درس Notions de logique — الأولى باك علوم تجريبية

درس «Notions de logique» لتلاميذ الأولى باك علوم تجريبية بالفرنسية والعربية: Propositions - Quantificateurs - Connecteurs logiques - Lois logiques - Négation - Types de raisonnement. Cours Notions de logique — 1ère année Bac sciences expérimentales.

📖 حل فـ MathsClick (الورقة بخط اليد، بالعربية والفرنسية)

Propositions et fonctions propositionnelles

Proposition

Définition

Une proposition est un énoncé mathématique qui est soit vrai (V), soit faux (F), mais jamais les deux à la fois.

On dit que V ou F est la valeur de vérité de la proposition.

Exemple

  • « $\sqrt{9}=3$ » est une proposition vraie.
  • « $2>5$ » est une proposition fausse.
  • « $7$ est un nombre premier » est une proposition vraie.
  • « $x+1=3$ » n’est pas une proposition : sa vérité dépend de $x$.

Fonction propositionnelle

Définition

Une fonction propositionnelle $P(x)$ est un énoncé qui contient une variable $x$ d’un ensemble $E$ et qui devient une proposition quand on remplace $x$ par un élément de $E$.

Exemple

Soit $P(x)$ : « $x^2\geq4$ » avec $x\in\mathbb{R}$.

  • $P(3)$ : « $9\geq4$ » est vraie ;
  • $P(1)$ : « $1\geq4$ » est fausse.

Les quantificateurs

Définition

Soit $P(x)$ une fonction propositionnelle, $x\in E$.

  • Quantificateur universel : « $(\forall x\in E)\ P(x)$ » se lit « pour tout $x$ de $E$, $P(x)$ ».
  • Quantificateur existentiel : « $(\exists x\in E)\ P(x)$ » se lit « il existe au moins un $x$ de $E$ tel que $P(x)$ ».
  • « $(\exists!x\in E)\ P(x)$ » se lit « il existe un unique $x$ de $E$ tel que $P(x)$ ».

Méthode Déterminer la valeur de vérité

  • Pour montrer que « $(\forall x\in E)\ P(x)$ » est vraie : on fait une démonstration pour un $x$ quelconque.
  • Pour montrer qu’elle est fausse : il suffit d’un contre-exemple.
  • Pour montrer que « $(\exists x\in E)\ P(x)$ » est vraie : il suffit de donner un $x$ qui convient.

Exemple

  • « $(\forall x\in\mathbb{R})\ x^2+1>0$ » est vraie : $x^2\geq0$, donc $x^2+1\geq1>0$.
  • « $(\forall x\in\mathbb{R})\ x^2>x$ » est fausse : pour $x=\dfrac{1}{2}$, $x^2=\dfrac{1}{4}<\dfrac{1}{2}$.
  • « $(\exists x\in\mathbb{R})\ x^2=2$ » est vraie : $x=\sqrt{2}$ convient.
  • « $(\exists!x\in\mathbb{R})\ 2x+1=0$ » est vraie : la seule solution est $x=-\dfrac{1}{2}$.

Erreur fréquente L’ordre des quantificateurs compte

  • « $(\forall x\in\mathbb{R})(\exists y\in\mathbb{R})\ x+y=0$ » est vraie : pour chaque $x$, on prend $y=-x$.
  • « $(\exists y\in\mathbb{R})(\forall x\in\mathbb{R})\ x+y=0$ » est fausse : aucun $y$ ne convient pour tous les $x$.

[!] On ne permute pas $\forall$ et $\exists$

Application

Donner la valeur de vérité de : a) $(\forall n\in\mathbb{N})\ n^2\geq n$ ; b) $(\exists x\in\mathbb{R})\ x^2+4=0$.

Réponse

a) Vraie : $n^2-n=n(n-1)$ et $n\geq0$, $n-1\geq0$ si $n\geq1$ ; et pour $n=0$ : $0\geq0$.

b) Fausse : pour tout $x$, $x^2+4\geq4>0$.

Les connecteurs logiques

Définition

À partir de propositions $P$ et $Q$, les connecteurs logiques permettent de construire de nouvelles propositions : la négation, la conjonction, la disjonction, l’implication et l’équivalence.

La négation

Définition

Soit $P$ une proposition. La négation de $P$ est la proposition qui est vraie quand $P$ est fausse, et fausse quand $P$ est vraie.

La négation de $P$ a deux notations : $\overline{P}$ (barre au-dessus de $P$) ou $\neg P$. Elle se lit « non $P$ ».

>> Dans ce cours, on utilise la notation $\overline{P}$.

