Licence 1Algèbre

Méthodes de raisonnement mathématique

50 min15 exercicesSéquence 3.3Licence 1

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Durée : 50 min

Méthodes de raisonnement mathématique

### 1. Raisonnement direct

Le raisonnement direct consiste à partir de l'hypothèse PP et à enchaîner une suite d'implications vraies jusqu'à atteindre la conclusion QQ :

PP1P2QP \Rightarrow P_1 \Rightarrow P_2 \Rightarrow \cdots \Rightarrow Q

Exemple : Montrer que si nn est pair, alors n2n^2 est pair. On suppose nn pair : n=2kn = 2k avec kZk \in \mathbb{Z}. Alors n2=4k2=2(2k2)n^2 = 4k^2 = 2(2k^2), qui est bien de la forme 2×entier2 \times \text{entier}, donc n2n^2 est pair.

### 2. Raisonnement par contraposée

Pour montrer PQP \Rightarrow Q, on peut montrer la contraposée QP\overline{Q} \Rightarrow \overline{P}, logiquement équivalente (section 3 de la leçon 1). Cette méthode est utile lorsque la négation de QQ donne plus de prise au calcul que PP lui-même.

Exemple : Montrer que si n2n^2 est pair, alors nn est pair. On montre la contraposée : si nn est impair, alors n2n^2 est impair. En effet n=2k+1n2=4k2+4k+1=2(2k2+2k)+1n = 2k+1 \Rightarrow n^2 = 4k^2+4k+1 = 2(2k^2+2k)+1, qui est impair. Par contraposition, n2n^2 pair n\Rightarrow n pair.

### 3. Raisonnement par l'absurde

Pour montrer qu'une proposition PP est vraie, on suppose P\overline{P} et on en déduit une contradiction (une proposition manifestement fausse, ou deux propositions contradictoires entre elles). On conclut alors que P\overline{P} est fausse, donc PP est vraie.

Exemple classique : Montrer que 2\sqrt{2} est irrationnel. Par l'absurde, supposons 2=p/q\sqrt{2} = p/q avec p,qNp, q \in \mathbb{N}^* premiers entre eux (fraction irréductible). Alors p2=2q2p^2 = 2q^2, donc p2p^2 est pair, donc pp est pair (section 2) : p=2kp = 2k. En substituant : 4k2=2q24k^2 = 2q^2, soit q2=2k2q^2 = 2k^2, donc q2q^2 est pair, donc qq est pair. Mais alors pp et qq sont tous les deux pairs, contredisant le fait qu'ils sont premiers entre eux. Cette contradiction montre que 2\sqrt{2} ne peut pas s'écrire comme une fraction : il est irrationnel. \square

### 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 nn, n(n+1)n(n+1) est pair. Cas 1 : nn est pair, n=2kn=2k : alors n(n+1)=2k(n+1)n(n+1) = 2k(n+1) est pair. Cas 2 : nn est impair, donc n+1n+1 est pair, n+1=2kn+1=2k : alors n(n+1)=2knn(n+1) = 2kn est pair. Les deux cas étant exhaustifs (tout entier est pair ou impair), la propriété est vraie pour tout nn.

### 5. Raisonnement par récurrence simple

Pour montrer qu'une propriété P(n)P(n) est vraie pour tout entier nn0n \geq n_0, le principe de récurrence demande de vérifier :

- Initialisation : P(n0)P(n_0) est vraie.
- Hérédité : nn0, P(n)P(n+1)\forall n \geq n_0,\ P(n) \Rightarrow P(n+1).
- Conclusion : par le principe de récurrence, P(n)P(n) est vraie pour tout nn0n \geq n_0.

Exemple complet : Montrer que nN, k=0nk=n(n+1)2\forall n \in \mathbb{N},\ \displaystyle\sum_{k=0}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2}.

