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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 , à l'aide de connecteurs logiques :
| Connecteur | Notation | Lecture |
|---|---|---|
| Négation | ou | "il est faux que " |
| Conjonction | | " et " |
| Disjonction | | " ou " (inclusif) |
| Implication | | " implique " |
| Équivalence | | " équivaut à " |
### 2. Tables de vérité
Point clé sur l'implication : n'est fausse que dans le seul cas où est vraie et est fausse. En particulier, si est fausse, est automatiquement vraie, quelle que soit la valeur de (on dit que "le faux implique n'importe quoi").
### 3. Implication, contraposée, réciproque
Pour une implication , on distingue trois énoncés associés :
- Réciproque : (n'a en général pas la même valeur de vérité que ).
- Contraposée : . C'est une proposition logiquement équivalente à (même table de vérité) : .
Exemple : : "", : "". L'implication est vraie. La réciproque est fausse (car vérifie mais pas ). La contraposée "" est vraie, comme attendu puisqu'elle équivaut à .
### 4. Lois de De Morgan et négation des connecteurs
Pour nier une proposition composée, on applique les règles suivantes :
Justification de la dernière règle : est équivalente à (vérifiable par table de vérité). Donc :
Exemple : La négation de "il pleut je prends un parapluie" est "il pleut et je ne prends pas de parapluie" (et non pas "il ne pleut pas je ne prends pas de parapluie", qui est une erreur fréquente).
### 5. Quantificateurs universel et existentiel
- Quantificateur universel : signifie "pour tout élément de , est vraie".
- Quantificateur existentiel : signifie "il existe (au moins) un élément de tel que est vraie".
- On note parfois pour "il existe un unique ".
Exemple : (vraie). (fausse, car aucun réel n'a un carré négatif).
### 6. Négation des propositions quantifiées
La négation échange les quantificateurs et nie la proposition finale :
Exemple : Nier "" donne, en utilisant aussi la négation de l'implication (section 4) :
(c'est vrai : 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
Dans le premier énoncé (), peut dépendre de : pour chaque , on a le droit de choisir un différent. Dans le second (), est choisi une fois pour toutes, avant , et doit convenir simultanément pour tous les . Le second énoncé est plus fort : il implique le premier, mais la réciproque est fausse en général.
Exemple concret : Soit et : "".
- : vraie (pour chaque , on prend ).
- : fausse (aucun réel ne peut être strictement supérieur à tous les réels , en particulier pas à lui-même, ni à ).
Cet exemple montre bien que , 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 :
Exemple : Nier (définition de ) donne :
C'est exactement la méthode systématique utilisée pour nier les définitions - rencontrées en analyse.
Exercices de la leçon
Exercice 1
Quelle est la valeur de vérité de lorsque est fausse ?
Corrigé
D'après la table de vérité de l'implication, n'est fausse que lorsque est vraie et fausse. Dès que est fausse, est vraie, quelle que soit .
Exercice 2
La proposition est :
Corrigé
Une proposition est soit vraie soit fausse : si est vraie, est vraie ; si est fausse, est vraie donc est encore vraie. C'est le principe du tiers exclu.
Exercice 3
Vrai ou faux : la négation de "" est "".
Corrigé
Faux. D'après les lois de De Morgan, (et non ). Par exemple si est vraie et fausse, est fausse donc sa négation est vraie ; or est fausse (car est fausse), alors que est vraie.
Exercice 4
Quelle est la contraposée de l'implication "" (pour ) ?
Corrigé
La contraposée de est . Ici est "" et est "", donc la contraposée est "".
Exercice 5
Comment se lit ?
Corrigé
Le symbole se lit "il existe (au moins un)". L'énoncé affirme l'existence d'un réel dont le carré vaut (par exemple ), sans affirmer l'unicité.
Exercice 6
Quelle est la négation de ?
Corrigé
La négation de est . Ici est "", donc la négation est (qui est d'ailleurs fausse, ce qui confirme que la proposition de départ est vraie).
Exercice 7
Vrai ou faux : implique toujours .
Corrigé
Faux, c'est l'implication réciproque qui est toujours vraie. Contre-exemple : avec : "" sur , est vraie (prendre ) mais est fausse (aucun réel ne majore strictement tous les réels).
Exercice 8
Quelle est la négation de "" ?
Corrigé
La négation de est . Ici cela donne " et ", ce qui est cohérent : vérifie bien et , donc l'implication de départ est fausse pour ce .
Exercice 9
Parmi les énoncés suivants sur , lequel est vrai ?
Corrigé
A est vraie : pour tout entier , il existe un entier plus grand (par exemple ) — c'est la non-majoration de . B affirmerait un entier supérieur à tous les entiers, ce qui est impossible (en particulier ). C et D sont fausses pour des raisons analogues.
Exercice 10
Vrai ou faux : la proposition est vraie si et seulement si et ont la même valeur de vérité.
Corrigé
Vrai. D'après la table de vérité, est vraie dans les cas (V,V) et (F,F), c'est-à-dire exactement lorsque et ont la même valeur de vérité.
Exercice 11
Énoncer et nier (en justifiant chaque étape) la proposition (définition de ).
Corrigé
Méthode : on parcourt l'énoncé de gauche à droite et on transforme chaque en (et inversement), puis on nie la proposition finale.
Étape 1 : .
Étape 2 : .
Étape 3 : .
Étape 4 : la négation de est .
Conclusion :
Cela signifie : "il existe une marge que la suite ne respecte jamais durablement" — c'est bien la négation de la convergence vers .
Exercice 12
Soient un ensemble non vide et une relation sur . Vrai ou faux : est strictement plus forte que (c'est-à-dire que la première implique la seconde, sans réciproque en général).
Corrigé
Vrai. Si un même convient pour tous les (énoncé ), alors en particulier pour chaque il existe (au moins) ce qui convient, ce qui donne l'énoncé . La réciproque est fausse en général, comme le montre l'exemple : "" sur (voir cours, section 7).
Exercice 13
Démontrer que est logiquement équivalente à , puis en déduire la formule de négation .
Corrigé
Étape 1 — équivalence par table de vérité :
Les colonnes et sont identiques dans les quatre lignes, donc .
Étape 2 — négation : en niant les deux membres de cette équivalence et en appliquant la loi de De Morgan avec , :
ce qui est la formule annoncée.
Exercice 14
Soit . L'énoncé " est bornée" se traduit par . Quelle est sa négation ?
Corrigé
On échange en , puis en , et on nie l'inégalité finale ( devient ) : . C'est bien la définition d'une fonction non bornée : pour toute borne candidate , on trouve un point où la dépasse.
Exercice 15
Vrai ou faux : pour montrer qu'une proposition de la forme est fausse, il suffit d'exhiber un seul tel que soit fausse.
Corrigé
Vrai. C'est le principe du contre-exemple. La négation de est : il suffit donc d'exhiber un seul élément qui ne vérifie pas pour établir que l'énoncé universel est faux.
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