Une preuve à prendre avec précaution

Par MathOMan, dimanche 8 novembre 2009 à 23:17 - Maths pour tous - Tags - RSS

Le fait que

0,999999... = 1

est une des premières choses qu'un étudiant apprend lorsqu'il étudie les nombres réels. Voici une démonstration de cette égalité.

On pose
X = 0,99999...
Alors on a l'égalité
10X = 9,99999...
dont on soustrait la première,
9X = 9,00000...
D'où X = 1.

Convaincant, n'est-ce pas ? Pour beaucoup de gens il s'agit d'une preuve — mais en réalité ça reste une tricherie car on ômet de réfléchir sur un certain nombre détails (comme par exemple à la signification rigoureuse de 0,99999... ou du produit 10 × 0,99999.... C'est un peu comme en topologie où il faut aussi faire comprendre au débutant que le fait que les boules ouvertes sont des ouverts nécessite une preuve.)
Or qui a bien compris le cours sur les nombres réels n'a pas besoin d'une preuve car l'égalité 0,999999... = 1 est une conséquence immédiate des diverses définitions possibles du corps des réels.

Voici la manière dont j'expliquerai l'égalité 1=0,99999... à quelqu'un qui ne connais pas grand chose en maths :

Une bien meilleure méthode

On pose X = 0,99999... et on part de

0 < 0,9 < 0,99 < 0,999 < 0, 9999 < ... < X

donc par multiplication par -1 les inégalités changent de sens,

0 > - 0,9 > - 0,99 > - 0,999 > - 0,9999 > ... > - X.

En ajoutant 1 à chaque membre de ces inégalités, on obtient

1 > 1 - 0,9 > 1 - 0,99 > 1 - 0,999 > 1 - 0,9999 > ... > 1 - X.

Autrement dit,

1 > 0,1 > 0,01 > 0,001 > 0,0001 > ... > 1 - X.

Ainsi la différence 1-X est plus petite que tout nombre de la forme 0,000...0001. C'est-à-dire 1-X ne peut pas être strictement positif. D'autre part 1-X n'est pas strictement négatif car X est n'est pas plus grand que 1. Cela prouve que 1-X = 0 , ou encore que X = 1. CQFD

Avec un tel raisonnement, je crois, le non-initié comprend mieux les idées mathématiques qu'avec une tricherie qui fait seulement appel à ses habitudes de calcul.

Brenoms

D'ailleurs au lieu d'écrire une infinité de chiffres après la virgule on peut aussi écrire une infinité de chiffres devant. On obtient alors ce qu'on appelle un brenom (verlan de nombre). On additionne les brenoms en commencant par la droite. Ca donne des résultats bizarres comme par exemple

Plus de détails sur les brenoms dans ce bel article.

Commentaires

1. Le mardi 17 novembre 2009 à 20:56, par Alexandre VASSORT

Bonjour / bonsoir,

étant un nouveau dans le monde fantastisque des maths post-bac, j'ai effectivement rencontré cette preuve assez étrange au premier abord, par un camarade. Puis notre professeur nous a expliqué le pourquoi du comment et en a même profité pour nous donner une méthode de démonstration mettant en jeu les notions de sommes finies que nous venions de voir (avec en supplément un passage à la limite qui n'était pas dans le chapitre). Et pour les plus sceptiques, je me propose de la restituer (par contre, j'espère que ces sceptiques connaissent leur formule de la somme des termes d'une suite géométrique... ce qui est assez anecdotique par rapport au changement de variable).

Alors d'abord pour des commodités d'écriture, j'utiliserai la notation $0,\bar{9}$ pour désigner $0,9999\cdots$

Alors $0,\bar{9}=\displaystyle{\sum_{k=1}^{+\infty}9.10^{-k}=\lim_{N\to +\infty}\sum_{k=1}^{N}9.10^{-k}}$
Or $\sum_{k=1}^{N}9.10^{-k}=9.\sum_{k=1}^{N}10^{-k}=9.\sum_{k=1}^{N}\left(\frac{1}{10}\right)^{k}=9.\sum_{k=0}^{N-1}\left(\frac{1}{10}\right)^{k+1}=\frac{9}{10}.\sum_{k=0}^{N-1}\left(\frac{1}{10}\right)^{k}$
Et $\sum_{k=0}^{N-1}\left(\frac{1}{10}\right)^{k}=\frac{1-\left(\frac{1}{10}\right)^{n}}{1-\frac{1}{10}}=\left(1-\left(\frac{1}{10}\right)^{n}\right).\frac{10}{9}$
Donc $\sum_{k=1}^{N}9.10^{-k}=\left(1-\left(\frac{1}{10}\right)^{n}\right)$
Finalement, avec le passage à la limite, $0,\bar{9}=1$ .

Si c'est discutable au niveau topologie ou autre, je ne pourrai pas améliorer, je ne suis pour l'instant qu'à mon premier trimestre de maths sup ^^'

En tout cas le réseau de blogs de maths propose des articles très intéressants. Merci de votre attention.

2. Le mardi 17 novembre 2009 à 21:55, par JLT

Voici un argument qui n'est pas du tout une demonstration mais qui me semble avoir l'interet d'etre convaincant pour le profane.