Propriété Table de vérité

| $P$ | $\overline{P}$ |

| V | F |

| F | V |

Exemple

  • $P$ : « $\sqrt{4}=2$ » (vraie) ; $\overline{P}$ : « $\sqrt{4}\neq2$ » (fausse).
  • $P$ : « $x>3$ » ; $\overline{P}$ : « $x\leq3$ ».
  • $P$ : « $n$ est pair » ; $\overline{P}$ : « $n$ est impair ».

La conjonction « et »

Définition

Soient $P$ et $Q$ deux propositions. La conjonction de $P$ et $Q$, notée $P\wedge Q$ (« $P$ et $Q$ »), est vraie seulement quand $P$ et $Q$ sont toutes les deux vraies.

Propriété Table de vérité

| $P$ | $Q$ | $P\wedge Q$ |

| V | V | V |

| V | F | F |

| F | V | F |

| F | F | F |

Exemple

  • « $2<3$ et $5$ est premier » est vraie (les deux sont vraies).
  • « $2<3$ et $4$ est impair » est fausse (la deuxième est fausse).

La disjonction « ou »

Définition

Soient $P$ et $Q$ deux propositions. La disjonction de $P$ et $Q$, notée $P\vee Q$ (« $P$ ou $Q$ »), est vraie quand au moins une des deux est vraie ; elle est fausse seulement si les deux sont fausses.

Propriété Table de vérité

| $P$ | $Q$ | $P\vee Q$ |

| V | V | V |

| V | F | V |

| F | V | V |

| F | F | F |

Exemple

  • « $2<3$ ou $4$ est impair » est vraie (la première est vraie).
  • « $2>3$ ou $4$ est impair » est fausse (les deux sont fausses).

Remarque

Le « ou » mathématique est inclusif : « $P\vee Q$ » est vraie aussi quand $P$ et $Q$ sont vraies toutes les deux.

L’implication

Définition

Soient $P$ et $Q$ deux propositions. L’implication « $P\Rightarrow Q$ » est la proposition « $\overline{P}\vee Q$ ». Elle se lit « $P$ implique $Q$ » ou « si $P$ alors $Q$ ».

Propriété Table de vérité

| $P$ | $Q$ | $\overline{P}$ | $P\Rightarrow Q$ |

| V | V | F | V |

| V | F | F | F |

| F | V | V | V |

| F | F | V | V |

[!] « $P\Rightarrow Q$ » est fausse uniquement quand $P$ est vraie et $Q$ est fausse

Exemple

  • « $x=2\Rightarrow x^2=4$ » est vraie.
  • « $1>2\Rightarrow3=0$ » est vraie : la prémisse « $1>2$ » est fausse.
  • La réciproque « $x^2=4\Rightarrow x=2$ » est fausse : pour $x=-2$, $x^2=4$ mais $x\neq2$.

Remarque

  • « $Q\Rightarrow P$ » s’appelle l’implication réciproque de « $P\Rightarrow Q$ ».
  • Si « $P\Rightarrow Q$ » est vraie : $P$ est une condition suffisante pour $Q$, et $Q$ est une condition nécessaire pour $P$.

L’équivalence

Définition

Soient $P$ et $Q$ deux propositions. L’équivalence « $P\iff Q$ » est la proposition « $(P\Rightarrow Q)\wedge(Q\Rightarrow P)$ ». Elle se lit « $P$ équivaut à $Q$ » ou « $P$ si et seulement si $Q$ ».

Propriété Table de vérité

| $P$ | $Q$ | $P\Rightarrow Q$ | $Q\Rightarrow P$ | $P\iff Q$ |

| V | V | V | V | V |

| V | F | F | V | F |

| F | V | V | F | F |

| F | F | V | V | V |

« $P\iff Q$ » est vraie quand $P$ et $Q$ ont la même valeur de vérité

Exemple

  • Pour $x\in\mathbb{R}$ : « $2x-6=0\iff x=3$ » est vraie.
  • « $x^2=4\iff x=2$ » est fausse : la réciproque « $x^2=4\Rightarrow x=2$ » est fausse.

Application

Donner la valeur de vérité de : a) « $\sqrt{4}=2$ et $\pi<3$ » ; b) « $5$ est pair ou $5>1$ » ; c) « $1>2\Rightarrow 3=0$ » ; d) « $2+2=5\iff 3>4$ ».

Réponse

a) Fausse : « $\pi<3$ » est fausse ($\pi\approx3{,}14$).

b) Vraie : « $5>1$ » est vraie.

c) Vraie : la prémisse « $1>2$ » est fausse.

d) Vraie : les deux propositions sont fausses, elles ont la même valeur de vérité.

