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Exercices corrigés — Raisonnement, ensembles & dénombrement

Algèbre · 18 exercices-types du palier socle

BTSL1L2L3Maths ingénieurCAPES

Chaque exercice donne l'énoncé, des indices progressifs et la correction rédigée étape par étape. Ouvre les blocs seulement après avoir cherché.

Revoir le cours : Raisonnement, ensembles & dénombrement Définitions, méthodes et exemples corrigés du chapitre.

Tables de vérité : implication, contraposée, réciproque, lois de Morgan

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Dresser la table de vérité de P⇒QP\Rightarrow Q, de ¬P∨Q\lnot P\lor Q et de ¬(P⇒Q)\lnot(P\Rightarrow Q) ; en déduire que P⇒QP\Rightarrow Q équivaut à ¬P∨Q\lnot P\lor Q et que sa négation est P∧¬QP\land\lnot Q. 2. Montrer que la contraposée ¬Q⇒¬P\lnot Q\Rightarrow\lnot P a la même table que P⇒QP\Rightarrow Q, et que la réciproque Q⇒PQ\Rightarrow P ne l'a pas : donner la valuation qui les sépare. 3. Démontrer les deux lois de Morgan ¬(P∧Q)  ⟺  ¬P∨¬Q\lnot(P\land Q)\iff\lnot P\lor\lnot Q et ¬(P∨Q)  ⟺  ¬P∧¬Q\lnot(P\lor Q)\iff\lnot P\land\lnot Q, puis nier la phrase « x>0x>0 et y>0y>0 ».

Indices (3)

Une table à deux variables a 44 lignes : (V,V)(V,V), (V,F)(V,F), (F,V)(F,V), (F,F)(F,F). Deux propositions sont équivalentes si leurs colonnes coïncident sur les quatre.

L'implication n'est fausse que sur la ligne PP vraie, QQ fausse. Cherche la ligne où P⇒QP\Rightarrow Q et Q⇒PQ\Rightarrow P diffèrent.

Pour Morgan, remplis la colonne de gauche et celle de droite ligne par ligne ; nier « et » donne « ou ».

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Une table de vérité est une preuve exhaustive. Une proposition composée de PP et QQ ne dépend que de leurs valeurs de vérité, et il n'y a que 2×2=42\times2=4 façons de les fixer. Remplir les quatre lignes, c'est examiner tous les cas possibles : deux colonnes identiques prouvent une équivalence, une seule ligne différente la réfute. Il n'y a rien à « comprendre » de plus pour trancher — c'est d'ailleurs ce que le banc de ce chapitre fait mécaniquement sur chaque équivalence affirmée.

👉 Trois faits en sortent, et ce sont les trois qu'on utilise sans cesse : P⇒QP\Rightarrow Q est ¬P∨Q\lnot P\lor Q ; sa négation est P∧¬QP\land\lnot Q (un contre-exemple : hypothèse vraie, conclusion fausse) ; sa contraposée lui est équivalente, sa réciproque non.

L'implication et sa négation
PP QQ ¬P\lnot P ¬P∨Q\lnot P\lor Q P⇒QP\Rightarrow Q ¬(P⇒Q)\lnot(P\Rightarrow Q)
V V F V V F
V F F F F V
F V V V V F
F F V V V F

Les colonnes de ¬P∨Q\lnot P\lor Q et de P⇒QP\Rightarrow Q coïncident sur les quatre lignes :

(P⇒Q)  ⟺  (¬P∨Q)\boxed{(P\Rightarrow Q)\iff(\lnot P\lor Q)}

La colonne de ¬(P⇒Q)\lnot(P\Rightarrow Q) ne porte qu'un seul V, sur la ligne PP vraie, QQ fausse — c'est exactement la colonne de P∧¬QP\land\lnot Q (V seulement quand PP est V et QQ est F) :

¬(P⇒Q)  ⟺  (P∧¬Q)\boxed{\lnot(P\Rightarrow Q)\iff(P\land\lnot Q)}

Lecture. Une implication est vraie dès que son hypothèse est fausse (lignes 3 et 4) ; on dit qu'elle est « vraie par défaut ». Et pour réfuter « pour tout xx, P(x)⇒Q(x)P(x)\Rightarrow Q(x) », il suffit d'un xx avec P(x)P(x) vraie et Q(x)Q(x) fausse : un contre-exemple. « Tout nombre pair est multiple de 44 » est réfuté par 66.

Contraposée et réciproque : la ligne qui les sépare
PP QQ P⇒QP\Rightarrow Q ¬Q⇒¬P\lnot Q\Rightarrow\lnot P Q⇒PQ\Rightarrow P
V V V V V
V F F F V
F V V V F
F F V V V

La colonne de la contraposée ¬Q⇒¬P\lnot Q\Rightarrow\lnot P est identique à celle de P⇒QP\Rightarrow Q : sur la ligne 2, ¬Q\lnot Q est V et ¬P\lnot P est F, donc l'implication est F ; sur les trois autres, ¬Q\lnot Q est F ou ¬P\lnot P est V, donc V. D'où

(P⇒Q)  ⟺  (¬Q⇒¬P)\boxed{(P\Rightarrow Q)\iff(\lnot Q\Rightarrow\lnot P)}
et c'est ce qui autorise le raisonnement par contraposée : prouver ¬Q⇒¬P\lnot Q\Rightarrow\lnot P, c'est prouver P⇒QP\Rightarrow Q.

La réciproque Q⇒PQ\Rightarrow P diffère sur deux lignes — la 2 et la 3. La valuation PP fausse, QQ vraie suffit à les séparer : P⇒QP\Rightarrow Q y est vraie, Q⇒PQ\Rightarrow P y est fausse. Une implication vraie peut donc avoir une réciproque fausse, et c'est le cas courant : « nn multiple de 44 ⇒\Rightarrow nn pair » est vraie, « nn pair ⇒\Rightarrow nn multiple de 44 » est fausse (n=6n=6). ■\blacksquare

⚠️ Le banc de ce chapitre contient précisément ce contre-témoin : il vérifie que son test d'équivalence refuse « Q⇒PQ\Rightarrow P équivaut à P⇒QP\Rightarrow Q ». Un vérificateur qui accepterait tout ne prouverait rien.

Les lois de Morgan
PP QQ ¬(P∧Q)\lnot(P\land Q) ¬P∨¬Q\lnot P\lor\lnot Q ¬(P∨Q)\lnot(P\lor Q) ¬P∧¬Q\lnot P\land\lnot Q
V V F F F F
V F V V F F
F V V V F F
F F V V V V

Colonnes 3 et 4 identiques, colonnes 5 et 6 identiques :

¬(P∧Q)  ⟺  (¬P∨¬Q)¬(P∨Q)  ⟺  (¬P∧¬Q)\boxed{\lnot(P\land Q)\iff(\lnot P\lor\lnot Q)\qquad\lnot(P\lor Q)\iff(\lnot P\land\lnot Q)}

La négation échange « et » et « ou ». « Il est faux que x>0x>0 et y>0y>0 » signifie « x≤0x\leq0 ou y≤0y\leq0 » — l'un des deux au moins est négatif ou nul, et rien n'interdit que ce soient les deux. L'erreur classique est d'écrire « x≤0x\leq0 et y≤0y\leq0 », qui est la négation de « x>0x>0 ou y>0y>0 ». ■\blacksquare

👉 Ces deux lois ont un jumeau ensembliste (A∩B‾=A‾∪B‾\overline{A\cap B}=\overline A\cup\overline B) et un jumeau quantifié (nier ∀\forall donne ∃\exists) : c'est trois fois la même idée.

Rappel de cours

Définitions. ¬P\lnot P est vraie quand PP est fausse. P∧QP\land Q est vraie quand les deux le sont. P∨QP\lor Q est vraie dès que l'une l'est (« ou » inclusif). P⇒QP\Rightarrow Q n'est fausse que si PP est vraie et QQ fausse. P  ⟺  QP\iff Q est vraie quand PP et QQ ont la même valeur.

Vocabulaire de l'implication P⇒QP\Rightarrow Q. PP est une condition suffisante pour QQ ; QQ est une condition nécessaire pour PP. Contraposée : ¬Q⇒¬P\lnot Q\Rightarrow\lnot P (équivalente). Réciproque : Q⇒PQ\Rightarrow P (indépendante). Une équivalence P  ⟺  QP\iff Q est l'implication et sa réciproque : elle se prouve en deux temps.

Table à kk variables : 2k2^k lignes. Trois variables, huit lignes ; c'est ainsi que se vérifient les distributivités P∧(Q∨R)  ⟺  (P∧Q)∨(P∧R)P\land(Q\lor R)\iff(P\land Q)\lor(P\land R) et la transitivité ((P⇒Q)∧(Q⇒R))⇒(P⇒R)\bigl((P\Rightarrow Q)\land(Q\Rightarrow R)\bigr)\Rightarrow(P\Rightarrow R).

L'erreur classique

⚠️ Prendre la réciproque pour la contraposée. Les deux « renversent la flèche », mais la contraposée nie aussi les deux membres. Moyen mnémotechnique : la contraposée porte deux négations, la réciproque aucune. Démontrer Q⇒PQ\Rightarrow P quand on voulait P⇒QP\Rightarrow Q ne prouve rien.

⚠️ Croire qu'une implication à hypothèse fausse est fausse. « Si 1=21=2 alors 3=33=3 » est vraie. Une implication ne parle que du cas où l'hypothèse est réalisée ; ailleurs, elle ne promet rien, donc elle ne ment pas.

⚠️ Nier un « et » par un « et ». La négation de « PP et QQ » est « non PP ou non QQ ». Pour dire que (x,y)≠(0,0)(x,y)\neq(0,0), on écrit « x≠0x\neq0 ou y≠0y\neq0 », jamais « x≠0x\neq0 et y≠0y\neq0 » (qui exclut le point (0,1)(0,1)).

Réponse. P⇒Q  ⟺  ¬P∨QP\Rightarrow Q\iff\lnot P\lor Q ; ¬(P⇒Q)  ⟺  P∧¬Q\lnot(P\Rightarrow Q)\iff P\land\lnot Q ; contraposée équivalente, réciproque séparée par la valuation PP fausse, QQ vraie ; Morgan : la négation échange ∧\land et ∨\lor ; « x>0x>0 et y>0y>0 » se nie en « x≤0x\leq0 ou y≤0y\leq0 ».
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Quantificateurs : ordre, négation, bornée, convergence

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Les deux phrases « ∀x∈R, ∃y∈R, x<y\forall x\in\mathbb{R},\ \exists y\in\mathbb{R},\ x<y » et « ∃y∈R, ∀x∈R, x<y\exists y\in\mathbb{R},\ \forall x\in\mathbb{R},\ x<y » sont-elles vraies ? Justifier chacune. 2. Écrire avec des quantificateurs « f:R→Rf:\mathbb{R}\to\mathbb{R} est bornée », puis sa négation ; montrer que x↦x2x\mapsto x^2 n'est pas bornée et que sin⁡\sin l'est. 3. Écrire la négation de « (un)(u_n) converge vers ℓ\ell » et démontrer que un=(−1)nu_n=(-1)^n ne converge pas vers 11.

Indices (3)

Un ∀ ∃\forall\,\exists autorise le second objet à dépendre du premier ; un ∃ ∀\exists\,\forall exige un objet qui marche pour tous.

Bornée : ∃M≥0, ∀x, ∣f(x)∣≤M\exists M\geq0,\ \forall x,\ \lvert f(x)\rvert\leq M. Pour nier, bascule chaque quantificateur et nie l'inégalité.

Pour (−1)n(-1)^n, prends ε=1\varepsilon=1 : à tout rang NN, un terme d'indice impair au-delà de NN est à distance 22 de 11.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Un quantificateur n'est pas un ornement : l'ordre dans lequel deux quantificateurs se suivent change le sens de la phrase. Dans « ∀x, ∃y, …\forall x,\ \exists y,\ \dots », le yy est choisi après xx et a le droit d'en dépendre ; dans « ∃y, ∀x, …\exists y,\ \forall x,\ \dots », le yy est choisi avant, une fois pour toutes, et doit convenir à tous les xx. La seconde phrase est donc beaucoup plus forte que la première — elle l'implique, jamais l'inverse.

👉 Et la négation d'une phrase quantifiée suit une règle mécanique : on bascule chaque quantificateur, dans l'ordre, puis on nie le prédicat. C'est ce qui permet de démontrer qu'une chose est fausse (une fonction n'est pas bornée, une suite ne converge pas) au lieu de le sentir.

L'ordre des quantificateurs

« ∀x∈R, ∃y∈R, x<y\forall x\in\mathbb{R},\ \exists y\in\mathbb{R},\ x<y » est vraie. Soit x∈Rx\in\mathbb{R} quelconque. Posons y=x+1y=x+1 : alors y∈Ry\in\mathbb{R} et x<yx<y. Le yy dépend de xx, ce que la phrase autorise. ■\blacksquare

« ∃y∈R, ∀x∈R, x<y\exists y\in\mathbb{R},\ \forall x\in\mathbb{R},\ x<y » est fausse. Sa négation est « ∀y∈R, ∃x∈R, x≥y\forall y\in\mathbb{R},\ \exists x\in\mathbb{R},\ x\geq y », et c'est elle qu'on démontre : soit yy quelconque, posons x=yx=y ; alors x≥yx\geq y. Aucun réel ne majore tous les réels — pas même lui-même strictement. ■\blacksquare

∀x ∃y (x<y)  vraie,∃y ∀x (x<y)  fausse\boxed{\forall x\,\exists y\ (x<y)\ \text{ vraie},\qquad\exists y\,\forall x\ (x<y)\ \text{ fausse}}

Ce qu'on peut permuter. Deux ∀\forall consécutifs, oui (∀x ∀y\forall x\,\forall y = ∀y ∀x\forall y\,\forall x) ; deux ∃\exists consécutifs, oui ; un ∀\forall et un ∃\exists, non — sauf dans le sens ∃ ∀⇒∀ ∃\exists\,\forall\Rightarrow\forall\,\exists, qui est toujours vrai (un yy qui marche pour tous marche en particulier pour chaque xx).

Bornée, non bornée

Définition quantifiée. ff est bornée signifie

∃M≥0, ∀x∈R, ∣f(x)∣≤M.\exists M\geq0,\ \forall x\in\mathbb{R},\ \lvert f(x)\rvert\leq M.
Négation — on bascule ∃\exists en ∀\forall, ∀\forall en ∃\exists, et on nie ∣f(x)∣≤M\lvert f(x)\rvert\leq M :
∀M≥0, ∃x∈R, ∣f(x)∣>M.\forall M\geq0,\ \exists x\in\mathbb{R},\ \lvert f(x)\rvert>M.
« Quelle que soit la barre MM qu'on propose, ff la dépasse quelque part. »

x↦x2x\mapsto x^2 n'est pas bornée. Soit M≥0M\geq0 quelconque. Posons x=M+1x=M+1 : alors x2=(M+1)2≥M+1>Mx^2=(M+1)^2\geq M+1>M. On a exhibé un xx pour chaque MM : la négation est démontrée. ■\blacksquare

sin⁡\sin est bornée. Il suffit d'exhiber un MM : M=1M=1 convient, puisque ∣sin⁡x∣≤1\lvert\sin x\rvert\leq1 pour tout réel xx. ■\blacksquare

👉 Remarque la dissymétrie : prouver « bornée » demande un MM (et la preuve qu'il marche pour tous les xx) ; prouver « non bornée » demande une réponse xx à chaque MM. C'est toujours ainsi qu'on démontre un ∃\exists (on exhibe) et un ∀\forall (on prend quelconque).

Négation de la convergence

Définition (chapitre sur les suites) : un→ℓu_n\to\ell signifie

∀ε>0, ∃N∈N, ∀n≥N, ∣un−ℓ∣<ε.\forall\varepsilon>0,\ \exists N\in\mathbb{N},\ \forall n\geq N,\ \lvert u_n-\ell\rvert<\varepsilon.
Négation, quantificateur par quantificateur :
∃ε>0, ∀N∈N, ∃n≥N, ∣un−ℓ∣≥ε.\exists\varepsilon>0,\ \forall N\in\mathbb{N},\ \exists n\geq N,\ \lvert u_n-\ell\rvert\geq\varepsilon.
« Il existe une marge ε\varepsilon que la suite continue de dépasser aussi loin qu'on aille. »

un=(−1)nu_n=(-1)^n ne converge pas vers 11. Prenons ε=1\varepsilon=1. Soit N∈NN\in\mathbb{N} quelconque ; posons n=2N+1n=2N+1, qui est ≥N\geq N et impair, donc un=−1u_n=-1 et ∣un−1∣=2≥1=ε\lvert u_n-1\rvert=2\geq1=\varepsilon. La négation est établie. ■\blacksquare

Le même argument avec n=2Nn=2N montre qu'elle ne converge pas non plus vers −1-1 — et en fait vers aucun ℓ\ell (avec ε=1\varepsilon=1, l'un des deux termes u2Nu_{2N}, u2N+1u_{2N+1} est à distance ≥1\geq1 de ℓ\ell, puisqu'ils sont à distance 22 l'un de l'autre).

(−1)n ne converge pas : ε=1 convient\boxed{(-1)^n\ \text{ne converge pas : }\varepsilon=1\text{ convient}}
Rappel de cours

Démontrer. Un ∀x\forall x se prouve en prenant xx quelconque ; un ∃x\exists x se prouve en exhibant un xx (souvent construit à partir des données qui le précèdent dans la phrase).

Nier. ¬(∀x, P(x))  ⟺  ∃x, ¬P(x)\lnot(\forall x,\ P(x))\iff\exists x,\ \lnot P(x) et ¬(∃x, P(x))  ⟺  ∀x, ¬P(x)\lnot(\exists x,\ P(x))\iff\forall x,\ \lnot P(x). Pour une phrase à plusieurs quantificateurs, on les bascule tous, dans l'ordre, puis on nie le prédicat — sans jamais permuter deux quantificateurs de natures différentes.

Ordre. ∃y ∀x P(x,y)⇒∀x ∃y P(x,y)\exists y\,\forall x\,P(x,y)\Rightarrow\forall x\,\exists y\,P(x,y), jamais la réciproque en général.

L'erreur classique

⚠️ Basculer les quantificateurs sans nier le prédicat. La négation de « ∀x, f(x)≤M\forall x,\ f(x)\leq M » n'est pas « ∃x, f(x)≤M\exists x,\ f(x)\leq M » (qui est presque toujours vraie et ne dit rien), c'est « ∃x, f(x)>M\exists x,\ f(x)>M ». Réciproquement, nier le prédicat sans basculer donne « ∀x, f(x)>M\forall x,\ f(x)>M » — beaucoup trop fort.

⚠️ Écrire « ∀ε, ∃N\forall\varepsilon,\ \exists N » en laissant NN indépendant de ε\varepsilon. Le NN a le droit de dépendre de ε\varepsilon, et il en dépend toujours : plus la marge est fine, plus le rang est grand. Une preuve de convergence qui donne un NN « universel » a en général confondu ∀ ∃\forall\,\exists et ∃ ∀\exists\,\forall.

⚠️ « Tous les élèves ont réussi » nié en « tous ont échoué ». La négation est « au moins un a échoué » — un seul contre-exemple suffit, et un seul est promis.

Réponse. ∀x ∃y (x<y)\forall x\,\exists y\ (x<y) vraie (y=x+1y=x+1), ∃y ∀x (x<y)\exists y\,\forall x\ (x<y) fausse (x=yx=y réfute). Bornée : ∃M ∀x ∣f(x)∣≤M\exists M\ \forall x\ \lvert f(x)\rvert\leq M ; négation ∀M ∃x ∣f(x)∣>M\forall M\ \exists x\ \lvert f(x)\rvert>M — x2x^2 non bornée (x=M+1x=M+1), sin⁡\sin bornée (M=1M=1). Non-convergence de (−1)n(-1)^n vers 11 : ε=1\varepsilon=1, n=2N+1n=2N+1 donne ∣un−1∣=2\lvert u_n-1\rvert=2.
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Raisonner par contraposée

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Démontrer par contraposée : pour tout entier nn, si n2n^2 est pair alors nn est pair. 2. Démontrer de même : si n2n^2 est multiple de 33, alors nn est multiple de 33 (distinguer les restes 11 et 22). 3. Pour x,yx,y réels, démontrer : si xy≠0xy\neq0 alors x≠0x\neq0 et y≠0y\neq0. 4. Soit aa un réel tel que ∣a∣≤ε\lvert a\rvert\leq\varepsilon pour tout ε>0\varepsilon>0. Démontrer que a=0a=0.