On sait que 1/9 = 0,11111...

En multipliant par 9 on trouve :
1= 0,99999...

3. Le mercredi 18 novembre 2009 à 15:21, par MathOMan

@ JLT : Est-ce que toute monde sait que 1/9 = 0,11111... ? ;-)

@ Alexandre : Oui, c'est une bonne preuve de passer par la série géométrique (pour ceux qui la connaissent). Je viens de rajouter au billet la preuve qui me paraît le mieux adaptée pour des non-matheux.

4. Le vendredi 20 novembre 2009 à 11:00, par toufou

Sincèrement je trouve la seconde preuve très obscure pour un profane même si effectivement elle est rigoureuse. Les matheux font en permanence des racourcis dans leurs preuves, et heureusement car si nous rédigions toutes nos preuves en utilisant les axiomes de la théorie des ensembles nous ne serons pas sorti de l'auberge...
Pourquoi alors imposer à quelqu'un qui ne connait les maths que de façon parcellaire un raisonnement si compliqué. Perso, je garde le premier raisonnement pour les novices et je creuse d'avantage pour les étudiants.

5. Le vendredi 20 novembre 2009 à 13:20, par Tanguy Follio

Salut Bernhard,

Je suis, comme tu le sais, un profane (je n'ai pas fait de maths depuis le bac, donc depuis presque 20 ans) mais j'aime bien la logique.
La preuve n°1 (où l'on triche) m'a quand même paru la plus simple à comprendre. Encore que je ne suis pas sûr d'avoir tout compris. Pour les autres démonstrations, il faut réfléchir plus. C'est fatiguant.

6. Le dimanche 22 novembre 2009 à 17:36, par Fabien Besnard

Tu as raison de signaler cette arnaque que l'on trouve dans certains livres de seconde. Il se trouve que j'ai eu à enseigner en classe de seconde (quelques uns s'en souviennent peut-être avec douleur). Pour expliquer que 0,999...=1, je partais des deux faits suivants (admis) : tout nombre réel admet un développement décimal, entre deux réels distincts il s'en trouve toujours un troisième. Puis je raisonnais par l'absurde en cherchant le développement décimal d'un nombre qui serait coincé entre 0,999... et 1,000... Bien sûr cela revient exactement à ta preuve, mais c'est peut-être un peu plus intuitif.

7. Le vendredi 1 octobre 2010 à 16:33, par a-math-eur

Pouvez-vous expliciter pour moi, en termes simples votre remarque "C'est un peu comme en topologie où il faut aussi faire comprendre au débutant que le fait que les boules ouvertes sont des ouverts nécessite une preuve"?

J'avoue ne rien comprendre tout en étant à la fois mathématicien et pédagogue...

8. Le vendredi 1 octobre 2010 à 16:36, par MathOMan

C'est assez simple à comprendre. Soit (X,d) un espace métrique (par exemple Rⁿ avec comme métrique la distance habituelle (euclidienne) entre deux points.)

Pour a dans X et r>0 on appelle "boule ouverte" de centre a et rayon r l'ensemble B_r(a) constitué des x dans X tels que d(x,a)<r.

On définit qu'une partie Y de X est "ouverte" si pour tout y dans Y il existe r>0 tel que B_r(y) est une partie de Y. On on déduit sans problème que les ouverts de X forment une "topologie" sur X, c'est-à-dire que X et l'ensemble vide sont ouverts, que toute réunion d'ouverts est un ouvert et que toute intersection finie d'ouverts est un ouvert.

Mais ce qui n'est pas évident c'est que les "boules ouvertes" portent bien leur nom et sont des ouverts dans cette topologie. La preuve de ce fait n'est pas difficile (elle fait appel à l'inégalité triangulaire, l'un des quatre propriétés qui définissent une métrique) mais sa nécessité étonne les étudiants...

Ajouter un commentaire

Pourquoi ne pas lire aussi :

Question codage Maple

Par Mathoman, samedi 21 janvier 2012 à 15:46 - Maths pour matheux - Tags

Ce matin en TP Maple je voulais coder une chose qui semble toute anodine : créer le liste des fonctions x —> sin(kx) où k=0,..,100. Il est facile de créer la liste des expressions sin(kx) où k=0,..,100, et dans les cas pratiques on peut se débrouiller avec ça. Mais créer la liste de ces fonctions ne semble pas aussi simple. Est-ce que par hasard un de mes lecteurs sait comment s'y prendre?

2 commentaires

Utiliser un grand canon pour un moineau

Par Mathoman, mercredi 8 avril 2009 à 12:37 - Maths pour tous - Tags

Récemment en colle d'arithmétique j'ai posé la question suivante :

Soient x, y, z trois entiers vérifiant

$x^3 + y^3 = z^3\,.$

Montrer qu’au moins un parmi eux est divisible par 3.

La solution que j'attendais de l'élève n'est pas compliquée (faire une preuve par l'absurde en étudiant l'équation modulo 9) mais depuis 1994 cette question classique semble devenue obsolète — enfin, je ne sais pas vraiment car je ne comprends pas la preuve du théorème de Wiles-Fermat... Qui peut donc m'éclaircir et me dire si la preuve de Wiles utilise ou non le résultat de cette innocente question de colle ?