Remarque Récapitulatif

| $P$ | $Q$ | $\overline{P}$ | $P\wedge Q$ | $P\vee Q$ | $P\Rightarrow Q$ | $P\iff Q$ |

| V | V | F | V | V | V | V |

| V | F | F | F | V | F | F |

| F | V | V | F | V | V | F |

| F | F | V | F | F | V | V |

Lois logiques

Définition

Une loi logique est une proposition composée qui est toujours vraie, quelles que soient les valeurs de vérité des propositions qui la composent.

Propriété Lois usuelles

  • Double négation : $\overline{\overline{P}}\iff P$ ;
  • Lois de Morgan : $\overline{P\wedge Q}\iff(\overline{P}\vee\overline{Q})$ ;

$\overline{P\vee Q}\iff(\overline{P}\wedge\overline{Q})$

  • Négation d’une implication : $\overline{P\Rightarrow Q}\iff(P\wedge\overline{Q})$ ;
  • Contraposée : $(P\Rightarrow Q)\iff(\overline{Q}\Rightarrow\overline{P})$ ;
  • Transitivité : $\left[(P\Rightarrow Q)\wedge(Q\Rightarrow R)\right]\Rightarrow(P\Rightarrow R)$ ;
  • Distributivité : $P\wedge(Q\vee R)\iff(P\wedge Q)\vee(P\wedge R)$ ;

$P\vee(Q\wedge R)\iff(P\vee Q)\wedge(P\vee R)$

Méthode Démontrer une loi logique

On dresse la table de vérité et on vérifie que les deux membres ont la même colonne (ou que la proposition est toujours V).

Exemple Loi de Morgan

| $P$ | $Q$ | $P\wedge Q$ | $\overline{P\wedge Q}$ | $\overline{P}$ | $\overline{Q}$ | $\overline{P}\vee\overline{Q}$ |

| V | V | V | F | F | F | F |

| V | F | F | V | F | V | V |

| F | V | F | V | V | F | V |

| F | F | F | V | V | V | V |

Les colonnes de $\overline{P\wedge Q}$ et de $\overline{P}\vee\overline{Q}$ sont identiques : la loi est démontrée

Négation d’une proposition quantifiée

Propriété

$\overline{(\forall x\in E)\ P(x)}\iff(\exists x\in E)\ \overline{P(x)}$

$\overline{(\exists x\in E)\ P(x)}\iff(\forall x\in E)\ \overline{P(x)}$

Méthode Écrire une négation

  • on remplace $\forall$ par $\exists$ et $\exists$ par $\forall$ ;
  • on garde l’ensemble $E$ ;
  • on nie la propriété : $<$ devient $\geq$, $=$ devient $\neq$, « et » devient « ou », « $P\Rightarrow Q$ » devient « $P\wedge\overline{Q}$ ».

Exemple

  • La négation de « $(\forall x\in\mathbb{R})\ x^2+x+1>0$ » est :

$(\exists x\in\mathbb{R})\ x^2+x+1\leq0$

  • La négation de « $(\exists n\in\mathbb{N})\ n^2=10$ » est :

$(\forall n\in\mathbb{N})\ n^2\neq10$

  • La négation de « $(\forall x\in\mathbb{R})\ (x>1\Rightarrow x^2>1)$ » est :

$(\exists x\in\mathbb{R})\ (x>1\wedge x^2\leq1)$

Erreur fréquente

La négation de « $x>0$ » est « $x\leq0$ » et non « $x<0$ » : on n’oublie pas le cas d’égalité.

Les types de raisonnement

Raisonnement par équivalences successives

Méthode

Pour montrer $P$, on la transforme équivalence après équivalence jusqu’à une proposition vraie évidente.

Exemple

Montrer que $(\forall(a,b)\in\mathbb{R}^2)\ a^2+b^2\geq2ab$.

$a^2+b^2\geq2ab\iff a^2-2ab+b^2\geq0$

$\iff(a-b)^2\geq0$

La dernière proposition est vraie (un carré est positif) :

$(\forall(a,b)\in\mathbb{R}^2)\ a^2+b^2\geq2ab$

Raisonnement par contre-exemple

Méthode

Pour montrer que « $(\forall x\in E)\ P(x)$ » est fausse, on montre sa négation : on trouve un $x_0\in E$ tel que $P(x_0)$ soit fausse.

Exemple

« $(\forall n\in\mathbb{N})\ n^2+n+41$ est premier » est-elle vraie ?