Indices (3)

La contraposée de « n2n^2 pair ⇒\Rightarrow nn pair » est « nn impair ⇒\Rightarrow n2n^2 impair » : écrire n=2k+1n=2k+1 et développer.

Pour la question 2, un entier non multiple de 33 s'écrit 3k+13k+1 ou 3k+23k+2 ; calculer le carré dans chaque cas.

Question 4 : la contraposée est « a≠0⇒∃ε>0, ∣a∣>εa\neq0\Rightarrow\exists\varepsilon>0,\ \lvert a\rvert>\varepsilon ». Quel ε\varepsilon prendre ?

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

On raisonne par contraposée quand l'hypothèse est difficile à exploiter et la conclusion facile à nier. « n2n^2 est pair » ne dit rien de commode sur nn (il faudrait extraire une racine) ; « nn est impair », en revanche, s'écrit n=2k+1n=2k+1 et se calcule. Puisque P⇒QP\Rightarrow Q et ¬Q⇒¬P\lnot Q\Rightarrow\lnot P ont la même table de vérité (exercice A1), prouver la seconde prouve la première.

👉 Le réflexe : avant d'attaquer P⇒QP\Rightarrow Q, se demander si ¬Q\lnot Q est plus concret que PP. Si oui, contraposer. Et bien écrire, dès la première ligne, « par contraposée, montrons que ¬Q⇒¬P\lnot Q\Rightarrow\lnot P » — sinon le lecteur croit qu'on prouve la réciproque.

Parité du carré

Par contraposée, montrons : si nn est impair, alors n2n^2 est impair. Soit nn impair : il existe k∈Zk\in\mathbb{Z} tel que n=2k+1n=2k+1. Alors

n2=(2k+1)2=4k2+4k+1=2 (2k2+2k)+1,n^2=(2k+1)^2=4k^2+4k+1=2\,(2k^2+2k)+1,
qui est de la forme 2m+12m+1 avec m=2k2+2km=2k^2+2k entier : n2n^2 est impair. La contraposée est prouvée, donc l'implication aussi :
n2 pair ⇒ n pair■\boxed{n^2\ \text{pair}\ \Rightarrow\ n\ \text{pair}}\qquad\blacksquare

Contrôle par instances : le banc a vérifié l'énoncé pour tous les n≤999n\leq999 — ce qui ne le prouve pas (il y a une infinité d'entiers) mais garantit qu'on n'a pas démontré une proposition fausse. La preuve, elle, est dans l'identité (2k+1)2=4k(k+1)+1(2k+1)^2=4k(k+1)+1, valable pour tout kk.

ℹ️ Cette implication est la clé de l'irrationalité de 2\sqrt2 (exercice A4) : c'est elle qui fait passer de « p2p^2 pair » à « pp pair ».

Multiples de trois

Par contraposée : si nn n'est pas multiple de 33, alors n2n^2 n'en est pas un. Un entier non multiple de 33 a pour reste 11 ou 22 dans la division par 33 : n=3k+1n=3k+1 ou n=3k+2n=3k+2. Disjonction de cas :

(3k+1)2=9k2+6k+1=3(3k2+2k)+1,(3k+2)2=9k2+12k+4=3(3k2+4k+1)+1.(3k+1)^2=9k^2+6k+1=3(3k^2+2k)+1,\qquad(3k+2)^2=9k^2+12k+4=3(3k^2+4k+1)+1.
Dans les deux cas n2n^2 a pour reste 11 : il n'est pas multiple de 33. ■\blacksquare
3∣n2 ⇒ 3∣n\boxed{3\mid n^2\ \Rightarrow\ 3\mid n}

👉 Le même schéma prouve « p∣n2⇒p∣np\mid n^2\Rightarrow p\mid n » pour tout nombre premier pp, mais il faut alors p−1p-1 cas — ou le lemme d'Euclide du chapitre d'arithmétique, qui le fait d'un coup. Et l'énoncé est faux pour un non-premier : 4∣36=624\mid36=6^2 sans que 4∣64\mid6. L'exercice A1 le disait : une implication vraie sous une hypothèse peut tomber quand on l'affaiblit.

Produit non nul

Par contraposée, montrons : si non (x≠0x\neq0 et y≠0y\neq0), alors xy=0xy=0. Par la loi de Morgan, l'hypothèse s'écrit « x=0x=0 ou y=0y=0 ». Disjonction de cas : si x=0x=0, alors xy=0⋅y=0xy=0\cdot y=0 ; si y=0y=0, alors xy=x⋅0=0xy=x\cdot0=0. Dans les deux cas xy=0xy=0. ■\blacksquare

xy≠0 ⇒ (x≠0 et y≠0)\boxed{xy\neq0\ \Rightarrow\ (x\neq0\ \text{et}\ y\neq0)}

⚠️ Deux pièges dans ce petit énoncé. D'abord, la négation de « x≠0x\neq0 et y≠0y\neq0 » est « x=0x=0 ou y=0y=0 », pas « x=0x=0 et y=0y=0 » (Morgan). Ensuite, la réciproque — « x≠0x\neq0 et y≠0y\neq0 ⇒\Rightarrow xy≠0xy\neq0 » — est vraie dans R\mathbb{R} (c'est l'intégrité), mais elle demande une autre preuve ; dans Z/6Z\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}, 2×3=02\times3=0 avec deux facteurs non nuls, elle est fausse.

Un réel plus petit que tout epsilon

L'énoncé est : (∀ε>0, ∣a∣≤ε)⇒a=0\bigl(\forall\varepsilon>0,\ \lvert a\rvert\leq\varepsilon\bigr)\Rightarrow a=0. Par contraposée, montrons que si a≠0a\neq0, alors il existe ε>0\varepsilon>0 tel que ∣a∣>ε\lvert a\rvert>\varepsilon. Soit a≠0a\neq0 ; alors ∣a∣>0\lvert a\rvert>0 et l'on peut poser

ε=∣a∣2>0,qui veˊrifie∣a∣>∣a∣2=ε.\varepsilon=\frac{\lvert a\rvert}2>0,\qquad\text{qui vérifie}\quad\lvert a\rvert>\frac{\lvert a\rvert}2=\varepsilon.
Ce ε\varepsilon exhibé prouve la négation de l'hypothèse. ■\blacksquare
(∀ε>0, ∣a∣≤ε) ⇒ a=0\boxed{\bigl(\forall\varepsilon>0,\ \lvert a\rvert\leq\varepsilon\bigr)\ \Rightarrow\ a=0}

👉 C'est le lemme qui fait fonctionner toute l'analyse : pour prouver que deux nombres sont égaux, on prouve que leur différence est plus petite que tout ε>0\varepsilon>0. L'unicité de la limite d'une suite se démontre exactement ainsi. Note que le ε\varepsilon qu'on exhibe dépend de aa — c'est permis, il vient après aa dans la phrase.

Rappel de cours

Contraposée. (P⇒Q)  ⟺  (¬Q⇒¬P)(P\Rightarrow Q)\iff(\lnot Q\Rightarrow\lnot P). Le raisonnement par contraposée consiste à démontrer la seconde à la place de la première ; il faut l'annoncer.

Ne pas confondre avec l'absurde. Par l'absurde, on suppose PP et ¬Q\lnot Q et on cherche une contradiction quelconque ; par contraposée, on suppose seulement ¬Q\lnot Q et on vise ¬P\lnot P. La contraposée est plus disciplinée : on sait où l'on va.

Disjonction de cas. Quand l'hypothèse se découpe en cas exhaustifs (pair / impair ; reste 00, 11 ou 22), on traite chaque cas ; il faut vérifier que les cas couvrent tout.

L'erreur classique

⚠️ Démontrer la réciproque en croyant contraposer. Pour « n2n^2 pair ⇒\Rightarrow nn pair », écrire « soit nn pair, alors n2n^2 est pair » prouve nn pair ⇒\Rightarrow n2n^2 pair : la réciproque, qui ne sert à rien ici. La contraposée commence par « soit nn impair ».

⚠️ Oublier un cas. Pour les multiples de 33, ne traiter que n=3k+1n=3k+1 laisse n=3k+2n=3k+2 sans preuve — et c'est là que se cache l'erreur si elle existe. Toujours vérifier que les cas sont exhaustifs.

⚠️ Choisir un ε\varepsilon qui dépend de ce qu'on n'a pas encore. Dans la question 4, ε=∣a∣/2\varepsilon=\lvert a\rvert/2 est légitime parce que aa est fixé avant. Écrire ε=∣a∣/2\varepsilon=\lvert a\rvert/2 dans une phrase où aa vient après ε\varepsilon serait une erreur d'ordre des quantificateurs (exercice A2).

Réponse. Contraposées : nn impair ⇒\Rightarrow n2=4k(k+1)+1n^2=4k(k+1)+1 impair ; n=3k+1n=3k+1 ou 3k+23k+2 ⇒\Rightarrow n2≡1n^2\equiv1 ; x=0x=0 ou y=0y=0 ⇒\Rightarrow xy=0xy=0 ; a≠0⇒ε=∣a∣/2a\neq0\Rightarrow\varepsilon=\lvert a\rvert/2 contredit l'hypothèse, donc a=0a=0.
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Raisonner par l'absurde : racine de deux, plus petit réel, nombres premiers

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Démontrer par l'absurde que 2\sqrt2 est irrationnel (on utilisera « p2p^2 pair ⇒\Rightarrow pp pair », exercice A3). 2. Démontrer qu'il n'existe pas de plus petit réel strictement positif. 3. Démontrer qu'il existe une infinité de nombres premiers (Euclide). 4. L'entier N=2⋅3⋅5⋅7⋅11⋅13+1N=2\cdot3\cdot5\cdot7\cdot11\cdot13+1 est-il premier ? Que devient l'argument de la question 3 ?

Indices (3)

Suppose 2=p/q\sqrt2=p/q avec la fraction irréductible ; élève au carré et regarde la parité de pp, puis celle de qq.

S'il existait un plus petit réel r>0r>0, que dire de r/2r/2 ?

Suppose qu'il n'y a qu'un nombre fini de premiers p1,…,prp_1,\dots,p_r, et regarde un diviseur premier de p1p2⋯pr+1p_1p_2\cdots p_r+1.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Raisonner par l'absurde, c'est supposer le contraire de ce qu'on veut, et en tirer une contradiction. La logique derrière : si ¬P\lnot P mène à une proposition fausse, alors ¬P\lnot P est fausse, donc PP est vraie. C'est le mode de raisonnement des énoncés négatifs (« 2\sqrt2 n'est pas rationnel », « il n'existe pas de plus petit… ») et des énoncés d'infinité — parce que la négation d'un tel énoncé donne un objet concret (une fraction, un plus petit élément, une liste finie) avec lequel on peut calculer.

👉 Les trois preuves de cet exercice ont le même squelette : supposons que non ; alors voici un objet ; cet objet viole une propriété qu'il devait avoir ; contradiction.

Racine de deux est irrationnelle

Supposons par l'absurde que 2∈Q\sqrt2\in\mathbb{Q} : il existe des entiers p∈Zp\in\mathbb{Z}, q∈N∗q\in\mathbb{N}^* tels que 2=pq\sqrt2=\dfrac pq, et l'on peut choisir la fraction irréductible (on simplifie par le pgcd). Alors 2q2=p22q^2=p^2.

Donc p2p^2 est pair, donc pp est pair (exercice A3) : p=2p′p=2p'. Alors 2q2=4p′22q^2=4p'^2, soit q2=2p′2q^2=2p'^2 : q2q^2 est pair, donc qq est pair. Mais alors pp et qq sont tous deux pairs, ce qui contredit l'irréductibilité de pq\dfrac pq. Contradiction : l'hypothèse 2∈Q\sqrt2\in\mathbb{Q} est fausse. ■\blacksquare

2∉Q\boxed{\sqrt2\notin\mathbb{Q}}

ℹ️ Le banc a vérifié qu'aucune fraction p/qp/q avec q≤500q\leq500 n'a pour carré 22. Ce n'est pas la preuve — il y a une infinité de fractions — mais c'est le contrôle que l'énoncé démontré n'est pas faux. La même preuve donne l'irrationalité de 3\sqrt3 (avec « 3∣p2⇒3∣p3\mid p^2\Rightarrow3\mid p ») et de p\sqrt p pour tout premier pp.

Pas de plus petit réel strictement positif

Supposons par l'absurde qu'il existe un plus petit réel strictement positif rr : r>0r>0, et tout réel s>0s>0 vérifie s≥rs\geq r. Posons s=r2s=\dfrac r2. Alors s>0s>0 (moitié d'un réel positif), donc par hypothèse s≥rs\geq r, c'est-à-dire r2≥r\dfrac r2\geq r, soit r≤0r\leq0 après multiplication par 22 et soustraction. Contradiction avec r>0r>0. ■\blacksquare

R+∗ n’a pas de plus petit eˊleˊment\boxed{\mathbb{R}_+^*\ \text{n'a pas de plus petit élément}}

👉 Ce que la preuve dit vraiment : R+∗\mathbb{R}_+^* a une borne inférieure, 00, qui n'est pas atteinte. La différence entre « plus petit élément » et « borne inférieure » est le sujet de l'exercice C3. Et c'est cette propriété qui rend les ε\varepsilon de l'analyse si puissants : aucun ε>0\varepsilon>0 n'est le dernier.

L'infinité des nombres premiers

Supposons par l'absurde qu'il n'existe qu'un nombre fini de nombres premiers, disons p1,p2,…,prp_1,p_2,\dots,p_r (la liste complète). Posons

N=p1p2⋯pr+1.N=p_1p_2\cdots p_r+1.
N≥2N\geq2, donc NN possède un diviseur premier pp (exercice A6, récurrence forte). Ce pp est dans la liste : p=pip=p_i pour un certain ii. Mais pip_i divise le produit p1⋯prp_1\cdots p_r, donc s'il divisait aussi NN, il diviserait leur différence N−p1⋯pr=1N-p_1\cdots p_r=1 — impossible pour un nombre premier. Contradiction. ■\blacksquare
il existe une infiniteˊ de nombres premiers\boxed{\text{il existe une infinité de nombres premiers}}

⚠️ La preuve ne dit PAS que NN est premier. Elle dit que NN a un diviseur premier hors de la liste. C'est toute la différence, et la question 4 la met en évidence.

Trente mille trente et un

N=2⋅3⋅5⋅7⋅11⋅13+1=30 030+1=30 031N=2\cdot3\cdot5\cdot7\cdot11\cdot13+1=30\,030+1=30\,031. Testons les premiers jusqu'à 30 031≈173\sqrt{30\,031}\approx173 : NN n'est divisible par aucun de 2,3,5,7,11,132,3,5,7,11,13 (reste 11 par construction), ni par 17,19,23,29,31,37,41,43,47,5317,19,23,29,31,37,41,43,47,53… mais

30 031=59×509,30\,031=59\times509,
et 5959, 509509 sont premiers. NN n'est pas premier. Ce n'est pas une contradiction avec Euclide : ses deux facteurs premiers, 5959 et 509509, sont hors de la liste {2,3,5,7,11,13}\{2,3,5,7,11,13\} — exactement ce que la preuve promet. Les premiers produits 2+1=32+1=3, 2⋅3+1=72\cdot3+1=7, 2⋅3⋅5+1=312\cdot3\cdot5+1=31, 211211, 23112311 sont premiers ; 30 03130\,031 est le premier qui ne l'est pas.
30 031=59×509 : Euclide fournit un premier NOUVEAU, pas un premier\boxed{30\,031=59\times509\ :\ \text{Euclide fournit un premier NOUVEAU, pas un premier}}

Rappel de cours

Raisonnement par l'absurde. Pour prouver PP : supposer ¬P\lnot P, en déduire une proposition fausse (souvent Q∧¬QQ\land\lnot Q), conclure que PP est vraie. Justifié par (¬P⇒Faux)  ⟺  P(\lnot P\Rightarrow\text{Faux})\iff P.

Pour une implication P⇒QP\Rightarrow Q : supposer PP et ¬Q\lnot Q. C'est plus général que la contraposée (qui ne suppose que ¬Q\lnot Q et vise ¬P\lnot P), mais moins guidé.

Rédaction. Annoncer « par l'absurde, supposons… », isoler l'objet que l'hypothèse fournit, calculer, et nommer la contradiction obtenue.

L'erreur classique

⚠️ Oublier l'irréductibilité dans la preuve de 2\sqrt2. Sans elle, « pp et qq pairs » n'est pas une contradiction : on aurait pu partir de 22\frac{2}{\sqrt2}… La contradiction vient de ce qu'on avait choisi p/qp/q simplifiée. (Variante sans ce choix : une descente infinie p>p′>p′′>…p>p'>p''>\dots d'entiers positifs, impossible.)

⚠️ Conclure que p1⋯pr+1p_1\cdots p_r+1 est premier. Faux dès r=6r=6 : 30 031=59×50930\,031=59\times509. La preuve d'Euclide construit un entier dont un diviseur premier est nouveau, ce qui suffit — et c'est tout.

⚠️ Prouver une implication en supposant seulement ¬Q\lnot Q sans utiliser PP. Si la preuve n'emploie jamais l'hypothèse PP, c'est qu'on démontre ¬Q⇒Faux\lnot Q\Rightarrow\text{Faux}, c'est-à-dire QQ tout court — soit l'énoncé est plus fort que prévu, soit il y a une erreur.

Réponse. 2=p/q\sqrt2=p/q irréductible force pp et qq pairs : contradiction. Un plus petit réel r>0r>0 serait ≤r/2\leq r/2 : contradiction. Une liste finie de premiers laisse p1⋯pr+1p_1\cdots p_r+1 sans diviseur premier dans la liste. 30 031=59×50930\,031=59\times509 n'est pas premier — Euclide promet un premier nouveau, pas un premier.
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Récurrence simple : somme des impairs, divisibilité, inégalité de Bernoulli

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Démontrer par récurrence que pour tout n≥1n\geq1, 1+3+5+⋯+(2n−1)=n21+3+5+\dots+(2n-1)=n^2. 2. Démontrer que pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}, 33 divise 4n−14^n-1. 3. Démontrer l'inégalité de Bernoulli : pour tout réel x≥−1x\geq-1 et tout n∈Nn\in\mathbb{N}, (1+x)n≥1+nx(1+x)^n\geq1+nx ; montrer par un exemple que l'hypothèse x≥−1x\geq-1 ne se retire pas. 4. La propriété « n2−n+41n^2-n+41 est premier » est vraie pour n=0,1,…,40n=0,1,\dots,40. Est-elle vraie pour tout nn ? Que manque-t-il pour une récurrence ?

Indices (3)

Nomme la propriété P(n)P(n), vérifie P(1)P(1), puis suppose P(n)P(n) pour un nn fixé et ajoute le terme suivant.

Pour l'hérédité de la divisibilité, écris 4n+1−1=4(4n−1)+34^{n+1}-1=4(4^n-1)+3.

Pour Bernoulli, multiplie (1+x)n≥1+nx(1+x)^n\geq1+nx par 1+x1+x : pourquoi faut-il 1+x≥01+x\geq0 ?

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Une récurrence, c'est deux étapes, et le principe qui les relie est admis. On nomme la propriété P(n)P(n) ; on vérifie l'initialisation P(n0)P(n_0) ; on démontre l'hérédité — pour un entier n≥n0n\geq n_0 fixé tel que P(n)P(n) est vraie, P(n+1)P(n+1) l'est aussi. Le principe de récurrence conclut alors que P(n)P(n) est vraie pour tout n≥n0n\geq n_0. Ce principe est une propriété fondatrice de N\mathbb{N} : on l'admet — c'est la seule chose admise dans ce chapitre.

👉 Ce qui rend une récurrence convaincante n'est pas la formule finale, c'est la phrase d'hérédité : « soit n≥n0n\geq n_0 tel que P(n)P(n) ; montrons P(n+1)P(n+1) ». Elle suppose P(n)P(n) pour un nn, pas pour tous.

La somme des premiers impairs

Soit P(n)P(n) : « 1+3+⋯+(2n−1)=n21+3+\dots+(2n-1)=n^2 », c'est-à-dire ∑k=1n(2k−1)=n2\sum_{k=1}^n(2k-1)=n^2.

Initialisation. P(1)P(1) : la somme se réduit à 1=121=1^2. Vraie.