Explication pour les non-matheux

Dans le 17ème siècle Pierre de Fermat écrivit sur la marge d'un livre que si n est un nombre entier strictement plus grand que 2 alors il n'existe pas de nombres entier non-nuls x, y, z vérifiant

$x^n + y^n = z^n\,$ .

Il ne donna pas de preuve et écrivit seulement J’ai trouvé une merveilleuse démonstration de cette proposition, mais la marge est trop étroite pour la contenir.
Pendant 300 ans les mathématiciens ont cherché une preuve de cette conjecture de Fermat, mais en vain. C'est seulement en 1994 qu'Andrew Wiles a réussi de la prouver ! Désormais la conjecture de Fermat est devenu le théorème de Fermat-Wiles. Sa preuve utilise des techniques très avancées. On est convaincu aujourd'hui que la preuve mentionnée par Fermat, celle qui était trop longue pour la marge, était eronnée.

Si on utilise le théorème de Fermat-Wiles la question de colle devient trivial. En effet, si trois entiers vérifient l'équation, alors au moins un parmi eux est nul et donc divisible par 3.

Pour revenir à l'histoire de ce théorème : à mon avis elle est typique à plusieurs titres pour la recherche en mathématiques :

D'abord l'équation de Fermat est une généralisation d'une autre que tout le monde connaît, à savoir l'équation de Pythagore a²+b²=c². Il existe des entiers non-nuls qui la vérifient, par exemple 3²+4²=5² ; c'est-à-dire on peut construire un triangle rectangle de côtés entiers.
L'énoncé du théorème de Fermat-Wiles est tellement simple que tout collégien peut le comprendre mais sa démonstration est tellement difficile que seulement quelques spécialistes la comprennent.
L'énoncé n'a aucune application dans les sciences et ne possède, à ma connaissance, même pas de conséquences importantes en mathématiques. Son seul intérêt est sa beauté.
Des générations de mathématiciens ont cherché à prouver cette conjecture. Ils l'ont fait pour l'honneur de l'esprit humain, sans penser à des applications, mais les outils mathématiques qu'ils ont développés ont fait avancer toute la science.
Les ordinateurs ne peuvent jamais démontrer une telle conjecture car il faudrait tester l'équation sur une infinité de nombres ; ils peuvent seulement la rendre plausible.

8 commentaires

Une solution niveau CM2 pour les rectangles entiers

Par Mathoman, samedi 24 janvier 2009 à 20:35 - Exo, enigme, casse-tête - Tags

L'exercice amusant sur les rectangles entiers possède apparemment beaucoup de solutions. François-Xavier Vialard m'a indiqué un article en anglais de Stan Wagon qui réunit les différentes démonstrations de 14 auteurs du monde entier ! L'une parmi elles, qui m'a été signalé aussi par Tahar Boulmezaoud, est particulièrement belle. En effet, elle utilise seulement des mathématiques élémentaires que même un élève de 6^e, voire de CM2, peut comprendre. L'idée de la preuve est de travailler avec un réseau en forme d'échiquier. Voici une description détaillé de cette démonstration, lisible par tous, indépendemment du niveau en maths :

Je rappelle que l'énoncé de l'exercice se trouve ici.

On considère un grand échiquier dont chaque case est de longueur 1/2. Nous allons l'utiliser pour poser nos rectangles dessus.

Lemme 1. Si un rectangle est entier alors il couvre autant de surface noire que blanche.

Preuve : Cela se verra plus facilement avec un dessin. Voici un rectangle dont le coté horizontal est 3.

On le découpe,

puis on déplace la partie gauche à droite, sans que cela ne change la superficie blanche ou noire couverte.

Il est maintenant évident que le rectangle couvre autant de superficie blanche que noire, ce qui achève la démonstration du lemme 1.

Remarque : La réciproque du lemme 1 n'est pas vraie. Comme contre-exemple il suffit de prendre un rectangle dont le milieu se trouve sur un point nœud de l'échiquier. Il couvre alors autant d'aire noire que blanche sans être pourtant nécessairement entier :

Mais si on rajoute une condition de plus les choses s'arrangent ! En effet, on a l'énoncé suivant.

Lemme 1. Si un rectangle dont au moins un sommet coïncide avec un point nœud de l'échiquier couvre autant de surface noire que blanche alors il est entier.

Preuve : Prenons le cas où le sommet en bas à gauche du rectangle coïncide avec un point nœud. Colorons ce nœud ainsi que les autres nœuds qui sont de coordonnées entières par rapport à lui. Nous supposons qu'aucun des autres trois sommets est sur un nœud coloré.

Pour examiner si le rectangle couvre autant de surface blanche que noire, nous le découpons ainsi :

Le rectangle bleu a un côté horizontal entier et couvre donc, d'après le lemme 1, autant de surface noire que blanche. De même pour le rectangle vert car son côté vertical est entier. Il reste alors à examiner le petit rectangle rouge.

Le petit rectangle jaune couvre autant d'aire blanche que noire, tandis que le marron couvre plus d'aire blanche que noire. Par conséquence le petit rectangle rouge couvre plus de surface noire que blanche.