Pour $n=40$ :

$40^2+40+41=40\times41+41$

$=41\times41$

$41^2$ n’est pas premier : la proposition est fausse

Raisonnement par contraposée

Méthode

On utilise la loi : $(P\Rightarrow Q)\iff(\overline{Q}\Rightarrow\overline{P})$.

Pour montrer « $P\Rightarrow Q$ », on montre « **si $Q$ est fausse, alors $P$ est fausse** ».

Exemple

Soit $n\in\mathbb{N}$. Montrer : si $n^2$ est pair, alors $n$ est pair.

Contraposée : si $n$ est impair, alors $n^2$ est impair.

Si $n$ est impair, il existe $k\in\mathbb{N}$ tel que $n=2k+1$ :

$n^2=(2k+1)^2$

$=4k^2+4k+1$

$=2\left(2k^2+2k\right)+1$

$n^2$ est impair ; la contraposée est vraie, donc :

Si $n^2$ est pair, alors $n$ est pair

Raisonnement par l’absurde

Méthode

Pour montrer $P$, on suppose que $\overline{P}$ (la négation de $P$) est vraie et on arrive à une contradiction (une proposition fausse) : donc $P$ est vraie.

Exemple

Montrer que $\sqrt{2}\notin\mathbb{Q}$.

Supposons que $\sqrt{2}=\dfrac{p}{q}$ avec $p,q\in\mathbb{N}^*$ et la fraction irréductible.

$\sqrt{2}=\dfrac{p}{q}\iff p^2=2q^2$

Donc $p^2$ est pair, et (paragraphe précédent) $p$ est pair : $p=2k$.

$4k^2=2q^2\iff q^2=2k^2$

Donc $q^2$ est pair, et $q$ est pair : $p$ et $q$ sont pairs, la fraction n’est pas irréductible. Contradiction.

$\sqrt{2}\notin\mathbb{Q}$

Raisonnement par disjonction des cas

Méthode

Pour montrer $P$, on sépare en cas qui couvrent toutes les possibilités, et on montre $P$ dans chaque cas (loi : $\left[(Q\Rightarrow P)\wedge(\overline{Q}\Rightarrow P)\right]\Rightarrow P$).

Exemple

Montrer que pour tout $n\in\mathbb{N}$, $n(n+1)$ est pair.

  • Cas 1 : $n$ pair, $n=2k$ : $n(n+1)=2k(n+1)$ est pair ;
  • Cas 2 : $n$ impair, $n=2k+1$ : $n+1=2(k+1)$, donc $n(n+1)=2n(k+1)$ est pair.

Dans les deux cas, $n(n+1)$ est pair

Raisonnement par récurrence

Méthode

Pour montrer $(\forall n\geq n_0)\ P(n)$ :

1. Initialisation : on vérifie que $P(n_0)$ est vraie ;

2. Hérédité : on suppose $P(n)$ vraie pour un $n\geq n_0$ et on montre $P(n+1)$ ;

3. Conclusion : $P(n)$ est vraie pour tout $n\geq n_0$.

Exemple

Montrer que $(\forall n\in\mathbb{N}^*)\ 1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}$.

Initialisation : pour $n=1$, $1=\dfrac{1\times2}{2}$ ✔.

Hérédité : on suppose $1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}$ et on montre la formule pour $n+1$ :

$1+2+\cdots+n+(n+1)=\dfrac{n(n+1)}{2}+(n+1)$

$=\dfrac{n(n+1)+2(n+1)}{2}$

$=\dfrac{(n+1)(n+2)}{2}$

C’est la formule au rang $n+1$ ✔.

Par récurrence : $(\forall n\in\mathbb{N}^*)\ 1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}$

Erreur fréquente

  • Oublier l’initialisation : l’hérédité seule ne prouve rien.
  • Dans l’hérédité, il faut utiliser l’hypothèse $P(n)$.

À retenir

  • $P\Rightarrow Q$ est fausse seulement si $P$ est vraie et $Q$ fausse.
  • Négation : $\forall\leftrightarrow\exists$, « et » $\leftrightarrow$ « ou », $\overline{P\Rightarrow Q}\iff P\wedge\overline{Q}$.
  • Faux pour tout ⇒ un contre-exemple ; vrai pour tout ⇒ démonstration générale.
  • Contraposée, absurde, cas, récurrence : on annonce le raisonnement avant de l’écrire.

النسخة العربية

العبارات والدوال العبارية

العبارة

تعريف

العبارة نص رياضي يكون إما صحيحاً (V) وإما خاطئاً (F)، ولا يكون الاثنين معاً.

نقول إن V أو F هي قيمة حقيقة العبارة.