- Initialisation (n=0n=0) : k=00k=0\sum_{k=0}^{0} k = 0 et 0×12=0\frac{0 \times 1}{2} = 0. L'égalité est vraie.
- Hérédité : on suppose P(n)P(n) vraie, c'est-à-dire k=0nk=n(n+1)2\sum_{k=0}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2} (hypothèse de récurrence). Montrons P(n+1)P(n+1) :

k=0n+1k=k=0nk+(n+1)=n(n+1)2+(n+1)=(n+1)(n2+1)=(n+1)(n+2)2\sum_{k=0}^{n+1} k = \sum_{k=0}^{n} k + (n+1) = \frac{n(n+1)}{2} + (n+1) = (n+1)\left(\frac{n}{2}+1\right) = \frac{(n+1)(n+2)}{2}

ce qui est exactement la formule attendue pour n+1n+1. Donc P(n)P(n+1)P(n) \Rightarrow P(n+1).
- Conclusion : par récurrence, nN, k=0nk=n(n+1)2\forall n \in \mathbb{N},\ \sum_{k=0}^n k = \frac{n(n+1)}{2}. \square

### 6. Récurrence forte (ou double)

La récurrence forte autorise à utiliser, dans l'étape d'hérédité, toutes les hypothèses P(n0),P(n0+1),,P(n)P(n_0), P(n_0+1), \ldots, P(n) (et pas seulement P(n)P(n)) pour démontrer P(n+1)P(n+1) :

(P(n0)P(n0+1)P(n))P(n+1)\big(P(n_0) \wedge P(n_0+1) \wedge \cdots \wedge P(n)\big) \Rightarrow P(n+1)

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 un+1u_{n+1} en fonction de unu_n et un1u_{n-1}).

Exemple : Soit la suite définie par u0=1,u1=1u_0=1, u_1=1 et un+2=un+1+unu_{n+2} = u_{n+1}+u_n pour tout nn. Montrer que un2nu_n \leq 2^n pour tout n0n \geq 0.

- Initialisations (il en faut deux, car la relation relie un terme à ses deux prédécesseurs) : u0=120=1u_0=1\leq 2^0=1 ; u1=121=2u_1=1\leq 2^1=2.
- Hérédité forte : on suppose uk2ku_k \leq 2^k pour tout kn+1k \leq n+1 (avec n0n\geq 0), et on montre un+22n+2u_{n+2}\leq 2^{n+2} :

un+2=un+1+un2n+1+2n2n+1+2n+1=2n+2u_{n+2} = u_{n+1}+u_n \leq 2^{n+1}+2^n \leq 2^{n+1}+2^{n+1} = 2^{n+2}

- Conclusion : par récurrence forte, un2nu_n \leq 2^n pour tout n0n \geq 0. \square

### 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 f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} s'écrit de manière unique comme somme d'une fonction paire gg et d'une fonction impaire hh.

Analyse : si f=g+hf = g+h avec gg paire et hh impaire, alors en remplaçant xx par x-x : f(x)=g(x)+h(x)=g(x)h(x)f(-x) = g(-x)+h(-x) = g(x)-h(x). On a donc le système f(x)=g(x)+h(x)f(x)=g(x)+h(x) et f(x)=g(x)h(x)f(-x)=g(x)-h(x), d'où nécessairement :

g(x)=f(x)+f(x)2h(x)=f(x)f(x)2g(x) = \frac{f(x)+f(-x)}{2} \qquad h(x) = \frac{f(x)-f(-x)}{2}

Le candidat est donc entièrement déterminé : c'est l'unicité.

Synthèse : on vérifie que ces g,hg, h ainsi définis conviennent. g(x)=f(x)+f(x)2=g(x)g(-x) = \frac{f(-x)+f(x)}{2} = g(x) : gg est bien paire. h(x)=f(x)f(x)2=h(x)h(-x) = \frac{f(-x)-f(x)}{2} = -h(x) : hh est bien impaire. Et g(x)+h(x)=f(x)+f(x)2+f(x)f(x)2=f(x)g(x)+h(x) = \frac{f(x)+f(-x)}{2}+\frac{f(x)-f(-x)}{2} = f(x) : la décomposition est correcte. C'est l'existence. \square

### 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 N\mathbb{N} | Récurrence (simple ou forte selon la dépendance) |
| Existence ET unicité d'un objet | Analyse-synthèse |

Exercices

Pour montrer PQP \Rightarrow Q par contraposée, que doit-on démontrer ?

Dans une preuve par l'absurde de PP, 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 "nN\forall n \in \mathbb{N}, nn pair ou nn impair \Rightarrow \ldots" en distinguant les deux cas, quelle méthode utilise-t-on ?

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