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Cours · Bac+1 (MPSI)

Logique et ensembles

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Ensembles

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Définitions

Un ensemble EE est une collection d'objets appelés éléments. On note xEx \in E si xx appartient à EE, et xEx \notin E sinon. L'inclusion ABA \subset B signifie que tout élément de AA est dans BB. Deux ensembles sont égaux si et seulement s'ils ont les mêmes éléments (double inclusion).

L'ensemble des parties P(E)\mathcal{P}(E) est l'ensemble de tous les sous-ensembles de EE. En prépa, on manipule aussi les opérations ensemblistes : union \cup, intersection \cap, complémentaire et différence. Les lois de De Morgan et la distributivité sont des outils de démonstration quotidiens.

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • AB(xE, xAxB)A \subset B \Leftrightarrow (\forall x \in E,\ x \in A \Rightarrow x \in B)
  • A=BAB et BAA = B \Leftrightarrow A \subset B \text{ et } B \subset A
  • A(BC)=(AB)(AC)(distributiviteˊ)A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C) \quad \text{(distributivité)}
  • AB=AB(lois de De Morgan)\overline{A \cup B} = \overline{A} \cap \overline{B} \quad \text{(lois de De Morgan)}
  • P(E)=2E si E est fini|\mathcal{P}(E)| = 2^{|E|} \text{ si } E \text{ est fini}

Exemples

Exemple 1

Montrer A(BC)=(AB)(AC)A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C) par double inclusion.

Méthode

Si xA(BC)x \in A \cap (B \cup C), alors xAx \in A et (xBx \in B ou xCx \in C), donc x(AB)(AC)x \in (A \cap B) \cup (A \cap C). Réciproquement, si xx est dans le membre de droite, il est dans AA et dans BB ou CC.

Résultat

A(BC)=(AB)(AC)A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C).

Exemple 2

Calculer P({1,2})|\mathcal{P}(\{1,2\})|.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) P({1,2})={,{1},{2},{1,2}}\mathcal{P}(\{1,2\}) = \{\emptyset, \{1\}, \{2\}, \{1,2\}\}. Pour un ensemble fini à nn éléments, P(E)=2n|\mathcal{P}(E)| = 2^n. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

P({1,2})=4=22|\mathcal{P}(\{1,2\})| = 4 = 2^2.

À retenir

Quantificateurs

Non commencé

Définitions

Les quantificateurs permettent de formaliser des propriétés sur un ensemble. xE,P(x)\forall x \in E, P(x) signifie « pour tout xx de EE, la propriété P(x)P(x) est vraie ». xE,P(x)\exists x \in E, P(x) signifie « il existe au moins un xx dans EE tel que P(x)P(x) ».

On peut aussi écrire !x\exists! x pour l'unicité. La négation d'une proposition quantifiée s'obtient en inversant le quantificateur et en niant la propriété. Attention : « pour tout » n'implique pas que tous les xx vérifient la même chose de manière identique — chacun doit seulement satisfaire PP.

Les quantificateurs formalisent les propriétés : xE,P(x)\forall x \in E, P(x) (« pour tout ») et xE,P(x)\exists x \in E, P(x) (« il existe »). On écrit aussi !\exists! pour l'unicité.

La négation d'une proposition quantifiée s'obtient en inversant le quantificateur et en niant la propriété. L'ordre des quantificateurs compte : xy\forall x \exists y n'est pas équivalent à yx\exists y \forall x.

Formules

  • ¬(xE,P(x))xE,¬P(x)\neg(\forall x \in E, P(x)) \Leftrightarrow \exists x \in E, \neg P(x)
  • ¬(xE,P(x))xE,¬P(x)\neg(\exists x \in E, P(x)) \Leftrightarrow \forall x \in E, \neg P(x)
  • (x,P(x)Q(x)) se lit « si P(x) alors Q(x) pour tout x »(\forall x, P(x) \Rightarrow Q(x)) \text{ se lit « si } P(x) \text{ alors } Q(x) \text{ pour tout } x \text{ »}
  • x,P(x)Q(x)x,P(x) et x,Q(x)\exists x, P(x) \land Q(x) \Rightarrow \exists x, P(x) \text{ et } \exists x, Q(x)

Exemples

Exemple 1

Nier « xR,x20\forall x \in \mathbb{R}, x^2 \geq 0 ».

