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Cours d"analyse 1
Licence 1er semestre
Guy Laffaille
Christian Pauly
janvier 2006 2Table des mati`eres
1 Les nombres r´eels et complexes 5
1.1 Nombres rationnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.2 Nombres r´eels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.3 Densit´e des rationnels et irrationnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.4 Nombres complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.5 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2 Logique et langage des ensembles 15
2.1 Propositions et op´erateurs logiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.2 Quantificateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
2.3 Techniques de d´emonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2.3.1 R´ecurrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2.3.2 Contrapos´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2.3.3 D´emonstration par l"absurde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
2.4 Langage des ensembles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
2.5 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
3 Suites r´eelles et complexes 21
3.1 Limite d"une suite r´eelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3.2 Propri´et´es de la limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
3.3 Suites adjacentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
3.4 Comparaison de suites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
3.5 Suites complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
3.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
4 Fonctions d"une variable r´eelle 39
4.1 Limite et continuit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
4.2 Propri´et´es de la limite d"une fonction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
4.3 Propri´et´es des fonctions continues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
4.4 Fonctions d´erivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
4.5 Propri´et´es des fonctions d´erivables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
4.6 Application aux suites r´eelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
4.7 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
5 D´eveloppements limit´es 55
5.1 Comparaison de fonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
5.2 Formules de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
5.3 Calcul de d´eveloppements limit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
5.4 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
34TABLE DES MATI`ERES6 Fonctions classiques 63
6.1 Fonctions bijectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
6.2 Logarithme et exponentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
6.3 D´eveloppements limit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
6.4 Fonctions trigonom´etriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
7 Corrig´e des exercices 69
Remerciements.
Merci `a Thierry Mignon, Vladimir Verchinin, Julien Munier, Denis Trotabas et Daniel Maerten pour les exercices de TD. Merci `a Michele Bolognesi pour la r´edaction de quelques corrig´es d"exercices. Merci `a Ivan Babenko pour la preuve de l"irrationnalit´e du nombre d"Euler.Chapitre 1
Les nombres r´eels et complexes
1.1 Nombres rationnels
On d´esigne parNl"ensemble des entiers naturelsN={0,1,2,3,...}.
Comme chaque entier naturelnadmet un successeurn+ 1, on se convainc sans peine queNest un ensemble infini. On noteN?l"ensembleN\{0}, c"est-`a-dire l"ensemble des entiers naturels non nuls. ´Etant donn´e deux entiers naturelsxetyon sait d´efinir les nombres x+y,x-y,x·yetxy ,siy?= 0.On remarque que l"addition et la multiplication sont des op´erations qui ont leur r´esultat dansN.
Par contre le r´esultat d"une soustraction ou d"une division n"est pas toujours un entier naturel.
On cr´ee ainsi de nouveaux nombres
Z={...,-3,-2,-1,0,1,2,3,...},
l"ensemble des entiers relatifs - on noteraZ?=Z\ {0}- et Q=?ab |a?Zetb?Z?? l"ensemble des nombres rationnels dans lequel on identifie la fraction ab aveca·nb·npour touta?Z etb,n?Z?.On a bien entendu les inclusions suivantes
N?Z?Qet les quatre op´erations ´el´ementaires +,-,·et/peuvent s"´etendre `a l"ensembleQdes nombres
rationnels. Les Grecs classiques ont cru longtemps que toutes les quantit´es s"exprimaient par des nombres rationnels. Ils se sont aper¸cu que ce n"est pas toujours le cas. En effet on peut construire des nombres qui ne sont pas rationnels. Consid´erons par exemple un triangleABCrectangle enA56CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXESABC
b caSi on noteala longueur du segmentBC,bcelle deCAetccelle deAB, alors le th´eor`eme dePythagore dit qu"on a la relation
a2=b2+c2.
Ainsi on obtient que la longueur de la diagonale d"un carr´e de cˆot´eb=c= 1 est ´egale `aa=⎷2.