مثال

  • « $\sqrt{9}=3$ » عبارة صحيحة.
  • « $2>5$ » عبارة خاطئة.
  • « $7$ عدد أولي » عبارة صحيحة.
  • « $x+1=3$ » ليست عبارة : صحتها تتعلق بـ $x$.

الدالة العبارية

تعريف

الدالة العبارية $P(x)$ نص يحتوي على متغير $x$ من مجموعة $E$، ويصبح عبارة عندما نعوّض $x$ بعنصر من $E$.

مثال

لتكن $P(x)$ : « $x^2\geq4$ » مع $x\in\mathbb{R}$.

  • $P(3)$ : « $9\geq4$ » صحيحة ؛
  • $P(1)$ : « $1\geq4$ » خاطئة.

المكممات

تعريف

لتكن $P(x)$ دالة عبارية، $x\in E$.

  • المكمم الكوني : « $(\forall x\in E)\ P(x)$ » تُقرأ « لكل $x$ من $E$، $P(x)$ ».
  • المكمم الوجودي : « $(\exists x\in E)\ P(x)$ » تُقرأ « يوجد على الأقل $x$ من $E$ بحيث $P(x)$ ».
  • « $(\exists!x\in E)\ P(x)$ » تُقرأ « يوجد $x$ وحيد من $E$ بحيث $P(x)$ ».

طريقة تحديد قيمة الحقيقة

  • لإثبات أن « $(\forall x\in E)\ P(x)$ » صحيحة : نبرهن من أجل $x$ كيفما كان.
  • لإثبات أنها خاطئة : يكفي مثال مضاد واحد.
  • لإثبات أن « $(\exists x\in E)\ P(x)$ » صحيحة : يكفي إعطاء $x$ يحققها.

مثال

  • « $(\forall x\in\mathbb{R})\ x^2+1>0$ » صحيحة : $x^2\geq0$، إذن $x^2+1\geq1>0$.
  • « $(\forall x\in\mathbb{R})\ x^2>x$ » خاطئة : من أجل $x=\dfrac{1}{2}$، $x^2=\dfrac{1}{4}<\dfrac{1}{2}$.
  • « $(\exists x\in\mathbb{R})\ x^2=2$ » صحيحة : $x=\sqrt{2}$ يحققها.
  • « $(\exists!x\in\mathbb{R})\ 2x+1=0$ » صحيحة : الحل الوحيد هو $x=-\dfrac{1}{2}$.

خطأ شائع ترتيب المكممات مهم

  • « $(\forall x\in\mathbb{R})(\exists y\in\mathbb{R})\ x+y=0$ » صحيحة : لكل $x$ نأخذ $y=-x$.
  • « $(\exists y\in\mathbb{R})(\forall x\in\mathbb{R})\ x+y=0$ » خاطئة : لا يوجد $y$ يصلح لكل $x$.

[!] لا نبادل بين $\forall$ و $\exists$

تطبيق

أعط قيمة حقيقة : أ) $(\forall n\in\mathbb{N})\ n^2\geq n$ ؛ ب) $(\exists x\in\mathbb{R})\ x^2+4=0$.

جواب

أ) صحيحة : $n^2-n=n(n-1)$ و $n\geq0$، $n-1\geq0$ إذا كان $n\geq1$ ؛ ومن أجل $n=0$ : $0\geq0$.

ب) خاطئة : لكل $x$، $x^2+4\geq4>0$.

الروابط المنطقية

تعريف

انطلاقاً من عبارتين $P$ و $Q$، تمكّن الروابط المنطقية من تكوين عبارات جديدة : النفي، العطف، الفصل، الاستلزام والتكافؤ.

النفي

تعريف

لتكن $P$ عبارة. نفي $P$ هو العبارة التي تكون صحيحة عندما تكون $P$ خاطئة، وخاطئة عندما تكون $P$ صحيحة.

لنفي $P$ رمزان : $\overline{P}$ (خط فوق $P$) أو $\neg P$. ويُقرأ « نفي $P$ ».

>> في هذا الدرس نستعمل الرمز $\overline{P}$.

خاصية جدول الحقيقة

| $P$ | $\overline{P}$ |

| V | F |

| F | V |

مثال

  • $P$ : « $\sqrt{4}=2$ » (صحيحة) ؛ $\overline{P}$ : « $\sqrt{4}\neq2$ » (خاطئة).
  • $P$ : « $x>3$ » ؛ $\overline{P}$ : « $x\leq3$ ».
  • $P$ : « $n$ زوجي » ؛ $\overline{P}$ : « $n$ فردي ».