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Négation : inverser \forall en \exists et nier le prédicat : xR,x2<0\exists x \in \mathbb{R}, x^2 < 0. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

xR, x2<0\exists x \in \mathbb{R},\ x^2 < 0 (proposition fausse, mais négation formellement correcte).

Exemple 2

Nier « nN,n2=2\exists n \in \mathbb{N}, n^2 = 2 ».

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Inverser \exists en \forall : nN,n22\forall n \in \mathbb{N}, n^2 \neq 2. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

nN, n22\forall n \in \mathbb{N},\ n^2 \neq 2.

À retenir

Raisonnements

Non commencé

Définitions

En prépa, on distingue plusieurs modes de raisonnement. L'implication PQP \Rightarrow Q : on suppose PP vraie et on démontre QQ. La contraposée ¬Q¬P\neg Q \Rightarrow \neg P est logiquement équivalente à PQP \Rightarrow Q.

La réciproque QPQ \Rightarrow P ne l'est en général pas. Le raisonnement par l'absurde : pour montrer PP, on suppose ¬P\neg P et on aboutit à une contradiction. Le raisonnement par récurrence : on prouve P(0)P(0) puis n,P(n)P(n+1)\forall n, P(n) \Rightarrow P(n+1) pour conclure n,P(n)\forall n, P(n). Le raisonnement par disjonction de cas et par analyse-synthèse sont aussi courants.

Modes de raisonnement usuels en prépa : implication PQP \Rightarrow Q (supposer PP, prouver QQ), contraposée ¬Q¬P\neg Q \Rightarrow \neg P (équivalente), réciproque QPQ \Rightarrow P (non équivalente en général).

Absurde : pour montrer PP, on suppose ¬P\neg P et on aboutit à une contradiction. Récurrence : P(0)P(0) puis n,P(n)P(n+1)\forall n, P(n) \Rightarrow P(n+1). On utilise aussi disjonction de cas et analyse-synthèse.

Formules

  • (PQ)(¬Q¬P)(contraposeˊe)(P \Rightarrow Q) \Leftrightarrow (\neg Q \Rightarrow \neg P) \quad \text{(contraposée)}
  • Absurde : ¬PP\text{Absurde : } \neg P \Rightarrow \bot \Rightarrow P
  • Reˊcurrence : P(0)(n,P(n)P(n+1))n,P(n)\text{Récurrence : } P(0) \land (\forall n, P(n) \Rightarrow P(n+1)) \Rightarrow \forall n, P(n)
  • PQ se montre par deux implicationsP \Leftrightarrow Q \text{ se montre par deux implications}

Exemples

Exemple 1

Montrer « n2n^2 pair \Rightarrow nn pair » par contraposée.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Contraposée : si nn impair, n=2k+1n=2k+1, alors n2=4k2+4k+1n^2=4k^2+4k+1 impair. Donc si n2n^2 est pair, nn ne peut être impair. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

n2n^2 pair \Rightarrow nn pair.

Exemple 2

Montrer 1++n=n(n+1)21+\cdots+n = \frac{n(n+1)}{2} par récurrence.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Init. n=1n=1 : OK. Hérédité : si vrai en nn, alors 1++(n+1)=n(n+1)2+(n+1)=(n+1)(n+2)21+\cdots+(n+1) = \frac{n(n+1)}{2}+(n+1) = \frac{(n+1)(n+2)}{2}. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

nN, k=1nk=n(n+1)2\forall n \in \mathbb{N}^*,\ \sum_{k=1}^n k = \frac{n(n+1)}{2}.

À retenir