Nous avons donc démontré qu'un rectangle dont un unique sommet coïncide avec un nœud coloré ne peut pas couvrir autant d'aire blanche que noire. Donc si un rectangle a au moins un sommet sur un nœud coloré et couvre la même aire blanche que noire alors il a forcément un deuxième sommet sur un nœud coloré, et cela implique qu'il s'agit d'un rectangle entier. Le lemme 2 est ainsi démontré.

Remarque : En réalité, il y a quatre types petits rectangles restants mais nous n'avons traité qu'un seul type car pour les trois autres on voit immédiatement que les aires blanches et noires ne sont pas les mêmes :

Maintenant nous sommes prêts à donner la preuve du problème posé.

Nous plaçons notre grand rectangle de manière qu'un de ses sommet est sur un point nœud de l'échiquier. Par hypothèse tous les petits rectangles le constituant sont entiers, donc chacun couvre, d'après le lemme 1, autant d'aire blanche et que noire. Il en est de même du grand rectangle. D'après le lemme 2 il est entier.

1 commentaires

Les limites des logiciels de calcul formel?

Par Mathoman, mardi 29 mars 2011 à 17:24 - Maths pour matheux - Tags

Dans ce billet j'ai posé l'exercice de montrer que la loi binaire

x¤y := x(y²+1)^½+y(x²+1)^½

définit une structure de groupe sur l'ensemble des réels. Le seul obstacle est l'associativité; la preuve n'est pas très difficile (il s'agit d'un simple transport de la loi + par le sinus hyperbolique). Mais avec Maple je n'arrive pas à faire la preuve par force brute; en effet, je ne sais pas comment faire en sorte que le logiciel simplifie l'expression concernée (tandis que le logiciel Xcas y arrive, comme l'a remarqué Tukikun).

Dans le même esprit, je me demande si quelqu'un arrive à démontrer avec Maple que, sur les courbes elliptiques (réelles), l'addition par la méthode des sécantes est associative. Je n'y suis pas arrivé.

1 commentaires

Ceci n'est pas pipé

Par Mathoman, lundi 5 avril 2010 à 19:31 - Exo, enigme, casse-tête - Tags

En probabilités on dit qu'un dé est pipé si les chances de ses six faces ne sont pas les mêmes. Dans le cas habituel, celui d'un dé non-pipé (ou dé parfait), la probabilité pour chaque face est 1/6 et on parle de variable aléatoire équirépartie.

Si on lance deux dés habituels et si on prend la somme des deux résultats on obtient un nombre entre 2 et 12. Ce qui étonne alors souvent le débutant c'est que la probabilité de cette somme n'est pas équirépartie ; par exemple, obtenir un 11 est moins probable qu'obtenir un 10. La raison pour cela est qu'on retrouve le 10 avec (4,6) ou (6,4) ou (5,5) tandis que pour le 11 on a seulement les deux possibilités (5,6) ou (6,5).

Question (existence d'un jeu de deux dés pipés) :

Peut-on piper un couple de dés de sorte que le jeu qui consiste à prendre la somme des deux dés lancés donne une loi aléatoire équirépartie ?

6 commentaires

Exercice sur les cordes d'un cercle

Par Mathoman, samedi 26 décembre 2009 à 19:38 - Exo, enigme, casse-tête - Tags

Voici un joli exercice de géométrie dans le plan. L'énoncé est surprenant et semble plutôt simple, mais la démonstration ne l'est pas.

Soit $\scr{C}$ un cercle, A,B deux points distincts sur $\scr{C}$ et M le milieu de la corde [AB]. Soient [PQ] et [SR] deux autres cordes passant par M. On note C (resp. D) le point d'intersection de [AB] avec [PS] (resp. [RQ]).
Démontrer que M est aussi le milieu de [CD].

cercle, cordes, milieu d'un segment, preuve difficile

Etonnant : si M est le milieu de [AB], alors aussi de [CD] !

Remarque : Ce problème est posé dans une vidéo sur Jean-Pierre Kahane du site Images des Maths. On y trouve une preuve élégante utilisant un faisceaux de coniques (niveau supérieur). Mais il existe aussi deux autres preuves, l'une géométrique et astucieuse (niveau collège) et l'autre bête et calculatoire (niveau classe de première) : vous les trouverez dans les commentaires ci-dessous.

4 commentaires

SO(3) e(s)t l'espace projectif à 3 dimensions

Par Mathoman, samedi 6 septembre 2008 à 21:28 - Maths pour matheux - Tags

Quelques fois on garde un souvenir très complet d'une démonstration mathématique, et ce souvenir inclût également des accessoires absurdes et inutiles comme par exemple le numéro de la page du livre où on l'a apprise ou la couleur de la chemise du professeur qui l'a expliquée...

Ci-dessous j'explique, en forme d'exercice corrigé, pourquoi le groupe SO(3) de rotations dans l'espace peut être identifié à l'espace projectif réel $\mathbb{P}^3$ . Et je me rappelle que c'était un collègue d'études qui m'a raconté cette preuve par la méthode de hand waving sous le soleil d'été dans une piscine plein air à Bonn!