العطف « و »

تعريف

لتكن $P$ و $Q$ عبارتين. عطف $P$ و $Q$، ونرمز له بـ $P\wedge Q$ (« $P$ و $Q$ »)، يكون صحيحاً فقط عندما تكون $P$ و $Q$ صحيحتين معاً.

خاصية جدول الحقيقة

| $P$ | $Q$ | $P\wedge Q$ |

| V | V | V |

| V | F | F |

| F | V | F |

| F | F | F |

مثال

  • « $2<3$ و $5$ عدد أولي » صحيحة (الاثنتان صحيحتان).
  • « $2<3$ و $4$ عدد فردي » خاطئة (الثانية خاطئة).

الفصل « أو »

تعريف

لتكن $P$ و $Q$ عبارتين. فصل $P$ و $Q$، ونرمز له بـ $P\vee Q$ (« $P$ أو $Q$ »)، يكون صحيحاً عندما تكون إحداهما على الأقل صحيحة ؛ ويكون خاطئاً فقط إذا كانتا خاطئتين معاً.

خاصية جدول الحقيقة

| $P$ | $Q$ | $P\vee Q$ |

| V | V | V |

| V | F | V |

| F | V | V |

| F | F | F |

مثال

  • « $2<3$ أو $4$ عدد فردي » صحيحة (الأولى صحيحة).
  • « $2>3$ أو $4$ عدد فردي » خاطئة (الاثنتان خاطئتان).

ملاحظة

« أو » في الرياضيات غير إقصائية : « $P\vee Q$ » صحيحة أيضاً عندما تكون $P$ و $Q$ صحيحتين معاً.

الاستلزام

تعريف

لتكن $P$ و $Q$ عبارتين. الاستلزام « $P\Rightarrow Q$ » هو العبارة « $\overline{P}\vee Q$ ». ويُقرأ « $P$ تستلزم $Q$ » أو « إذا كان $P$ فإن $Q$ ».

خاصية جدول الحقيقة

| $P$ | $Q$ | $\overline{P}$ | $P\Rightarrow Q$ |

| V | V | F | V |

| V | F | F | F |

| F | V | V | V |

| F | F | V | V |

[!] « $P\Rightarrow Q$ » يكون خاطئاً فقط عندما تكون $P$ صحيحة و $Q$ خاطئة

مثال

  • « $x=2\Rightarrow x^2=4$ » صحيح.
  • « $1>2\Rightarrow3=0$ » صحيح : المقدمة « $1>2$ » خاطئة.
  • العكس « $x^2=4\Rightarrow x=2$ » خاطئ : من أجل $x=-2$، $x^2=4$ لكن $x\neq2$.

ملاحظة

  • « $Q\Rightarrow P$ » يسمى الاستلزام العكسي لـ « $P\Rightarrow Q$ ».
  • إذا كان « $P\Rightarrow Q$ » صحيحاً : $P$ شرط كافٍ لـ $Q$، و $Q$ شرط لازم لـ $P$.

التكافؤ

تعريف

لتكن $P$ و $Q$ عبارتين. التكافؤ « $P\iff Q$ » هو العبارة « $(P\Rightarrow Q)\wedge(Q\Rightarrow P)$ ». ويُقرأ « $P$ تكافئ $Q$ » أو « $P$ إذا وفقط إذا $Q$ ».

خاصية جدول الحقيقة

| $P$ | $Q$ | $P\Rightarrow Q$ | $Q\Rightarrow P$ | $P\iff Q$ |

| V | V | V | V | V |

| V | F | F | V | F |

| F | V | V | F | F |

| F | F | V | V | V |

« $P\iff Q$ » صحيح عندما يكون لـ $P$ و $Q$ نفس قيمة الحقيقة

مثال

  • من أجل $x\in\mathbb{R}$ : « $2x-6=0\iff x=3$ » صحيح.
  • « $x^2=4\iff x=2$ » خاطئ : الاستلزام « $x^2=4\Rightarrow x=2$ » خاطئ.

تطبيق

أعط قيمة حقيقة : أ) « $\sqrt{4}=2$ و $\pi<3$ » ؛ ب) « $5$ زوجي أو $5>1$ » ؛ ج) « $1>2\Rightarrow 3=0$ » ؛ د) « $2+2=5\iff 3>4$ ».

جواب

أ) خاطئة : « $\pi<3$ » خاطئة ($\pi\approx3{,}14$).

ب) صحيحة : « $5>1$ » صحيحة.

ج) صحيح : المقدمة « $1>2$ » خاطئة.

د) صحيح : العبارتان خاطئتان، فلهما نفس قيمة الحقيقة.