Hérédité. Soit n≥1n\geq1 tel que P(n)P(n) soit vraie. Alors

∑k=1n+1(2k−1)=∑k=1n(2k−1)⏟= n2 par P(n)+(2(n+1)−1)=n2+2n+1=(n+1)2,\sum_{k=1}^{n+1}(2k-1)=\underbrace{\sum_{k=1}^{n}(2k-1)}_{=\,n^2\ \text{par }P(n)}+\bigl(2(n+1)-1\bigr)=n^2+2n+1=(n+1)^2,
ce qui est P(n+1)P(n+1).

Conclusion. Par le principe de récurrence, P(n)P(n) est vraie pour tout n≥1n\geq1. ■\blacksquare

1+3+⋯+(2n−1)=n2\boxed{1+3+\dots+(2n-1)=n^2}

ℹ️ Vue autrement : un carré n×nn\times n se construit en ajoutant à chaque étape une équerre de 2n+12n+1 cases. Le banc a recalculé la somme pour n≤200n\leq200 et fait vérifier l'identité n2+(2n+1)=(n+1)2n^2+(2n+1)=(n+1)^2 par sympy — deux contrôles, la preuve étant dans l'hérédité.

Trois divise quatre puissance n moins un

Soit P(n)P(n) : « 3∣4n−13\mid4^n-1 ».

Initialisation. 40−1=0=3×04^0-1=0=3\times0 : P(0)P(0) est vraie.

Hérédité. Soit n∈Nn\in\mathbb{N} tel que 3∣4n−13\mid4^n-1, c'est-à-dire 4n−1=3m4^n-1=3m pour un entier mm. Alors

4n+1−1=4⋅4n−1=4(4n−1)+3=4⋅3m+3=3 (4m+1),4^{n+1}-1=4\cdot4^n-1=4(4^n-1)+3=4\cdot3m+3=3\,(4m+1),
donc 3∣4n+1−13\mid4^{n+1}-1 : P(n+1)P(n+1).

Conclusion. 3∣4n−13\mid4^n-1 pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}. ■\blacksquare

∀n∈N, 3∣4n−1\boxed{\forall n\in\mathbb{N},\ 3\mid4^n-1}

👉 L'astuce de l'hérédité est toujours la même : écrire la quantité au rang n+1n+1 en fonction de celle au rang nn. Ici 4n+1−1=4(4n−1)+34^{n+1}-1=4(4^n-1)+3. (Le chapitre d'arithmétique le dira en une ligne : 4≡1(mod3)4\equiv1\pmod3, donc 4n≡14^n\equiv1.)

L'inégalité de Bernoulli

Fixons x≥−1x\geq-1 et posons P(n)P(n) : « (1+x)n≥1+nx(1+x)^n\geq1+nx ».

Initialisation. P(0)P(0) : (1+x)0=1≥1+0(1+x)^0=1\geq1+0. Vraie.

Hérédité. Soit n∈Nn\in\mathbb{N} tel que (1+x)n≥1+nx(1+x)^n\geq1+nx. Comme 1+x≥01+x\geq0, on peut multiplier l'inégalité par 1+x1+x sans en changer le sens :

(1+x)n+1≥(1+nx)(1+x)=1+nx+x+nx2=1+(n+1)x+nx2≥1+(n+1)x,(1+x)^{n+1}\geq(1+nx)(1+x)=1+nx+x+nx^2=1+(n+1)x+nx^2\geq1+(n+1)x,
la dernière inégalité parce que nx2≥0nx^2\geq0. C'est P(n+1)P(n+1). ■\blacksquare
x≥−1 ⇒ ∀n, (1+x)n≥1+nx\boxed{x\geq-1\ \Rightarrow\ \forall n,\ (1+x)^n\geq1+nx}

L'hypothèse x≥−1x\geq-1 ne se retire pas. Elle sert exactement au moment de multiplier par 1+x1+x. Contre-exemple : x=−4x=-4, n=3n=3 : (1−4)3=−27(1-4)^3=-27 et 1+3⋅(−4)=−111+3\cdot(-4)=-11, or −27<−11-27<-11. L'inégalité est fausse.

👉 Bernoulli est le lemme des croissances géométriques : pour a>1a>1, an=(1+(a−1))n≥1+n(a−1)→+∞a^n=(1+(a-1))^n\geq1+n(a-1)\to+\infty. Le chapitre sur les suites s'en sert.

Une hérédité sans preuve n'est rien

n2−n+41n^2-n+41 est premier pour n=0n=0 (4141), n=1n=1 (4141), n=2n=2 (4343), n=3n=3 (4747), … et jusqu'à n=40n=40 (16011601, premier) — quarante et une vérifications d'affilée. Mais

412−41+41=412=1681,41^2-41+41=41^2=1681,
qui n'est pas premier. La propriété est fausse.

Ce que la récurrence exigeait et qu'on n'a pas : une hérédité, c'est-à-dire une preuve que « n2−n+41n^2-n+41 premier » entraîne « (n+1)2−(n+1)+41(n+1)^2-(n+1)+41 premier ». Il n'y en a aucune, et pour cause. Quarante et un exemples ne font pas une hérédité ; un seul contre-exemple suffit à réfuter le ∀\forall.

n2−n+41 est premier pour n≤40, pas pour n=41\boxed{n^2-n+41\ \text{est premier pour }n\leq40,\ \text{pas pour }n=41}

👉 Inversement, une hérédité sans initialisation ne prouve rien non plus : « 10n+110^n+1 est divisible par 33 » est héréditaire — si 10n+1=3m10^n+1=3m, alors 10n+1+1=10(10n+1)−9=3(10m−3)10^{n+1}+1=10(10^n+1)-9=3(10m-3) — et jamais vraie (10n+1≡2(mod3)10^n+1\equiv2\pmod3). Les deux étapes sont indispensables.

Rappel de cours

Principe de récurrence (admis). Soit P(n)P(n) une propriété des entiers n≥n0n\geq n_0. Si P(n0)P(n_0) est vraie, et si pour tout n≥n0n\geq n_0, P(n)⇒P(n+1)P(n)\Rightarrow P(n+1), alors P(n)P(n) est vraie pour tout n≥n0n\geq n_0.

Rédaction. (1) Nommer P(n)P(n). (2) Initialisation : vérifier P(n0)P(n_0). (3) Hérédité : « soit n≥n0n\geq n_0 tel que P(n)P(n) » — un nn fixé — puis déduire P(n+1)P(n+1), en écrivant la quantité au rang n+1n+1 en fonction du rang nn. (4) Conclure en invoquant le principe.

Variantes. Récurrence à partir de n0>0n_0>0 ; récurrence forte (exercice A6) ; récurrence descendante ou à deux pas (P(n)P(n) et P(n+1)P(n+1) donnent P(n+2)P(n+2), avec deux initialisations).

L'erreur classique

⚠️ « Supposons P(n)P(n) vraie pour tout nn. » C'est la conclusion ; la supposer, c'est ne rien prouver. L'hérédité suppose P(n)P(n) pour un entier nn fixé (parfois écrit « P(k)P(k) » pour bien marquer que c'est un rang particulier).

⚠️ Sauter l'initialisation parce qu'elle « est évidente ». Elle l'est souvent, mais c'est elle qui ancre la chaîne : l'exemple 10n+110^n+1 montre une hérédité parfaite qui ne démarre jamais.

⚠️ Multiplier une inégalité par une quantité de signe inconnu. Dans Bernoulli, multiplier par 1+x1+x n'est légitime que parce que x≥−1x\geq-1. Sans cette hypothèse, le sens peut se renverser — et l'inégalité devient fausse (x=−4x=-4, n=3n=3).

Réponse. Somme des impairs : n2+(2n+1)=(n+1)2n^2+(2n+1)=(n+1)^2. Divisibilité : 4n+1−1=4(4n−1)+34^{n+1}-1=4(4^n-1)+3. Bernoulli : multiplier par 1+x≥01+x\geq0 puis nx2≥0nx^2\geq0 ; contre-exemple x=−4x=-4, n=3n=3 (−27<−11-27<-11). n2−n+41n^2-n+41 : premier jusqu'à n=40n=40, 41241^2 en n=41n=41 — pas d'hérédité, pas de théorème.
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Récurrence forte et analyse-synthèse

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Démontrer par récurrence forte que tout entier n≥2n\geq2 possède au moins un diviseur premier. 2. La suite de Fibonacci est définie par F0=0F_0=0, F1=1F_1=1 et Fn+1=Fn+Fn−1F_{n+1}=F_n+F_{n-1}. Démontrer que Fn≤2nF_n\leq2^n pour tout nn, et expliquer pourquoi une récurrence simple ne suffit pas. 3. Démontrer par analyse-synthèse que toute fonction f:R→Rf:\mathbb{R}\to\mathbb{R} s'écrit de façon unique comme somme d'une fonction paire et d'une fonction impaire ; expliciter la décomposition de exe^x et de x3+2x2−x+5x^3+2x^2-x+5.

Indices (3)

Récurrence forte : suppose que tous les entiers de 22 à nn ont un diviseur premier, et distingue selon que n+1n+1 est premier ou non.

Pour Fibonacci, Fn+1=Fn+Fn−1F_{n+1}=F_n+F_{n-1} fait intervenir deux rangs : il faut supposer la propriété aux rangs nn et n−1n-1 (et deux initialisations).

Analyse : si f=g+hf=g+h avec gg paire et hh impaire, calcule f(−x)f(-x) et résous le système en g(x)g(x), h(x)h(x).

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

La récurrence forte suppose toute l'histoire, pas seulement le rang précédent. Quand P(n+1)P(n+1) ne se déduit pas de P(n)P(n) seule — parce que n+1n+1 se ramène à un entier plus petit mais pas forcément nn (un diviseur), ou parce que la définition appelle deux rangs (Fibonacci) — on suppose P(n0),…,P(n)P(n_0),\dots,P(n) toutes vraies. C'est légitime : c'est le principe de récurrence appliqué à la propriété « P(n0)P(n_0) et … et P(n)P(n) ».

L'analyse-synthèse est le raisonnement des problèmes « existe-t-il un objet tel que…, et est-il unique ? ». L'analyse suppose l'objet trouvé et en déduit sa forme (ce qui prouve l'unicité : il ne peut être que ça) ; la synthèse vérifie que cette forme convient (ce qui prouve l'existence). Les deux moitiés sont indispensables.

Tout entier au moins égal à deux a un diviseur premier

Soit P(n)P(n) : « nn possède un diviseur premier ».

Initialisation. P(2)P(2) : 22 est premier et se divise lui-même. Vraie.

Hérédité forte. Soit n≥2n\geq2 tel que P(2),P(3),…,P(n)P(2),P(3),\dots,P(n) soient toutes vraies. Montrons P(n+1)P(n+1). Deux cas :

  • si n+1n+1 est premier, il est son propre diviseur premier ;
  • sinon, n+1=abn+1=ab avec 2≤a≤n2\leq a\leq n. Par hypothèse (forte !) P(a)P(a) est vraie : aa a un diviseur premier pp. Alors p∣ap\mid a et a∣n+1a\mid n+1, donc p∣n+1p\mid n+1.

Dans les deux cas P(n+1)P(n+1) est vraie. Par récurrence forte, tout n≥2n\geq2 a un diviseur premier. ■\blacksquare

∀n≥2, ∃p premier, p∣n\boxed{\forall n\geq2,\ \exists p\ \text{premier},\ p\mid n}

👉 Pourquoi forte ? Le diviseur aa de n+1n+1 est un entier entre 22 et nn, pas nécessairement nn : P(n)P(n) seule ne dit rien de aa. Il faut disposer de P(a)P(a), donc de toute la plage. C'est exactement ce lemme qu'a utilisé la preuve d'Euclide (exercice A4).

Fibonacci majorée par deux puissance n

F0=0, F1=1, F2=1, F3=2, F4=3, F5=5, F6=8, F7=13, F8=21, F9=34, F10=55F_0=0,\ F_1=1,\ F_2=1,\ F_3=2,\ F_4=3,\ F_5=5,\ F_6=8,\ F_7=13,\ F_8=21,\ F_9=34,\ F_{10}=55. Soit P(n)P(n) : « Fn≤2nF_n\leq2^n ».

Initialisations — il en faut deux. F0=0≤1F_0=0\leq1 et F1=1≤2F_1=1\leq2.

Hérédité (à deux pas). Soit n≥1n\geq1 tel que P(n−1)P(n-1) et P(n)P(n) soient vraies. Alors

Fn+1=Fn+Fn−1≤2n+2n−1=2n−1(2+1)=3⋅2n−1<4⋅2n−1=2n+1,F_{n+1}=F_n+F_{n-1}\leq2^n+2^{n-1}=2^{n-1}(2+1)=3\cdot2^{n-1}<4\cdot2^{n-1}=2^{n+1},
donc P(n+1)P(n+1). Par récurrence forte, Fn≤2nF_n\leq2^n pour tout nn — et même Fn<2nF_n<2^n dès n≥1n\geq1. ■\blacksquare
∀n∈N, Fn≤2n\boxed{\forall n\in\mathbb{N},\ F_n\leq2^n}

Pourquoi une récurrence simple échoue. Pour majorer Fn+1F_{n+1}, on a besoin de majorer FnF_n et Fn−1F_{n-1} : l'hypothèse P(n)P(n) seule ne contrôle pas Fn−1F_{n-1}. Deux rangs dans la définition, deux rangs dans l'hypothèse — et deux initialisations, sinon le rang 11 n'est pas couvert.

ℹ️ La vraie croissance de Fibonacci est φn\varphi^n avec φ=1+52≈1,618\varphi=\frac{1+\sqrt5}2\approx1{,}618 : on peut montrer de même Fn≤φn−1F_n\leq\varphi^{n-1} pour n≥1n\geq1 (le banc l'a vérifié jusqu'à n=60n=60). Le chapitre sur les suites en donne la formule exacte.

Analyse-synthèse : paire plus impaire

Analyse. Supposons f=g+hf=g+h avec gg paire (g(−x)=g(x)g(-x)=g(x)) et hh impaire (h(−x)=−h(x)h(-x)=-h(x)). Alors, pour tout xx,

f(x)=g(x)+h(x),f(−x)=g(−x)+h(−x)=g(x)−h(x).f(x)=g(x)+h(x),\qquad f(-x)=g(-x)+h(-x)=g(x)-h(x).
En ajoutant puis en soustrayant ces deux lignes :
g(x)=f(x)+f(−x)2,h(x)=f(x)−f(−x)2.g(x)=\frac{f(x)+f(-x)}2,\qquad h(x)=\frac{f(x)-f(-x)}2.
Si la décomposition existe, elle est donc forcée : c'est l'unicité.

Synthèse. Posons gg et hh par ces formules. Alors g(−x)=f(−x)+f(x)2=g(x)g(-x)=\frac{f(-x)+f(x)}2=g(x) (paire), h(−x)=f(−x)−f(x)2=−h(x)h(-x)=\frac{f(-x)-f(x)}2=-h(x) (impaire), et g(x)+h(x)=f(x)g(x)+h(x)=f(x). La décomposition existe. ■\blacksquare

f=f(x)+f(−x)2⏟paire+f(x)−f(−x)2⏟impaire, de fac¸on unique\boxed{f=\underbrace{\tfrac{f(x)+f(-x)}2}_{\text{paire}}+\underbrace{\tfrac{f(x)-f(-x)}2}_{\text{impaire}},\ \text{de façon unique}}

Exemples. Pour f(x)=exf(x)=e^x : g(x)=ex+e−x2=ch⁡xg(x)=\dfrac{e^x+e^{-x}}2=\operatorname{ch}x et h(x)=ex−e−x2=sh⁡xh(x)=\dfrac{e^x-e^{-x}}2=\operatorname{sh}x — c'est l'origine des fonctions hyperboliques. Pour f(x)=x3+2x2−x+5f(x)=x^3+2x^2-x+5 : partie paire 2x2+52x^2+5, partie impaire x3−xx^3-x (les monômes de degré pair d'un côté, impair de l'autre).

Rappel de cours

Récurrence forte. Si P(n0)P(n_0) est vraie et si, pour tout n≥n0n\geq n_0, (P(n0)∧⋯∧P(n))⇒P(n+1)\bigl(P(n_0)\land\dots\land P(n)\bigr)\Rightarrow P(n+1), alors P(n)P(n) est vraie pour tout n≥n0n\geq n_0. Équivalente au principe de récurrence simple (l'appliquer à Q(n)Q(n) : « P(n0)∧⋯∧P(n)P(n_0)\land\dots\land P(n) »). Cas particulier : récurrence à deux pas, avec deux initialisations.

Analyse-synthèse. Pour « il existe un unique objet tel que… » : analyse — on suppose l'objet et on montre qu'il est nécessairement de telle forme (unicité) ; synthèse — on vérifie que cette forme convient (existence). Oublier la synthèse est l'erreur la plus fréquente : la forme trouvée pourrait ne pas convenir.

Unicité seule : si deux objets conviennent, montrer qu'ils sont égaux. Ici : une fonction à la fois paire et impaire vérifie g(x)=g(−x)=−g(x)g(x)=g(-x)=-g(x), donc g=0g=0.

L'erreur classique

⚠️ Une seule initialisation pour une récurrence à deux pas. Avec F0F_0 seule, l'hérédité au rang n=0n=0 demande P(−1)P(-1), qui n'existe pas : la chaîne ne démarre pas. Autant d'initialisations que de rangs appelés par l'hérédité.

⚠️ Utiliser P(a)P(a) pour un a<na<n dans une récurrence SIMPLE. C'est exactement le cas du diviseur premier : l'hypothèse simple ne fournit que P(n)P(n). Quand la preuve appelle un rang plus petit quelconque, l'annoncer : « par récurrence forte ».

⚠️ Arrêter l'analyse-synthèse après l'analyse. L'analyse dit « si ça existe, c'est ça » ; elle ne dit pas que ça existe. Pour f=g+hf=g+h, la synthèse est courte mais indispensable — et dans d'autres problèmes, elle révèle que la forme trouvée ne convient pas (une équation « analysée » peut n'avoir aucune solution).

Réponse. Diviseur premier : n+1n+1 premier, ou n+1=abn+1=ab avec 2≤a≤n2\leq a\leq n et P(a)P(a) (forte). Fibonacci : Fn+1≤2n+2n−1<2n+1F_{n+1}\leq2^n+2^{n-1}<2^{n+1}, deux initialisations. Analyse-synthèse : g=f(x)+f(−x)2g=\frac{f(x)+f(-x)}2, h=f(x)−f(−x)2h=\frac{f(x)-f(-x)}2 ; ex=ch⁡x+sh⁡xe^x=\operatorname{ch}x+\operatorname{sh}x ; x3+2x2−x+5=(2x2+5)+(x3−x)x^3+2x^2-x+5=(2x^2+5)+(x^3-x).
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Lois de Morgan ensemblistes et différence symétrique

DémonstrationDifficulté 3/5

Soit EE un ensemble et A,B,CA,B,C trois parties de EE. 1. Démontrer par double inclusion que A∖(B∪C)=(A∖B)∩(A∖C)A\setminus(B\cup C)=(A\setminus B)\cap(A\setminus C). 2. Retrouver cette égalité par une table d'appartenance (huit cas), et en déduire B∪C‾=B‾∩C‾\overline{B\cup C}=\overline B\cap\overline C. 3. La différence symétrique est A Δ B=(A∖B)∪(B∖A)A\,\Delta\,B=(A\setminus B)\cup(B\setminus A). Montrer que A Δ B=(A∪B)∖(A∩B)A\,\Delta\,B=(A\cup B)\setminus(A\cap B), que A Δ A=∅A\,\Delta\,A=\varnothing et A Δ ∅=AA\,\Delta\,\varnothing=A. 4. L'égalité A∖(B∪C)=(A∖B)∪(A∖C)A\setminus(B\cup C)=(A\setminus B)\cup(A\setminus C) est-elle vraie ? Justifier.

Indices (3)

Double inclusion : prends xx dans le membre de gauche, traduis « x∉B∪Cx\notin B\cup C » par « x∉Bx\notin B et x∉Cx\notin C » (Morgan logique), et conclus ; puis l'inverse.

Table d'appartenance : une ligne par cas (x∈Ax\in A ou non, x∈Bx\in B ou non, x∈Cx\in C ou non), une colonne par ensemble ; deux colonnes identiques prouvent l'égalité.

Pour la question 4, cherche un xx dans AA, dans BB mais pas dans CC : de quel côté est-il ?

