhiber un seul x0Ex_0 \in E tel que P(x0)P(x_0) soit fausse.

Corrigé

Vrai. C'est le principe du contre-exemple. La négation de xE, P(x)\forall x\in E,\ P(x) est xE, P(x)\exists x\in E,\ \overline{P(x)} : il suffit donc d'exhiber un seul élément x0x_0 qui ne vérifie pas PP pour établir que l'énoncé universel est faux.

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