Introduction `
a la logique
27 ao ˆ
ut 2015
1 Introduction
Qu’est-ce qu’une preuve math´
ematique ? Si l’on se donne des axiomes
de base, que peut-on prouver `
a l’aide de ces axiomes ? Peut-on trouver
un ensemble d’axiomes qui permettent de prouver tous les th´
eor`
emes des
math´
ematiques ? Il est naturel de commencer par la sous-question : Peut-on
trouver un ensemble d’axiomes qui permettent de prouver tous les th´
eor`
e-
mes de l’arithm´
etique. Ceci nous am`
ene `
a d’autres questions de base. Qu’est-
ce qu’un ´
enonc´
e math´
ematique ?
Avant de se mettre `
a d´
efinir ce qu’est un ´
enonc´
e math´
ematique, et par
l`
a, on veut dire un ´
enonc´
e qui a un contenu math´
ematique, on peut s’int´
e-
resser `
a la pure d´
eduction logique : on se donne des ´
enonc´
es (ou proposi-
tions) qui peuvent ˆ
etre, soit justes, soit faux, et on s’int´
eresse `
a´
etablir cette
v´
eracit´
e ou fausset´
e`
a partir de r`
egles de base. Dans le langage courant, nos
´
enonc´
es sont des phrases. `
A partir d’´
enonc´
es de base, on peut consruire
des ´
enonc´
es plus complexes en utilisant les op´
erations (ET), (OU) et
(NON), aussi not´
e¬dans d’autres r´
ef´
erences. `
A partir de ces op´
erations de
base, on pourra d´
efinir d’autres op´
erations comme l’implication, (IM-
PLIQUE), et l’´
equivalence, (´
EQUIVALENT). Cette partie de la logique
s’appelle le calcul propositionnel.
On traitera le calcul propositionnel de deux fac¸ons. D’un cˆ
ot´
e on pourra
utiliser des tables de v´
erit´
e pour v´
erifier si un ´
enonc´
e est une tautologie,
c’est-`
a-dire qu’il est toujours vrai, quelles que soient les valeurs de v´
erit´
e
que l’on donne aux variables propositionnelles. C’est le point de vue eman-
tique. De l’autre cˆ
ot´
e, on se donnera une infinit´
e d’axiomes de base qui se-
ront des tautologies, et on s’int´
eressera `
a l’ensemble des formules que l’on
pourra d´
eduire de ces axiomes en utilisant la r`
egle du modus ponens : ces for-
mules seront appel´
ees th´eor`emes du syst`
eme formel. C’est le point de vue
1
syntaxique. On montrera que les deux points de vue se rejoignent, et que les
tautologies sont exactement les th´
eor`
emes du syst`
eme formel.
Tout cela plafonne tr`
es vite si on ne met pas de contenu math´
ematique
dans ces propositions. Faisons le parall`
ele entre une proposition et une
phrase. La phrase a un sens lorsqu’elle est ´
ecrite dans un langage. Dans un
langage, on a des mots de base et des r`
egles pour les agencer de mani`
ere `
a
faire des phrases. On voudra, de mˆ
eme, d´
efinir un langage math´ematique,
dont les phrases seront appel´
ees formules bien form´ees (abbr´
eviation for-
mules bf), parce que conformes `
a la grammaire du langage. Les ´
el´
ements de
base seront des constantes et des variables et on pourra les combiner en uti-
lisant des symboles de fonctions et de relations, aussi appel´
ees pr´edicats. On
verra qu’une fonction est un cas particulier de pr´
edicat et on parlera donc
de calcul des pr´edicats. On pourra ´
egalement utiliser les quantificateurs : le
quantificateur universel (POUR TOUT), et le quantificateur existentiel
(IL EXISTE). On parle de logique du premier ordre quand les quantificateurs
ne peuvent ˆ
etre appliqu´
es qu’aux variables et pas aux pr´
edicats. Les grands
r´
esultats de la logique concernent la logique du premier ordre.
Comme pr´
ec´
edemment, on traitera le calcul des pr´
edicats de deux points
de vue. Dans le point de vue s´
emantique, on interpr´
etera les symboles du
langages dans des mod`
eles ou interpr´
etations, et on s’int´
eressera aux for-
mules qui seront vraies dans toute interpr´
etation.