Proposition 1.1.1Le nombre
⎷2n"est pas un nombre rationnel. D´emonstration.Nous allons faire une d´emonstration par l"absurde.1 Supposons que⎷2 est rationnel. Il existe alors deux entiers positifsa,btels que⎷2 =a/b. Si aetbsont pairs, on peut simplifier la fractiona/bpar 2. En simplifiant par 2 autant que possible, on arrive au cas o`u au moins un des deux entiersaoubestimpair.En ´elevant au carr´e l"´egalit´e⎷2 =a/bet en chassant le d´enominateur, on arrive `a
2b2=a2.
Donca2est pair. Siaest impair, on peut ´ecrirea= 2a?+ 1, alorsa2= 4a?2+ 4a?+ 1 qui est impair. On en d´eduit donc queaestpair, donc on peut ´ecrirea= 2a?, ce qui donne 2b2= 4a?2et en simplifiant par 2, on obtient b2= 2a?2.
C"est la mˆeme ´equation que ci-dessus aveca?`a la place debetb`a la place dea. Le mˆeme raisonnement montre alors quebest aussipair. On a donc une contradiction et⎷2 ne peut pas ˆetre rationnel.Voici d"autres exemples de nombres irrationnels.1.Le nombreπ= 3,1415...d´efini comme la circonf´erence d"un cercle de diam`etre 1.2.Le nombre d"Eulere= 2,718..., la base de l"exponentielle, d´efini comme somme infinie2
e= 1 +11! +12! +13! +···+1k!+···3.Les racines carr´es ⎷nsinest un entier qui n"est pas un carr´e, c"est-`a-dire qui n"est pas de la formen=k2aveck?N.Proposition 1.1.2Le nombre d"Euleren"est pas un nombre rationnel.1 voir section 2.3.32Par d´efinitionn! = 1·2·3···n
1.2. NOMBRES R
´EELS7D´emonstration.Comme pour⎷2 nous allons faire une d´emonstration par l"absurde. Supposons
donc queeest rationnel. Il existe alors deux entiersa,b?N?tels que e=ab = 1 +11! +12! +13! +···+1n!+··· Multiplions parb!. Alors on obtient l"´egalit´e ab b!-? b! +b! +b!2! +b!3! +···+b!b!?1b+ 1+1(b+ 1)(b+ 2)+1(b+ 1)(b+ 2)(b+ 3)+···+1(b+ 1)(b+ 2)···(b+n)+···
Il est clair que tous les termes de la somme `a gauche sont des nombres entiers, donc la somme, qu"on noteras, est aussi un entier. En utilisant la minoration (b+ 1)(b+ 2)···(b+n)>(b+ 1)n on obtient un l"encadrement suivant des0< s <1b+ 1+1(b+ 1)2+1(b+ 1)3+···+1(b+ 1)n+···.
Cette derni`ere somme infinie vaut
1b+1·11-1b+1=1b
d"apr`es la formule donnant la somme d"une s´erie g´eom´etrique (voir (1.1)). Ainsi on obtient l"encadrement0< s <1b
ce qui contreditsentier.La preuve de l"irrationalit´e deπet d´epasse largement le cadre de ce cours. Nous renvoyons par
exemple au livre "Autour du nombreπ" de Pierre Eymard et Jean-Pierre Lafon.Par contre l"irrationalit´e de
⎷nse montre de la mˆeme fa¸con que celle de⎷2 (exercice).1.2 Nombres r´eels
La proposition 1.1.1 dit que
⎷2 n"est pas rationnel, c"est-`a-dire ne peut pas s"´ecrire commequotient de deux entiers. Cependant nous savons que le nombre⎷2 peut s"´ecrire sous forme d"un
d´eveloppement d´ecimalinfini⎷2 = 1,41421356...Dans ce cours nous prenons cette repr´esentation d´ecimale comme d´efinition d"un nombre r´eel.D´efinition 1.2.1 (nombre r´eel)Un nombre r´eel est une collection de chiffres{c0,...,cm}et
{d1,d2,...}compris entre0et9. Les chiffrescisont en nombre fini et les chiffresdjpeuvent ˆetreen nombre infini. On fait correspondre `a cette collection le nombre donn´e par le d´eveloppement
d´ecimal x=cmcm-1...c1c0,d1d2d3...dn....Exemples.
8CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXES1.Les d´ecimales du nombreπsont
c0= 3, d1= 1, d2= 4, d3= 1,....2.S"il n"y a qu"un nombre fini de d´ecimalesdjnon nulles, alors le r´eelxest un rationnel et
x=cm10m+cm-110m-1+···+c110 +c0+d110-1+···+dn10-n(xest rationnel, car c"est une somme de rationnels).3.Un nombre rationnel admet un d´eveloppement d´ecimal, donc est r´eel. On a
13= 0,3333...(que des 3)Th´eor`eme 1.2.1Un nombre r´eel est rationnel si et seulement si son d´eveloppement d´ecimal est
p´eriodique `a partir d"un certain rang. Nous admettons ce r´esultat. On peut se convaincre que c"est vrai en effectuant une division dedeux entiers (3/7 par exemple) et en constatant qu"il n"y a qu"un nombre fini de possibilit´es pour
les restes, donc ¸c`a boucle.Remarques.1.Cette d´efinition nous suffira pour ce cours mais elle n"est pas tr`es satisfaisante. D"abord un
nombre r´eel peut avoir deux d´eveloppements d´ecimaux distincts. Par exemple 1 = 0,9999... (toujours des 9). On peut pour s"en convaincre ´ecrire0,9999···=910
1 +110
+···+110 n···? On voit qu"on a affaire `a un progression g´eom´etrique et on peut utiliser la formule donnant la somme d"une s´erie g´eom´etrique11-a= 1 +a+a2+···+an+···(1.1)
vraie pour tout r´eelatel que|a|<1 (ici on prenda=110.)2.Cette d´efinition fait r´ef´erence au nombre 10. On peut prendre une autre base de num´eration,
ce qui donnerait une d´efinition ´equivalente d"un nombre r´eel.3.Les op´erations addition, multiplication,... ne sont pas si faciles que l"on pourrait le penser
`a cause du probl`eme des retenues.4.Il existe des constructions plus intrins`eques de l"ensemble des r´eels. Ces constructions d´epassent
le cadre de ce cours.5.Il est impossible de d´efinir rigoureusement le nombreπpar son d´eveloppement d´ecimal. Il
faudrait un temps et un espace infini pour calculer TOUTES les d´ecimales deπ! Donner unevaleur approch´ee (utilis´ee dans le calcul num´erique) d"un nombre r´eel, aussi bonne qu"elle
soit, n"est pas une d´efinition au sens math´ematique. L"ensemble des r´eels sera not´eRet l"on a les inclusionsN?Z?Q?R.
On notera tr`es souventR?l"ensemble des r´eels non nuls. r´eels.1.2. NOMBRES R
´EELS9D´efinition 1.2.2 (majorant, minorant, partie born´ee)siAa un minorant.3.Si la partieAest major´ee et minor´ee, on dit queAestborn´ee.D´efinition 1.2.3 (intervalle, segment)
aussi que[a,b]est un segment.2.On note]a,b[l"ensemble des r´eelsxtels quea < x < b. C"est un intervalleouvert.
On d´efinit de mˆeme les intervalles mixtes ou semi-ouverts [a,b[ et ]a,b]. On introduit aussi le
Exemples.-1,23,πsont des majorants du segmentA= [0,1]. 1 est un majorant deA= [0,1[.-L"intervalle [a,+∞[ n"a pas de majorant.Th´eor`eme 1.2.2 (Propri´et´e d"Archim`ede)Soientxetydeux r´eels>0, alors il existe un
entierntel queny > x.Nous ne d´emontrons pas cette propri´et´e. Elle dit qu"en faisant assez de pas de longueuryon
d´epassex. D"ailleurs avec notre d´efinition des r´eels la propri´et´e d"Archim`ede est ´evidente, ce qui
est loin d"ˆetre le cas quand on d´efinit un nombre r´eel de mani`ere intrins`eque.D´efinition 1.2.4 (borne sup´erieure, borne inf´erieure)SoitAune partie non vide deR(ou
le minimum de l"ensemble des majorants deAetborne inf´erieuredeAle maximum de l"ensemble des minorants deA.Avant d"´enoncer le th´eor`eme d"existence de la borne sup´erieure dansR, montrons que la borne
sup´erieure n"existe pas toujours. On se place dansQmuni de l"ordre naturel.Proposition 1.2.1Consid´erons la partieA={x?Q|x2<2}. AlorsAn"a pas de borne
sup´erieure dansQ. D´emonstration.SoitMun majorant deAdansQ. Il y en a : 2,127 en sont. Posons M ?=M2+ 22M. Nous allons v´erifier queM?est un autre majorant (dansQ) et queM?< M, ce qui prouve qu"il n"y a pas de plus petit majorant. Montrons queM?est un majorant : il suffit de voir queM?2>2. On calcule M ?2-2 =(M2+ 2)24M2-2 =M4-4M2+ 44M2=(M2-2)24M210CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXESqui est bien strictement positif. En effetM2-2?= 0, car sinon⎷2 serait rationnel (voir proposition
1.1.1).
