R
EMISE A
N
IVEAU DE
M
ATHEMATIQUES
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COURS
II Méthodes de raisonnement
Nous résumons ici quelques-unes des méthodes les plus fréquemment utilisées en mathématiques.
1.
Raisonnement direct
C’est l’approche la plus courante, où l’on montre que les hypothèses données conduisent à la conclusion.
Exemple :
Montrer que le carré d'un nombre pair est toujours pair
. Si n est un nombre pair, c’est un
multiple de 2 : il existe donc un entier k tel que n=2k. Mais alors n²= (2k)²= 4k², qui est bien pair lui
aussi (puisque c’est un multiple de 4, donc de 2).
2.
Disjonction de cas (ou cas-par-cas)
On distingue plusieurs situations, en donnant un argument adapté à chacune d’entre elles.
Exemple :
Montrer que, pour tout entier n, n.(n+1) est pair.
Si n est pair, alors c’est un multiple de 2 et
donc n.(n+1) aussi. Si n est impair, alors (n+1) est pair, et donc le produit avec n est pair lui aussi.
3.
Raisonnement par contraposée
La contraposée d’une implication P
⇒
Q est l’implication (non Q)
⇒
(non P), et ce sont deux assertions
équivalentes
. Par exemple, la contraposée de l’implication « S’il pleut, alors je reste chez moi » est « si je
sors, c’est qu’il ne pleut pas » - ce sont bien deux formulations différentes de la
même
information.
Exemple :
Montrer que si le carré d'un nombre n est pair, alors n est pair
. La contraposée de cette
implication est : « Si un nombre n n’est pas pair (donc est impair), alors son carré est impair »… ce qui se
montre comme ceci : si n est impair, il existe un entier k tel que n=2k+1 (c’est la définition d’un nombre
impair). Alors, son carré vaut n²=(2k+1)²=4k²+4k+1=2.(2k²+2k)+1, qui est donc bien impair.
4.
Raisonnement par l’absurde
Pour montrer qu’une assertion P est vraie, on suppose que P est faux et on aboutit à une contradiction.
Exemple :
Montrer qu’il n’existe pas de plus petit nombre réel strictement positif.
Supposons qu’un tel
nombre existe : soit x>0 le plus petit des nombres positifs. Si l’on divise par 2, on obtient un nouveau
nombre x/2, qui est toujours positif mais qui est plus petit que x. Cela contredit le fait que x est le plus
petit.
5.
Contre-exemple
Pour montrer qu’une implication P
⇒
Q est fausse, il suffit de trouver un cas où l’hypothèse P est vérifiée,
et pas la conclusion Q : c’est ce qu’on appelle un contre-exemple.
Exemple : Pour montrer que l’implication «
Si x<1, alors x²<1
» est fausse, il suffit de trouver un réel x<1
qui contredit cette assertion. Par exemple, x=-2 vérifie bien x<1, mais son carré vaut x²=4.
6.
Raisonnement par récurrence
Pour montrer qu’une assertion est vraie, par exemple, pour tout entier positif n, il suffit de montrer,
d’une part, qu’elle est vraie pour la première valeur n=1 (
initialisation
), et d’autre part que, si elle est
vérifiée pour la valeur n=k, alors cela entraine qu’elle l’est aussi pour la valeur suivante n=k+1 (
hérédité
).
Cela s’apparente à une réaction en chaîne, comme pour faire chuter une chaîne de dominos : il faut d’une
part faire tomber le premier domino, et d’autre part ne pas avoir de brisure dans la chaîne, c’est-à-dire
que la chute de chaque domino entraine la chute du suivant.
Exemple :
Montrer que, pour tout entier positif n, on a
1+2+…+n=n.(n+1)/2
.
• On commence par vérifier la formule pour n=1 (initialisation) : 1=1(1+1)/2=1.
• On suppose ensuite que la formule est vraie pour n=k, et on essaye de la démontrer pour n=k+1
(hérédité) : on a 1+2+…+k+(k+1) = k.(k+1)/2 + (k+1) puisque la formule est vraie pour n=k, et par ailleurs on
a k.(k+1)/2 + (k+1) = ½(k²+k)+ ½(2k+2)=(k+1)(k+2)/2. On obtient donc bien 1+2+…+k+(k+1)=(k+1)(k+2)/2.
• En conclusion, on a donc montré que, quel que soit l’entier n, on a 1+2+…+n=n.(n+1)/2
.