Ce cours de logique mathématique pour la 1ère Bac Sc Ex présente les propositions, les quantificateurs, l’implication, l’équivalence et les types de raisonnement, avec exercices corrigés. Retrouvez les autres leçons dans la catégorie 1Bac Sc Ex.
Cours de logique mathématique 1ère Bac
Logique mathématique
Propositions, quantificateurs, connecteurs et types de raisonnements — cours complet et exercices corrigés.
à maîtriser
1La proposition et sa valeur de vérité
1.1 Valeur de vérité
La valeur de vérité d’une proposition indique si elle est vraie ou fausse :
- si la proposition est vraie, on note V (ou 1) ;
- si la proposition est fausse, on note F (ou 0).
| Proposition P | Valeur de vérité |
|---|---|
| « 2 est un nombre pair » | V (1) |
| « 2 + 3 = 6 » | F (0) |
| « ABCD est un parallélogramme ⇒ ses diagonales se coupent en leur milieu » | V (1) |
2Fonction propositionnelle
- Pour x = 2 : « 2² = 2 » est faux.
- Pour x = 1 : « 1² = 1 » est vrai.
- Pour x = 2 et y = 5 : vrai.
- Pour x = −3 et y = 1 : vrai (c’est l’inégalité triangulaire, toujours vraie).
3Les quantificateurs
3.1 Le quantificateur universel ∀
Exemples :
- ∀ x ∈ ℝ : √(x²) = |x| (vrai).
- ∀ x ∈ ℝ, ∀ y ∈ ℝ : |x + y| ≤ |x| + |y| (vrai).
3.2 Le quantificateur existentiel ∃
Exemples :
- ∃ x ∈ ℝ : x + 4 ≤ 3 (prendre x = −2 par exemple).
- ∃ a, b, c ∈ ℝ : a³ + b³ = c² (prendre a = 1, b = 2, c = 3).
3.3 Le symbole ∃! (unicité)
Exemple : ∃! x ∈ ℝ : x + 4 = 3 (la solution x = −1 est unique).
3.4 Ordre et négation des quantificateurs
- L’ordre de quantificateurs identiques ne change pas le sens :
∀x ∈ E, ∀y ∈ E, P(x,y) ≡ ∀y ∈ E, ∀x ∈ E, P(x,y). - L’ordre de quantificateurs différents change le sens :
∀x ∈ E, ∃y ∈ E : P(x,y) ≠ ∃y ∈ E, ∀x ∈ E : P(x,y). - Négation de ∀ : ¬(∀x ∈ E, P(x)) ≡ ∃x ∈ E, ¬P(x).
- Négation de ∃ : ¬(∃x ∈ E, P(x)) ≡ ∀x ∈ E, ¬P(x).
4La négation d’une proposition
| P | ¬P |
|---|---|
| V | F |
| F | V |
- P : « 2 est un nombre pair » → ¬P : « 2 est un nombre impair ».
- P : « x ≥ 3 » → ¬P : « x < 3 ».
- P : « x = 5 » → ¬P : « x ≠ 5 ».
5Conjonction ∧ et disjonction ∨
5.1 La conjonction « ET »
| P | Q | P ∧ Q |
|---|---|---|
| V | V | V |
| V | F | F |
| F | V | F |
| F | F | F |
5.2 La disjonction « OU »
| P | Q | P ∨ Q |
|---|---|---|
| V | V | V |
| V | F | V |
| F | V | V |
| F | F | F |
5.3 Propriétés de ∧ et ∨
- Commutativité : P ∧ Q ≡ Q ∧ P ; P ∨ Q ≡ Q ∨ P.
- Associativité : (P ∧ Q) ∧ R ≡ P ∧ (Q ∧ R) ; idem avec ∨.
- Idempotence : P ∧ P ≡ P ; P ∨ P ≡ P.
- Distributivité : P ∧ (Q ∨ R) ≡ (P ∧ Q) ∨ (P ∧ R) ;
P ∨ (Q ∧ R) ≡ (P ∨ Q) ∧ (P ∨ R).
Teste toi-même : choisis les valeurs de P et Q, et observe les résultats des connecteurs.
6L’implication ⇒
| P | Q | P ⇒ Q |
|---|---|---|
| V | V | V |
| V | F | F |
| F | V | V |
| F | F | V |
- P s’appelle l’hypothèse (les données) ;
- Q s’appelle la conclusion.
- (2 est pair) ⇒ (2 + 3 = 6) est fausse (V ⇒ F).
- (2 + 3 = 6) ⇒ (2 est pair) est vraie (F ⇒ V).
