Le langage mathématique et le langage courant
En mathématiques, nous utilisons beaucoup d’exemples de la vie courante pour illustrer nos propos. Mais le langage mathématique se veut plus rigoureux et plus précis que le langage courant qui peut, parfois, contenir des confusions ou des ambiguïtés.
Les programmes de mathématiques au lycée précisent que « les capacités attendues doivent être clairement identifiées »… « L’acquisition de techniques est indispensable, mais doit être au service de la pratique du raisonnement qui est à la base de l’activité mathématique des élèves »…
Dans une langue écrite et parlée, nous avons un alphabet ; nous construisons des mots (correctement orthographiés dans le langage). Donc, nous pouvons construire des phrases correctes ( la syntaxe ) grâce à des « règles de grammaire ». Puis nous leur donnons un sens (la sémantique ) « Vrai », « Faux » et « On ne sait pas ». « Il existe une fourmi de 18 mètres » est une phrase correctement construite, mais elle est fausse dans la réalité. Dans le langage courant, nous utilisons des « règles de déduction logiques » pour argumenter , justifier des propos, ou convaincre une personne de la véracité de nos propos.
En mathématiques, les termes de base sont : les nombres, les lettres que nous rendons en nombre infini en leur donnant des indices,… Nous construisons des « objets mathématiques » avec des définitions précises. Nous donnons des propriétés de ces objets mathématiques. Un certain nombre de propriétés de base sont appelées des axiomes et sont donc supposées vraies. Pour compléter ce « langage mathématique », nous donnons également un ensemble de « règles de construction et de déduction logique » qui constituent une véritable grammaire du langage mathématique.
Les différentes méthodes de construction de nouvelles propositions logiques sont : les connecteurs « et » pour la conjonction et « non » pour la négation « non ». On peut rajouter le « ou » pour la conjonction, « $\Rightarrow$ » pour l’implication et « $\Leftrightarrow$ » pour l’équivalence, même s’ils se déduisent des deux premiers. Les méthodes de raisonnement : La conjonction logique, la disjonction logique, la négation, l’implication logique, la contraposition, l’équivalence logique, et d’autres méthodes comme le principe de récurrence (classe de Terminale),…
Certaines propriétés P dépendent d’un ou de plusieurs paramètres appelés des variables $x$, $y$,… On les note $P(x)$ ou $P(x ;y)$,… On les appelle des attributs ou des prédicats … Il est légitime de se poser la question si elles sont vraies pour toutes les valeurs de $x$, ou s’il existe au moins un $x$ pour lequel elles sont vraies, ou si elles sont fausses pour tout $x$, ou encore s’il existe au moins un $x$ pour lequel elles sont fausses. On introduit la notion de « quantificateurs » : « pour tout » ou « quel que soit » et « il existe au moins un ».
En mathématiques, « toute propriété dépendant d’au moins un paramètre doit être quantifiée ! ».
Grâce à ces règles de déduction, nous pouvons construire et énoncer de nouvelles propositions logiques vraies qu’on appelle les théorèmes . Pour cela, nous faisons une démonstration ou preuve mathématique . C’est un raisonnement logique qui utilise des résultats théoriques (définitions, propriétés, théorèmes, formules, …) déjà établis pour parvenir pas à pas à notre conclusion en utilisant les règles de déduction.
Pour certains théorèmes dont la démonstration est longue, nous les découpons en plusieurs résultats partiels appelés lemmes . Une fois ce découpage fait, la démonstration tient en quelques lignes en faisant les liens logiques entre ces lemmes et le résultat cherché.
Dans ce qui suit, nous allons donner des éléments d’aide à la démonstration et au raisonnement logique, avec des exemples en algèbre, géométrie ou analyse. Ces exemples seront pris essentiellement dans les programmes du collège ou du lycée en mentionnant le niveau des pré-requis utilisés pour mieux les illustrer.
Les paragraphes suivants seront pourvus au fur et à mesure de leur réalisation :
- La démonstration
- La proposition logique
- La négation simple
- Les quantificateurs
- Le contre-exemple
- Les conjonctions logiques « et », « ou »
- Raisonnement par disjonction des cas
- L’implication logique « Si…, alors… »
- Condition nécessaire. Condition suffisante.
- L’équivalence logique
- La négation composée
- La contraposée d’une implication
- Raisonnement par l’absurde
- Raisonnement par récurrence
- Lexique
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