Le raisonnement par contraposée

Définition, méthode rigoureuse, exemples corrigés et exercice type BAC.

📚 Terminale Spécialité Maths ⏱ Lecture : 5 min ✅ Programme officiel BO 2019

Le raisonnement par contraposée est une méthode de démonstration qui repose sur le principe logique selon lequel une implication $P \implies Q$ est équivalente à sa contraposée $\neg Q \implies \neg P$. Pour démontrer que $P \implies Q$ est vraie, on démontre que si $Q$ est fausse (c'est-à-dire $\neg Q$ est vraie), alors $P$ est fausse (c'est-à-dire $\neg P$ est vraie).

💡 Bon réflexe : Si la conclusion $Q$ est une négation ou si sa négation $\neg Q$ est plus simple à manipuler, pense au raisonnement par contraposée.
P ⟹ Qéquivalent à¬Q ⟹ ¬PContraposéeUtiliser quand ¬Q ⟹ ¬Pest plus facile à démontrer
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Identifier l'implication à démontrer

La première étape consiste à bien identifier la proposition $P$ (l'hypothèse) et la proposition $Q$ (la conclusion) de l'implication $P \implies Q$ que l'on souhaite prouver. Par exemple, si l'on veut montrer 'Si $n^2$ est pair, alors $n$ est pair', $P$ est '$n^2$ est pair' et $Q$ est '$n$ est pair'.

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Formuler la contraposée

Écrire la contraposée de l'implication $P \implies Q$, qui est $\neg Q \implies \neg P$. Cela signifie qu'il faut exprimer la négation de $Q$ ($\neg Q$) et la négation de $P$ ($\neg P$). Dans l'exemple précédent, $\neg Q$ est '$n$ est impair' et $\neg P$ est '$n^2$ est impair'. La contraposée est donc 'Si $n$ est impair, alors $n^2$ est impair'.

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Démontrer la contraposée

Procéder à la démonstration directe de l'implication $\neg Q \implies \neg P$. On suppose que $\neg Q$ est vraie, et on utilise des arguments logiques et des propriétés mathématiques pour en déduire que $\neg P$ est vraie. C'est la partie principale de la démonstration.

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Conclure

Puisque la contraposée $\neg Q \implies \neg P$ a été démontrée, et qu'elle est logiquement équivalente à l'implication originale $P \implies Q$, on peut conclure que l'implication $P \implies Q$ est également vraie.

Démontrer par contraposée que pour tout entier naturel $n$, si $n^2$ est pair, alors $n$ est pair.

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Identifier $P$ et $Q$
L'implication à démontrer est $P \implies Q$, où :
  • $P$ : '$n^2$ est pair'
  • $Q$ : '$n$ est pair'
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Formuler la contraposée $\neg Q \implies \neg P$
  • $\neg Q$ : '$n$ est impair'
  • $\neg P$ : '$n^2$ est impair'
La contraposée est : 'Si $n$ est impair, alors $n^2$ est impair'.
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Démontrer la contraposée
Supposons que $n$ est un entier impair. Alors il existe un entier naturel $k$ tel que $n = 2k + 1$.
Calculons $n^2$ :$$n^2 = (2k + 1)^2 = (2k)^2 + 2 × (2k) × 1 + 1^2 = 4k^2 + 4k + 1 = 2(2k^2 + 2k) + 1$$Posons $k' = 2k^2 + 2k$. Puisque $k$ est un entier, $k'$ est aussi un entier. Ainsi, $n^2 = 2k' + 1$.
Par définition, $n^2$ est un nombre impair.
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Conclure
Nous avons démontré que si $n$ est impair, alors $n^2$ est impair. C'est la contraposée de l'implication originale. Puisque la contraposée est vraie, l'implication originale 'Si $n^2$ est pair, alors $n$ est pair' est également vraie.

Nous avons démontré par contraposée que pour tout entier naturel $n$, si $n^2$ est pair, alors $n$ est pair.

  1. Ne pas confondre la contraposée ($\neg Q \implies \neg P$) avec la réciproque ($Q \implies P$). La réciproque n'est pas logiquement équivalente à l'implication originale.
  2. Oublier de nier correctement les propositions $P$ et $Q$. Une erreur dans la négation invalide toute la démonstration.
  3. Tenter de démontrer la contraposée par l'absurde. Bien que le raisonnement par l'absurde soit une autre méthode, la contraposée est une démonstration directe de $\neg Q \implies \neg P$.

On considère la fonction $f$ définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = x^3 - 3x + 2$.