- Transitivité : [(P ⇒ Q) ∧ (Q ⇒ R)] ⇒ (P ⇒ R).
- Négation de l’implication : ¬(P ⇒ Q) ≡ P ∧ ¬Q.
- Contraposée : (P ⇒ Q) ≡ (¬Q ⇒ ¬P).
7L’équivalence ⇔
| P | Q | P ⇔ Q |
|---|---|---|
| V | V | V |
| V | F | F |
| F | V | F |
| F | F | V |
- Symétrie : (P ⇔ Q) ≡ (Q ⇔ P).
- Négation : (P ⇔ Q) ≡ (¬P ⇔ ¬Q).
- Transitivité : [(P ⇔ Q) ∧ (Q ⇔ R)] ⇒ (P ⇔ R).
8Lois logiques et lois de Morgan
- On utilise (P ⇒ Q) ≡ (¬P ∨ Q) :
(P ∧ Q) ⇒ P ≡ ¬(P ∧ Q) ∨ P. - Loi de Morgan : ¬(P ∧ Q) ≡ ¬P ∨ ¬Q.
- Donc (P ∧ Q) ⇒ P ≡ ¬P ∨ ¬Q ∨ P.
- Comme ¬P ∨ P est toujours vraie, l’expression entière est toujours vraie.
- Tiers exclu : P ∨ ¬P (toujours vraie).
- Contradiction : P ∧ ¬P (toujours fausse).
- Absorption : P ∧ (P ∨ Q) ≡ P.
9Les types de raisonnements
9.1 Raisonnement par contre-exemple
9.2 Raisonnement par équivalences successives
9.3 Raisonnement déductif
9.4 Raisonnement par contraposée
On démontre la contraposée : x² − 4x = y² − 4y ⇒ x = y.
9.5 Raisonnement par disjonction des cas
- Cas 1 : x ≤ −1. Alors |x + 1| = −(x + 1). L’équation devient −x − 1 + 2x = 0, d’où x = 1, mais 1 ∉ ]−∞, −1]. Donc S₁ = ∅.
- Cas 2 : x ≥ −1. Alors |x + 1| = x + 1. L’équation devient 3x + 1 = 0, d’où x = −1/3 ∈ [−1, +∞[. Donc S₂ = {−1/3}.
9.6 Raisonnement par l’absurde
Supposons que s = r + i soit rationnel. Alors i = s − r est la différence de deux rationnels, donc rationnel — contradiction avec le fait que i est irrationnel. Donc s est irrationnel.
9.7 Raisonnement par récurrence
- Initialisation : on vérifie que P(n₀) est vraie.
- Hérédité : on suppose P(n) vraie pour un certain n ≥ n₀ (hypothèse de récurrence), et on montre que P(n + 1) est vraie.
- Conclusion : P(n) est vraie pour tout n ≥ n₀.
- Initialisation : pour n = 0, 0³ − 0 = 0 = 3 × 0, donc 3 | 0³ − 0. Vrai.
- Hérédité : supposons 3 | n³ − n, c’est-à-dire n³ − n = 3k pour un certain k ∈ ℕ.
(n + 1)³ − (n + 1) = n³ + 3n² + 3n + 1 − n − 1 = (n³ − n) + 3(n² + n) = 3k + 3(n² + n) = 3(k + n² + n).
Donc 3 | (n + 1)³ − (n + 1). - Conclusion : ∀n ∈ ℕ, 3 | n³ − n.
10Les symboles Σ et ∏
10.1 Le symbole somme Σ
- 2 + 4 + 6 + … + 2n = n∑i=1 2i
- 1 + 3 + 5 + … + (2n + 1) = n∑i=0 (2i + 1)
- n∑j=0 (aj + bj) = n∑j=0 aj + n∑j=0 bj
- n∑j=1 (aj + c) = n∑j=1 aj + nc (car il y a n termes)
10.2 Le symbole produit ∏
- n∏j=1 j = 1 × 2 × 3 × … × n = n! (factorielle).
- n∏j=1 (c aj) = cn × n∏j=1 aj.
11Les lettres grecques usuelles
En mathématiques, on utilise souvent les lettres grecques. Voici les principales :
12Exercices corrigés
Cherche d’abord seul(e), puis ouvre la solution pour vérifier.
Parmi les énoncés suivants, lesquels sont des propositions ? Donner leur valeur de vérité.
(a) « 2 + 2 = 4 » (b) « x + 1 = 3 » (c) « 5 est un nombre premier » (d) « 7 < 3 » (e) « Bonjour ! »
Voir la solution
(a) Proposition — V.
(b) Pas une proposition (variable libre, dépend de x).
