Le Calcul litt´ eral
1.2 Le calcul litt´ eral, une activit´ e ?
Dans les r´eponses au questionnaire de Lee, l’aspect «activit´e» de l’alg`ebre ´emerge des sept th`emes caract´erisant l’alg`ebre comme ´etant celui qui pr´edomine :«Algebra emerges as an activity, something you do, an area of action, in almost all of the interviews » [Lee, 1997, p.
187].
En quoi consiste alors r´eellementl’activit´e du calcul litt´eral ?
Duval [Duval, 1993] note qu’il est fr´equent d’identifier l’activit´e math´ematique `a un travail portant sur les objets th´eoriques (sans aspect physique) et non sur les repr´esentants r´eels de ces objets. L’activit´e math´ematique se revendique ˆetre une activit´econceptuelle et consid`ere les repr´esentations comme secondaires. Pourtant, et c’est l`a, le paradoxe que Duval d´enonce et sur lequel nous reviendrons, il est impossible d’acc´eder `a l’objet conceptuel sans le repr´esenter. Ce paradoxe est encore plus pr´esent dans le calcul litt´eral. D’un cˆot´e, ce qui permet de guider le calcul est une r´ef´erence `a la s´emantique des expressions. D’un autre cˆot´e, le calcul litt´eral est, avant tout, une activit´e concr`ete (et dans son sens primitif du terme, le calcul signifie d’ailleurs une ex´ecution r´ep´etitive, selon un enchaˆınement d´etermin´e, de manipulations ´el´ementaires. [Flajolet, 2008]), pouvant avoir tendance `a ˆetre mˆeme purement syntaxique : la force du symbolisme est de pouvoir se d´etacher du sens pour pouvoir traiter rapidement les objets.
1.2.1 Une activit´e de traitement
Les objets manipul´es dans le calcul litt´eral sont constitu´es de signes symboliques, qui, mis bout `a bout, pr´esentent une unit´e s´emantique et dont l’ensemble forme un langage comme
15. Le lecteur int´eress´e par ces notions pourra se r´ef´erer aux travaux de synth`ese sur ce sujet dans la th`ese de Bardini [Bardini, 2003, Chap II].
nous l’avons abord´e dans le paragraphe pr´ec´edent. D’un point de vue plus g´en´eral, en tant qu’ensembles de signes (les ensembles de signes sont d´etach´es de leur signification mais le signe lui-mˆeme garde une interpr´etation), ces objets appartiennent `a un syst`eme s´emiotique, et, plus particuli`erement, `a un registre de repr´esentation. Duval [Duval, 1993] caract´erise un registre de repr´esentation comme un syst`eme s´emiotique comportant une activit´e de formation (constitu´ee de r`egles de conformit´e), une activit´e de traitement (transformation interne au sein du syst`eme s´emiotique) et une activit´e de conversion (transformation externe du syst`eme dans un autre registre de repr´esentation). L’´ecriture symbolique, syst`eme s´emiotique, est bien un registre de repr´esentation puisqu’il permet :
– Une activit´e de formation avec l’ensemble de r`egles de syntaxe et de convention qui per-mettent d’obtenir une ´ecriture math´ematique valide, r`egles que nous avons rappel´ees dans le paragraphe pr´ec´edent.
– Une activit´e de traitement sur les diff´erentes formes syntaxiques des objets alg´ebriques.
Cette activit´e est constitu´ee des r`egles qui r´egissent le corps des polynˆomes.
– Une activit´e de conversion de l’´ecriture symbolique des objets alg´ebriques dans un autre registre, tel que le registre oral, le registre de la langue naturelle (´ecrite ou orale), ou encore le registre graphique (celui des arbres ou celui des graphes de fonctions).
A ce stade, le calcul litt´eral peut ˆetre d´efini grossi`erement comme` l’activit´e detraitement d’objets alg´ebriques dans le registre de
l’´ecriture symbolique.
Le registre de l’´ecriture symbolique a ´et´e pr´esent´e pr´ec´edemment : il a mˆeme ´et´e vu en tant que langage. Quant aux traitements, quels sont-ils ? Sur quels objets portent-ils ? Duval ne permet pas `a lui seul de r´epondre `a cette question. Il appelle traitement d’une repr´esentation, toute transformation de celle-ci dans le registre consid´er´e. C’est donc un travail interne au registre qui peut ˆetre r´egi par un grand nombre de r`egles comme un nombre restreint selon le registre dans lequel il se situe. Le choix du registre repose en g´en´eral sur l’´economie du traitement qu’il propose. Ainsi, le registre des ´ecritures symboliques pr´esente un gain ind´eniable en puissance de traitement face `a la repr´esentation sous forme d’arbres ou en langage naturelle. Traiter (c’est-`a-dire transformer) la simple«somme de 2 et du produit de 8 et du carr´e dex»16en un produit est une tˆache bien plus ardue que de transformer l’arbre1.2 qui est elle-mˆeme plus difficile que la tˆache de transformation de l’expression litt´erale 2 + 8x2. Duval [Ibid.] reconnaˆıt mˆeme que le calcul est, en fait, un traitement propre au registre des ´ecritures symboliques.