V´erifions queM?< M. On calcule
M-M?=M-M2+ 22M=M2-22M
qui est bien strictement positif puisqueMest un majorant rationnel deA. On peut aussi tracer le graphe de la fonction qui donneM?en fonction deM y=x2+ 22x C"est une hyperbole de centre l"origine, d"asymptotex= 0 ety=x/2 qui coupe la premi`erebissectrice au point (⎷2,⎷2) o`u on a une tangente horizontale. On voit alors imm´ediatement sur
le dessin que⎷2< M?< Msi on a prisM >⎷2.MM0p2Remarque. Le choix de la fonctionfqui d´efinitM?=f(M) n"est pas essentiel. Ici on a choisif(x) =x2+22x, mais n"importe quelle fonction rationnelle (=quotient de deux polynˆomes) satisfaisant aux trois conditions (1)f(⎷2) =aurait pu servir dans la preuve pr´ec´edente. Ceci sera expliqu´e en d´etail un peu plus tard (section
4.6).Th´eor`eme 1.2.3SoitAune partie non vide deR.1.SiAest major´ee, alorsAadmet une borne sup´erieure, not´eesupA.2.SiAest minor´ee, alorsAadmet une borne inf´erieure, not´eeinfA.
Nous admettons ce th´eor`eme.
Exemples.-On a sup[0,1] = 1 et sup[0,1[ = 1.-On a sup{x?Q|x2<2}=⎷2 mais comme partie deQon vient de voir que cette partie
n"a pas de borne sup´erieure.1.3. DENSIT
´E DES RATIONNELS ET IRRATIONNELS111.3 Densit´e des rationnels et irrationnels D´efinition 1.3.1 (densit´e)SoitAune partie deR. On dit queAestdensedansRsiArencontre tout intervalle ouvert]a,b[aveca < b.Th´eor`eme 1.3.1L"ensembleQest dense dansR. D´emonstration.Soita,bdeux r´eels tels quea < b. Il s"agit d"exhiber un rationnelp/qtel que a < p/q < b.En appliquant la propri´et´e d"Archim`ede (th´eor`eme 1.2.2), on voit qu"il existe un entierqtel
que1b-a< q (on prendy= 1 etx= 1/(b-a)). On obtient qa+ 1< qb.(1) Soitple plus petit entier relatif tel quep > qa. On a alors D´emonstration.Soitiun nombre irrationnel, par exemple⎷2.Soientaetbdeux r´eels tels quea < b. On applique le th´eor`eme pr´ec´edent `a ]a-i,b-i[ : il
existe un rationnelrtel quea-i < r < b-i. Alorsa < i+r < b. Le nombrex=i+rest irrationnel, sinoni=x-rserait rationnel contrairement `a l"hypoth`ese. Le th´eor`eme est donc d´emontr´e.Remarque. Il y a beaucoup plus de nombres r´eels que de nombres rationnels. On peut montrer que les ensemblesZetQpeuvent ˆetre mis en bijection avecN, c"est-`a-dire que l"on peut num´eroter avec les entiers naturels les ´el´ements deZetQ. On dit queZetQsont d´enombrables. Par contreR n"est pas d´enombrable (th´eor`eme de Cantor) et pourtantQest dense dansR.1.4 Nombres complexes
Certains polynˆomes `a coefficients r´eels, par exempleP(x) =x2+1, n"ont pas de racines r´eelles.
