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mathématiques (terminale) · Chapitre 11 · Application directe du cours

Problème — Anatomie logique d'une démonstration par récurrence

Vocabulaire ensembliste et logique · niveau 2

Énoncé

Problème — Anatomie logique d'une démonstration par récurrence. On reprend la démonstration du chapitre 1 : pour tout ,

  • Écrire la proposition en jeu, et dire de quelle nature est l'énoncé « pour tout , ».
  • Écrire l'hérédité comme une proposition quantifiée. Que démontre-t-elle exactement, et que ne démontre-t-elle pas ?
  • Rédiger la démonstration en indiquant, à chaque ligne, le rôle logique de ce qui est écrit.
  • Montrer que la propriété : « est un multiple de » est héréditaire, et qu'elle est pourtant fausse pour tout . Quelle étape a été omise ?
  • Le symbole était-il indispensable dans l'énoncé ?

Corrigé

  • est la proposition « ». Prise isolément, n'est ni vraie ni fausse : elle dépend de la variable . L'énoncé à démontrer, « pour tout , », est une quantification universelle : c'est une infinité de propositions à établir d'un seul geste — d'où la nécessité d'un raisonnement particulier.
  • L'hérédité s'écrit : « pour tout entier , ». C'est donc elle aussi une quantification universelle, mais portant sur une implication.

Ce qu'elle démontre : que la vérité se transmet d'un rang au suivant. Ce qu'elle ne démontre pas : aucune des propositions . Une implication ne dit rien de la vérité de son hypothèse ; elle dit seulement ce qui se passerait si l'hypothèse était vraie.

  • Rédaction annotée :
  • Initialisation — on établit une proposition unique, : pour , et , donc est vraie.
  • Hérédité — on fixe un entier quelconque et on suppose vraie ; c'est l'hypothèse de récurrence, et non une affirmation. On calcule alors

ce qui est exactement . On a donc établi , et comme était quelconque, cela vaut pour tout .

  • Conclusion — l'initialisation amorce la chaîne, l'hérédité la propage : pour tout , est vraie.

Remarquons le statut du « soit quelconque » : c'est ainsi que l'on démontre une proposition universelle. On ne traite pas tous les cas un par un, on en traite un seul en n'utilisant rien qui lui soit propre.

  • Supposons vraie pour un entier : il existe tel que , donc . Alors

et est un entier : est vraie. La propriété est donc héréditaire.

Pourtant elle est fausse partout : , , , aucun n'est multiple de . L'étape omise est l'initialisation — et elle est ici impossible à établir, précisément parce que la propriété est fausse. La chaîne d'implications est intacte, mais rien ne l'amorce. C'est le domino parfaitement aligné que personne ne pousse.

  • Non : le symbole n'est qu'une abréviation de . Il rend l'énoncé plus court et plus net, mais toute la démonstration s'est faite sur l'égalité , c'est-à-dire sur la signification de la somme et non sur une manipulation du symbole. C'est exactement l'usage attendu : sert à écrire.

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