Déterminer la valeur de vérité de chacune des propositions suivantes, en justifiant.
\[ \begin{aligned} P_1 &: (\exists n \in \mathbb{N}),\; n^{2} > 7 \\ P_2 &: (\exists x \in \mathbb{R}),\; |x| \leqslant 0 \\ P_3 &: (\forall x \in \mathbb{R}^{+}),\; x + \sqrt{x} > 2 \\ P_4 &: (\forall x \in \mathbb{R}^{*}),\; x + \dfrac{1}{x} \geqslant 2 \\ P_5 &: (\exists x \in \mathbb{Q}),\; x^{2} = 9 \\ P_6 &: (\forall x \in \mathbb{Z})(\exists y \in \mathbb{Z}),\; x - y = 3 \\ P_7 &: (\forall x \in \mathbb{R})(\exists y \in \left]-\infty, 1\right[),\; 3x^{2}y - x + y = 0 \\ P_8 &: (\forall x \in [0,2])\left(\exists y \in \left[\tfrac{1}{2}, \tfrac{3}{4}\right]\right),\; xy - x + 2y - 1 = 0 \\ P_9 &: (\exists x \in \mathbb{R})(\forall y \in \mathbb{R}),\; x < y^{2} \end{aligned} \]Voir la correction
\(P_1\) est vraie. Il suffit d'exhiber un entier : pour \(n = 3\), \(n^{2} = 9 > 7\).
\(P_2\) est vraie. Pour \(x = 0\), \(|0| = 0 \leqslant 0\).
\(P_3\) est fausse. Une proposition universelle se réfute par un seul contre-exemple : \(0 \in \mathbb{R}^{+}\) et \(0 + \sqrt{0} = 0 < 2\).
\(P_4\) est fausse. Contre-exemple : \(-1 \in \mathbb{R}^{*}\) et \(-1 + \dfrac{1}{-1} = -2 < 2\). L'inégalité \(x + \frac{1}{x} \geqslant 2\) n'est vraie que sur \(\mathbb{R}^{*}_{+}\).
\(P_5\) est vraie. L'équation \(x^{2} = 9\) a pour solutions \(-3\) et \(3\), et \(3 \in \mathbb{Q}\).
\(P_6\) est vraie. Soit \(x \in \mathbb{Z}\). En posant \(y = x - 3\), on a bien \(y \in \mathbb{Z}\) et \(x - y = 3\).
\(P_7\) est vraie. Soit \(x \in \mathbb{R}\). On résout l'équation d'inconnue \(y\) :
\[ 3x^{2}y - x + y = 0 \iff y\left(3x^{2} + 1\right) = x \iff y = \dfrac{x}{3x^{2}+1}, \]ce qui est licite car \(3x^{2} + 1 > 0\). Il reste à vérifier que ce \(y\) est bien dans \(\left]-\infty, 1\right[\) :
\[ y - 1 = \dfrac{x}{3x^{2}+1} - 1 = \dfrac{x - 3x^{2} - 1}{3x^{2}+1} = -\,\dfrac{3x^{2} - x + 1}{3x^{2}+1}. \]Le trinôme \(3x^{2} - x + 1\) a pour discriminant \(\Delta = 1 - 12 = -11 < 0\) et son coefficient dominant vaut \(3 > 0\) : il est donc strictement positif sur \(\mathbb{R}\). Ainsi \(y - 1 < 0\), c'est-à-dire \(y < 1\).
\(P_8\) est vraie. Soit \(x \in [0,2]\). Comme \(x + 2 \neq 0\) :
\[ xy - x + 2y - 1 = 0 \iff y(x+2) = 1 + x \iff y = \dfrac{1+x}{x+2} = 1 - \dfrac{1}{x+2}. \]Or \(0 \leqslant x \leqslant 2\) donne \(2 \leqslant x + 2 \leqslant 4\), puis \(\dfrac{1}{4} \leqslant \dfrac{1}{x+2} \leqslant \dfrac{1}{2}\), et enfin
\[ \dfrac{1}{2} \leqslant 1 - \dfrac{1}{x+2} \leqslant \dfrac{3}{4}. \]Le réel \(y\) obtenu appartient donc bien à \(\left[\frac{1}{2}, \frac{3}{4}\right]\).
\(P_9\) est vraie. Il suffit de choisir \(x = -1\) : pour tout \(y \in \mathbb{R}\), \(y^{2} \geqslant 0 > -1\).
Attention à l'ordre des quantificateurs : ici le \(x\) est choisi une fois pour toutes, avant \(y\).