Le polynˆomeP(x) =ax2+bx+caveca?= 0 a deux racines -b±⎷Δ 2asi le discriminant Δ =b2-4acest≥0. Si Δ<0, il y a un probl`eme. Grˆace aux nombres complexes
on peut donner un sens math´ematique aux racines carr´ees de nombres n´egatifs.D´efinition 1.4.1 (nombre complexe)Un nombre complexe est un couple de nombres r´eels
(a,b).12CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXESOn d´efinit l"addition et la multiplication des nombres complexes par les formules
(a,b) + (c,d) = (a+c,b+d) (a,b)·(c,d) = (ac-bd,ad+bc) On noteile nombre complexe (0,1). La formule du produit donnei2= (0,1)·(0,1) = (-1,0).En identifiant le r´eelaavec le nombre complexe (a,0), l"´egalit´e pr´ec´edente s"´ecrit
i 2=-1. Ainsiiapparait comme une racine carr´e de-1. C"est pourquoi on ´ecrit tr`es souventi=⎷-1.On peut alors noter de mani`ere plus agr´eable (a,b) =a+ibet on v´erifie que la formule qui donne
le produit vient du d´eveloppement de (a+ib)(c+id) =ac+i(bc+ad) +i2bd=ac-bd+i(ad+bc). Siz=a+ib, avecaetbr´eels,aest appel´e la partie r´eelle dezetbsa partie imaginaire. Sizest un nombre complexe non nul, c"est-`a-dire siaoubest non nul, alorsza un inverse multiplicatif : il existez?tel quezz?= 1.On v´erifie aussi quez·z?=z?·zpour tout nombre complexezetz?.D´efinition 1.4.2 (conjugu´e, module, argument)Soitz=a+ibun nombre complexe avec
a,br´eels.1.Leconjugu´edezest le nombre complexez=a-ib.2.Lemoduledezest le nombre r´eel positif⎷a
2+b2=⎷zz. On note|z|le module dez.3.L"argumentdezest le nombre r´eelθ?[0,2π[tel que
z=|z|(cosθ+isinθ). On ´etablit sans peine les formules suivantes-|z·z?|=|z| · |z?|-|z|=|z|-1 z =z |z|2pourz?= 0L"ensemble des nombres complexes sera not´eC.
Interpr´etation g´eom´etrique : plan complexeOn associe `az=a+ibaveca,br´eels le point du plan de coordonn´ees (a,b).
1.5. EXERCICES13b= sin
a= cosz=a+ib D´efinition 1.4.3 (exponentielle)L"exponentielle complexe est d´efinie par e z= 1 +z1! +z22! +···+znn!+···Il faut ´evidemment donner un sens `a cette somme infinie. On a alorsTh´eor`eme 1.4.1 (Formule de Moivre)Pour toutθ?R, on a
e iθ= cosθ+isinθ.Th´eor`eme 1.4.2Pour toutz,z??Con a la formule e z+z?=ez·ez?. Cette formule jointe `a la formule de Moivre permet de retrouver beaucoup de formules de trigo- nom´etrie.1.5 Exercices
Exercice 1.1.Trouver des entiers naturelsa,btels queab = 5,1736363636...- `a partir de latroisi`eme d´ecimale le d´eveloppement d´ecimal est compos´e d"une suite infinie de nombres 36.
Exercice 1.2.Pour chacune des parties suivantes deRdire si elle est major´ee, minor´ee, born´ee.
14CHAPITRE 1. LES NOMBRES R´EELS ET COMPLEXESExercice 1.3.Pour tout nombre r´eelx?=-1/3, on pose
g(x) =2x+ 13x+ 1.1.Tracer le graphe de la fonctionx?→g(x).2.On poseg(N) ={g(0),g(1),g(2),...}Quel est le plus petit majorant deg(N)? de l"ensemble
g(Z)?3.Trouver le plus grand minorant de l"ensembleg(N).4.L"ensembleg(Z) est-il born´e? Exercice 1.4.Mettre les nombres complexes suivants sous la formea+ib, aveca,br´eels :15 + 3i,3 + 2i3-2i,1(4 + 3i)(3-2i).