  1. Calculer $f(1)$ et $f(-2)$.
  2. Montrer par contraposée que si $x \neq 1$ et $x \neq -2$, alors $f(x) \neq 0$.
  3. En déduire les racines du polynôme $P(x) = x^3 - 3x + 2$.
  1. Calcul de $f(1)$ et $f(-2)$ :
    • $f(1) = 1^3 - 3 × 1 + 2 = 1 - 3 + 2 = 0$.
    • $f(-2) = (-2)^3 - 3 × (-2) + 2 = -8 + 6 + 2 = 0$.
  2. Démonstration par contraposée :
    L'implication à démontrer est $P \implies Q$, où :
    • $P$ : '$x \neq 1$ et $x \neq -2$'
    • $Q$ : '$f(x) \neq 0$'
    La contraposée est $\neg Q \implies \neg P$.
    • $\neg Q$ : '$f(x) = 0$'
    • $\neg P$ : '$x = 1$ ou $x = -2$'
    Nous allons démontrer la contraposée : 'Si $f(x) = 0$, alors $x = 1$ ou $x = -2$'.
    Nous savons que $f(1) = 0$ et $f(-2) = 0$. Cela signifie que $1$ et $-2$ sont des racines de $f(x)$.
    Puisque $f(x)$ est un polynôme de degré 3, il peut avoir au maximum 3 racines réelles.
    On peut factoriser $f(x)$ en utilisant le fait que $1$ et $-2$ sont des racines. Donc $(x-1)$ et $(x-(-2)) = (x+2)$ sont des facteurs de $f(x)$.
    Ainsi, $f(x)$ peut s'écrire sous la forme $f(x) = (x-1)(x+2)(ax+b)$.
    En développant $(x-1)(x+2) = x^2 + 2x - x - 2 = x^2 + x - 2$.
    Donc $f(x) = (x^2 + x - 2)(ax+b) = ax^3 + bx^2 + ax^2 + bx - 2ax - 2b = ax^3 + (b+a)x^2 + (b-2a)x - 2b$.
    Par identification avec $f(x) = x^3 - 3x + 2$ :
    • Coefficient de $x^3$ : $a = 1$
    • Terme constant : $-2b = 2 \implies b = -1$
    Vérifions les autres coefficients :
    • Coefficient de $x^2$ : $b+a = -1+1 = 0$ (correspond à $0x^2$ dans $f(x)$)
    • Coefficient de $x$ : $b-2a = -1 - 2(1) = -3$ (correspond à $-3x$ dans $f(x)$)
    Donc $f(x) = (x-1)(x+2)(x-1) = (x-1)^2(x+2)$.
    Si $f(x) = 0$, alors $(x-1)^2(x+2) = 0$. Cela implique $x-1 = 0$ ou $x+2 = 0$.
    Donc $x = 1$ ou $x = -2$.
    Nous avons démontré que si $f(x) = 0$, alors $x = 1$ ou $x = -2$. La contraposée est vraie.
    Par conséquent, l'implication originale 'Si $x \neq 1$ et $x \neq -2$, alors $f(x) \neq 0$' est vraie.
  3. Déduction des racines :
    Les racines du polynôme $P(x) = x^3 - 3x + 2$ sont les valeurs de $x$ pour lesquelles $P(x) = 0$.
    D'après la question précédente, nous avons montré que $P(x) = 0$ si et seulement si $x = 1$ ou $x = -2$.
    Les racines du polynôme $P(x)$ sont donc $1$ (racine double) et $-2$.

Questions fréquentes

Quand est-il préférable d'utiliser le raisonnement par contraposée ?
Le raisonnement par contraposée est particulièrement utile lorsque la négation de la conclusion ($\neg Q$) rend la démonstration plus simple ou plus directe que la démonstration de l'implication originale $P \implies Q$. C'est souvent le cas quand $P$ ou $Q$ contiennent des négations ou des conditions 'non'.
Quelle est la différence entre la contraposée et le raisonnement par l'absurde ?
Le raisonnement par contraposée démontre $P \implies Q$ en prouvant directement $\neg Q \implies \neg P$. On suppose $\neg Q$ vraie et on en déduit $\neg P$.
Le raisonnement par l'absurde, pour démontrer $P \implies Q$, consiste à supposer que $P$ est vraie ET que $Q$ est fausse (c'est-à-dire $\neg Q$ est vraie), puis à montrer que cette double hypothèse conduit à une contradiction logique. Les deux méthodes sont distinctes mais peuvent parfois être utilisées pour des problèmes similaires.
Peut-on toujours utiliser la contraposée ?
Oui, logiquement, une implication est toujours équivalente à sa contraposée. Cependant, ce n'est pas toujours la méthode la plus simple ou la plus intuitive. Il faut évaluer si la formulation de $\neg Q \implies \neg P$ simplifie réellement la démonstration par rapport à une démonstration directe de $P \implies Q$.
Comment bien formuler la négation d'une proposition complexe ?
Pour nier une proposition, il faut être rigoureux. Quelques règles utiles :
  • $\neg(A \text{ et } B)$ est équivalent à $\neg A \text{ ou } \neg B$ (lois de De Morgan).
  • $\neg(A \text{ ou } B)$ est équivalent à $\neg A \text{ et } \neg B$ (lois de De Morgan).
  • $\neg(\forall x, P(x))$ est équivalent à $\exists x, \neg P(x)$.
  • $\neg(\exists x, P(x))$ est équivalent à $\forall x, \neg P(x)$.
  • $\neg(a < b)$ est équivalent à $a \geq b$.

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