ملاحظة جدول تلخيصي

| $P$ | $Q$ | $\overline{P}$ | $P\wedge Q$ | $P\vee Q$ | $P\Rightarrow Q$ | $P\iff Q$ |

| V | V | F | V | V | V | V |

| V | F | F | F | V | F | F |

| F | V | V | F | V | V | F |

| F | F | V | F | F | V | V |

القوانين المنطقية

تعريف

القانون المنطقي عبارة مركبة تكون صحيحة دائماً كيفما كانت قيم حقيقة العبارات المكونة لها.

خاصية قوانين اعتيادية

  • النفي المزدوج : $\overline{\overline{P}}\iff P$ ؛
  • قانونا موركان : $\overline{P\wedge Q}\iff(\overline{P}\vee\overline{Q})$ ؛

$\overline{P\vee Q}\iff(\overline{P}\wedge\overline{Q})$

  • نفي استلزام : $\overline{P\Rightarrow Q}\iff(P\wedge\overline{Q})$ ؛
  • المضاد للعكس : $(P\Rightarrow Q)\iff(\overline{Q}\Rightarrow\overline{P})$ ؛
  • التعدي : $\left[(P\Rightarrow Q)\wedge(Q\Rightarrow R)\right]\Rightarrow(P\Rightarrow R)$ ؛
  • التوزيعية : $P\wedge(Q\vee R)\iff(P\wedge Q)\vee(P\wedge R)$ ؛

$P\vee(Q\wedge R)\iff(P\vee Q)\wedge(P\vee R)$

طريقة إثبات قانون منطقي

نضع جدول الحقيقة ونتحقق أن للطرفين نفس العمود (أو أن العبارة صحيحة دائماً).

مثال قانون موركان

| $P$ | $Q$ | $P\wedge Q$ | $\overline{P\wedge Q}$ | $\overline{P}$ | $\overline{Q}$ | $\overline{P}\vee\overline{Q}$ |

| V | V | V | F | F | F | F |

| V | F | F | V | F | V | V |

| F | V | F | V | V | F | V |

| F | F | F | V | V | V | V |

عمودا $\overline{P\wedge Q}$ و $\overline{P}\vee\overline{Q}$ متطابقان : القانون مُثبت

نفي عبارة مكممة

خاصية

$\overline{(\forall x\in E)\ P(x)}\iff(\exists x\in E)\ \overline{P(x)}$

$\overline{(\exists x\in E)\ P(x)}\iff(\forall x\in E)\ \overline{P(x)}$

طريقة كتابة النفي

  • نعوّض $\forall$ بـ $\exists$ و $\exists$ بـ $\forall$ ؛
  • نحتفظ بالمجموعة $E$ ؛
  • ننفي الخاصية : $<$ تصبح $\geq$، $=$ تصبح $\neq$، « و » تصبح « أو »، « $P\Rightarrow Q$ » يصبح « $P\wedge\overline{Q}$ ».

مثال

  • نفي « $(\forall x\in\mathbb{R})\ x^2+x+1>0$ » هو :

$(\exists x\in\mathbb{R})\ x^2+x+1\leq0$

  • نفي « $(\exists n\in\mathbb{N})\ n^2=10$ » هو :

$(\forall n\in\mathbb{N})\ n^2\neq10$

  • نفي « $(\forall x\in\mathbb{R})\ (x>1\Rightarrow x^2>1)$ » هو :

$(\exists x\in\mathbb{R})\ (x>1\wedge x^2\leq1)$

خطأ شائع

نفي « $x>0$ » هو « $x\leq0$ » وليس « $x<0$ » : لا ننسى حالة التساوي.

أنواع الاستدلال

الاستدلال بالتكافؤات المتتالية

طريقة

لإثبات $P$، نحوّلها تكافؤاً بعد تكافؤ إلى عبارة صحيحة بديهية.

مثال

بيّن أن $(\forall(a,b)\in\mathbb{R}^2)\ a^2+b^2\geq2ab$.

$a^2+b^2\geq2ab\iff a^2-2ab+b^2\geq0$

$\iff(a-b)^2\geq0$

العبارة الأخيرة صحيحة (المربع موجب) :

$(\forall(a,b)\in\mathbb{R}^2)\ a^2+b^2\geq2ab$

الاستدلال بالمثال المضاد

طريقة

لإثبات أن « $(\forall x\in E)\ P(x)$ » خاطئة، نثبت نفيها : نجد عنصراً $x_0\in E$ واحداً بحيث تكون $P(x_0)$ خاطئة.