+
2 ×
8 ∧
x 2
Figure 1.2 – Repr´esentation sous forme d’arbre de l’expression litt´erale 2 + 8x2.
16. Notons mˆeme que nous avons recours, y compris dans le registre de la langue naturelle `a des ´el´ements du registre symbolique.
Duval ne distingue pas diff´erents types de traitements au sein d’un mˆeme registre mais dans notre travail, nous avons ´et´e amen´e `a nous interroger sur la distinction entre traitements entre objets (comme l’addition, la multiplication ou l’´egalit´e de polynˆomes) et traitementsur un mˆeme objet (comme la transformation d’un polynˆome en un autre). Nous verrons plus loin comment l’enseignement d’aujourd’hui a laiss´e le traitement entre objets pour le traitement sur un mˆeme objet, laissant par cons´equent les justifications th´eoriques de cˆot´e.
Le calcul litt´eral est une activit´e de traitementssur des polynˆomes.
1.2.2 Une activit´e de transformation : Notion d’´equivalence et de r`egles al-g´ebriques
Kieran permet de compl´eter la m´etaphore de l’alg`ebre comme activit´e en proposant un mod`ele de l’activit´e alg´ebrique d´ecoup´e en trois grands types [Kieran, 2004] :
– L’activit´e de g´en´eralisation qui est centr´ee sur la repr´esentation et l’interpr´etation de propri´et´es, de mod`eles et de relations. Par exemple, l’exercice qui consiste `a demander `a l’´el`eve de trouver une r`egle qui permet de construire une suite logique `a un ensemble de figures g´eom´etriques.
– L’activit´e globale ou de m´eta-niveau, o`u l’alg`ebre n’est plus un objet mais un outil qui permet de r´esoudre des probl`emes de mod´elisation.
– L’activit´e transformationnelle qui consiste en la transformation d’expressions ou ´equations selon des r`egles qui maintiennent l’´equivalence.
Le calcul litt´eral est une activit´e de transformations ´equivalentes sur des polynˆomes.
Reste `a savoir ce que l’on entend par ´equivalence des transformations.
D´efinition d’´equivalence
En examinant ce qui autorise `a dire d’une proposition math´ematique qu’elle est vraie, Wood-house donne les pr´emices du jeu syntaxique qui se d´egage de la notion d’´equivalence. Il d´efinit un processus formel de d´emonstration pour l’alg`ebre, ce qui est peu habituel17. Pour d´emon-trer l’´egalit´e de deux expressions, il faut former une chaˆıne d’expressions ´equivalentes, o`u deux expressions sont ´equivalentes si la «conversion» de l’une en l’autre s’effectue selon des r`egles donn´ees :
«Demonstration would be defined to be, a method of shewing the agreement of remote ideas by a train of intermediate ideas, each agreeing with that next it ; or, in other words, a method of tracing the connection between certain principles and a conclusion, by a series of intermediate and identical propositions, each proposition being converted into its next, by changing the combination of signs that represent it, into another shewn to be equivalent to it18.» [Woodhouse, 1801, p. 107, cit´e dans [Ruffieux, 2005]].
17. Ce processus est en effet relativement absent de l’enseignement. Un ´el`eve de fin de coll`ege aura tendance `a assimiler d´emonstration `a g´eom´etrie.
18. «La d´emonstration pourrait ˆetre d´efinie comme une m´ethode qui montre la concordance d’id´ees s´epar´ees par un fil d’id´ees interm´ediaires, chacune ´etant conforme `a la suivante ; ou, en d’autres termes, une m´ethode qui trace la relation entre certains principes et une conclusion, par une s´erie de propositions interm´ediaires et identiques, chaque proposition ´etant convertie en la suivante, en changeant la combinaison des signes qui la repr´esente en une autre qui s’av`ere ´equivalente `a la premi`ere.»[TA]
Objet syntaxique
Objet sémantique
Objet syntaxique dénotation
Règle
Figure1.3 – Le calcul litt´eral est vu comme le traitement sur la syntaxe d’objets se r´ef´erant `a un seul objet s´emantique.
D´efinition. Etant donn´es un ensemble d’expressions et une d´enotation, nous dirons que deux´ expressions alg´ebriques sont´equivalentessi et seulement si elles d´enotent la mˆeme expres-sion.
Remarques. L’´equivalence entre expressions alg´ebriques est bien une relation d’´equivalence, `a savoir r´eflexive, sym´etrique et transitive.
Alors que les (d´enotations) polynˆomes et fonctions polynomiales sont isomorphes, nous avons rappel´e page 13 que, sur R, les (d´enotations) fractions rationnelles et fonctions ne le sont pas.
Aussi, sous la d´enotation de fraction rationnelle, (x2−1)/(x+ 1) est ´equivalent `a x−1 tandis qu’avec la d´enotation de fonction rationnelle, elles ne le sont pas.