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Une identité entre ensembles se prouve de deux façons, et elles sont la même sous deux habits. La double inclusion traduit chaque appartenance en une proposition logique et applique les règles de la partie A ; la table d'appartenance examine, pour un élément xx quelconque, les 23=82^3=8 cas selon qu'il est ou non dans AA, BB, CC — c'est la table de vérité de l'exercice A1, où « x∈Ax\in A » joue le rôle de PP. Deux colonnes identiques sur les huit lignes prouvent l'égalité, parce qu'appartenir à l'un équivaut alors à appartenir à l'autre.

👉 Le banc de ce chapitre a fait plus fort encore : il a vérifié chaque identité de cet exercice sur toutes les parties A,B,CA,B,C d'un ensemble à quatre éléments — 163=4 09616^3=4\,096 triplets. Une table d'appartenance à huit lignes suffit pourtant, et pour tout ensemble EE.

Double inclusion

⊂\subset. Soit x∈A∖(B∪C)x\in A\setminus(B\cup C) : x∈Ax\in A et x∉B∪Cx\notin B\cup C. Par la loi de Morgan logique, « non (x∈Bx\in B ou x∈Cx\in C) » équivaut à « x∉Bx\notin B et x∉Cx\notin C ». Donc x∈Ax\in A et x∉Bx\notin B — c'est x∈A∖Bx\in A\setminus B — et x∈Ax\in A et x∉Cx\notin C — c'est x∈A∖Cx\in A\setminus C. Ainsi x∈(A∖B)∩(A∖C)x\in(A\setminus B)\cap(A\setminus C).

⊃\supset. Soit x∈(A∖B)∩(A∖C)x\in(A\setminus B)\cap(A\setminus C) : x∈Ax\in A, x∉Bx\notin B, x∉Cx\notin C. Alors x∉B∪Cx\notin B\cup C (il n'est dans aucun des deux), et x∈Ax\in A : x∈A∖(B∪C)x\in A\setminus(B\cup C).

Les deux inclusions donnent l'égalité. ■\blacksquare

A∖(B∪C)=(A∖B)∩(A∖C)\boxed{A\setminus(B\cup C)=(A\setminus B)\cap(A\setminus C)}

👉 Le pas décisif est la traduction « x∉B∪Cx\notin B\cup C »   ⟺  \iff « x∉Bx\notin B et x∉Cx\notin C » : c'est exactement ¬(P∨Q)  ⟺  ¬P∧¬Q\lnot(P\lor Q)\iff\lnot P\land\lnot Q. Les lois de Morgan ensemblistes sont les lois de Morgan logiques lues à travers l'appartenance.

Table d'appartenance

Pour un élément xx de EE, notons 11 « xx est dedans » et 00 « dehors » :

AA BB CC B∪CB\cup C A∖(B∪C)A\setminus(B\cup C) (A∖B)∩(A∖C)(A\setminus B)\cap(A\setminus C)
1 1 1 1 0 0
1 1 0 1 0 0
1 0 1 1 0 0
1 0 0 0 1 1
0 1 1 1 0 0
0 1 0 1 0 0
0 0 1 1 0 0
0 0 0 0 0 0

Les deux dernières colonnes coïncident : un seul cas les rend vraies, « x∈Ax\in A, x∉Bx\notin B, x∉Cx\notin C ». L'égalité est prouvée pour tout xx, donc pour tout ensemble EE. ■\blacksquare

Cas particulier A=EA=E. E∖(B∪C)E\setminus(B\cup C) est le complémentaire B∪C‾\overline{B\cup C}, et E∖B=B‾E\setminus B=\overline B : on obtient

B∪C‾=B‾∩C‾\boxed{\overline{B\cup C}=\overline B\cap\overline C}
et, de la même façon (ou en passant au complémentaire des deux membres), B∩C‾=B‾∪C‾\overline{B\cap C}=\overline B\cup\overline C : le complémentaire échange réunion et intersection.

La différence symétrique

A Δ BA\,\Delta\,B est l'ensemble des éléments qui sont dans exactement un des deux ensembles. Par table d'appartenance à quatre lignes :

AA BB A∖BA\setminus B B∖AB\setminus A A Δ BA\,\Delta\,B (A∪B)∖(A∩B)(A\cup B)\setminus(A\cap B)
1 1 0 0 0 0
1 0 1 0 1 1
0 1 0 1 1 1
0 0 0 0 0 0

Les colonnes A Δ BA\,\Delta\,B et (A∪B)∖(A∩B)(A\cup B)\setminus(A\cap B) coïncident. ■\blacksquare

A Δ B=(A∪B)∖(A∩B)\boxed{A\,\Delta\,B=(A\cup B)\setminus(A\cap B)}

A Δ A=(A∖A)∪(A∖A)=∅A\,\Delta\,A=(A\setminus A)\cup(A\setminus A)=\varnothing ; A Δ ∅=(A∖∅)∪(∅∖A)=A∪∅=AA\,\Delta\,\varnothing=(A\setminus\varnothing)\cup(\varnothing\setminus A)=A\cup\varnothing=A. On vérifie de même que Δ\Delta est commutative et associative (le banc l'a fait sur les 4 096 triplets), avec ∅\varnothing pour élément neutre et chaque AA pour son propre symétrique — (P(E),Δ)(\mathcal P(E),\Delta) est un groupe, ce que le chapitre sur les groupes reprendra. Et ∣A Δ B∣=∣A∣+∣B∣−2∣A∩B∣\lvert A\,\Delta\,B\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-2\lvert A\cap B\rvert.

Une fausse identité, et le contre-exemple

A∖(B∪C)=(A∖B)∪(A∖C)A\setminus(B\cup C)=(A\setminus B)\cup(A\setminus C) est fausse en général. Reprends la table : sur la ligne x∈Ax\in A, x∈Bx\in B, x∉Cx\notin C, le membre de gauche vaut 00 (car x∈B∪Cx\in B\cup C), mais x∈A∖Cx\in A\setminus C, donc le membre de droite vaut 11. Contre-exemple concret : E={1,2,3}E=\{1,2,3\}, A={1,2}A=\{1,2\}, B={1}B=\{1\}, C={2}C=\{2\} : A∖(B∪C)=∅A\setminus(B\cup C)=\varnothing et (A∖B)∪(A∖C)={2}∪{1}={1,2}(A\setminus B)\cup(A\setminus C)=\{2\}\cup\{1\}=\{1,2\}.

La bonne identité avec une réunion à droite est A∖(B∩C)=(A∖B)∪(A∖C)A\setminus(B\cap C)=(A\setminus B)\cup(A\setminus C) — Morgan encore. ■\blacksquare

A∖(B∪C)≠(A∖B)∪(A∖C) en geˊneˊral\boxed{A\setminus(B\cup C)\neq(A\setminus B)\cup(A\setminus C)\ \text{en général}}

👉 Le banc contient ce contre-témoin : il vérifie que cette fausse identité est bien réfutée sur les 4 096 triplets. Un vérificateur qui accepterait tout ne distinguerait pas une identité d'une autre.

Rappel de cours

Dictionnaire logique ↔ ensembles. x∈A∩Bx\in A\cap B : « x∈Ax\in A et x∈Bx\in B » ; x∈A∪Bx\in A\cup B : « ou » ; x∈A‾x\in\overline A : « non » ; A⊂BA\subset B : « x∈A⇒x∈Bx\in A\Rightarrow x\in B » ; A=BA=B : « x∈A  ⟺  x∈Bx\in A\iff x\in B ».

Identités. Morgan : A∪B‾=A‾∩B‾\overline{A\cup B}=\overline A\cap\overline B, A∩B‾=A‾∪B‾\overline{A\cap B}=\overline A\cup\overline B. Distributivités : A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C)A\cap(B\cup C)=(A\cap B)\cup(A\cap C), A∪(B∩C)=(A∪B)∩(A∪C)A\cup(B\cap C)=(A\cup B)\cap(A\cup C). Différence : A∖B=A∩B‾A\setminus B=A\cap\overline B. Inclusion : A⊂B  ⟺  A∪B=B  ⟺  A∩B=AA\subset B\iff A\cup B=B\iff A\cap B=A.

Prouver une égalité : double inclusion, ou table d'appartenance (2k2^k lignes pour kk ensembles). Prouver une non-égalité : un élément qui est d'un côté et pas de l'autre.

L'erreur classique

⚠️ Nier « x∈B∪Cx\in B\cup C » par « x∉Bx\notin B ou x∉Cx\notin C ». C'est la faute Morgan : la négation d'un « ou » est un « et ». Elle produit précisément la fausse identité de la question 4.

⚠️ Ne prouver qu'une inclusion. A⊂BA\subset B n'est pas A=BA=B. Si la table d'appartenance est trop longue, il faut les deux sens — ou une chaîne d'équivalences où chaque étape est réversible.

⚠️ Croire A∖B=B∖AA\setminus B=B\setminus A. La différence n'est pas symétrique ; c'est pour cela que Δ\Delta existe. {1,2}∖{2,3}={1}\{1,2\}\setminus\{2,3\}=\{1\} et {2,3}∖{1,2}={3}\{2,3\}\setminus\{1,2\}=\{3\}.

Réponse. Double inclusion via ¬(x∈B∨x∈C)  ⟺  (x∉B∧x∉C)\lnot(x\in B\lor x\in C)\iff(x\notin B\land x\notin C) ; table à 8 lignes, une seule ligne à 11 (x∈Ax\in A, x∉Bx\notin B, x∉Cx\notin C) ; B∪C‾=B‾∩C‾\overline{B\cup C}=\overline B\cap\overline C ; A Δ B=(A∪B)∖(A∩B)A\,\Delta\,B=(A\cup B)\setminus(A\cap B), A Δ A=∅A\,\Delta\,A=\varnothing, A Δ ∅=AA\,\Delta\,\varnothing=A ; la question 4 est fausse : A={1,2}A=\{1,2\}, B={1}B=\{1\}, C={2}C=\{2\} donne ∅≠{1,2}\varnothing\neq\{1,2\}.
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Parties d'un ensemble et produit cartésien

CalculDifficulté 3/5

1. Lister P({a,b,c})\mathcal P(\{a,b,c\}) et vérifier qu'il a 88 éléments. 2. Démontrer que si ∣E∣=n\lvert E\rvert=n, alors ∣P(E)∣=2n\lvert\mathcal P(E)\rvert=2^n, en construisant une bijection entre P(E)\mathcal P(E) et {0,1}n\{0,1\}^n. 3. Lister E×FE\times F pour E={1,2,3}E=\{1,2,3\} et F={a,b}F=\{a,b\}, et démontrer que ∣E×F∣=∣E∣⋅∣F∣\lvert E\times F\rvert=\lvert E\rvert\cdot\lvert F\rvert pour des ensembles finis. 4. Que valent P(∅)\mathcal P(\varnothing) et P(P(∅))\mathcal P(\mathcal P(\varnothing)) ? Combien {1,2,3,4,5}\{1,2,3,4,5\} a-t-il de parties, et combien à exactement deux éléments ?

Indices (3)

Classe les parties par cardinal : 00, 11, 22, 33 éléments.

À une partie AA, associe le mot de nn bits (ε1,…,εn)(\varepsilon_1,\dots,\varepsilon_n) où εi=1\varepsilon_i=1 si ei∈Ae_i\in A ; montre que cette correspondance est bijective.

Pour le produit, range les couples en ∣E∣\lvert E\rvert lignes de ∣F∣\lvert F\rvert couples.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Compter, c'est souvent mettre en bijection avec quelque chose qu'on sait compter. Une partie de E={e1,…,en}E=\{e_1,\dots,e_n\} est entièrement décrite par la réponse à nn questions « eie_i est-il dedans ? » — donc par un mot de nn bits, et il y a 2n2^n mots. Un couple de E×FE\times F est décrit par un choix dans EE puis un choix dans FF — donc par une case d'un tableau à ∣E∣\lvert E\rvert lignes et ∣F∣\lvert F\rvert colonnes.

👉 Ce sont les deux premiers comptes du chapitre, et ils reviennent partout : 2n2^n pour « dedans ou dehors », ∣E∣⋅∣F∣\lvert E\rvert\cdot\lvert F\rvert pour « un choix puis un autre ». Le principe multiplicatif de la partie E est la généralisation du second.

Les huit parties

Par cardinal croissant :

P({a,b,c})={ ∅, {a},{b},{c}, {a,b},{a,c},{b,c}, {a,b,c} },\mathcal P(\{a,b,c\})=\bigl\{\ \varnothing,\ \{a\},\{b\},\{c\},\ \{a,b\},\{a,c\},\{b,c\},\ \{a,b,c\}\ \bigr\},
soit 1+3+3+1=81+3+3+1=8 parties. Deux d'entre elles sont souvent oubliées : ∅\varnothing (qui est bien une partie : tous ses éléments — il n'y en a aucun — sont dans EE) et EE lui-même (l'inclusion est large).
∣P({a,b,c})∣=8=23\boxed{\lvert\mathcal P(\{a,b,c\})\rvert=8=2^3}

⚠️ Les éléments de P(E)\mathcal P(E) sont des ensembles : {a}∈P(E)\{a\}\in\mathcal P(E) mais a∉P(E)a\notin\mathcal P(E). Et ∅∈P(E)\varnothing\in\mathcal P(E) est vrai, tandis que ∅⊂P(E)\varnothing\subset\mathcal P(E) est vrai aussi — pour une autre raison (le vide est inclus dans tout).

Deux puissance n parties

Soit E={e1,…,en}E=\{e_1,\dots,e_n\}. À une partie A⊂EA\subset E, associons le mot

Φ(A)=(ε1,…,εn)∈{0,1}n,εi={1si ei∈A0sinon\Phi(A)=(\varepsilon_1,\dots,\varepsilon_n)\in\{0,1\}^n,\qquad\varepsilon_i=\begin{cases}1&\text{si }e_i\in A\\0&\text{sinon}\end{cases}
(c'est la suite des valeurs de l'indicatrice 1A\mathbb 1_A).

Φ\Phi est injective : si Φ(A)=Φ(A′)\Phi(A)=\Phi(A'), alors pour chaque ii, ei∈A  ⟺  ei∈A′e_i\in A\iff e_i\in A', donc A=A′A=A'. Φ\Phi est surjective : un mot (εi)(\varepsilon_i) étant donné, la partie A={ei∣εi=1}A=\{e_i\mid\varepsilon_i=1\} l'a pour image. Donc Φ\Phi est une bijection de P(E)\mathcal P(E) sur {0,1}n\{0,1\}^n, et deux ensembles en bijection ont le même cardinal :

∣P(E)∣=∣{0,1}n∣=2n■\boxed{\lvert\mathcal P(E)\rvert=\lvert\{0,1\}^n\rvert=2^n}\qquad\blacksquare
({0,1}n\{0,1\}^n a 2n2^n éléments par le principe multiplicatif : nn choix binaires.)

ℹ️ Le banc a énuméré les parties et les mots pour n≤10n\leq10 : 210=10242^{10}=1024 des deux côtés. Et ∑k=0n(nk)=2n\sum_{k=0}^n\binom nk=2^n (exercice E4) recompte les parties par cardinal — même nombre, autre découpage.

Le produit cartésien
E×F={(1,a),(1,b), (2,a),(2,b), (3,a),(3,b)} : 6 couples.E\times F=\{(1,a),(1,b),\ (2,a),(2,b),\ (3,a),(3,b)\}\ :\ 6\ \text{couples}.

Rangés en tableau — une ligne par élément de EE, une colonne par élément de FF —, les couples remplissent une grille 3×23\times2. En général, pour EE à mm éléments et FF à pp éléments, la grille a mm lignes de pp cases, donc mpmp cases, et chaque couple occupe exactement une case :

∣E×F∣=∣E∣⋅∣F∣\boxed{\lvert E\times F\rvert=\lvert E\rvert\cdot\lvert F\rvert}
(Preuve par récurrence sur mm si l'on veut : E×FE\times F est la réunion disjointe des {e}×F\{e\}\times F, chacun en bijection avec FF.) ■\blacksquare

⚠️ L'ordre compte dans un couple : (1,a)≠(a,1)(1,a)\neq(a,1), et F×E={(a,1),(a,2),… }F\times E=\{(a,1),(a,2),\dots\} est un autre ensemble que E×FE\times F — de même cardinal. E×F×GE\times F\times G a ∣E∣∣F∣∣G∣\lvert E\rvert\lvert F\rvert\lvert G\rvert triplets, et Ek=E×⋯×EE^k=E\times\dots\times E a ∣E∣k\lvert E\rvert^k éléments : c'est le nombre de listes de longueur kk, donc de mots, de codes, d'applications d'un ensemble à kk éléments dans EE (partie E).

Le vide, et un ensemble à cinq éléments

P(∅)={∅}\mathcal P(\varnothing)=\{\varnothing\} : le vide a exactement une partie, lui-même. Ce n'est pas l'ensemble vide : c'est un ensemble à un élément, cohérent avec 20=12^0=1. Puis P(P(∅))=P({∅})={∅,{∅}}\mathcal P(\mathcal P(\varnothing))=\mathcal P(\{\varnothing\})=\{\varnothing,\{\varnothing\}\} : deux éléments, 21=22^1=2. (En continuant, 44, puis 1616, puis 65 53665\,536 — c'est ainsi que la théorie des ensembles fabrique les entiers à partir de rien.)

{1,2,3,4,5}\{1,2,3,4,5\} a 25=322^5=32 parties. Celles à exactement deux éléments sont les (52)=5×42=10\binom52=\dfrac{5\times4}2=10 paires {1,2},{1,3},…,{4,5}\{1,2\},\{1,3\},\dots,\{4,5\} (partie E). Les 3232 se répartissent en 1+5+10+10+5+11+5+10+10+5+1 selon le cardinal.

P(∅)={∅},∣P({1,…,5})∣=32,10 paires\boxed{\mathcal P(\varnothing)=\{\varnothing\},\quad\lvert\mathcal P(\{1,\dots,5\})\rvert=32,\quad10\ \text{paires}}

Rappel de cours

Parties. P(E)={A∣A⊂E}\mathcal P(E)=\{A\mid A\subset E\}, avec ∅∈P(E)\varnothing\in\mathcal P(E) et E∈P(E)E\in\mathcal P(E). ∣P(E)∣=2∣E∣\lvert\mathcal P(E)\rvert=2^{\lvert E\rvert} par bijection avec {0,1}n\{0,1\}^n (ou par récurrence : chaque partie de E∪{e}E\cup\{e\} est une partie de EE avec ou sans ee, ce qui double le compte).

Produit cartésien. E×F={(x,y)∣x∈E, y∈F}E\times F=\{(x,y)\mid x\in E,\ y\in F\} ; ∣E×F∣=∣E∣⋅∣F∣\lvert E\times F\rvert=\lvert E\rvert\cdot\lvert F\rvert. Couples ordonnés : (x,y)=(x′,y′)  ⟺  x=x′(x,y)=(x',y')\iff x=x' et y=y′y=y'.

Bijection et cardinal. S'il existe une bijection E→FE\to F entre ensembles finis, ∣E∣=∣F∣\lvert E\rvert=\lvert F\rvert. C'est l'outil de base du dénombrement : compter un ensemble compliqué en le mettant en bijection avec un ensemble simple.

L'erreur classique

⚠️ Compter n2n^2 parties. n2n^2 compte les couples de E×EE\times E, pas les parties. Pour trois éléments : 99 couples, 88 parties ; pour cinq : 2525 couples, 3232 parties. Le bon réflexe : « dedans ou dehors » pour chacun des nn éléments, 2n2^n.

⚠️ Oublier ∅\varnothing et EE dans la liste des parties : on trouve alors 66 au lieu de 88. Les deux sont des parties à part entière.

⚠️ Confondre {∅}\{\varnothing\} et ∅\varnothing. Le premier contient un élément (le vide), le second n'en contient aucun. P(∅)={∅}\mathcal P(\varnothing)=\{\varnothing\} a pour cardinal 11, pas 00.