Du point de vue syntaxique, on voudra d´
efinir la notion de preuve
dans ce langage. Pour cela on se donnera des axiomes de base qui com-
prennent les axiomes de base du langage propositionnelle et deux r`
egles
de d´
eduction : le modus ponens et la g´en´eralisation. Les formules seront di-
vis´
ees en deux groupes : celles qui contiennent des variables libres, comme
x=2 , et celles dont toutes les variables sont pr´
ec´
ed´
ees d’un quantifica-
teur (ou variables li´ees), comme x(x=0x=1). Dans le deuxi`
eme
cas, il est naturel de se demander si la formule est vraie ou fausse, et ceci
d´
ependra de l’interpr´
etation que l’on fera de la formule. Une formule bf
dont toutes les variables sont li´
ees est un th´
eor`
eme du langage si elle peut
ˆ
etre obtenue `
a partir des axiomes de base et des r`
egles de d´
eduction du lan-
gage. On fera le lien entre les formules qui sont v´
erifi´
ees dans nos mod`
eles
et les th´
eor`
emes de notre langage. Le th´
eor`
eme d’ad´
equation nous dira que
ce sont les mˆ
emes `
a condition de regarder tous les mod`
eles du langage.
On construira ensuite des th´
eories du premier ordre en ajoutant de
nouveaux axiomes qui ne seront vrais que dans certains contextes. Ainsi,
(x)(y)((x=y)(x=y)) est un axiome logique, alors que (x)(y)(x·
2
y=y·x)est vrai dans N, mais pas dans l’ensemble des matrices n×n
`
a coefficients r´
eels. On pourra le prendre comme axiome de la th´
eorie de
l’arithm´
etique.
On ´
etudiera quelques th´
eories du premier ordre. Un pr´
edicat tr`
es im-
portant sera l’´
egalit´
e, pour lequel on introduit des axiomes. Les exemples
de th´
eorie du premier ordre que nous consid´
ererons seront toutes des th´
eo-
ries avec ´
egalit´
e : la th´
eorie des groupes, l’arithm´
etique de Peano, la th´
eorie
des ensembles.
On terminera en ´
enonc¸ant et expliquant le th´
eor`
eme d’incompl´
etude
de G¨
odel qui affirme qu’il est impossible de trouver un syst`
eme complet
d’axiomes pour la th´
eorie de l’arithm´
etique et on expliquera bri`
evement
l’id´
ee de la preuve.
2 Calcul propositionnel informel
Dans ce contexte, on consid`
ere des propositions que l’on notera A, B, C, . . . .
Par exemple, la proposition Apourrait ˆ
etre la proposition 1+1=2. Une
proposition donn´
ee est vraie V(Tdans le livre) ou fausse F. Lorsqu’on veut
mentionner une proposition arbitraire, on utilisera les lettres p, q, r, . . . , de
la mˆ
eme mani`
ere qu’on utilise par exemple la lettre xpour d´
esigner une va-
riable qui peut prendre comme valeur un nombre quelconque. Les lettres
p, q, r, . . . sont appel´
ees variables propositionnelles. Ces variables peuvent
prendre deux valeurs {V, F}appel´
ees valeurs de v´erit´e.
`
A partir de propositions, on peut construire de nouvelles propositions
en it´
erant les r`
egles de construction suivantes :
La n´egation d’une proposition Aest la proposition A. Elle est vraie
si et seulement si Aest fausse.
La conjonction de deux propositions Aet Best la proposition AB
(on lit Aet B). Elle est vraie si et seulement si Aet Bsont simul-
tan´
ement vraies.
La disjonction de deux propositions Aet Best la proposition AB
(on lit Aou B). Elle est vraie si et seulement si au moins une des
propositions Aet Best vraie.
Si Aet Bsont deux propositions, on construit la proposition AB
(on lit Aimplique B, ou encore si A, alors B). Elle est vraie d`
es
que Best vraie ou Aest fausse.
Si Aet Bsont deux propositions, on construit la proposition AB
(on lit A´
equivalent `
aB). Elle est vraie si et seulement si Aet B
sont simultan´
ement vraies et simultan´
ement fausses.
3
Ces nouvelles propositions sont des propositions compos´ees. En appliquant
de mani`
ere it´
erative ces r`
egles `
a des variables propositionnelles, on construi-
ra des formules propositionnelles. On les notera A,B,C, etc.