Un bel énoncé géométrie et topologie
Le but de l'exercice est de montrer que $\;SO(2)\:\simeq\: \mathbb{P}^1\;\;$ et $\;\;SO(3)\:\simeq\:\mathbb{P}^3\,.$

Notations
Dans un premier temps — dont nous nous contentons ici — le symbole $\:\simeq\:$ signifie simplement qu'il existe une bijection entre les ensembles concernés; c'est clairement une relation d'équivalence.
Comme d'habitude $\mathbb{P}^n$ dénote l'espace projectif réel de dimension n, c'est-à-dire l'ensemble des droites vectorielles dans $\mathbb{R}^{n+1}$ . Fixons aussi les notations pour trois sous-ensembles importants de $\mathbb{R}^{n+1}\:$ :

la boule $\;\mathbb{B}^{n+1}=\{x\in\mathbb{R}^{n+1} \:|\: x_1^2+\cdots+x_{n+1}^2\leq1\}\,,$
$\:$
la sphère $\;\mathbb{S}^{n}=\{x\in\mathbb{R}^{n+1} \:|\: x_1^2+\cdots+x_{n+1}^2=1\}\,,$
$\:$
l'hémisphère nord $\;\mathbb{S}^{n}_+=\{x\in\mathbb{S}^{n} \:|\: x_{n+1}^2\geq0\}\,.$
$\:$

Le bord de la boule $\mathbb{B}^{n+1}$ est la sphère $\mathbb{S}^n$ . Chaque point x sur ce bord possède un antipode, à savoir le point —x.
Si on ``recolle'' $\mathbb{B}^{n+1}$ par identification des antipodes sur son bord, alors on obtient un nouvel ensemble que nous notons $\mathbb{B}^{n+1}/\!\sim\,.$ Ca, c'est du handwaving. De manière ensembliste on pourra écrire

$\;\;\;\;\;\mathbb{B}^{n+1}/\!\sim~\;\,=\;\,\left(\mathbb{B}^{n+1}\backslash\mathbb{S}^n\right)\:\dot{\bigcup}\:<br />\big\{\{x,-x\}\,|\,x\in\mathbb{S}^n\big\}\,.<br />$

Questions

Expliquer par des mots de quelles formes sont la boule $\mathbb{B}^n$ et son bord $\mathbb{S}^{n-1}$ dans les cas n=1,2,3.
Démontrer que $\;\mathbb{S}^n_+ \:\simeq\: \mathbb{B}^n\,.$
$\,$
Démontrer que $\;\mathbb{B}^n/\!\sim~\;\simeq\:\mathbb{P}^n\,.$
$\,$
Démontrer que $\;SO(2)~\simeq~\mathbb{P}^1\,.$
$\,$
Démontrer que $\;SO(3)~\simeq~\mathbb{P}^3\,.$
$\,$

Cliquez pour lire la Solution.

7 commentaires

Conseils aux étudiants pour une bonne rédaction

Par Mathoman, samedi 21 novembre 2009 à 11:51 - Apprendre les maths - Tags

Souvent les étudiants en première année ont une idée intuitive pour une preuve mais lorsqu'ils l'écrivent avec les termes de la logique mathématique leur rédaction est très maladroite, voire fausse ou illisible. Ces lignes leur sont destinées. Je vais montrer sur des exemples très simples ce qu'il faut faire et ce qu'il faut éviter.

Syntaxe d'une assertion

Une assertion (ou proposition) mathématique est une phrase contenant un verbe. Les verbes mathématiques sont par exemple

$=\;\;\;<\;\;\;>\;\;\;\leq\;\;\;\geq\;\;\;\subset\;\;\;\supset\;\;\;\in\;\;\;\ni\;\;\;\Rightarrow\;\;\;\Leftarrow\;\;\;\Leftrightarrow\;\;\;\perp\;\;\;\parallel$

et leurs négations. Par exemple

7 + 1 = 8

est une assertion (qui est vraie), et

1 < 0

est une assertion (qui est fausse). Mais

7+1

n'est pas une assertion car elle ne contient pas de verbe, donc on ne peut pas se demander si elle est vraie ou fausse. Entre deux assertions équivalentes on n'écrit pas = mais le symbole $\Leftrightarrow$ . Ce symbole étant lui-même un verbe c'est donc un emboîtement d'assertions (pensez aux poupées russes).
Ecrire

$1 \leq x \leq 5\;\;\Leftrightarrow\;\; [1,5]$

n'a aucun sens car [1,5] n'est pas une assertion (c'est un intervalle). En revanche, on peut écrire

$1 \leq x \leq 5\;\;\Leftrightarrow\;\; x\in [1,5].$

Il ne suffit pas de mettre un verbe pour avoir une assertion, il faut aussi que la syntaxe soit correcte. Par exemple écrire $\{7\}\in\mathbb{N}$ et $7\subset\mathbb{N}$ n'ont pas de sens. Mais $\{7\}\subset\mathbb{N}$ et $7\in\mathbb{N}$ sont des assertions (qui sont vraies d'ailleurs).
Le langage mathématique suit les mêmes règles que notre langage habituel (phrase principale, phrase relative, conjonctions,...). Si quelqu'un vous disait

Nous ¤ camping # faisez ((à pluie sec

pouvez-vous dire qu'il dit la vérité ou non ? Non, vous ne pouvez pas ! Or c'est précisément ce que certains étudiants écrivent sur leurs copies de mathématiques : des juxtapositions de symboles qui ne donnent aucun sens. Et donc nous, les correcteurs, ne pouvons pas donner de point pour ce charabia.
Les symboles ne sont que des raccourcis d'écriture. Vous devriez être capables de rédiger sans eux. Si la traduction en langage français de ce que vous écrivez à l'aide de symboles n'a pas de sens, alors il y a un problème.

Introduire les objets avant leur utilisation

Ne faites jamais apparaître un objet sans l'introduire. Par exemple n'écrivez pas

$x^2-6x+5=0\;\;\Leftrightarrow\;\; S=\{1,5\}$ .

Peut-être votre enseignant au lycée vous a donné cette mauvaise habitude, mais la lettre S n'est pas universellement reconnue pour désigner l'ensemble de solutions d'une équation. Il faut donc faire précéder par une petite phrase comme : Notant S l'ensemble de solutions de l'équation x²-6x+5=0 on obtient... Mais cela est bien lourd. Ecrivez donc plus simplement

$x^2-6x+5=0\;\;\Leftrightarrow\;\; x\in\{1,5\}$ .

Exemples de bonne syntaxe

Les théorèmes 1, 2 et 3 ci-dessous sont des assertions. Les deux premiers sont équivalents ; et chacun d'entre eux implique le troisième.

Théorème 1. Soit $a\in \mathbb{R}$ . Alors la fonction f définie par f(x)=ax pour tout réel x est strictement croissante sur $\mathbb{R}$ si et seulement si a > 0.

Théorème 2. Pour tout réel a la fonction f définie par f(x)=ax pour tout réel x est strictement croissante sur $\mathbb{R}$ si et seulement si a > 0.

Théorème 3. Si a > 0 est un réel alors la fonction f définie par f(x)=ax pour tout réel x est strictement croissante sur $\mathbb{R}$ .

La preuve du théorème 2 devrait commencer comme suit.

Preuve du théorème 2. Soit a un réel. Blabla...

Evidemment on aurait pu écrire soit b un réel et continuer à travailler avec ce b. Ca serait tout à fait correct car dans le théorème 2 le réel a est une variable locale car précédé par le quantificateur $\forall$ . Ecrire soit a un réel ou soit b un réel revient à fixer ce réel ce qui en fait une variable globale pour la suite du raisonnement.
C'est le moment de mentionner une subtilité. Le théorème 1 commence par soit a un réel. De ce fait a est déjà fixé (une variable globale) dans le théorème 1 et ça serait inutile et même faux de commencer la preuve par dire soit a un réel. Il est déjà donnée et nous devons travailler avec lui et pas avec un autre a ni un autre b.

Mauvaise rédaction de la preuve

Preuve du théorème 2 (version débutant).
Soit a un réel. Supposons a > 0. Il faut montrer que pour tous réels x, y tels que x < y on a f(x) < f(y). Or x < y et a > 0 entraînent ax < ay ou encore f(x) < f(y). Donc f est strictement croissante.
Réciproquement supposons que f est strictement croissante, c'est-à-dire pour tous réels x, y tels que x < y on a f(x) < f(y). On voit sur l'inégalité ax < ay que a doit être forcément positif, sinon l'inégalité devrait être dans l'autre sens.

Trois erreurs :

On voit sur l'inégalité ax < ay .... Or les symboles x et y n'ont pas été introduits précédemment. Il fallait écrire soit x et y....
La fin du raisonnement devrait être... n'est pas clair.
Le débutant écrit il faut montrer que... puis il donne la définition d'une fonction strictement croissante. Or redonner une définition tellement basique c'est presqu'un insulte vis-à-vis du correcteur ! Evitez de redonner des définitions que tout le monde connaît et n'écrivez pas ce que vous voulez démontrer si c'est déjà écrit clairement dans l'énoncé.
En revanche, si ce que vous allez démontrer est une reformulation équivalente ou seulement une condition nécessaire pour la proposition que vous cherchez à prouver alors il est souhaitable que vous écrivez "je vais démontrer ceci...". Par exemple c'est une bonne idée d'écrire : Soit a > 0. Pour montrer que la fonction définie par f(x)=ax pour tout réel x est strictement croissante sur R je vais prouver que sa dérivée est strictement positive.

Bonne rédaction

Preuve du théorème 2 (version de l'étudiant expérimenté).
Soit a un réel.
Supposons a > 0. Soient x, y deux réels tels que x < y. Alors on a
f(x) = ax < ay = f(y). Cela prouve que f est strictement croissante.

Réciproquement supposons f strictement croissante. Alors l'inégalité 0 < 1 entraîne l'inégalité f(0) < f(1). Cela prouve que a = f(1) > f(0) = 0.

Structure d'une preuve

Exemple de structure d'une preuve bien rédigée :

Enoncé. Soient A et B des ensembles et f une application de A dans B. Montrer que si on a l'hypothèse (H) ... alors f est injective.
Preuve.
Supposons (H). Soient x et y deux éléments de A tels que f(x) = f(y) ......
...... (je raisonne) ...... j'utilise la propriété (H) ...... (je raisonne) ...... j'obtiens x = y.
Cela prouve l'injectivité de f.