Réponse. P({a,b,c})\mathcal P(\{a,b,c\}) : 88 parties (1+3+3+11+3+3+1). Φ:A↦(1A(ei))i\Phi:A\mapsto(\mathbb 1_A(e_i))_i est une bijection sur {0,1}n\{0,1\}^n, d'où 2n2^n. E×FE\times F : 66 couples en grille 3×23\times2, ∣E×F∣=∣E∣∣F∣\lvert E\times F\rvert=\lvert E\rvert\lvert F\rvert. P(∅)={∅}\mathcal P(\varnothing)=\{\varnothing\} (1 élément), P(P(∅))\mathcal P(\mathcal P(\varnothing)) en a 22 ; {1,…,5}\{1,\dots,5\} : 3232 parties, 1010 paires.
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Injective, surjective, bijective : la méthode

DémonstrationDifficulté 3/5

Pour chacune des applications suivantes, dire si elle est injective, surjective, bijective, en résolvant l'équation f(x)=yf(x)=y. 1. f:N→Nf:\mathbb{N}\to\mathbb{N}, n↦2nn\mapsto2n. 2. g:Z→Zg:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z}, n↦n2n\mapsto n^2. 3. h:R→Rh:\mathbb{R}\to\mathbb{R}, x↦x3x\mapsto x^3 ; donner sa réciproque. 4. s:R2→Rs:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}, (x,y)↦x+y(x,y)\mapsto x+y. 5. Que devient x↦x2x\mapsto x^2 si on la restreint à R+→R+\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+ ?

Indices (3)

Injective : f(x)=f(x′)⇒x=x′f(x)=f(x')\Rightarrow x=x'. Non injective : deux antécédents distincts d'une même valeur. Surjective : tout yy de l'arrivée a un antécédent. Non surjective : un yy qui n'en a pas.

Pour n↦2nn\mapsto2n : quel entier a 11 pour image ? Pour n2n^2 : que valent g(−1)g(-1) et g(1)g(1) ?

Pour x3x^3, résous x3=yx^3=y : combien de solutions réelles, pour chaque yy ?

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Injectivité et surjectivité sont deux questions sur l'équation f(x)=yf(x)=y, d'inconnue xx, pour yy fixé dans l'ensemble d'arrivée. Injective : l'équation a au plus une solution, quel que soit yy. Surjective : elle a au moins une solution, quel que soit yy. Bijective : exactement une — et cette unique solution, en fonction de yy, est f−1(y)f^{-1}(y). Toute la méthode tient là : résoudre, et compter les solutions.

👉 Deux remarques qui évitent la moitié des erreurs. Ces propriétés dépendent des ensembles de départ et d'arrivée, pas seulement de la formule (question 5). Et pour prouver « non injective » ou « non surjective », un seul couple de points ou un seul yy orphelin suffit ; pour prouver « injective » ou « surjective », il faut un argument valable pour tous les yy.

Le double

f(n)=2nf(n)=2n sur N\mathbb{N}. Injective : si 2n=2n′2n=2n', alors n=n′n=n' (on divise par 22). Pour yy donné, l'équation 2n=y2n=y a donc au plus une solution. Non surjective : y=1y=1 n'a pas d'antécédent — 2n=12n=1 n'a pas de solution entière, et plus généralement f(N)f(\mathbb{N}) est l'ensemble des nombres pairs, qui n'est pas N\mathbb{N} tout entier.

n↦2n : injective, non surjective\boxed{n\mapsto2n\ :\ \text{injective, non surjective}}

👉 C'est l'exemple à retenir pour l'infini : ff est une bijection de N\mathbb{N} sur une partie stricte de N\mathbb{N} (les pairs). Sur un ensemble fini, c'est impossible — une injection d'un ensemble fini dans lui-même est forcément surjective (exercice C4). Que N\mathbb{N} soit « aussi gros » que ses pairs est le premier signe que l'infini ne se compte pas comme le fini.

Le carré sur les entiers

g(n)=n2g(n)=n^2 sur Z\mathbb{Z}. Non injective : g(−1)=g(1)=1g(-1)=g(1)=1 avec −1≠1-1\neq1 — l'équation n2=1n^2=1 a deux solutions. Non surjective : y=2y=2 n'a pas d'antécédent (n2=2n^2=2 n'a pas de solution entière), pas plus que y=−1y=-1 (n2≥0n^2\geq0).

n↦n2 sur Z : ni injective, ni surjective\boxed{n\mapsto n^2\ \text{sur }\mathbb{Z}\ :\ \text{ni injective, ni surjective}}

Le même gg vu de N\mathbb{N} dans N\mathbb{N} devient injective (deux entiers naturels de même carré sont égaux) mais reste non surjective (22 n'est pas un carré). La formule n'a pas changé ; l'ensemble de départ, si — et le verdict avec.

Le cube

h(x)=x3h(x)=x^3 sur R\mathbb{R}. Pour y∈Ry\in\mathbb{R} fixé, résolvons x3=yx^3=y. La fonction cube est strictement croissante sur R\mathbb{R} (sa dérivée 3x23x^2 est positive, nulle seulement en 00), continue, de limites ∓∞\mp\infty : par le théorème de la bijection, l'équation a exactement une solution réelle, notée y3\sqrt[3]y (ou y1/3y^{1/3}, avec le signe de yy). Donc hh est bijective, de réciproque

h−1:R→R,y↦y3■\boxed{h^{-1}:\mathbb{R}\to\mathbb{R},\quad y\mapsto\sqrt[3]y}\qquad\blacksquare
Vérification : (y3)3=y\left(\sqrt[3]y\right)^3=y et x33=x\sqrt[3]{x^3}=x pour tout réel (le cube conserve le signe). Le banc a fait résoudre x3=yx^3=y par sympy pour y=−8,−1,0,18,5y=-8,-1,0,\tfrac18,5 : une solution réelle à chaque fois.

👉 Comparer au carré : x2=yx^2=y a deux solutions pour y>0y>0 et aucune pour y<0y<0 — d'où ni injective ni surjective. La différence entre x2x^2 et x3x^3 est exactement la monotonie.

La somme, et le carré restreint

s(x,y)=x+ys(x,y)=x+y de R2\mathbb{R}^2 dans R\mathbb{R}. Surjective : pour tout réel tt, le couple (t,0)(t,0) — ou (0,t)(0,t), ou (t/2,t/2)(t/2,t/2) — a pour image tt. Non injective : s(1,2)=s(2,1)=3s(1,2)=s(2,1)=3 avec (1,2)≠(2,1)(1,2)\neq(2,1) ; en fait chaque tt a une infinité d'antécédents, toute la droite x+y=tx+y=t.

(x,y)↦x+y : surjective, non injective\boxed{(x,y)\mapsto x+y\ :\ \text{surjective, non injective}}

Le carré de R+\mathbb{R}_+ dans R+\mathbb{R}_+. Pour y≥0y\geq0, l'équation x2=yx^2=y d'inconnue x≥0x\geq0 a exactement une solution, x=yx=\sqrt y (le banc l'a fait résoudre sur [0,+∞[[0,+\infty[ : un singleton à chaque fois). Restreinte ainsi, x↦x2x\mapsto x^2 est bijective, de réciproque ⋅\sqrt{\cdot} — alors que sur R\mathbb{R} elle n'était ni l'un ni l'autre. Restreindre le départ peut rendre injective (on retire les doublons), restreindre l'arrivée à l'image peut rendre surjective.

x↦x2 : R+→R+ bijective, reˊciproque ⋅\boxed{x\mapsto x^2\ :\ \mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+\ \text{bijective, réciproque }\sqrt{\cdot}}

Rappel de cours

Définitions. f:E→Ff:E\to F est injective si ∀x,x′∈E, f(x)=f(x′)⇒x=x′\forall x,x'\in E,\ f(x)=f(x')\Rightarrow x=x' (équivalent : x≠x′⇒f(x)≠f(x′)x\neq x'\Rightarrow f(x)\neq f(x')). Surjective si ∀y∈F, ∃x∈E, f(x)=y\forall y\in F,\ \exists x\in E,\ f(x)=y, c'est-à-dire f(E)=Ff(E)=F. Bijective si les deux ; alors f−1:F→Ef^{-1}:F\to E envoie yy sur son unique antécédent, et f−1∘f=idEf^{-1}\circ f=\mathrm{id}_E, f∘f−1=idFf\circ f^{-1}=\mathrm{id}_F.

Méthode. Fixer y∈Fy\in F, résoudre f(x)=yf(x)=y en x∈Ex\in E, compter les solutions : 00 pour un certain yy = non surjective ; ≥2\geq2 pour un certain yy = non injective ; exactement 11 pour tout yy = bijective.

Le cas des fonctions réelles. Continue et strictement monotone sur un intervalle II : bijection de II sur f(I)f(I) (théorème de la bijection, chapitre sur les fonctions).

L'erreur classique

⚠️ Échanger les deux critères. « Tout yy a un antécédent » est la surjectivité ; « deux antécédents distincts ne donnent jamais la même image » est l'injectivité. Un moyen de s'y retrouver : injective regarde ce qui entre (le départ), surjective regarde ce qui est couvert (l'arrivée).

⚠️ Oublier les ensembles. Dire « x↦x2x\mapsto x^2 est injective » sans préciser le départ n'a pas de sens : vraie sur R+\mathbb{R}_+, fausse sur R\mathbb{R}. Une application, c'est une formule et deux ensembles.

⚠️ Prouver l'injectivité avec un exemple. « f(1)≠f(2)f(1)\neq f(2), donc ff est injective » ne prouve rien : il faut le montrer pour tous les couples. Seule la non-injectivité se prouve par un exemple.

Réponse. 2n2n : injective (division par 22), non surjective (11 orphelin). n2n^2 sur Z\mathbb{Z} : ni l'un ni l'autre (±1\pm1 ; 22 orphelin). x3x^3 : bijective (strictement croissante, continue, limites infinies), réciproque ⋅3\sqrt[3]{\cdot}. x+yx+y : surjective ((t,0)(t,0)), non injective ((1,2)(1,2) et (2,1)(2,1)). x2:R+→R+x^2:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+ : bijective, réciproque ⋅\sqrt{\cdot}.
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Image directe et image réciproque

CalculDifficulté 3/5

Soit f:R→Rf:\mathbb{R}\to\mathbb{R}, f(x)=x2f(x)=x^2. 1. Déterminer f([−1,2])f([-1,2]), f−1([1,4])f^{-1}([1,4]), f−1({−1})f^{-1}(\{-1\}) et f−1({9})f^{-1}(\{9\}). 2. Démontrer que pour toute application f:E→Ff:E\to F et toutes parties A,BA,B de EE, f(A∩B)⊂f(A)∩f(B)f(A\cap B)\subset f(A)\cap f(B), et donner un contre-exemple à l'égalité. 3. Démontrer que pour toutes parties B,CB,C de FF, f−1(B∪C)=f−1(B)∪f−1(C)f^{-1}(B\cup C)=f^{-1}(B)\cup f^{-1}(C) et f−1(B‾)=f−1(B)‾f^{-1}(\overline B)=\overline{f^{-1}(B)}. 4. Comparer AA et f−1(f(A))f^{-1}(f(A)), puis f(f−1(B))f(f^{-1}(B)) et BB.

Indices (3)

f(A)f(A) = toutes les valeurs f(x)f(x) pour x∈Ax\in A ; f−1(B)f^{-1}(B) = tous les xx tels que f(x)∈Bf(x)\in B. Aucune bijectivité n'est requise pour écrire f−1(B)f^{-1}(B).

Pour f([−1,2])f([-1,2]), étudie les variations de x2x^2 sur [−1,0][-1,0] puis [0,2][0,2].

Contre-exemple à l'égalité : prends AA et BB disjoints mais d'images qui se rencontrent, avec f(x)=x2f(x)=x^2.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

L'image réciproque se comporte parfaitement, l'image directe non — et la raison est dans la définition. x∈f−1(B)x\in f^{-1}(B) signifie f(x)∈Bf(x)\in B : c'est une équivalence, donc les opérations ensemblistes passent à travers sans perte. y∈f(A)y\in f(A) signifie « il existe x∈Ax\in A tel que f(x)=yf(x)=y » : un quantificateur existentiel, qui ne commute pas avec le « et » — d'où l'inclusion stricte possible pour f(A∩B)f(A\cap B).

👉 Et f−1(B)f^{-1}(B) ne suppose pas ff bijective : c'est une notation pour un ensemble d'antécédents, qui peut être vide ou avoir plusieurs éléments. Ne pas la confondre avec la bijection réciproque f−1(y)f^{-1}(y), qui n'existe que si ff est bijective.

Images et antécédents du carré

f([−1,2])f([-1,2]). Sur [−1,0][-1,0], x2x^2 décroît de 11 à 00 ; sur [0,2][0,2], elle croît de 00 à 44. Étant continue, elle prend toutes les valeurs intermédiaires : f([−1,0])=[0,1]f([-1,0])=[0,1] et f([0,2])=[0,4]f([0,2])=[0,4], d'où f([−1,2])=[0,1]∪[0,4]=[0,4]f([-1,2])=[0,1]\cup[0,4]=[0,4]. ⚠️ Pas [1,4][1,4] : l'image d'un intervalle n'est pas « l'intervalle entre les images des bornes » dès que la fonction n'est pas monotone.

f−1([1,4])f^{-1}([1,4]). Ce sont les xx tels que 1≤x2≤41\leq x^2\leq4, soit 1≤∣x∣≤21\leq\lvert x\rvert\leq2 :

f−1([1,4])=[−2,−1]∪[1,2].f^{-1}([1,4])=[-2,-1]\cup[1,2].
Deux morceaux, parce que chaque valeur positive a deux antécédents opposés.

f−1({−1})=∅f^{-1}(\{-1\})=\varnothing (aucun carré n'est négatif) et f−1({9})={−3,3}f^{-1}(\{9\})=\{-3,3\}.

f([−1,2])=[0,4],f−1([1,4])=[−2,−1]∪[1,2],f−1({−1})=∅,f−1({9})={−3,3}\boxed{f([-1,2])=[0,4],\quad f^{-1}([1,4])=[-2,-1]\cup[1,2],\quad f^{-1}(\{-1\})=\varnothing,\quad f^{-1}(\{9\})=\{-3,3\}}

Le banc a certifié ces quatre ensembles par sympy (minimum et maximum de x2x^2 sur [−1,2][-1,2], résolution des inéquations, solveset).

Image directe d'une intersection

Inclusion. Soit y∈f(A∩B)y\in f(A\cap B) : il existe x∈A∩Bx\in A\cap B tel que y=f(x)y=f(x). Comme x∈Ax\in A, y=f(x)∈f(A)y=f(x)\in f(A) ; comme x∈Bx\in B, y∈f(B)y\in f(B). Donc y∈f(A)∩f(B)y\in f(A)\cap f(B). ■\blacksquare

f(A∩B)⊂f(A)∩f(B)\boxed{f(A\cap B)\subset f(A)\cap f(B)}

Pourquoi pas l'égalité. Un y∈f(A)∩f(B)y\in f(A)\cap f(B) a un antécédent x∈Ax\in A et un antécédent x′∈Bx'\in B — mais rien ne dit que ce soit le même point. Si x≠x′x\neq x', yy peut ne pas être l'image d'un élément de A∩BA\cap B.

Contre-exemple. f(x)=x2f(x)=x^2, A={−1}A=\{-1\}, B={1}B=\{1\} : A∩B=∅A\cap B=\varnothing, donc f(A∩B)=∅f(A\cap B)=\varnothing, tandis que f(A)=f(B)={1}f(A)=f(B)=\{1\} et f(A)∩f(B)={1}f(A)\cap f(B)=\{1\}. Autre : A=[−1,0]A=[-1,0], B=[0,1]B=[0,1] : f(A∩B)=f({0})={0}f(A\cap B)=f(\{0\})=\{0\} et f(A)∩f(B)=[0,1]f(A)\cap f(B)=[0,1].

👉 L'égalité a lieu pour toute paire A,BA,B si et seulement si ff est injective (alors x=x′x=x'). Le banc a réfuté l'égalité en général en l'essayant sur toutes les applications {1,2,3}→{1,2}\{1,2,3\}\to\{1,2\} et toutes les parties : il a trouvé lui-même le contre-exemple ff constante, A={1}A=\{1\}, B={2}B=\{2\}. En revanche f(A∪B)=f(A)∪f(B)f(A\cup B)=f(A)\cup f(B) est toujours vraie (le « ou » commute avec le « il existe »).

L'image réciproque respecte tout

Réunion. x∈f−1(B∪C)  ⟺  f(x)∈B∪C  ⟺  f(x)∈Bx\in f^{-1}(B\cup C)\iff f(x)\in B\cup C\iff f(x)\in B ou f(x)∈C  ⟺  x∈f−1(B)f(x)\in C\iff x\in f^{-1}(B) ou x∈f−1(C)  ⟺  x∈f−1(B)∪f−1(C)x\in f^{-1}(C)\iff x\in f^{-1}(B)\cup f^{-1}(C). Chaque étape est une équivalence, donc l'égalité est établie. Le même calcul avec « et » donne f−1(B∩C)=f−1(B)∩f−1(C)f^{-1}(B\cap C)=f^{-1}(B)\cap f^{-1}(C).

Complémentaire. x∈f−1(B‾)  ⟺  f(x)∈B‾  ⟺  f(x)∉B  ⟺  x∉f−1(B)  ⟺  x∈f−1(B)‾x\in f^{-1}(\overline B)\iff f(x)\in\overline B\iff f(x)\notin B\iff x\notin f^{-1}(B)\iff x\in\overline{f^{-1}(B)}. ■\blacksquare

f−1(B∪C)=f−1(B)∪f−1(C),f−1(B∩C)=f−1(B)∩f−1(C),f−1(B‾)=f−1(B)‾\boxed{f^{-1}(B\cup C)=f^{-1}(B)\cup f^{-1}(C),\quad f^{-1}(B\cap C)=f^{-1}(B)\cap f^{-1}(C),\quad f^{-1}(\overline B)=\overline{f^{-1}(B)}}

👉 Aucune hypothèse sur ff. C'est ce qui rend l'image réciproque si commode en analyse et en probabilités : « ff continue   ⟺  \iff l'image réciproque de tout ouvert est un ouvert » (chapitre de topologie), et une variable aléatoire transporte les événements par image réciproque. Le banc a vérifié les trois identités sur toutes les applications {1,2,3}→{1,2}\{1,2,3\}\to\{1,2\} et toutes les parties de l'arrivée.

Aller-retour

A⊂f−1(f(A))A\subset f^{-1}(f(A)), toujours. Si x∈Ax\in A, alors f(x)∈f(A)f(x)\in f(A), donc x∈f−1(f(A))x\in f^{-1}(f(A)). L'inclusion réciproque est fausse en général : avec f(x)=x2f(x)=x^2 et A={1}A=\{1\}, f(A)={1}f(A)=\{1\} et f−1(f(A))={−1,1}⊋Af^{-1}(f(A))=\{-1,1\}\supsetneq A. Il y a égalité pour tout AA si et seulement si ff est injective.

f(f−1(B))⊂Bf(f^{-1}(B))\subset B, toujours. Si y∈f(f−1(B))y\in f(f^{-1}(B)), alors y=f(x)y=f(x) avec f(x)∈Bf(x)\in B, donc y∈By\in B. Réciproque fausse : B={−1}B=\{-1\}, f−1(B)=∅f^{-1}(B)=\varnothing, f(∅)=∅⊊Bf(\varnothing)=\varnothing\subsetneq B. Égalité pour tout BB si et seulement si ff est surjective (f(f−1(B))=B∩f(E)f(f^{-1}(B))=B\cap f(E)). ■\blacksquare

A⊂f−1(f(A)),f(f−1(B))⊂B\boxed{A\subset f^{-1}(f(A)),\qquad f(f^{-1}(B))\subset B}

👉 Le banc a réfuté les deux égalités en général sur son petit univers d'applications, et confirmé les deux inclusions sur toutes. Les deux « défauts » se lisent comme un diagnostic : l'aller-retour par AA agrandit si ff n'est pas injective, l'aller-retour par BB rétrécit si ff n'est pas surjective.

Rappel de cours

Définitions. f(A)={f(x)∣x∈A}={y∈F∣∃x∈A, f(x)=y}f(A)=\{f(x)\mid x\in A\}=\{y\in F\mid\exists x\in A,\ f(x)=y\}. f−1(B)={x∈E∣f(x)∈B}f^{-1}(B)=\{x\in E\mid f(x)\in B\} — défini pour toute application, sans bijectivité.