2.1 Fonctions de v´erit´e et tables de v´erit´e
On peut associer une fonction de v´erit´e `
a une formule construite `
a par-
tir des r`
egles pr´
ec´
edentes. Ces fonctions de v´
erit´
e seront not´
ees respecti-
vement f
,f,f,f,f. La premi`
ere fonction fest une fonction d’une
variable, alors que les autres sont des fonctions de deux variables. Les va-
riables ne peuvent prendre que les deux valeurs Vet F. Donc, on donne les
valeurs de la fonction dans une table, appel´
ee table de v´erit´e.
Table de v´erit´e de f
.
pp
V F
F V
Tables de v´erit´e de f,f,f,f.
p q p q
V V V
V F F
F V F
F F F
p q p q
V V V
V F V
F V V
F F F
p q p q
V V V
V F F
F V V
F F V
p q p q
V V V
V F F
F V F
F F V
D´
EFINITION 2.1 1. Une formule propositionnelle est une tautologie si sa
fonction de v´erit´e ne prend que la valeur V.
2. Une formule propositionnelle est une contradiction si sa fonction de v´erit´e
ne prend que la valeur F.
D´
EFINITION 2.2 1. Si Aet Bsont deux formules propositionnelles, on dit que
Aimplique logiquement Bsi (AB)est une tautologie.
2. Si Aet Bsont deux formules propositionnelles, on dit que Aest logique-
ment ´
equivalent `
aBsi (AB)est une tautologie.
2.2 R`egles de manipulation et de substitution
Elles sont r´
esum´
ees dans le th´
eor`
eme suivant.
TH´
EOR `
EME 2.3 1. Si Aet ABsont des tautologies, alors Best une tau-
tologie.
4
2. Soit Aest une formule propositionnelle dans laquelle des variables propo-
sitionnelles p1, . . . , pnapparaissent et soient A1,...,Andes formules pro-
positionnelles. Si Aest une tautologie, alors la formule propositionnelle B
obtenue de Aen rempla¸cant chaque occurrence de pipar Aiest aussi une
tautologie.
3. Pour toutes formules propositionnelles Aet B,((AB)) est logiquement
´equivalent `a ((A)(B)), et ((AB)) est logiquement ´equivalent `a
((A)(B)).
4. Si B1est une formule propositionnelle obtenue de la formule propositionnelle
A1en substituant la formule propositionnelle B`a quelques occurrences de
Adans A1et si Best logiquement ´equivalent `a A, alors B1est logiquement
´equivalent `a A1.
5. Soit Aune formule propositionnelle ne contenant que les connecteurs ,
et (on dit que Aest restreinte). Soit Ala formule propositionnelle
obtenue de Aen ´echangeant et et en changeant chaque variable propo-
sitionnelle par sa n´egation. Alors, Aest logiquement ´equivalente `a A.
6. Soient A1,...,Andes formules propositionnelles. Alors, (Wn
i=1(Ai)) est
logiquement ´equivalente `a ((Vn
i=1Ai)). Aussi, (Vn
i=1(Ai)) est logique-
ment ´equivalente `a ((Wn
i=1Ai)).
2.3 Formes normales
D´
EFINITION 2.4 Une formule propositionnelle ne contenant que les connecteurs
,et est appel´ee formule propositionnelle restreinte.
TH´
EOR `
EME 2.5 Toute fonction de v´erit´e d´efinie sur un ensemble de nvariables
propositionnelles p1,...,pnest la fonction de v´erit´e f:{V, F}n{V, F}d’une
formule propositionnelle.
TH´
EOR `
EME 2.6 Toute formule propositionnelle contenant des variables proposi-
tionnelles p1,...,pnet qui n’est pas une contradiction est logiquement ´equivalente
`a une formule propositionnelle de la forme (Wm
i=1(Vn
j=1Qij)), o `u chaque Qij est,
soit pj, soit pj. Cette forme est appel´ee forme normale disjonctive.
COROLLAIRE 2.7 Toute formule propositionnelle contenant des variables propo-
sitionnelles p1,...,pnet qui n’est pas une tautologie est logiquement ´equivalente
`a une formule propositionnelle de la forme (Vm
i=1(Wn
j=1Qij)), o `u chaque Qij est,
soit pj, soit pj. Cette forme est appel´ee forme normale conjonctive.
5
1 / 29 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !