QUELQUES OUTILS Table des mati`eres 1. Un tout petit peu de

QUELQUES OUTILS
Table des mati`
eres
1. Un tout petit peu de logique 1
1.1. Raisonnements par l’absurde 3
1.2. Raisonnement pas r´ecurrence 4
2. Ensembles 5
3. Ensembles de nombres 6
3.1. Rappels 6
3.2. Sous-ensembles de R7
4. Operations avec les ensembles 7
5. Applications entre ensembles 8
6. Exercices 11
6.1. Nombres 11
6.2. Ensembles 11
6.3. Applications 14
6.4. Injectivit´e et surjectivit´e 16
6.5. Raisonnement par r´ecurrence 19
1. Un tout petit peu de logique
On va tout d’abord fixer un peu de notation et de langage math´ematique de base, qui
nous permettra de bien presenter les sujets.
le symbole veut dire “pour tout” ou bien “quelque soit
le symbole veut dire “il existe
le symbole ! veut dire “il existe un unique
souvent on utilisera le symbole : pour dire “tel que
si Pet Qsont deux propositions, alors l’´ecriture P ⇒ Q veut dire “Pimplique Q”,
c’est-`a-dire
si Pest vraie, alors forcement Qest vraie aussi
si Pet Qsont deux propositions, alors l’´ecriture P ⇔ Q veut dire “Pest ´equivalente
`a Q”, c’est-`a-dire
Pest vraie si et seulement si Qest vraie
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2 QUELQUES OUTILS
Dans les exemples qui suivent, on utilisera Npour noter l’ensemble des nombres naturels
(voir Section 3).
Exemple 1.1 (Formaliser une proposition).Par exemple, essayons de formaliser en math´ematiques
la proposition suivante
P= “ il existe un nombre naturel qui est plus grand que tous les autres00
C¸ a s’´ecrit de la fa¸con suivante
P= “MN:nNnM00
Bien entendu, cette proposition est fausse (voir ci-dessous).
Exemple 1.2 (Nier une proposition).On revient sur la proposition Pde l’exemple pr´ec´edent.
On veut montrer que Pest fausse. Pour ¸ca, il faudra montrer que le contraire de Pest
vrai. Donc il faudra nier Pet apr`es montrer que c’est bien cette nouvelle proposition –
que l’on notera non P– qui est vraie. On commence par nier P:
non P= “MN,nN:M < n00.
Une fois qu’on a formalis´e la n´egation de P, on peut montrer qu’elle est vraie. Soit MN,
on prend n=M+ 1 qui est bien encore dans Net qui est tel que M < n. Ceci montre que
non Pest vraie et par consequent que P´etait fausse.
L’exemple pr´ec´edent nous donne un aper¸cu de comme faire pour nier une proposition.
Par exemple, on note ci-dessous deux r´egles principales pour prendre la n´egation d’une
proposition P:
devient ;
devient
Exemple 1.3 (Implication).Soient Pet Qles deux propositions suivantes
P= “ma voiture est une Ferrari00
et
Q= “ma voiture est italienne00.
On a que Pimplique Q, donc on ´ecrira P ⇒ Q. Bien sˆur, le contraire n’est pas vrai,
autrement dit Qn’implique pas P.
Exemple 1.4 (Double implication).Soient Pet Qles deux propositions suivantes
P= “un carr´e a aire 100
et
Q= “un carr´e a cˆot´es de longueur 100.
Cette fois ici on pourra vraiment utiliser le symbole P ⇔ Q, grˆace `a la formule qui donne
l’aire d’un carr´e. Et si au lieu d’un carr´e on consid`ere un rectangle ?
Memento. Faites toujours attention `a utiliser le symbole de double implication “” dans
la mani`ere correcte.
QUELQUES OUTILS 3
Exemple 1.5 (Un erreur typique).On donne l’exemple d’un erreur typique dans l’utili-
sation du symbole “”. Supposons qu’on doit resoudre l’exercice suivant (tr`es simple) :
trouver toute solution xde
x2= 1.
Il peut arriver qu’on ´etudiant un peu distrait ait envie d’´ecrire
x2= 1 x= 100
et d’en conclure que x= 1 est la seule solution, mais ceci n’est pas correct ! Dans ce
cas, la seule implication qui est vraie est la suivante
x= 1 x2= 100,
qui ne permet pas de conclure l’exercice (on a perdu la solution x=1 dans cette mani`ere).
On termine avec encore un peu de notation : on utilisera la barre “/” pour nier un
symbole. Par exemple
6 ∃ veut dire “il n’existe pas”
6⇒ veut dire “n’implique pas”
On verra des autres exemples prochainement.
1.1. Raisonnements par l’absurde. Il s’agit d’une methode de raisonnement qui est
souvent utile pour montrer l’implication P ⇒ Q. Il consiste a supposer que Psoit vraie
et que Qsoit fausse, au fin d’arriver `a trouver une contradiction. On va faire quelques
exemples.
Exemple 1.6. Si le carr´e d’un nombre entier est pair, alors le nombre lui mˆeme est pair.
Autrement dit
(1.1) “nN, n2pair npair00.
On va raisonner par l’absurde, en supposant qu’il existe n0Ntel que n2
0est pair et
pourtant n0ne l’est pas. Par hypoth`ese, on a donc que n0est impair, c-`a-d il existe kN
tel que
n0= 2 k+ 1.
Cela implique ´evidemment
n2
0= (2 k+ 1)2= 4 k2+ 4 k+ 1 = 2 (2 k+ 2) + 1 = 2 m+ 1,
o`u on a d´efinit m= 2 k+ 2. Mais l’identit´e precedente veux dire que n2
0est impair, ce qui
donne une contradiction.
L’implication (1.1) est donc vraie.
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1.2. Raisonnement pas r´ecurrence. Souvent il peut nous arriver d’avoir `a montrer que
certaines propositions P(n) qui d´ependent d’un indice nN, sont vraies pour tout nn0.
Exemple 1.7. Montrer que pour tout nN\ {0}on a
n
X
k=1
k=n(n+ 1)
2.
Ici le symbole Pn
k=1 veut dire “somme sur kqui va de 1`a n” et donc en g´en´eral
n
X
k=1
ak=a1+a2+a3+··· +an.
Dans ce cas, le raissonnement par r´ecurrence est un outil essentiel pour d´emontrer ce
qu’on veut. Il consiste de deux ´etapes :
Initialisation. On montre que la proposition P(n) est vraie pour le premier naturel n0,
i.e. on montre que P(n0) est v´erifi´ee.
H´
er´
edit´
e. On montre que
P(n)⇒ P(n+ 1).
Autrement dit, dans cette deuxi`eme ´etape, il faut montrer que si la proposition est vraie
pour un certain n, alors forcement ¸ca implique qu’elle est vraie aussi pour le naturel successif
n+ 1.
Si on arrive `a v´erifier ces deux ´etapes, alors en utilisant la structure des nombres naturels,
on peut en conclure que P(n) est bien vraie pour tout nn0.
Exemple 1.8. Au fine de montrer que pour tout nN\ {0}on a
(1.2)
n
X
k=1
k=n(n+ 1)
2,
on utilise un raisonnement par r´ecurrence.
1. Initialisation. Pour n= 1, l’identit´e (1.2) est vraie, car
1
X
k=1
k=1=1 (1 + 1)
2.
2. H´
er´
edit´
e. On va supposer que (1.2) soit vrai pour un certain nN, i.e. que
n
X
k=1
k=n(n+ 1)
2.
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Il faut montrer que cette hypoth`ese implique (1.2) pour n+ 1 aussi. En utilisant notre
hypoth`ese, on a donc
n+1
X
k=1
k=
n
X
k=1
k+ (n+ 1) = n(n+ 1)
2+ (n+ 1)
=(n+ 1) (n+ 2)
2,
qui montre (1.2) pour n+ 1.
2. Ensembles
Soit Aun ensemble, on utilisera la notation
xA,
pour dire que l’element xappartient `a A. De fa¸con similaire on utilisera la notation
x6∈ A,
pour dire le contraire, c’est-`a-dire l’element xn’appartient pas `a A. Soit Bun autre en-
semble, on dira que Best un sous-ensemble de A(ou aussi une partie de A) si pour tout
xB, on a xAaussi. Autrement dit, tout element de Best contenu dans A, c’est-`a-dire
bB, on a bA.
Dans ce cas, on ´ecrira
BA.
Par consequent, on aura que deux ensembles A, B sont ´egaux si et seulement si
BAet AB.
Dans ce cas on utiliser la notation A=B. Au contraire, l’ecriture B6⊂ Aveut dire que B
n’est pas un sous-ensemble de A, i.e. en formule
bB:b6∈ A.
Avec le symbole on denotera l’ensemble vide, c’est-`a-dire l’ensemble qui ne contient pas
d’elements. ´
Evidemment, on a toujours
∅ ⊂ A,
et on va indiquer P(A) l’ensemble des parties de A, c’est-`a-dire
P(A) = {B:BA}.
Exemple 2.1. Soit A={a, b, c}, alors on a
P(A) = {∅,{a},{b},{c},{a, b},{a, c},{b, c},{a, b, c}}.
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