Autrement dit, vous introduisez deux éléments x et y qui vérifient l'égalité f(x) = f(y), puis vous gardez en tête que vous voulez arriver à l'égalité x = y. Si vous voulez vous pouvez l'écrire x = y en bas de votre page pour savoir où vous voulez arriver. Mais surtout ne l'écrivez pas plus tôt car c'est votre but et non votre point de départ ! Sur le chemin du raisonnement vous devez, très probablement, utiliser la propriété (H).

Preuve alternative (par contraposition).
Supposons (H). Soient x et y deux éléments distincts de A ......... (je raisonne) ........
........ j'utilise la propriété (H) ........ (je raisonne) ........ je trouve que f(x) est différent de f(y). Cela prouve l'injectivité de f.

Autre conseil

Mon collègue et ami Laurent Kaczmarek a écrit des conseils de rédaction utiles concernant la notation des fonctions en analyse.

1 commentaires

La seconde supplémentaire de 2008

Par Mathoman, mercredi 31 décembre 2008 à 23:59 - Sujets hors sujet - Tags

Le IERS (International Earth Rotation & Reference Service) de l'observatoire de Paris nous apprend qu'aujourd'hui, dernier jour de l'année 2008, il faudra arrêter nos montres à 23:59:59 pendant une seconde avant de passer au nouvel an 2009.
En effet, pour différentes raisons astronomiques la terre ne tourne pas toujours avec la même vitesse autour du soleil, c'est-à-dire les années n'ont pas toujours la même durée (si on la compare avec les ultra-précises horloges atomiques) ; et cette année notre chère terre a trainé un peu sur son chemin ! Mais cela n'a rien de nouveau, c'est la 24^e fois depuis 1972 qu'elle nous oblige à être indulgents et de corriger son petit retard pris au cours de l'année en lui accordant la seconde supplémentaire le dernier jour.

Donc vous avez une seconde de plus pour prendre vos bonnes résolutions pour 2009. Et n'oubliez pas de mettre à jour l'heure de votre ordinateur grâce au réglage de l'heure par internet...

Très bonne année à tous mes lecteurs !

2 commentaires

Multiples et diviseurs

Par Mathoman, samedi 20 novembre 2010 à 12:56 - Les maths pour les nuls - Tags

Dans ce qui suit tous les nombres sont des nombres naturels : 0, 1, 2, 3, 4, ...

Multiples

Définition. Les multiples d'un nombre n sont les nombres 0, n, 2n, 3n, 4n, ...

Exemples :

Les multiples de 2 sont 0, 2, 4, 6, 8, ...
Les multiples de 3 sont 0, 3, 6, 9, 12, ...
Les multiples de 4 sont 0, 4, 8, 12, 16, ...

On appelle les multiples de 2 aussi nombres pairs. Les non-multiples de 2 sont 1, 3, 5, 7, ... et sont appelés nombres impairs.

Notre définition donne les multiples en forme d'une liste. Mais qu'est-ce qui signifient vraiment les trois petits points dans la liste 0, n, 2n, 3n, 4n, ... ? En fait, on peut écrire les trois points car tout le monde comprend comment on doit continuer la liste : après 4n, il y a 5n, puis 6n, et de suite. Autrement dit, on a la règle suivante.

Règle 1. Un nombre m est un multiple de n si et seulement s'il existe un k tel que m = kn.

Par exemple, le nombre m=24 est multiple du nombre n=4 car 24=k×4 avec k=6.

Il est important que ce k soit aussi un nombre naturel, comme m et n. En effet, on n'a pas le droit de dire la phrase suivante : Le nombre 3 est multiple 4 car 3=k×4 avec k=¾.

Règle 2. Zéro est multiple de tout nombre. Tout nombre est multiple de soi-même.

Preuve : Soit n un nombre choisi. Le nombre 0 est le premier élément de la liste de multiples de n — on l'obtient en prenant k=0. Et n est le deuxième élément dans cette liste — on l'obtient en prenant k=1.

Cas particuliers :

Les multiples de 1 sont 0, 1, 2, 3, 4, ..., c'est-à-dire, tout nombre est multiple de 1.
Les multiples de 0 sont 0, 0, 0, 0, 0, ..., c'est-à-dire, zéro n'a que lui-même comme multiple.

Dans les exemples on voit que la liste des multiples de 4, à savoir 0, 4, 8, 12, ..., est contenue dans la liste des multiples de 2. Si on y réfléchit un peu ce n'est pas très étonnant et nous allons le formuler comme une règle général :

Règle 3. Si m est multiple de n et si n est multiple de p alors m est aussi multiple de p.

Preuve : Si m est multiple de n on peut l'écrire comme m = kn ; et si n est multiple de p on peut l'écrire comme n = k'p. Alors on a m = kn = kk'p ce qui prouve que m est multiple de p.