مثال

هل « $(\forall n\in\mathbb{N})\ n^2+n+41$ عدد أولي » صحيحة ؟

من أجل $n=40$ :

$40^2+40+41=40\times41+41$

$=41\times41$

$41^2$ ليس أولياً : العبارة خاطئة

الاستدلال بالمضاد للعكس

طريقة

نستعمل القانون : $(P\Rightarrow Q)\iff(\overline{Q}\Rightarrow\overline{P})$.

لإثبات « $P\Rightarrow Q$ »، نثبت « **إذا كانت $Q$ خاطئة فإن $P$ خاطئة** ».

مثال

ليكن $n\in\mathbb{N}$. بيّن : إذا كان $n^2$ زوجياً فإن $n$ زوجي.

المضاد للعكس : إذا كان $n$ فردياً فإن $n^2$ فردي.

إذا كان $n$ فردياً، يوجد $k\in\mathbb{N}$ بحيث $n=2k+1$ :

$n^2=(2k+1)^2$

$=4k^2+4k+1$

$=2\left(2k^2+2k\right)+1$

$n^2$ فردي ؛ المضاد للعكس صحيح، إذن :

إذا كان $n^2$ زوجياً فإن $n$ زوجي

الاستدلال بالخلف

طريقة

لإثبات $P$، نفترض أن $\overline{P}$ (نفي $P$) صحيحة ونصل إلى تناقض (عبارة خاطئة) : إذن $P$ صحيحة.

مثال

بيّن أن $\sqrt{2}\notin\mathbb{Q}$.

نفترض أن $\sqrt{2}=\dfrac{p}{q}$ مع $p,q\in\mathbb{N}^*$ والكسر غير قابل للاختزال.

$\sqrt{2}=\dfrac{p}{q}\iff p^2=2q^2$

إذن $p^2$ زوجي، و (الفقرة السابقة) $p$ زوجي : $p=2k$.

$4k^2=2q^2\iff q^2=2k^2$

إذن $q^2$ زوجي، و $q$ زوجي : $p$ و $q$ زوجيان، فالكسر قابل للاختزال. تناقض.

$\sqrt{2}\notin\mathbb{Q}$

الاستدلال بفصل الحالات

طريقة

لإثبات $P$، نفصل إلى حالات تغطي كل الإمكانيات، ونثبت $P$ في كل حالة (القانون : $\left[(Q\Rightarrow P)\wedge(\overline{Q}\Rightarrow P)\right]\Rightarrow P$).

مثال

بيّن أنه لكل $n\in\mathbb{N}$، العدد $n(n+1)$ زوجي.

  • الحالة 1 : $n$ زوجي، $n=2k$ : $n(n+1)=2k(n+1)$ زوجي ؛
  • الحالة 2 : $n$ فردي، $n=2k+1$ : $n+1=2(k+1)$، إذن $n(n+1)=2n(k+1)$ زوجي.

في الحالتين، $n(n+1)$ زوجي

الاستدلال بالترجع

طريقة

لإثبات $(\forall n\geq n_0)\ P(n)$ :

1. التحقق : نتحقق أن $P(n_0)$ صحيحة ؛

2. الوراثة : نفترض أن $P(n)$ صحيحة من أجل $n\geq n_0$ ونثبت $P(n+1)$ ؛

3. الخلاصة : $P(n)$ صحيحة لكل $n\geq n_0$.

مثال

بيّن أن $(\forall n\in\mathbb{N}^*)\ 1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}$.

التحقق : من أجل $n=1$، $1=\dfrac{1\times2}{2}$ ✔.

الوراثة : نفترض أن $1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}$ ونثبت الصيغة من أجل $n+1$ :

$1+2+\cdots+n+(n+1)=\dfrac{n(n+1)}{2}+(n+1)$

$=\dfrac{n(n+1)+2(n+1)}{2}$

$=\dfrac{(n+1)(n+2)}{2}$

إنها الصيغة من أجل الرتبة $n+1$ ✔.

بالترجع : $(\forall n\in\mathbb{N}^*)\ 1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}$

خطأ شائع

  • نسيان التحقق : الوراثة وحدها لا تثبت شيئاً.
  • في الوراثة يجب استعمال الافتراض $P(n)$.

للحفظ

  • $P\Rightarrow Q$ خاطئ فقط إذا كانت $P$ صحيحة و $Q$ خاطئة.
  • النفي : $\forall\leftrightarrow\exists$، « و » $\leftrightarrow$ « أو »، $\overline{P\Rightarrow Q}\iff P\wedge\overline{Q}$.
  • خاطئة لكل ⇐ مثال مضاد ؛ صحيحة لكل ⇐ برهان عام.
  • المضاد للعكس، الخلف، الحالات، الترجع : نعلن نوع الاستدلال قبل كتابته.

فنفس الدرس

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