Méthodes de raisonnement mathématique
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Méthodes de raisonnement mathématique
### 1. Raisonnement direct
Le raisonnement direct consiste à partir de l'hypothèse et à enchaîner une suite d'implications vraies jusqu'à atteindre la conclusion :
Exemple : Montrer que si est pair, alors est pair. On suppose pair : avec . Alors , qui est bien de la forme , donc est pair.
### 2. Raisonnement par contraposée
Pour montrer , on peut montrer la contraposée , logiquement équivalente (section 3 de la leçon 1). Cette méthode est utile lorsque la négation de donne plus de prise au calcul que lui-même.
Exemple : Montrer que si est pair, alors est pair. On montre la contraposée : si est impair, alors est impair. En effet , qui est impair. Par contraposition, pair pair.
### 3. Raisonnement par l'absurde
Pour montrer qu'une proposition est vraie, on suppose et on en déduit une contradiction (une proposition manifestement fausse, ou deux propositions contradictoires entre elles). On conclut alors que est fausse, donc est vraie.
Exemple classique : Montrer que est irrationnel. Par l'absurde, supposons avec premiers entre eux (fraction irréductible). Alors , donc est pair, donc est pair (section 2) : . En substituant : , soit , donc est pair, donc est pair. Mais alors et sont tous les deux pairs, contredisant le fait qu'ils sont premiers entre eux. Cette contradiction montre que ne peut pas s'écrire comme une fraction : il est irrationnel.
### 4. Raisonnement par disjonction de cas
On découpe l'ensemble des situations possibles en plusieurs cas exhaustifs (qui couvrent toutes les possibilités), et on prouve la proposition dans chaque cas séparément.
Exemple : Montrer que pour tout entier , est pair. Cas 1 : est pair, : alors est pair. Cas 2 : est impair, donc est pair, : alors est pair. Les deux cas étant exhaustifs (tout entier est pair ou impair), la propriété est vraie pour tout .
### 5. Raisonnement par récurrence simple
Pour montrer qu'une propriété est vraie pour tout entier , le principe de récurrence demande de vérifier :
- Initialisation : est vraie.
- Hérédité : .
- Conclusion : par le principe de récurrence, est vraie pour tout .
Exemple complet : Montrer que .
- Initialisation () : et . L'égalité est vraie.
- Hérédité : on suppose vraie, c'est-à-dire (hypothèse de récurrence). Montrons :
ce qui est exactement la formule attendue pour . Donc .
- Conclusion : par récurrence, .
### 6. Récurrence forte (ou double)
La récurrence forte autorise à utiliser, dans l'étape d'hérédité, toutes les hypothèses (et pas seulement ) pour démontrer :
C'est indispensable lorsque l'étape de récurrence a besoin de remonter plus loin que le rang précédent (par exemple pour des suites définies par en fonction de et ).
Exemple : Soit la suite définie par et pour tout . Montrer que pour tout .
- Initialisations (il en faut deux, car la relation relie un terme à ses deux prédécesseurs) : ; .
- Hérédité forte : on suppose pour tout (avec ), et on montre :
- Conclusion : par récurrence forte, pour tout .
### 7. Analyse-synthèse
La méthode d'analyse-synthèse s'utilise pour des problèmes d'existence et d'unicité :
- Analyse : on suppose qu'un objet vérifiant les conditions demandées existe, et on en déduit, par des implications nécessaires, sa forme précise (cela restreint les candidats possibles, mais ne prouve pas encore l'existence).
- Synthèse : on vérifie que le candidat trouvé à l'étape d'analyse satisfait bien toutes les conditions initiales (cela prouve l'existence effective).
Exemple : Montrer que toute fonction s'écrit de manière unique comme somme d'une fonction paire et d'une fonction impaire .
Analyse : si avec paire et impaire, alors en remplaçant par : . On a donc le système et , d'où nécessairement :
Le candidat est donc entièrement déterminé : c'est l'unicité.
Synthèse : on vérifie que ces ainsi définis conviennent. : est bien paire. : est bien impaire. Et : la décomposition est correcte. C'est l'existence.
### 8. Comment choisir sa méthode
| Situation | Méthode recommandée |
|---|---|
| Hypothèse riche, calcul direct possible | Raisonnement direct |
| La négation de la conclusion est plus simple à manipuler | Contraposée |
| Énoncé d'impossibilité ou d'irrationalité | Absurde |
| Plusieurs cas séparés couvrant toutes les possibilités | Disjonction de cas |
| Propriété indexée par | Récurrence (simple ou forte selon la dépendance) |
| Existence ET unicité d'un objet | Analyse-synthèse |
Exercices
Pour montrer par contraposée, que doit-on démontrer ?
Dans une preuve par l'absurde de , que suppose-t-on au départ ?
Quelles sont les deux étapes obligatoires d'une preuve par récurrence simple ?
Vrai ou faux : la méthode d'analyse-synthèse sert à prouver l'existence et l'unicité d'un objet mathématique.
Pour démontrer ", pair ou impair " en distinguant les deux cas, quelle méthode utilise-t-on ?
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