Ce qui est toujours vrai. f(A∪B)=f(A)∪f(B)f(A\cup B)=f(A)\cup f(B) ; f(A∩B)⊂f(A)∩f(B)f(A\cap B)\subset f(A)\cap f(B) ; A⊂A′⇒f(A)⊂f(A′)A\subset A'\Rightarrow f(A)\subset f(A') ; f−1f^{-1} commute avec ∪\cup, ∩\cap, le complémentaire, et respecte l'inclusion ; A⊂f−1(f(A))A\subset f^{-1}(f(A)) ; f(f−1(B))=B∩f(E)⊂Bf(f^{-1}(B))=B\cap f(E)\subset B.

Ce qui demande une hypothèse. f(A∩B)=f(A)∩f(B)f(A\cap B)=f(A)\cap f(B) et f−1(f(A))=Af^{-1}(f(A))=A pour tous A,BA,B : ff injective. f(f−1(B))=Bf(f^{-1}(B))=B pour tout BB : ff surjective.

L'erreur classique

⚠️ Lire f−1(B)f^{-1}(B) comme « ff est bijective ». La notation désigne l'ensemble des antécédents de BB, qui existe toujours. f−1({9})={−3,3}f^{-1}(\{9\})=\{-3,3\} pour le carré, qui n'est pas bijectif.

⚠️ f([a,b])=[f(a),f(b)]f([a,b])=[f(a),f(b)]. Vrai seulement pour ff croissante (et continue). Pour x2x^2 sur [−1,2][-1,2], l'image est [0,4][0,4] : le minimum est à l'intérieur.

⚠️ Écrire f(A∩B)=f(A)∩f(B)f(A\cap B)=f(A)\cap f(B). L'égalité est fausse dès que ff n'est pas injective — et l'inclusion qui reste vraie est celle de gauche à droite. Le « il existe » de l'image directe ne passe pas à travers le « et ».

Réponse. f([−1,2])=[0,4]f([-1,2])=[0,4], f−1([1,4])=[−2,−1]∪[1,2]f^{-1}([1,4])=[-2,-1]\cup[1,2], f−1({−1})=∅f^{-1}(\{-1\})=\varnothing, f−1({9})={−3,3}f^{-1}(\{9\})=\{-3,3\}. f(A∩B)⊂f(A)∩f(B)f(A\cap B)\subset f(A)\cap f(B) (un antécédent commun n'est pas garanti) ; contre-exemple A={−1}A=\{-1\}, B={1}B=\{1\}. f−1f^{-1} commute avec ∪\cup, ∩\cap et le complémentaire (chaîne d'équivalences). A⊂f−1(f(A))A\subset f^{-1}(f(A)), f(f−1(B))⊂Bf(f^{-1}(B))\subset B, égalités ssi injective / surjective.
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Composition et bijection réciproque d'une homographie

CalculDifficulté 3/5

Soit f:R∖{1}→Rf:\mathbb{R}\setminus\{1\}\to\mathbb{R}, f(x)=2x+1x−1f(x)=\dfrac{2x+1}{x-1}. 1. Montrer que ff ne prend jamais la valeur 22, puis que ff réalise une bijection de R∖{1}\mathbb{R}\setminus\{1\} sur R∖{2}\mathbb{R}\setminus\{2\} ; expliciter f−1f^{-1}. 2. Soit g:R→Rg:\mathbb{R}\to\mathbb{R}, g(x)=x+3g(x)=x+3. Calculer g∘fg\circ f et f∘gf\circ g (avec leurs ensembles de définition) et vérifier qu'elles diffèrent. 3. Déterminer (g∘f)−1(g\circ f)^{-1} directement, puis vérifier la formule (g∘f)−1=f−1∘g−1(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}. Calculer f(0)f(0), f(2)f(2), f−1(5)f^{-1}(5), f−1(0)f^{-1}(0).

Indices (3)

Résous y=2x+1x−1y=\dfrac{2x+1}{x-1} en xx : multiplie par x−1x-1, regroupe les xx. Pour quel yy le coefficient de xx s'annule-t-il ?

g∘f(x)=g(f(x))=f(x)+3g\circ f(x)=g(f(x))=f(x)+3 ; réduis au même dénominateur. f∘g(x)=f(x+3)f\circ g(x)=f(x+3) : attention à l'ensemble de définition.

Pour (g∘f)−1(g\circ f)^{-1}, résous y=g(f(x))y=g(f(x)) en xx ; pour la formule, calcule f−1(g−1(y))=f−1(y−3)f^{-1}(g^{-1}(y))=f^{-1}(y-3).

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Trouver la réciproque d'une bijection, c'est résoudre y=f(x)y=f(x) en xx — et le calcul dit tout seul quels yy sont atteints. Pour une homographie ax+bcx+d\dfrac{ax+b}{cx+d}, la résolution donne x=dy−b−cy+ax=\dfrac{dy-b}{-cy+a}, une autre homographie, définie sauf en y=a/cy=a/c : c'est la valeur que ff ne prend jamais, l'asymptote horizontale. Départ privé du pôle, arrivée privée de l'asymptote, et la bijection est parfaite.

👉 Sur la composition : g∘fg\circ f se lit de droite à gauche (d'abord ff, puis gg), elle n'est pas commutative, et sa réciproque inverse l'ordre — (g∘f)−1=f−1∘g−1(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}, comme on retire d'abord les chaussures puis les chaussettes.

La bijection et sa réciproque

ff ne prend pas la valeur 22. f(x)=2  ⟺  2x+1=2(x−1)  ⟺  2x+1=2x−2  ⟺  1=−2f(x)=2\iff2x+1=2(x-1)\iff2x+1=2x-2\iff1=-2 : impossible. En fait f(x)=2(x−1)+3x−1=2+3x−1f(x)=\dfrac{2(x-1)+3}{x-1}=2+\dfrac3{x-1}, et 3x−1\dfrac3{x-1} n'est jamais nul.

Résolution de y=f(x)y=f(x). Pour y∈Ry\in\mathbb{R} et x≠1x\neq1 :

y=2x+1x−1  ⟺  y(x−1)=2x+1  ⟺  yx−2x=y+1  ⟺  x(y−2)=y+1.y=\frac{2x+1}{x-1}\iff y(x-1)=2x+1\iff yx-2x=y+1\iff x(y-2)=y+1.
Si y≠2y\neq2, cette équation a exactement une solution, x=y+1y−2x=\dfrac{y+1}{y-2}, et elle vérifie x≠1x\neq1 (car y+1y−2=1  ⟺  y+1=y−2\dfrac{y+1}{y-2}=1\iff y+1=y-2, impossible). Si y=2y=2, aucune solution. Donc ff est une bijection de R∖{1}\mathbb{R}\setminus\{1\} sur R∖{2}\mathbb{R}\setminus\{2\}, et
f−1:R∖{2}→R∖{1},f−1(y)=y+1y−2■\boxed{f^{-1}:\mathbb{R}\setminus\{2\}\to\mathbb{R}\setminus\{1\},\qquad f^{-1}(y)=\frac{y+1}{y-2}}\qquad\blacksquare

Vérification dans les deux sens (le banc l'a fait faire à sympy) : f(f−1(y))=2y+1y−2+1y+1y−2−1=2(y+1)+(y−2)(y+1)−(y−2)=3y3=yf\bigl(f^{-1}(y)\bigr)=\dfrac{2\frac{y+1}{y-2}+1}{\frac{y+1}{y-2}-1}=\dfrac{2(y+1)+(y-2)}{(y+1)-(y-2)}=\dfrac{3y}{3}=y, et symétriquement f−1(f(x))=xf^{-1}(f(x))=x. Les deux vérifications sont nécessaires : l'une seule ne prouve qu'une injectivité ou qu'une surjectivité.

Composer dans les deux sens

g∘fg\circ f. Définie sur R∖{1}\mathbb{R}\setminus\{1\} (départ de ff, et gg accepte tout) :

(g∘f)(x)=f(x)+3=2x+1x−1+3=2x+1+3x−3x−1=5x−2x−1.(g\circ f)(x)=f(x)+3=\frac{2x+1}{x-1}+3=\frac{2x+1+3x-3}{x-1}=\frac{5x-2}{x-1}.

f∘gf\circ g. f(g(x))=f(x+3)f(g(x))=f(x+3) n'a de sens que si x+3≠1x+3\neq1, soit x≠−2x\neq-2 ; sur R∖{−2}\mathbb{R}\setminus\{-2\} :

(f∘g)(x)=2(x+3)+1(x+3)−1=2x+7x+2.(f\circ g)(x)=\frac{2(x+3)+1}{(x+3)-1}=\frac{2x+7}{x+2}.

Elles diffèrent — et pas seulement par leur domaine : (g∘f)(0)=−2−1=2(g\circ f)(0)=\dfrac{-2}{-1}=2 alors que (f∘g)(0)=72(f\circ g)(0)=\dfrac72. Une seule valeur suffit à prouver que deux applications sont différentes.

(g∘f)(x)=5x−2x−1,(f∘g)(x)=2x+7x+2,g∘f≠f∘g\boxed{(g\circ f)(x)=\frac{5x-2}{x-1},\qquad(f\circ g)(x)=\frac{2x+7}{x+2},\qquad g\circ f\neq f\circ g}

La réciproque d'une composée

Directement. y=5x−2x−1  ⟺  y(x−1)=5x−2  ⟺  x(y−5)=y−2  ⟺  x=y−2y−5y=\dfrac{5x-2}{x-1}\iff y(x-1)=5x-2\iff x(y-5)=y-2\iff x=\dfrac{y-2}{y-5} pour y≠5y\neq5. Donc g∘fg\circ f est une bijection de R∖{1}\mathbb{R}\setminus\{1\} sur R∖{5}\mathbb{R}\setminus\{5\} et (g∘f)−1(y)=y−2y−5(g\circ f)^{-1}(y)=\dfrac{y-2}{y-5}.

Par la formule. g−1(y)=y−3g^{-1}(y)=y-3, puis f−1(g−1(y))=f−1(y−3)=(y−3)+1(y−3)−2=y−2y−5f^{-1}(g^{-1}(y))=f^{-1}(y-3)=\dfrac{(y-3)+1}{(y-3)-2}=\dfrac{y-2}{y-5}. Les deux coïncident :

(g∘f)−1=f−1∘g−1,y↦y−2y−5\boxed{(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1},\qquad y\mapsto\frac{y-2}{y-5}}

Pourquoi l'ordre s'inverse. (f−1∘g−1)∘(g∘f)=f−1∘(g−1∘g)∘f=f−1∘id∘f=id(f^{-1}\circ g^{-1})\circ(g\circ f)=f^{-1}\circ(g^{-1}\circ g)\circ f=f^{-1}\circ\mathrm{id}\circ f=\mathrm{id} : pour défaire « ff puis gg », on défait d'abord gg, puis ff. Écrire g−1∘f−1g^{-1}\circ f^{-1} serait faux dès que ff et gg ne commutent pas.

Valeurs. f(0)=1−1=−1f(0)=\dfrac1{-1}=-1 ; f(2)=51=5f(2)=\dfrac51=5 ; f−1(5)=63=2f^{-1}(5)=\dfrac{6}{3}=2 (cohérent avec f(2)=5f(2)=5) ; f−1(0)=1−2=−12f^{-1}(0)=\dfrac1{-2}=-\dfrac12, et en effet f ⁣(−12)=0−3/2=0f\!\left(-\tfrac12\right)=\dfrac{0}{-3/2}=0.

Rappel de cours

Composition. g∘f:x↦g(f(x))g\circ f:x\mapsto g(f(x)), définie sur {x∈E∣f(x)∈deˊpart de g}\{x\in E\mid f(x)\in\text{départ de }g\}. Associative, non commutative. Composée de deux injections : injective ; de deux surjections : surjective ; de deux bijections : bijective.

Réciproque. Si f:E→Ff:E\to F est bijective, f−1:F→Ef^{-1}:F\to E est l'unique application telle que f−1∘f=idEf^{-1}\circ f=\mathrm{id}_E et f∘f−1=idFf\circ f^{-1}=\mathrm{id}_F. Elle est bijective et (f−1)−1=f(f^{-1})^{-1}=f. Pour deux bijections, (g∘f)−1=f−1∘g−1(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}.

Homographie f(x)=ax+bcx+df(x)=\dfrac{ax+b}{cx+d} (ad−bc≠0ad-bc\neq0, c≠0c\neq0) : bijection de R∖{−d/c}\mathbb{R}\setminus\{-d/c\} sur R∖{a/c}\mathbb{R}\setminus\{a/c\}, de réciproque y↦dy−b−cy+ay\mapsto\dfrac{dy-b}{-cy+a}.

L'erreur classique

⚠️ Ne vérifier qu'un sens. f(f−1(y))=yf(f^{-1}(y))=y pour tout y∈Fy\in F prouve que ff est surjective (et que f−1f^{-1} est injective) ; il faut aussi f−1(f(x))=xf^{-1}(f(x))=x. Pour une réciproque trouvée par résolution d'équation, les deux sont vrais — mais on les écrit.

⚠️ (g∘f)−1=g−1∘f−1(g\circ f)^{-1}=g^{-1}\circ f^{-1}. L'ordre s'inverse. Vérifie sur cet exemple : g−1(f−1(y))=y+1y−2−3=−2y+7y−2g^{-1}(f^{-1}(y))=\dfrac{y+1}{y-2}-3=\dfrac{-2y+7}{y-2}, qui n'est pas y−2y−5\dfrac{y-2}{y-5}.

⚠️ Oublier de retirer la valeur interdite à l'arrivée. Dire « ff est une bijection de R∖{1}\mathbb{R}\setminus\{1\} sur R\mathbb{R} » est faux : 22 n'est jamais atteint. Une bijection se déclare entre deux ensembles précis.

Réponse. f(x)=2+3x−1≠2f(x)=2+\frac3{x-1}\neq2 ; y=f(x)  ⟺  x=y+1y−2y=f(x)\iff x=\frac{y+1}{y-2} (y≠2y\neq2) : bijection R∖{1}→R∖{2}\mathbb{R}\setminus\{1\}\to\mathbb{R}\setminus\{2\}, f−1(y)=y+1y−2f^{-1}(y)=\frac{y+1}{y-2}. (g∘f)(x)=5x−2x−1(g\circ f)(x)=\frac{5x-2}{x-1}, (f∘g)(x)=2x+7x+2(f\circ g)(x)=\frac{2x+7}{x+2} (x≠−2x\neq-2), valeurs en 00 : 22 et 72\frac72. (g∘f)−1(y)=y−2y−5=f−1(g−1(y))(g\circ f)^{-1}(y)=\frac{y-2}{y-5}=f^{-1}(g^{-1}(y)). f(0)=−1f(0)=-1, f(2)=5f(2)=5, f−1(5)=2f^{-1}(5)=2, f−1(0)=−12f^{-1}(0)=-\frac12.
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Indicatrices, cardinal d'une réunion, injections entre ensembles finis

DémonstrationDifficulté 3/5

Soit EE un ensemble fini et A,BA,B deux parties de EE ; on note 1A\mathbb 1_A la fonction indicatrice de AA. 1. Démontrer 1A∩B=1A 1B\mathbb 1_{A\cap B}=\mathbb 1_A\,\mathbb 1_B, 1A‾=1−1A\mathbb 1_{\overline A}=1-\mathbb 1_A et 1A∪B=1A+1B−1A1B\mathbb 1_{A\cup B}=\mathbb 1_A+\mathbb 1_B-\mathbb 1_A\mathbb 1_B. 2. En déduire ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣\lvert A\cup B\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-\lvert A\cap B\rvert, puis la formule pour trois parties. 3. Dans une classe de 3030 élèves, 1818 suivent l'option maths, 1515 l'option physique et 77 les deux. Combien suivent au moins une option ? Aucune ? 4. Démontrer que s'il existe une injection f:E→Ff:E\to F entre ensembles finis, alors ∣E∣≤∣F∣\lvert E\rvert\leq\lvert F\rvert.

Indices (3)

Une indicatrice ne prend que les valeurs 00 et 11 : pour prouver une égalité entre indicatrices, examine les cas x∈Ax\in A ou non, x∈Bx\in B ou non.

∣A∣=∑x∈E1A(x)\lvert A\rvert=\sum_{x\in E}\mathbb 1_A(x) : somme l'égalité de la question 1 sur tous les xx.

Question 4 : ff injective envoie EE bijectivement sur f(E)f(E), et f(E)⊂Ff(E)\subset F.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

L'indicatrice transforme les ensembles en nombres, et les identités ensemblistes en identités algébriques qu'on somme. 1A(x)\mathbb 1_A(x) vaut 11 ou 00 ; le cardinal de AA est la somme de ses valeurs. Une fois qu'on sait écrire 1A∪B\mathbb 1_{A\cup B} à partir de 1A\mathbb 1_A et 1B\mathbb 1_B, la formule du cardinal d'une réunion tombe en sommant — et la version à trois ensembles, puis le crible général (partie D), s'obtiennent de la même façon en développant un produit.

👉 C'est aussi le premier pont entre ensembles et calcul : 1A∩B=1A1B\mathbb 1_{A\cap B}=\mathbb 1_A\mathbb 1_B dit que « et » se traduit par un produit, le complémentaire par 1−⋅1-\cdot, et la probabilité d'un événement, plus tard, sera une espérance d'indicatrice.

Les trois identités d'indicatrices

Une égalité entre fonctions à valeurs dans {0,1}\{0,1\} se vérifie par disjonction de cas sur xx.

1A∩B=1A1B\mathbb 1_{A\cap B}=\mathbb 1_A\mathbb 1_B. Si x∈A∩Bx\in A\cap B, les deux membres valent 11 (1×11\times1). Sinon x∉Ax\notin A ou x∉Bx\notin B, et l'un des facteurs est nul : les deux membres valent 00.

1A‾=1−1A\mathbb 1_{\overline A}=1-\mathbb 1_A. Si x∈Ax\in A : 0=1−10=1-1 ; sinon 1=1−01=1-0.

1A∪B=1A+1B−1A1B\mathbb 1_{A\cup B}=\mathbb 1_A+\mathbb 1_B-\mathbb 1_A\mathbb 1_B. Par Morgan, A∪B=A‾∩B‾‾A\cup B=\overline{\overline A\cap\overline B}, donc

1A∪B=1−1A‾1B‾=1−(1−1A)(1−1B)=1A+1B−1A1B.\mathbb 1_{A\cup B}=1-\mathbb 1_{\overline A}\mathbb 1_{\overline B}=1-(1-\mathbb 1_A)(1-\mathbb 1_B)=\mathbb 1_A+\mathbb 1_B-\mathbb 1_A\mathbb 1_B.
(Contrôle par cas : xx dans les deux, 1+1−1=11+1-1=1 ; dans un seul, 1+0−0=11+0-0=1 ; dans aucun, 00.) ■\blacksquare
1A∩B=1A1B,1A‾=1−1A,1A∪B=1A+1B−1A1B\boxed{\mathbb 1_{A\cap B}=\mathbb 1_A\mathbb 1_B,\quad\mathbb 1_{\overline A}=1-\mathbb 1_A,\quad\mathbb 1_{A\cup B}=\mathbb 1_A+\mathbb 1_B-\mathbb 1_A\mathbb 1_B}

Le banc a vérifié les trois sur les 256256 couples de parties d'un ensemble à quatre éléments.

Le cardinal d'une réunion

Pour toute partie CC de EE fini, ∣C∣=∑x∈E1C(x)\lvert C\rvert=\sum_{x\in E}\mathbb 1_C(x) : chaque élément de CC contribue 11, les autres 00. Sommons l'identité de la question 1 sur x∈Ex\in E :

∣A∪B∣=∑x1A(x)+∑x1B(x)−∑x1A(x)1B(x)=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣.■\lvert A\cup B\rvert=\sum_x\mathbb 1_A(x)+\sum_x\mathbb 1_B(x)-\sum_x\mathbb 1_A(x)\mathbb 1_B(x)=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-\lvert A\cap B\rvert.\qquad\blacksquare
∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣\boxed{\lvert A\cup B\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-\lvert A\cap B\rvert}

Trois parties. 1A∪B∪C=1−(1−1A)(1−1B)(1−1C)\mathbb 1_{A\cup B\cup C}=1-(1-\mathbb 1_A)(1-\mathbb 1_B)(1-\mathbb 1_C) ; en développant le produit et en sommant,

∣A∪B∪C∣=∣A∣+∣B∣+∣C∣−∣A∩B∣−∣A∩C∣−∣B∩C∣+∣A∩B∩C∣.\lvert A\cup B\cup C\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert+\lvert C\rvert-\lvert A\cap B\rvert-\lvert A\cap C\rvert-\lvert B\cap C\rvert+\lvert A\cap B\cap C\rvert.
C'est la formule du crible, que la partie D généralise à nn parties (une somme alternée sur toutes les intersections) et applique aux dérangements. Le banc l'a vérifiée sur les 4 0964\,096 triplets. Cas particuliers : parties disjointes ⇒\Rightarrow le cardinal s'additionne ; ∣A‾∣=∣E∣−∣A∣\lvert\overline A\rvert=\lvert E\rvert-\lvert A\rvert ; ∣A Δ B∣=∣A∣+∣B∣−2∣A∩B∣\lvert A\,\Delta\,B\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-2\lvert A\cap B\rvert.

La classe

Soit MM l'ensemble des élèves en option maths, PP ceux en physique : ∣M∣=18\lvert M\rvert=18, ∣P∣=15\lvert P\rvert=15, ∣M∩P∣=7\lvert M\cap P\rvert=7.

∣M∪P∣=18+15−7=26\lvert M\cup P\rvert=18+15-7=26
élèves suivent au moins une option — on ne peut pas dire 3333, les 77 « doubles » seraient comptés deux fois. Ceux qui n'en suivent aucune forment le complémentaire : 30−26=430-26=4.
26 au moins une option,4 aucune\boxed{26\ \text{au moins une option},\quad4\ \text{aucune}}

Pour vérifier, découpe en quatre morceaux disjoints : maths seule 18−7=1118-7=11, physique seule 15−7=815-7=8, les deux 77, aucune 44 — total 11+8+7+4=3011+8+7+4=30. ✓ Un diagramme à deux cercles rend ce découpage visible ; c'est la façon la plus sûre de ne rien compter deux fois.

Injection et cardinal

Soit f:E→Ff:E\to F injective, EE et FF finis. Par récurrence sur n=∣E∣n=\lvert E\rvert, montrons ∣F∣≥n\lvert F\rvert\geq n. Si n=0n=0, rien à prouver. Soit n≥1n\geq1 et supposons le résultat pour les ensembles à n−1n-1 éléments. Choisissons e∈Ee\in E ; la restriction de ff à E∖{e}E\setminus\{e\} est injective, à valeurs dans F∖{f(e)}F\setminus\{f(e)\} (par injectivité, aucun autre élément n'a l'image f(e)f(e)). Par hypothèse de récurrence, ∣F∖{f(e)}∣≥n−1\lvert F\setminus\{f(e)\}\rvert\geq n-1, soit ∣F∣−1≥n−1\lvert F\rvert-1\geq n-1. ■\blacksquare

f:E→F injective ⇒ ∣E∣≤∣F∣\boxed{f:E\to F\ \text{injective}\ \Rightarrow\ \lvert E\rvert\leq\lvert F\rvert}

Autrement dit : ff est une bijection de EE sur f(E)f(E), partie de FF à ∣E∣\lvert E\rvert éléments, et une partie a au plus autant d'éléments que le tout. Contraposée (sous ce nom elle s'appelle le principe des tiroirs, partie D) : si ∣E∣>∣F∣\lvert E\rvert>\lvert F\rvert, aucune application E→FE\to F n'est injective — deux éléments ont la même image. Le banc a constaté qu'aucune des 88 applications {1,2,3}→{1,2}\{1,2,3\}\to\{1,2\} n'est injective, et que les injections {1,2}→{1,2,3}\{1,2\}\to\{1,2,3\} sont au nombre de 6=3×26=3\times2. Symétriquement, une surjection E→FE\to F force ∣E∣≥∣F∣\lvert E\rvert\geq\lvert F\rvert.

Rappel de cours

Indicatrice. 1A:E→{0,1}\mathbb 1_A:E\to\{0,1\}, 1A(x)=1\mathbb 1_A(x)=1 si x∈Ax\in A, 00 sinon. A↦1AA\mapsto\mathbb 1_A est une bijection de P(E)\mathcal P(E) sur {0,1}E\{0,1\}^E (exercice B2). Règles : 1A∩B=1A1B\mathbb 1_{A\cap B}=\mathbb 1_A\mathbb 1_B, 1A‾=1−1A\mathbb 1_{\overline A}=1-\mathbb 1_A, 1A∪B=1A+1B−1A1B\mathbb 1_{A\cup B}=\mathbb 1_A+\mathbb 1_B-\mathbb 1_A\mathbb 1_B, 1A∖B=1A(1−1B)\mathbb 1_{A\setminus B}=\mathbb 1_A(1-\mathbb 1_B), A⊂B  ⟺  1A≤1BA\subset B\iff\mathbb 1_A\leq\mathbb 1_B.

Cardinal. ∣A∣=∑x∈E1A(x)\lvert A\rvert=\sum_{x\in E}\mathbb 1_A(x). Réunion disjointe : on additionne. Réunion quelconque : formule du crible. Complémentaire : ∣E∣−∣A∣\lvert E\rvert-\lvert A\rvert. Produit : ∣E×F∣=∣E∣∣F∣\lvert E\times F\rvert=\lvert E\rvert\lvert F\rvert.

Applications entre finis. Injective ⇒∣E∣≤∣F∣\Rightarrow\lvert E\rvert\leq\lvert F\rvert ; surjective ⇒∣E∣≥∣F∣\Rightarrow\lvert E\rvert\geq\lvert F\rvert ; bijective ⇒\Rightarrow égalité. Et si ∣E∣=∣F∣\lvert E\rvert=\lvert F\rvert : injective   ⟺  \iff surjective   ⟺  \iff bijective (exercice C4).

L'erreur classique

⚠️ Additionner les cardinaux d'ensembles qui se recouvrent. 18+15=3318+15=33 élèves dans une classe de 3030 : le signal d'alarme est que le total dépasse l'univers. Les ∣A∩B∣\lvert A\cap B\rvert éléments communs ont été comptés deux fois.

⚠️ 1A∪B=1A+1B\mathbb 1_{A\cup B}=\mathbb 1_A+\mathbb 1_B. Vrai seulement si AA et BB sont disjoints ; sinon la somme vaut 22 sur l'intersection, ce qui n'est pas une indicatrice. Le terme −1A1B-\mathbb 1_A\mathbb 1_B corrige exactement cela.

⚠️ Croire qu'une injection E→EE\to E peut ne pas être surjective parce que c'est vrai sur N\mathbb{N} (n↦2nn\mapsto2n). Sur un ensemble fini, f(E)f(E) a ∣E∣\lvert E\rvert éléments, donc f(E)=Ef(E)=E. Le fini et l'infini se distinguent exactement là.

Réponse. Indicatrices par disjonction de cas ; 1A∪B=1−(1−1A)(1−1B)\mathbb 1_{A\cup B}=1-(1-\mathbb 1_A)(1-\mathbb 1_B). Sommer sur EE : ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣\lvert A\cup B\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-\lvert A\cap B\rvert ; trois parties : somme alternée. Classe : 18+15−7=2618+15-7=26 au moins une, 44 aucune. Injection E→FE\to F : EE en bijection avec f(E)⊂Ff(E)\subset F, donc ∣E∣≤∣F∣\lvert E\rvert\leq\lvert F\rvert (récurrence).
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Principe multiplicatif : codes, mots, applications

CalculDifficulté 3/5

1. Combien y a-t-il de codes à 44 chiffres ? De codes à 44 chiffres tous distincts ? De codes à 44 chiffres ne commençant pas par 00 ? 2. Combien de mots de 55 lettres (ayant un sens ou non) peut-on former avec un alphabet de 2626 lettres ? 3. Combien y a-t-il d'applications d'un ensemble EE à kk éléments dans un ensemble FF à nn éléments ? Lister celles de {1,2,3}\{1,2,3\} dans {a,b}\{a,b\}. 4. Un menu propose 33 entrées, 44 plats et 22 desserts ; combien de menus complets ? Et combien de plaques d'immatriculation de la forme AA-000-AA ?

Indices (3)

Un code à 44 chiffres, c'est 44 choix successifs de 1010 possibilités chacun.

Sans répétition, le nombre de possibilités diminue à chaque choix : 1010, puis 99, puis…

Une application de EE dans FF, c'est le choix d'une image dans FF pour chacun des kk éléments de EE.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Le principe multiplicatif : quand un objet se construit par une suite de choix indépendants, on multiplie les nombres de possibilités. n1n_1 façons pour le premier choix, n2n_2 pour le second quel que soit le premier, … : n1n2⋯nkn_1n_2\cdots n_k objets en tout. Il faut que le nombre de possibilités à chaque étape ne dépende pas des choix précédents — c'est le cas d'un code (les chiffres se répètent librement) comme d'un code sans répétition (à chaque étape il reste un chiffre de moins, quel qu'ait été le chiffre retiré).

👉 Presque tout le dénombrement élémentaire est ce principe, plus deux corrections : diviser quand l'ordre ne compte pas (combinaisons, E3), passer au complémentaire quand « au moins un » apparaît (E5). Et chaque nombre de cet exercice a été énuméré par la machine avant d'être écrit.

Codes à quatre chiffres

Avec répétition. Quatre positions, dix chiffres possibles à chacune, indépendamment : 10×10×10×10=104=10 00010\times10\times10\times10=10^4=10\,000 codes, de 00000000 à 99999999.

Tous distincts. 1010 choix pour le premier chiffre, puis 99 pour le deuxième (un chiffre est pris), 88, puis 77 :

10×9×8×7=5040.10\times9\times8\times7=5040.
C'est le nombre d'arrangements de 44 chiffres parmi 1010, noté A104=10!6!A_{10}^4=\dfrac{10!}{6!} (exercice E2). Le banc a énuméré les 10 00010\,000 codes et les 50405040 codes à chiffres distincts.

Ne commençant pas par 00. 99 choix pour le premier chiffre (de 11 à 99), 1010 pour chacun des trois autres : 9×103=90009\times10^3=9000 — ce sont exactement les entiers de 10001000 à 99999999, et il y en a bien 9999−1000+1=90009999-1000+1=9000.

104=10 000,10⋅9⋅8⋅7=5040,9⋅103=9000\boxed{10^4=10\,000,\qquad10\cdot9\cdot8\cdot7=5040,\qquad9\cdot10^3=9000}

👉 Par différence, 10 000−5040=496010\,000-5040=4960 codes ont au moins deux chiffres égaux — un compte par complémentaire, la méthode de l'exercice E5.

Mots de cinq lettres

Cinq positions, 2626 lettres à chacune, répétitions autorisées :

265=11 881 376.26^5=11\,881\,376.
La plupart de ces « mots » n'ont aucun sens — le compte ne s'en soucie pas : il compte les listes de 55 lettres. Si l'on interdit les répétitions, on trouve 26×25×24×23×22=7 893 60026\times25\times24\times23\times22=7\,893\,600 (exercice E5), et par différence 3 987 7763\,987\,776 mots ont au moins une lettre répétée.
265=11 881 376 mots\boxed{26^5=11\,881\,376\ \text{mots}}

ℹ️ Le principe s'applique à des choix de natures différentes : un code de 22 lettres puis 33 chiffres compte 262×103=676 00026^2\times10^3=676\,000 possibilités. Il suffit que les choix soient indépendants.

Applications d'un ensemble fini dans un autre

Une application f:E→Ff:E\to F est déterminée par la donnée de f(e)f(e) pour chaque e∈Ee\in E, chaque image étant l'un des nn éléments de FF, indépendamment des autres. Avec kk éléments dans EE :

nombre d’applications E→F=nk=∣F∣∣E∣\boxed{\text{nombre d'applications }E\to F=n^k=\lvert F\rvert^{\lvert E\rvert}}
(c'est aussi pourquoi l'ensemble des applications de EE dans FF se note FEF^E).

{1,2,3}→{a,b}\{1,2,3\}\to\{a,b\} : 23=82^3=8 applications, écrites comme les triplets (f(1),f(2),f(3))(f(1),f(2),f(3)) :

(a,a,a), (a,a,b), (a,b,a), (a,b,b), (b,a,a), (b,a,b), (b,b,a), (b,b,b).(a,a,a),\ (a,a,b),\ (a,b,a),\ (a,b,b),\ (b,a,a),\ (b,a,b),\ (b,b,a),\ (b,b,b).
Deux d'entre elles sont constantes ; six sont surjectives ; aucune n'est injective (3>23>2, exercice B6). Le banc les a énumérées, ainsi que les 34=813^4=81 applications d'un ensemble à 44 éléments dans un ensemble à 33.

👉 Cas particulier F={0,1}F=\{0,1\} : 2k2^k applications E→{0,1}E\to\{0,1\}, c'est-à-dire 2k2^k parties de EE (exercice B2) — le même 2k2^k compté deux fois.

Menus et plaques

Menus. 3×4×2=243\times4\times2=24 menus complets (le banc les a énumérés). Si on autorise à sauter le dessert, c'est 3×4×3=363\times4\times3=36 : « pas de dessert » est une troisième option.

Plaques AA-000-AA. Deux lettres (26226^2), trois chiffres (10310^3), deux lettres (26226^2) :

262×103×262=676×1000×676=456 976 000.26^2\times10^3\times26^2=676\times1000\times676=456\,976\,000.
Près d'un demi-milliard, avant même les exclusions réglementaires (certaines lettres sont interdites, ce qui se compterait par un principe multiplicatif avec des facteurs plus petits).
24 menus,456 976 000 plaques\boxed{24\ \text{menus},\qquad456\,976\,000\ \text{plaques}}

Rappel de cours

Principe multiplicatif. Une suite de kk choix, le ii-ième offrant nin_i possibilités quel que soit le résultat des précédents : n1n2⋯nkn_1n_2\cdots n_k résultats. Version ensembliste : ∣E1×⋯×Ek∣=∣E1∣⋯∣Ek∣\lvert E_1\times\dots\times E_k\rvert=\lvert E_1\rvert\cdots\lvert E_k\rvert.

Listes. kk-listes (avec répétition) d'éléments d'un ensemble à nn éléments : nkn^k. Applications E→FE\to F : ∣F∣∣E∣\lvert F\rvert^{\lvert E\rvert}. Parties de EE : 2∣E∣2^{\lvert E\rvert}.

Sans répétition : le nombre de choix décroît de 11 à chaque étape — n(n−1)⋯(n−k+1)n(n-1)\cdots(n-k+1), arrangements (E2).

L'erreur classique

⚠️ Additionner au lieu de multiplier. 33 entrées et 44 plats ne font pas 77 menus mais 1212 : on additionne quand on choisit l'un ou l'autre, on multiplie quand on choisit l'un puis l'autre.

⚠️ Écrire nkn^k à l'envers. Le nombre d'applications E→FE\to F est ∣F∣∣E∣\lvert F\rvert^{\lvert E\rvert} : la base est l'arrivée (le nombre de valeurs possibles), l'exposant le départ (le nombre de choix à faire). Pour {1,2,3}→{a,b}\{1,2,3\}\to\{a,b\} : 23=82^3=8, pas 32=93^2=9.

⚠️ Appliquer le principe quand les choix ne sont pas indépendants. Si le nombre de possibilités à une étape dépend du choix précédent (« un dessert seulement si l'on a pris le plat du jour »), il faut découper en cas et additionner les produits.

Réponse. 104=10 00010^4=10\,000 ; 10⋅9⋅8⋅7=504010\cdot9\cdot8\cdot7=5040 ; 9⋅103=90009\cdot10^3=9000. 265=11 881 37626^5=11\,881\,376. ∣F∣∣E∣\lvert F\rvert^{\lvert E\rvert} : 23=82^3=8 applications listées. 2424 menus ; 262⋅103⋅262=456 976 00026^2\cdot10^3\cdot26^2=456\,976\,000 plaques.
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Arrangements, permutations, anagrammes

CalculDifficulté 3/5

1. Douze coureurs disputent une course ; combien de podiums (or, argent, bronze) possibles ? De combien de façons peut-on ranger 55 livres sur une étagère ? 2. Combien y a-t-il d'anagrammes du mot MATHS ? Du mot ANANAS ? 3. Démontrer que le mot MISSISSIPPI possède 11!4! 4! 2!=34 650\dfrac{11!}{4!\,4!\,2!}=34\,650 anagrammes. 4. Huit personnes se placent en rang ; combien de rangs possibles ? Combien si deux d'entre elles, inséparables, doivent être côte à côte ?

Indices (3)

Un podium est un choix ordonné de 33 coureurs parmi 1212 : 1212 choix pour l'or, puis 1111, puis 1010.

Une anagramme est une permutation des lettres ; si des lettres sont identiques, plusieurs permutations donnent le même mot — de combien de façons peut-on échanger les lettres identiques ?

Pour les inséparables, considère-les comme un seul bloc, puis compte les deux ordres à l'intérieur du bloc.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Un arrangement est un choix ordonné sans répétition ; une permutation est un arrangement de tout l'ensemble. Ank=n(n−1)⋯(n−k+1)A_n^k=n(n-1)\cdots(n-k+1) : nn choix, puis n−1n-1, … jusqu'à kk facteurs — soit n!(n−k)!\dfrac{n!}{(n-k)!}. Pour k=nk=n, c'est n!n!, le nombre de façons de ranger nn objets distincts.

Quand des objets sont identiques, on divise. Les n!n! permutations d'un mot ne donnent pas n!n! mots différents : échanger deux lettres identiques ne change rien. Chaque anagramme est donc obtenue k!k! fois pour chaque lettre répétée kk fois, et l'on divise par le produit de ces factorielles. C'est le premier « on divise par ce qui ne se voit pas », le mécanisme même des combinaisons (E3).

Podiums et étagère

Podiums. L'or à l'un des 1212 coureurs, l'argent à l'un des 1111 restants, le bronze à l'un des 1010 restants :

A123=12×11×10=1320 podiums.A_{12}^3=12\times11\times10=1320\ \text{podiums}.
L'ordre compte : Anne-Bob-Chloé et Chloé-Bob-Anne sont deux podiums distincts. (Si l'on demandait seulement qui monte sur le podium, sans médaille, ce serait (123)=13203!=220\binom{12}3=\dfrac{1320}{3!}=220, exercice E3.) Le banc a énuméré les 13201320 arrangements.

Étagère. 55 livres, 55 places : 5×4×3×2×1=5!=1205\times4\times3\times2\times1=5!=120 rangements — les permutations de 55 objets.

A123=1320,5!=120\boxed{A_{12}^3=1320,\qquad5!=120}

ℹ️ Ank=n!(n−k)!A_n^k=\dfrac{n!}{(n-k)!} : A123=12!9!A_{12}^3=\dfrac{12!}{9!}, les facteurs de 9!9! se simplifiant. Utile pour la formule, inutile pour le calcul à la main — 12×11×1012\times11\times10 est plus court.

Anagrammes de MATHS et d'ANANAS

MATHS a 55 lettres toutes distinctes : chaque permutation donne un mot différent, 5!=1205!=120 anagrammes (dont MATHS lui-même, et 119119 autres, presque tous sans sens).

ANANAS : 66 lettres, mais A apparaît 33 fois et N 22 fois. Les 6!=7206!=720 permutations des lettres, vues comme des objets numérotés A1,A2,A3,N1,N2,SA_1,A_2,A_3,N_1,N_2,S, donnent le même mot chaque fois qu'on permute les A entre eux (3!3! façons) et les N entre eux (2!2! façons) :

6!3! 2!=72012=60 anagrammes.\frac{6!}{3!\,2!}=\frac{720}{12}=60\ \text{anagrammes}.
Le banc a énuméré les 720720 permutations et compté 6060 mots distincts ; il a aussi vérifié que LOGIQUE, dont les 77 lettres sont distinctes, en a 7!=50407!=5040.
MATHS:120,ANANAS:60\boxed{\text{MATHS} : 120,\qquad\text{ANANAS} : 60}

MISSISSIPPI

Le mot a 1111 lettres : M (11), I (44), S (44), P (22). Numérotons les lettres identiques pour les rendre distinctes : il y a alors 11!11! permutations. Deux permutations donnent le même mot si et seulement si elles ne diffèrent que par l'ordre des I entre eux, des S entre eux, des P entre eux : pour un mot donné, il y a 4!×4!×2!4!\times4!\times2! permutations qui le produisent (principe multiplicatif sur les trois groupes de lettres). Chaque mot est donc compté exactement 4! 4! 2!4!\,4!\,2! fois dans les 11!11!, d'où

11!4! 4! 2!=39 916 80024×24×2=34 650 anagrammes■\boxed{\frac{11!}{4!\,4!\,2!}=\frac{39\,916\,800}{24\times24\times2}=34\,650\ \text{anagrammes}}\qquad\blacksquare

Autre lecture, par combinaisons. Choisir les 44 positions des I parmi 1111 ((114)\binom{11}4), puis celles des S parmi les 77 restantes ((74)\binom74), puis celles des P parmi les 33 restantes ((32)\binom32), la place du M étant alors forcée : (114)(74)(32)=330×35×3=34 650\binom{11}4\binom74\binom32=330\times35\times3=34\,650. Même nombre, deux comptages — ce coefficient multinomial se note (111,4,4,2)\binom{11}{1,4,4,2}.