Les traitements permis sur les expressions alg´ebriques sont donc les combinaisons de substi-tutions d’unit´es syntaxiques avec maintien de l’objet s´emantique, cf. figure1.3. Ce maintien ou cette ´equivalence est assur´e par des r`egles formelles. Deux types de r`egles r´egissent ces substi-tutions : celles qui portent sur la structure syntaxique (`a savoir les r`egles dites alg´ebriques) et celles qui portent sur la mat´erialit´e (`a savoir les r`egles de convention, pour lesquelles il n’y a pas de justification math´ematique mais seulement un usage), cf. section1.1.2.
Le calcul litt´eral est une activit´e dans le registre de l’´ecriture symbolique qui consiste `a effectuer des traitementssur des
polynˆomes en conservant la d´enotation des polynˆomes.
Les r`egles alg´ebriques
Les r`egles permettant la substitution d’une expression par une autre qui lui est ´equivalente reposent, dans le domaine qui nous int´eresse, sur les lois de l’anneau des polynˆomes (commu-tativit´e, distributivit´e, . . . ). Elles permettent d’obtenir des objets dont la forme particuli`ere pr´esente un int´erˆet, r´epond `a un besoin. Elles sont guid´ees par l’utilit´e des objets `a obtenir qui ont ´et´e pr´esent´es dans la section pr´ec´edente : forme r´eduite ou factoris´ee du polynˆome. Bellard et al. les appellent les r`egles constitutives d’une th´eorie math´ematique : « ces r`egles consti-tuent les fondements de l’activit´e, r´egissent les gestes et pr´ed´eterminent les actions permises» [Bellard et al., 2005]. Comme les auteurs le font remarquer, elles prennent le plus souvent une forme d´eclarative et non proc´edurale. On les trouve, par exemple, sous la forme :
∀a, b, c∈R, a(b+c) =ab+ac (1.1) Elles pr´esentent en fait deux implications. D’une part, une lecture de gauche `a droite fournit la proc´edure qui permet de transformer un produit en une somme. D’autre part, la lecture de droite
`
a gauche donne la proc´edure de transformation d’une somme en un produit. Contrairement `a l’usage, en particulier institutionnel sur lequel nous reviendrons en section1.3.2, nous d´efinissons dor´enavant une r`egle par ce que Durand-Guerrier appelle plus pr´ecis´ement une «implication formelle» [Durand-Guerrier et al., 2000, p. 34] :
∀x∈R, p(x)⇒q(x).19 (1.2) L’identit´e 1.1ci-dessus devient alors :
Si P(X) =a(b+c), Alors P(x) =ab+ac.
et
Si P(X) =ab+ac, Alors P(x) =a(b+c).
D´efinir la notion de r`egle sous la forme de l’implication (1.2) permet d’appuyer le sens de lecture.
1.2.3 Conclusion
La m´etaphore de l’activit´e s’applique bien au calcul litt´eral. Lee ´ecrit d’ailleurs `a propose de cette m´etaphore que «c’est la manipulation symbolique dont il est le plus souvent ques-tion lorsqu’on utilise cette m´etaphore.»[Lee, 1997]. Les travaux de Duval permettent de d´ecrire l’activit´e du calcul litt´eral comme un traitement sur des ´ecritures symboliques. Activit´e transfor-mationnelle, elle consiste en la transformation d’une ´ecriture (aspect syntaxique de l’expression) en une autre tout en conservant la d´enotation (aspect s´emantique de l’expression). Le d´enot´e de l’expression est donc conserv´e, seule sa forme est modifi´ee, ainsi donc que le sens puisqu’il s’exprime par la syntaxe. Cette activit´e consiste en une manipulation d’ostensifs grˆace `a des objets non ostensifs : les r`egles. Celles-ci sont r´egies par les lois de l’anneau des polynˆomes (ou celui des fonctions polynomiales, selon la s´emantique choisie).
Dans un premier temps d’apprentissage, le calcul litt´eral demande une compr´ehension en profondeur des r`egles : pourquoi peuvent-elles ˆetre appliqu´ees ? Pourquoi l’´equivalence est conser-v´ee ? Dans un second temps, le traitement tend `a se d´etacher du sens en appliquant de mani`ere automatique ces r`egles. Ces «m´etamorphoses», comme les appelle Serfati (transformation de l’objet source vers le transform´e) peuvent alors sembler magique pour celui qui applique les r`egles sans s’ˆetre pr´ealablement persuad´e de leur validit´e. C’est en particulier le cas de bien des
´el`eves dont la gˆene pourrait reposer sur un enseignement qui se voudrait tr`es ax´e manipula-tion et routinisamanipula-tion de techniques en oubliant le pr´ealable essentiel de la compr´ehension de la d´enotation.
Le calcul litt´eral consiste en des traitements particuliers (application des r`egles alg´ebriques qui assurent le maintien de l’´equivalence) sur les polynˆomes. Alors que l’objet polynˆome est d´efini dans la sph`ere savante math´ematique et est relativement absent de l’enseignement dans le secondaire, nous allons voir que les traitements sont plus des notions propres `a l’institution scolaire.
19. C’est nous qui ajoutons∀x∈Rcar Durand-Guerrier parle plus g´en´eralement de«clˆoture universelle d’une phrase ouverte». Cela lui permet de ne pas d´efinir l’ensemble d’appartenance de l’´el´ementx.