Exemples :

6 est multiple de 3, donc tout multiple de 6 est aussi multiple de 3.
La réciproque n'est pas vraie, par exemple, 9 est multiple de 3 mais pas de 6.
Tout multiple de 12 est aussi un multiple de 3 et de 4 et de 2.
C'est vrai car 12 est multiple de 3 et de 4 et de 2.

Diviseurs

Beaucoup d'affirmations que nous disons dans notre langage de tous les jours, dépendent de notre point de vu. Par exemple, les deux phrases

Zoé est la fille d'Alexandre et Alexandre est le père de Zoé

signifient la même chose, mais de points de vue différents. C'est cette diversité qui donne de la richesse à notre langue ! En mathématiques aussi il y a des manières différentes pour exprimer une même chose ; c'est utile, pas pour une question de style, mais car en maths le changement du point de vue est souvent un outil très puissant (voir un exemple dans cet article).

Définition. Si m est un multiple de n on dit aussi que m est divisible par n ou que n divise m ou que n est un diviseur de m.

Autrement dit, n divise m si et seulement s'il existe k entier tel que m = kn.
L'équation m = kn équivaut à k = m/n. Ainsi n divise m si et seulement si la fraction m/n est un entier (si n est non-nul).

Notation. Pour dire n divise m on écrit souvent n | m.

Exemples

5 | 15.
On dit 5 divise 15 ou 5 est un diviseur de 15 ou 15 est divisible par 5 ou 15 est un multiple de 5.
3 | 15.

Les affirmations suivantes se déduisent directement de ce que nous avons déjà compris sur les multiples.

Tout nombre divise 0 car 0 est multiple de tout nombre.
En écriture mathématique, n|0 car 0 = 0 × n.
Tout nombre divise soi-même car tout nombre est multiple de soi-même.
Ou encore, n|n car n = 1 × n.
1 divise tout nombre car tout nombre est multiple de 1.
Ou encore, 1|n car n = n × 1.

Preuve : C'est une traduction directe de la règle 3.

Question : Qu'est-ce qui est plus grand, multiple ou diviseur ?

Réponse : Mise à part le multiple 0, les multiples d'un nombre sont plus grands que ses diviseurs.
Par exemple, les multiples non-nuls de 12 sont 12, 24, 36, .... Les diviseurs de 12 sont 1, 2, 3, 4, 6, 12.

Question : Qui sont plus nombreux, les multiples d'un nombre donné ou ses diviseurs ?

Réponse : Un nombre non-nul possède une infinité des multiples mais seulement un nombre fini de diviseurs.
En effet, pour n non-nul, la liste des multiples de n est 0, n, 2n, 3n, ... C'est une liste infinie avec des nombres de plus en plus grands. En revanche, le plus grand diviseur de n est n lui-même, donc n possède un nombre fini de diviseurs qui se trouvent parmi les nombres 1, 2, 3, ..., n.

Trouver tous les diviseurs d'un nombre donnée n'est pas facile si ce nombre est grand. Donc il est pratique de disposer de quelques critères de divisibiltés. Ca sera l'objet du prochain billet. Finissons ce billet avec un énoncé simple et sa preuve. Ca sera l'occasion de voir le formalisme des multiples en action.

Théorème. Un nombre entier est pair si et seulement si son carré est pair.

Preuve du théorème. Fixons un nombre entier n au hasard et prouvons le théorème pour ce nombre. (Le mathématicien dit pour cela soit n un entier.) Alors il y a deux cas possibles : soit n est pair, soit n est impair.
Supposons d'abord que n est pair. Alors il existe un entier k tel que n=2k. Ainsi n²=4k² ce qui prouve que n² est un multiple de 4, et donc en particulier un nombre pair. On vient de prouver que si un nombre est pair alors son carré aussi.
Supposons maintenant que n est impair. Alors il existe un entier k tel que n=2k+1. Donc n²=(2k+1)²=4k²+4k+1, et comme les deux premiers termes de cette somme sont pairs on en déduit que n² est impair. On vient de prouver que si un nombre est impair alors son carré aussi.
Or un nombre entier est soit pair soit impair ; donc en fait on a prouvé lé théorème.

Remarque. Le théorème peut aussi s'énoncer comme suit : un entier est impair si et seulement si son carré est impair.

Exercices. Les quatre exercices suivants sont faciles. Il faut simplement imiter la démonstration du théorème.

Montrer qu'un entier est multiple de 3 si et seulement si son carré l'est.
Montrer qu'un entier est pair si et seulement si son cube l'est.
Est-il vrai qu'un entier est multiple de 4 si et seulement si son carré l'est ?
Est-il vrai qu'un entier est multiple de 3 si et seulement si son cube l'est ?

4 commentaires

Catégories

Une preuve à prendre avec précaution

Commentaires

Ajouter un commentaire

Pourquoi ne pas lire aussi :

Question codage Maple

Utiliser un grand canon pour un moineau

Une solution niveau CM2 pour les rectangles entiers

Les limites des logiciels de calcul formel?

Ceci n'est pas pipé

Exercice sur les cordes d'un cercle

SO(3) e(s)t l'espace projectif à 3 dimensions

Conseils aux étudiants pour une bonne rédaction

La seconde supplémentaire de 2008

Multiples et diviseurs

Archives

Blogs de maths

Autres sites

Blogs divers

Syndication