(c) Proposition — V.
(d) Proposition — F.
(e) Pas une proposition (ce n’est pas un énoncé mathématique).
Écrire avec des quantificateurs, puis nier : (a) « Tout réel a un carré positif ou nul ». (b) « Il existe un entier naturel plus grand que 100 ».
Voir la solution
(a) ∀x ∈ ℝ, x² ≥ 0. Négation : ∃x ∈ ℝ, x² < 0.
(b) ∃n ∈ ℕ, n > 100. Négation : ∀n ∈ ℕ, n ≤ 100.
Dresser la table de vérité de la proposition ¬(P ∧ Q) puis de ¬P ∨ ¬Q. Que remarque-t-on ?
Voir la solution
| P | Q | P∧Q | ¬(P∧Q) | ¬P | ¬Q | ¬P∨¬Q |
|---|---|---|---|---|---|---|
| V | V | V | F | F | F | F |
| V | F | F | V | F | V | V |
| F | V | F | V | V | F | V |
| F | F | F | V | V | V | V |
On remarque que les colonnes ¬(P ∧ Q) et ¬P ∨ ¬Q sont identiques : c’est la première loi de Morgan.
Montrer que (P ⇒ Q) ≡ (¬P ∨ Q) à l’aide d’une table de vérité.
Voir la solution
| P | Q | P⇒Q | ¬P | ¬P∨Q |
|---|---|---|---|---|
| V | V | V | F | V |
| V | F | F | F | F |
| F | V | V | V | V |
| F | F | V | V | V |
Les colonnes sont identiques, donc (P ⇒ Q) ≡ (¬P ∨ Q).
Montrer que ∀x, y ∈ ]2, +∞[, x ≠ y ⇒ x² − 4x ≠ y² − 4y (on utilisera la contraposée).
Voir la solution
On démontre la contraposée : x² − 4x = y² − 4y ⇒ x = y.
En ajoutant 4 de chaque côté : x² − 4x + 4 = y² − 4y + 4, soit (x − 2)² = (y − 2)².
Donc x − 2 = y − 2 ou x − 2 = −(y − 2).
Le second cas donne x + y = 4, impossible car x > 2 et y > 2 donc x + y > 4. Donc x = y.
Par contraposée, on a bien montré l’implication demandée.
Montrer que √2 est irrationnel (raisonnement par l’absurde).
Voir la solution
Supposons √2 rationnel : √2 = p/q avec p, q ∈ ℕ* et p/q irréductible.
Alors 2 = p²/q², donc p² = 2q². Donc p² est pair, donc p est pair : p = 2k.
En reportant : 4k² = 2q², donc q² = 2k². Donc q² est pair, donc q est pair.
Ainsi p et q sont tous deux pairs, ce qui contredit l’hypothèse p/q irréductible.
Conclusion : √2 est irrationnel.
Montrer que ∀n ∈ ℕ* : 1 + 2 + … + n = n(n + 1)2.
Voir la solution
Initialisation : pour n = 1, 1 = 1 × 2 / 2 = 1. Vrai.
Hérédité : supposons que 1 + 2 + … + n = n(n + 1)/2 pour un certain n ≥ 1.
Alors 1 + 2 + … + n + (n + 1) = n(n + 1)/2 + (n + 1) = (n + 1)(n + 2)/2.
C’est bien la formule au rang n + 1.
Conclusion : la formule est vraie pour tout n ≥ 1.
Calculer 5∑i=1 i² et 3∑k=0 (2k + 1).
Voir la solution
5∑i=1 i² = 1² + 2² + 3² + 4² + 5² = 1 + 4 + 9 + 16 + 25 = 55.
3∑k=0 (2k + 1) = 1 + 3 + 5 + 7 = 16.
★Fiche résumé à retenir
- Proposition : énoncé mathématique vrai ou faux (pas les deux).
- Quantificateurs : ∀ (pour tout), ∃ (il existe), ∃! (unique).
- Négation d’un quantificateur : ¬∀ = ∃, ¬∃ = ∀.
- ∧ (ET) : vraie ssi les deux sont vraies. ∨ (OU) : fausse ssi les deux sont fausses.
- ⇒ : fausse ssi P est vraie et Q est fausse. ⇔ : vraie ssi P et Q ont même valeur de vérité.
- Lois de Morgan : ¬(P ∧ Q) ≡ ¬P ∨ ¬Q ; ¬(P ∨ Q) ≡ ¬P ∧ ¬Q.
- Contraposée : (P ⇒ Q) ≡ (¬Q ⇒ ¬P).
- Récurrence : initialisation + hérédité + conclusion.