Règles d'usage des quantificateurs

Pas de mélange

Quand on écrit une phrase formelle avec des symboles logiques, on ne mélange pas des mots et des signes logiques:

  • ou bien on écrit des phrases complètes en français,

  • ou bien on écrit des phrases formelles.

En particulier, il est incorrect d'utiliser ces signes comme des abréviations et cela conduit à des erreurs.

L'ordre d'écriture

L'ordre d'écriture des quantificateurs est fondamental pour le sens d'une phrase formelle.

  • Quand deux quantificateurs existentiels se suivent, on peut les échanger sans changer le sens.

  • Quand deux quantificateurs universels se suivent, on peut les échanger sans changer le sens.

  • Quand on inverse l'ordre de deux quantificateurs différents, le sens change.

Sens d'une phrase formelle

Considérons la propriété \("P(x,~ y)"\) voulant dire \(x\) aime \(y.\) Si nous écrivons les deux phrases formelles suivantes, leur sens est très différent.

phrase 1 \(~~ \forall x\in E,~ \exists y\in E,~ P(x,~ y)\)

phrase 2 \(~~ \exists y\in E,~\forall x\in E,~ P(x,~ y)\)

Pour mieux saisir cette différence, il faut comprendre qu'un système de parenthèses est sous entendu lorsque plusieurs quantificateurs se suivent. Si nous les rétablissons, cela donne :

phrase 1 \(~~ \forall x\in E,~ (\exists y\in E,~ P(x,~ y))\)

ou encore :

phrase 1 \(~~ \forall x\in E,~ Q(x)\)

\("Q(x)"\) est la propriété \("\exists y\in E,~ P(x,~ y)".\) La propriété \("Q(x)"\) signifie \(x\) aime au moins une personne.

La phrase 1 affirme pour chaque élément \(x\) de l'ensemble \(E\) l'existence d'une personne aimée \(E,\) \(y\) pouvant dépendre de \(x.\)

phrase 2 \(~~ \exists y\in E,~ (\forall x\in E,~ P(x,~ y) )\)

ou encore :

phrase 2 \(~~ \exists y\in E,~ R(y)\)

avec pour \("R(y)"\) la propriété \("\forall x\in E,~ P(x,~ y)".\) La propriété \("R(y)"\) signifiant \(y\) est aimé par tout le monde.

La phrase 2 affirme donc l'existence d'une personne \(y\) au moins, qui est aimée par toutes les personnes \((y\) compris par elle-même).

Exemplemathématique

Interpréter les phrases formelles suivantes obtenues en inversant l'ordre des quantificateurs :

phrase 3 \(~~ \exists n\in\mathbb N,~ \forall p\in\mathbb N,~ p\leq n\)

phrase 4 \(~~ \forall p\in\mathbb N,~ \exists n\in \mathbb N,~ p\leq n\)

Rétablissons des parenthèses sous-entendues :

phrase 3 \(~~ \exists n\in N,~ (\forall p\in \mathbb N,~ p\leq n )\)

La propriété \("\forall p\in\mathbb N,~ p\leq n"\) veut dire que \(n\) est plus grand que tous les entiers. La phrase 3 signifie donc qu'il existe un entier \(n\) plus grand que tous les autres. Ce qui est évidemment faux.

phrase 4 \(~~ \forall p\in\mathbb N,~ (\exists n\in \mathbb N,~ p\leq n )\)

La propriété \("\exists n\in\mathbb N,~ p\leq n"\) veut dire qu'étant donné \(p\) entier, on peut trouver un entier \(n\) plus grand que \(p.\) La phrase 4 signifie donc que pour chaque entier \(p,\) on peut trouver un entier plus grand, ce qui est vrai (par exemple \(p + 1\) ou \(p + 15,\) ou encore \(p\) lui-même ...).

Récapitulation

\(\begin{array}{|c|}\hline \forall x\in E,~ \exists y\in F,~ P(x, y) \\ \textrm{pour chaque }x\textrm{ il y a un }y\textrm{, fonction de cet }x\textrm{, tel que\dots} \\\\ \exists y\in F,~ \forall x\in E,~ P(x, y) \\ \textrm{il y a un }y, \textrm{ le même pour tous les }x\textrm{, tel que\dots} \\\hline \end{array}\)

On comprend pourquoi il faut mettre les quantificateurs devant la propriété qu'ils quantifient : si on se permettait d'écrire :

\(\exists y\in F,~ P(x,~ y), \forall x\in E\)

on ne saurait jamais laquelle des deux formules précédentes on veut exprimer.