Exercice 1.5.Calculer sous la formea+ib, aveca,br´eels, les racines carr´ees des nombres complexes suivants1 +i⎷3,5 + 12i,1 +i1-i.
Exercice 1.6.Calculer les racines quatri`emes dei. En d´eduire cos(π8 ) et sin(π8Chapitre 2
Logique et langage des ensembles
Le but de ce chapitre est de pr´esenter les quantificateurs?et?qui apparaˆıtront dans ce cours
(limite d"une suite, continuit´e d"une fonction) et de rappeler les d´efinitions ´el´ementaires de la
th´eorie des ensembles.2.1 Propositions et op´erateurs logiquesD´efinition 2.1.1Une relation (ou proposition) est une phrase affirmative qui est vraie ou fausse
(V ou F en abr´eg´e). Une relation porte sur des objets math´ematiques comme des nombres, des fonctions, des figures g´eom´etriques,etc. Voici quelques exemples de relations. On indique entre parenth`eses la valeur de v´erit´e (V = vrai et F= faux).Exemples.-5 + 7 = 11.(F)-L"aire d"un triangle est ´egale `a la moiti´e du produit de la base par la hauteur (V).
-⎷2 est un nombre rationnel (F) (voir proposition 1.1.1)SoientRetSdeux relations. On peut en former d"autres :-la conjonction, not´ee (RetS).-la disjonction, not´ee (RouS). (le ou n"est pas exclusif)-la n´egation, not´ee (nonR).D´efinition 2.1.2
-L"implication(R?S)est la relation (nonR) ouS.-L"´equivalence(R?S)est la relation(R?S)et(S?R). Ainsi la valeur de v´erit´e d"une relation comme par exempleR?SouR?Ssera fonctiondes valeurs de v´erit´e deRetS. La situation est d´ecrite dans la table suivante.RSRetSRouSnon R(R?S)(R?S)VVVVFVV
VFFVFFF
FVFVVVF
FFFFVVV
1516CHAPITRE 2. LOGIQUE ET LANGAGE DES ENSEMBLESProposition 2.1.1On a les ´equivalences suivantes :
1.non(nonR)?R2.non (RouS)?(nonRet (nonS)3.non(RetS)?(nonR) ou (nonS)4.Ret (SouT)?(RetS) ou (RetT)5.(P?Q)?(nonQ?nonP)
D´emonstration.Il suffit d"´ecrire la table des v´erit´es pour chacune des relations. Traitons le
dernier cas. La relation (P?Q) est par d´efinition la relation ((nonP) ouQ) qui ´equivaut `a (Q
ou (nonP)) qui par d´efinition est la relation (nonQ?nonP).Tr`es souvent une relation fait intervenir des param`etres ou variables et la valeur V ou F de la
relation peut d´ependre de ces param`etres. Soit par exempleR(x) la relation "x2-2≥0" o`ux est un param`etre r´eel. AlorsR(x) est vraie pourx??-∞,-⎷2 ?oux??⎷2,+∞?etR(x) est fausse pourx??-⎷2,⎷2 Il peut arriver queRfasse intervenir plusieurs variables (x,y,z,a1,a2,...).2.2 Quantificateurs
Nous avons vu plusieurs proc´ed´es logiques pour former de nouvelles relations. Dans la pratique,
on a besoin d"un autre proc´ed´e qui exprime l"assertion qu"´etant donn´ees une relationRet une
variablexqui intervient dansRil existe au moins un objet math´ematiqueApour lequel la relation obtenue en rempla¸cantxparAest vraie, autrement ditAv´erifieR. On introduit pour cela le quantificateur existentiel, not´e par le symbole La relation (?x)R(x) se lit "il existexqui v´erifieR".Exemples.
(?x)((x?R) et (x4+ 1 = 0)) (F) (?x)((x?C) et (x4+ 1 = 0)) (V) A partir du symbole?on introduit lequantificateur universelnot´e SiRest une relation etxune variable, on note (?x)R(x) la relation non((?x)(nonR(x))) La relation (?x)R(x) se lit "pour toutxon aR(x)". Ainsi la n´egation de (?x)R(x) est (?x) (nonR(x)), c"est-`a-dire on a l"´equivalence
non((?x)R(x))?(?x)(nonR(x)).De mˆeme on a l"´equivalence
non((?x)R(x))?(?x)(nonR(x)).2.3. TECHNIQUES DE D
´EMONSTRATION17Exemple.
La n´egation de "tous les hommes sont mortels" est "il existe un homme immortel". Il convient de prendre garde `a l"ordre des quantificateurs : en g´en´eral on ne peut pas les´echanger.
Exemples.-?x,x?R,?y,y?R,x < yqui est vraie : ´etant donn´e un r´eelxon peut toujours trouver un
autre r´eelyqui est plus grand.-?y,y?R,?x,x?R,x < yqui est fausse : l"´el´ementyserait plus grand que tous les r´eels.
Il faut savoir qu"en math´ematiques il y a beaucoup d"abus de langage. Sans eux, on ne pourraitrien faire, mais le d´ebutant risque d"ˆetre perdu. Ainsi on ´ecrit presque toujours?x?R,?y?R,x <
yau lieu de ?x(x?R?(?y(y?Retx < y))) On se ram`ene syst´ematiquement `a une ´ecriture plus correcte en rempla¸cant?x?E ...par ?x(x?E?...) et?x?E ...par?x(x?Eet...).2.3 Techniques de d´emonstration
2.3.1 R´ecurrence
Cette technique repose sur le fait que toute partie non vide deNa un plus petit ´el´ement. Soit
R(n) une propri´et´e d´ependant d"un entiern. On suppose que1.la relationR(0) est vraie,2.la relationR(n)?R(n+ 1) est vraie.
On en d´eduit alors que
R(n) est vraie pour toutn.
En effet siA, l"ensemble des entiersnpour lesquels pour lesquelsR(n) est fausse, n"est pas vide, il a un plus petit ´el´ement qu"on notep. Mais alorsp-1 n"est pas dansAdoncR(p-1) est vraie et par suiteR(p-1 + 1) =R(p) est vraie (`a cause de l"hypoth`ese (2)).Exemple.
SoitR(n) la relation "2n+ 1 est divisible par 3". Il s"agit de montrer queR(n) est vraie pour tout entiernimpair. Pourn= 1, on a 21+1 = 3. SupposonsR(n) vraie avecnimpair, c"est-`a-dire que l"on peut ´ecrire 2 n+ 1 = 3kaveck?N. Alors 2n= 3k-1. L"entier impair suivant estn+ 2.On a 2
n+2= 4.2n= 4(3k-1) = 12k-4 = 3(4k-1)-1, d"o`u 2n+2+1 = 3(4k-1). C"estR(n+2).La propri´et´e est donc d´emontr´ee.
Le lecteur pr´ecautionneux expliquera pourquoi dans cet exemple on consid`ereR(1) etR(n+2) au lieu deR(0) etR(n+ 1).2.3.2 Contrapos´ee
C"est l"´equivalence d´ej`a vue :
(P?Q)?(nonQ?nonP)18CHAPITRE 2. LOGIQUE ET LANGAGE DES ENSEMBLESExemple.
Un entier est premier s"il n"est divisible que par 1 et lui-mˆeme. On veut montrer que si 2 n+ 1 est premier alorsnest pair. Ici nonQest "nest impair", on vient de voir qu"alors 2n+ 1 est divisible par 3, donc n"est pas premier, c"est nonP, c"est-`a-direP?Qo`uPest la relation "2n+1 est premier" etQest la relation "nest pair".2.3.3 D´emonstration par l"absurde
On veut montrer queRest vraie. Pour cela on suppose queRest fausse. D"autre part supposonsque l"on d´eduit `a partir de cette hypoth`ese, c"est-`a-dire (nonR) vraie, une propri´et´eSet que l"on
sait queSest fausse. En termes formels cela veut dire quequotesdbs_dbs43.pdfusesText_43