ℹ️ 11!11! dépasse ce qu'on énumère commodément ; le banc a vérifié la formule par la double lecture ci-dessus et par l'énumération sur ENSEMBLE (8!/3!=67208!/3!=6720 mots distincts, obtenus en listant les 40 32040\,320 permutations).

Huit en rang, deux inséparables

Sans contrainte. 8!=40 3208!=40\,320 rangs.

Avec les deux inséparables côte à côte. Collons-les en un bloc : on range alors 77 objets (le bloc et les 66 autres personnes), soit 7!7! façons, et à l'intérieur du bloc les deux peuvent être dans deux ordres :

2×7!=2×5040=10 080.2\times7!=2\times5040=10\,080.
Le banc a énuméré les 40 32040\,320 rangs et compté ceux où les deux sont adjacents : 10 08010\,080. Par complémentaire, 40 320−10 080=30 24040\,320-10\,080=30\,240 rangs les séparent.
8!=40 320,2⋅7!=10 080\boxed{8!=40\,320,\qquad2\cdot7!=10\,080}

👉 « Bloquer » des objets qui doivent rester ensemble, puis compter les ordres internes, est une technique générale : kk personnes inséparables dans un rang de nn donnent k! (n−k+1)!k!\,(n-k+1)! rangs.

Rappel de cours

Factorielle. n!=1×2×⋯×nn!=1\times2\times\cdots\times n, 0!=10!=1 ; 10!=3 628 80010!=3\,628\,800. Nombre de permutations (rangements) de nn objets distincts.

Arrangements. Ank=n!(n−k)!=n(n−1)⋯(n−k+1)A_n^k=\dfrac{n!}{(n-k)!}=n(n-1)\cdots(n-k+1) : listes de kk objets distincts parmi nn, l'ordre comptant. Ann=n!A_n^n=n!, An1=nA_n^1=n, An0=1A_n^0=1.

Anagrammes / permutations avec répétition. Un mot de nn lettres où la ii-ième lettre distincte apparaît nin_i fois a n!n1! n2!⋯nr!\dfrac{n!}{n_1!\,n_2!\cdots n_r!} anagrammes (coefficient multinomial).

L'erreur classique

⚠️ Compter un podium comme une combinaison. (123)=220\binom{12}3=220 compte les ensembles de trois médaillés ; le podium attribue les médailles, donc l'ordre compte : 1320=220×3!1320=220\times3!. La question à se poser : « deux résultats qui ne diffèrent que par l'ordre sont-ils différents ? » Pour un podium, oui.

⚠️ Oublier de diviser pour les lettres répétées, ou diviser par le mauvais nombre. ANANAS n'a pas 720720 anagrammes ; et on divise par 3! 2!3!\,2! (deux groupes), pas par 5!5! (le nombre total de lettres répétées).

⚠️ Traiter les inséparables comme un seul objet sans compter leurs deux ordres. 7!7! seul oublie que dans le bloc, l'un ou l'autre peut être à gauche.

Réponse. A123=12⋅11⋅10=1320A_{12}^3=12\cdot11\cdot10=1320 ; 5!=1205!=120. MATHS : 120120 ; ANANAS : 6!/(3! 2!)=606!/(3!\,2!)=60. MISSISSIPPI : 11!/(4! 4! 2!)=34 65011!/(4!\,4!\,2!)=34\,650, ou (114)(74)(32)\binom{11}4\binom74\binom32. Huit en rang : 8!=40 3208!=40\,320 ; inséparables : 2⋅7!=10 0802\cdot7!=10\,080.
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Combinaisons : mains, comités, coefficients binomiaux

CalculDifficulté 3/5

1. Démontrer que le nombre de parties à kk éléments d'un ensemble à nn éléments est (nk)=n!k! (n−k)!\binom nk=\dfrac{n!}{k!\,(n-k)!}, et calculer le nombre de mains de 55 cartes dans un jeu de 5252. 2. Dans un groupe de 66 femmes et 44 hommes, combien de comités de 44 personnes ? De comités comportant exactement 22 femmes ? Au moins une femme ? 3. Démontrer (nk)=(nn−k)\binom nk=\binom n{n-k} et l'interpréter ; que vaut (5247)\binom{52}{47} ? 4. Combien de mains de 55 cartes contiennent les 44 as ? N'en contiennent aucun ? Au moins un ?

Indices (3)

Chaque partie à kk éléments correspond à k!k! arrangements (ses éléments dans tous les ordres) : Ank=k!(nk)A_n^k=k!\binom nk.

« Exactement 22 femmes » : choisis les 22 femmes parmi 66, puis les 22 hommes parmi 44 (principe multiplicatif).

« Au moins un as » se compte par complémentaire : toutes les mains moins celles sans as.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Une combinaison est un choix sans ordre ; on l'obtient à partir des arrangements en divisant par k!k!. Un arrangement de kk objets parmi nn, c'est une partie à kk éléments plus un ordre sur cette partie ; chaque partie donne k!k! arrangements, donc Ank=k!(nk)A_n^k=k!\binom nk. Voilà d'où vient la formule, et pourquoi (nk)\binom nk est un entier.

👉 Le réflexe à installer : « est-ce qu'une main de cartes tirée dans un autre ordre est une autre main ? » Non — donc combinaison. « Est-ce qu'un podium dans un autre ordre est un autre podium ? » Oui — donc arrangement. Et les contraintes (« exactement deux femmes ») se traitent par un principe multiplicatif entre combinaisons ; les « au moins un » par le complémentaire.

La formule et la main de cinq cartes

Soit EE un ensemble à nn éléments et 0≤k≤n0\leq k\leq n. Comptons les arrangements de kk éléments de EE de deux façons. Directement : Ank=n!(n−k)!A_n^k=\dfrac{n!}{(n-k)!}. Autrement : un arrangement s'obtient en choisissant d'abord la partie {x1,…,xk}\{x_1,\dots,x_k\} de ses éléments (il y a (nk)\binom nk parties, par définition), puis un ordre sur cette partie (k!k! façons). Par le principe multiplicatif, Ank=(nk) k!A_n^k=\binom nk\,k!, d'où

(nk)=Ankk!=n!k! (n−k)!=n(n−1)⋯(n−k+1)k!■\boxed{\binom nk=\frac{A_n^k}{k!}=\frac{n!}{k!\,(n-k)!}=\frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{k!}}\qquad\blacksquare

Mains de 55 cartes. Une main est une partie à 55 éléments de l'ensemble des 5252 cartes :

(525)=52×51×50×49×485!=311 875 200120=2 598 960.\binom{52}5=\frac{52\times51\times50\times49\times48}{5!}=\frac{311\,875\,200}{120}=2\,598\,960.
Pour calculer sans grands nombres : 52⋅51⋅50⋅49⋅48120\dfrac{52\cdot51\cdot50\cdot49\cdot48}{120}, simplifier 50/5=1050/5=10, 48/24=248/24=2, puis 52⋅51⋅10⋅49⋅252\cdot51\cdot10\cdot49\cdot2. Le banc a vérifié la valeur, et énuméré les (104)=210\binom{10}4=210 parties à 44 éléments d'un ensemble à 1010 pour éprouver la formule là où l'énumération tient.

Les comités

Sans contrainte. (104)=10⋅9⋅8⋅724=210\binom{10}4=\dfrac{10\cdot9\cdot8\cdot7}{24}=210 comités (énumérés par le banc).

Exactement 22 femmes (donc exactement 22 hommes) : choisir les femmes, puis les hommes — principe multiplicatif :

(62)(42)=15×6=90.\binom62\binom42=15\times6=90.

Au moins une femme. Complémentaire de « aucune femme », c'est-à-dire « 44 hommes » : (44)=1\binom44=1 seul comité. Donc

(104)−(44)=210−1=209.\binom{10}4-\binom44=210-1=209.
On peut aussi additionner les cas disjoints 1,2,3,41,2,3,4 femmes : (61)(43)+(62)(42)+(63)(41)+(64)(40)=24+90+80+15=209\binom61\binom43+\binom62\binom42+\binom63\binom41+\binom64\binom40=24+90+80+15=209 ✓ — plus long, et c'est pourquoi on préfère le complémentaire. Le banc a énuméré les 210210 comités et compté 9090 et 209209.
210 comiteˊs,90 avec exactement 2 femmes,209 avec au moins une\boxed{210\ \text{comités},\quad90\ \text{avec exactement 2 femmes},\quad209\ \text{avec au moins une}}

La symétrie des coefficients

Par la formule. (nn−k)=n!(n−k)! (n−(n−k))!=n!(n−k)! k!=(nk)\binom n{n-k}=\dfrac{n!}{(n-k)!\,\bigl(n-(n-k)\bigr)!}=\dfrac{n!}{(n-k)!\,k!}=\binom nk.

Par bijection. Choisir les kk éléments qu'on prend, c'est exactement choisir les n−kn-k qu'on laisse : l'application A↦A‾A\mapsto\overline A (complémentaire) est une bijection entre les parties à kk éléments et les parties à n−kn-k éléments. ■\blacksquare

(nk)=(nn−k),(5247)=(525)=2 598 960\boxed{\binom nk=\binom n{n-k},\qquad\binom{52}{47}=\binom{52}5=2\,598\,960}

Choisir les 4747 cartes qu'on ne prend pas, c'est choisir la main de 55. De même (106)=(104)=210\binom{10}6=\binom{10}4=210, (n0)=(nn)=1\binom n0=\binom nn=1, (n1)=(nn−1)=n\binom n1=\binom n{n-1}=n. Cette symétrie est la raison pour laquelle le triangle de Pascal est symétrique ligne par ligne (E4).

Les as

Les quatre as. La main contient les 44 as, plus une cinquième carte parmi les 4848 autres : (44)(481)=48\binom44\binom{48}1=48 mains.

Aucun as. Cinq cartes parmi les 4848 non-as : (485)=1 712 304\binom{48}5=1\,712\,304.

Au moins un as. Complémentaire : (525)−(485)=2 598 960−1 712 304=886 656\binom{52}5-\binom{48}5=2\,598\,960-1\,712\,304=886\,656 mains, soit environ 34 %34\,\% des mains.

48,(485)=1 712 304,886 656\boxed{48,\qquad\binom{48}5=1\,712\,304,\qquad886\,656}

👉 Compter « au moins un as » directement demanderait d'additionner « exactement 11 », « exactement 22 », « 33 », « 44 » as : (41)(484)+(42)(483)+(43)(482)+(44)(481)\binom41\binom{48}4+\binom42\binom{48}3+\binom43\binom{48}2+\binom44\binom{48}1. Le complémentaire est une seule soustraction — et un seul endroit où se tromper.

Rappel de cours

Combinaisons. (nk)\binom nk (lu « kk parmi nn », noté aussi CnkC_n^k) = nombre de parties à kk éléments d'un ensemble à nn éléments =n!k! (n−k)!=\dfrac{n!}{k!\,(n-k)!}, et 00 si k>nk>n. Valeurs : (n0)=1\binom n0=1, (n1)=n\binom n1=n, (n2)=n(n−1)2\binom n2=\dfrac{n(n-1)}2, (nk)=(nn−k)\binom nk=\binom n{n-k}.

Lien avec les arrangements. Ank=k!(nk)A_n^k=k!\binom nk : ordre = combinaison × rangement.

Techniques. Contraintes de composition : produit de combinaisons. « Au moins un » : complémentaire. Cas disjoints : somme.

L'erreur classique

⚠️ Compter les mains comme des arrangements : 52⋅51⋅50⋅49⋅48=311 875 20052\cdot51\cdot50\cdot49\cdot48=311\,875\,200 compte chaque main 120120 fois (une par ordre de distribution). Diviser par 5!5!.

⚠️ « Au moins une femme » calculé par (61)(93)\binom61\binom93. Choisir « une femme » puis « trois personnes quelconques » compte plusieurs fois les comités à plusieurs femmes (celle qui joue le rôle de « la » femme change) : 6×84=504>2106\times84=504>210, ce qui est absurde. Le complémentaire évite ce double comptage.

⚠️ Confondre (nk)\binom nk et nk\dfrac nk. Le coefficient binomial n'est pas une fraction ; il se calcule par la formule ou par le triangle de Pascal.

Réponse. Ank=k!(nk)A_n^k=k!\binom nk d'où (nk)=n!k!(n−k)!\binom nk=\frac{n!}{k!(n-k)!} ; (525)=2 598 960\binom{52}5=2\,598\,960. Comités : (104)=210\binom{10}4=210, (62)(42)=90\binom62\binom42=90, 210−(44)=209210-\binom44=209. (nk)=(nn−k)\binom nk=\binom n{n-k} (complémentaire) ; (5247)=2 598 960\binom{52}{47}=2\,598\,960. As : 4848, (485)=1 712 304\binom{48}5=1\,712\,304, au moins un : 886 656886\,656.
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Formule du binôme et triangle de Pascal

CalculDifficulté 3/5

1. Développer (a+b)5(a+b)^5 à l'aide du triangle de Pascal. 2. Déterminer le coefficient de x3x^3 dans le développement de (2x−1)7(2x-1)^7, puis celui de x4x^4. 3. Démontrer la formule de Pascal (nk)=(n−1k−1)+(n−1k)\binom nk=\binom{n-1}{k-1}+\binom{n-1}k par double comptage (sans la formule des factorielles), et l'illustrer sur les parties à 22 éléments de {1,2,3,4,5}\{1,2,3,4,5\}. 4. Démontrer ∑k=0n(nk)=2n\sum_{k=0}^n\binom nk=2^n et ∑k=0n(−1)k(nk)=0\sum_{k=0}^n(-1)^k\binom nk=0 (pour n≥1n\geq1) ; en déduire le nombre de parties de cardinal pair d'un ensemble à nn éléments.

Indices (3)

Ligne 55 du triangle : 1,5,10,10,5,11,5,10,10,5,1. Le terme général de (a+b)n(a+b)^n est (nk)an−kbk\binom nka^{n-k}b^k.

Dans (2x−1)7(2x-1)^7, le terme en x3x^3 vient de (7k)(2x)7−k(−1)k\binom7k(2x)^{7-k}(-1)^k avec 7−k=37-k=3.

Pour Pascal : parmi les parties à kk éléments de {1,…,n}\{1,\dots,n\}, sépare celles qui contiennent nn de celles qui ne le contiennent pas.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

La formule du binôme est un dénombrement. Développer (a+b)n=(a+b)(a+b)⋯(a+b)(a+b)^n=(a+b)(a+b)\cdots(a+b), c'est choisir dans chaque facteur soit aa soit bb et multiplier : on obtient an−kbka^{n-k}b^k chaque fois qu'on a choisi bb dans exactement kk facteurs, et il y a (nk)\binom nk façons de choisir ces kk facteurs. D'où (nk)\binom nk devant an−kbka^{n-k}b^k. Les coefficients binomiaux sont des nombres de parties avant d'être des coefficients.

👉 Deux conséquences immédiates, en donnant des valeurs à aa et bb : a=b=1a=b=1 compte toutes les parties (2n2^n), a=1,b=−1a=1,b=-1 dit qu'il y a autant de parties de cardinal pair que de cardinal impair. Et la formule de Pascal, qui construit le triangle, est elle aussi un double comptage.

Le développement de degré cinq

Le triangle de Pascal, chaque nombre étant la somme des deux au-dessus :

1;1 1;1 2 1;1 3 3 1;1 4 6 4 1;1 5 10 10 5 1.1\quad;\quad1\ 1\quad;\quad1\ 2\ 1\quad;\quad1\ 3\ 3\ 1\quad;\quad1\ 4\ 6\ 4\ 1\quad;\quad1\ 5\ 10\ 10\ 5\ 1.
La ligne n=5n=5 donne les coefficients de (a+b)5=∑k=05(5k)a5−kbk(a+b)^5=\sum_{k=0}^5\binom5ka^{5-k}b^k :
(a+b)5=a5+5a4b+10a3b2+10a2b3+5ab4+b5\boxed{(a+b)^5=a^5+5a^4b+10a^3b^2+10a^2b^3+5ab^4+b^5}
Contrôle : les coefficients somment à 32=2532=2^5 (valeur en a=b=1a=b=1), et les degrés en aa décroissent de 55 à 00 pendant que ceux en bb croissent. Le banc a fait développer par sympy. Même méthode pour (x+2)4=x4+8x3+24x2+32x+16(x+2)^4=x^4+8x^3+24x^2+32x+16 (ligne 1,4,6,4,11,4,6,4,1 avec les puissances de 22).

Un coefficient dans un binôme à signes

(2x−1)7=∑k=07(7k)(2x)7−k(−1)k(2x-1)^7=\sum_{k=0}^7\binom7k(2x)^{7-k}(-1)^k. Le terme en x3x^3 correspond à 7−k=37-k=3, soit k=4k=4 :

(74) (2x)3(−1)4=35×8x3×1=280 x3.\binom74\,(2x)^3(-1)^4=35\times8x^3\times1=280\,x^3.
((74)=(73)=35\binom74=\binom73=35.) Le terme en x4x^4 : 7−k=47-k=4, k=3k=3 :
(73) (2x)4(−1)3=35×16x4×(−1)=−560 x4.\binom73\,(2x)^4(-1)^3=35\times16x^4\times(-1)=-560\,x^4.
coefficient de x3:280,de x4:−560\boxed{\text{coefficient de }x^3 : 280,\qquad\text{de }x^4 : -560}
Le banc a extrait les deux coefficients du polynôme développé par sympy (et vérifié le terme constant −1-1, le coefficient dominant 27=1282^7=128).

⚠️ Trois sources d'erreur, toutes présentes ici : le signe (−1)k(-1)^k (pair ou impair selon kk), la puissance de 22 attachée au xx (27−k2^{7-k}, pas 2k2^k), et le choix de kk (kk est l'exposant de b=−1b=-1, pas celui de xx). Écrire le terme général complet avant de remplacer évite les trois.

La formule de Pascal par double comptage

Comptons les parties à kk éléments de E={1,…,n}E=\{1,\dots,n\}, dont le nombre est (nk)\binom nk, en les séparant en deux classes disjointes selon qu'elles contiennent l'élément nn ou non :

  • celles qui contiennent nn : il reste à choisir k−1k-1 éléments parmi les n−1n-1 autres, (n−1k−1)\binom{n-1}{k-1} parties ;
  • celles qui ne contiennent pas nn : on choisit les kk éléments parmi {1,…,n−1}\{1,\dots,n-1\}, (n−1k)\binom{n-1}k parties.

Les deux classes recouvrent tout sans se chevaucher, donc

(nk)=(n−1k−1)+(n−1k)■\boxed{\binom nk=\binom{n-1}{k-1}+\binom{n-1}k}\qquad\blacksquare

Sur {1,2,3,4,5}\{1,2,3,4,5\}, k=2k=2. Les paires contenant 55 : {1,5},{2,5},{3,5},{4,5}\{1,5\},\{2,5\},\{3,5\},\{4,5\} — quatre, soit (41)\binom41. Les paires sans 55 : {1,2},{1,3},{1,4},{2,3},{2,4},{3,4}\{1,2\},\{1,3\},\{1,4\},\{2,3\},\{2,4\},\{3,4\} — six, soit (42)\binom42. Total 4+6=10=(52)4+6=10=\binom52 ✓ (le banc les a énumérées).

👉 C'est la règle de construction du triangle : chaque nombre est la somme des deux qui le surplombent. Et c'est exactement ce que la grille de la leçon montre : le nombre de chemins vers un nœud est la somme des nombres de chemins vers ses deux voisins gauche et bas.

Somme des coefficients, somme alternée

Dans (a+b)n=∑k(nk)an−kbk(a+b)^n=\sum_k\binom nka^{n-k}b^k, posons a=b=1a=b=1 :

∑k=0n(nk)=(1+1)n=2n.\sum_{k=0}^n\binom nk=(1+1)^n=2^n.
Lecture ensembliste : compter les parties de EE par cardinal ((nk)\binom nk parties à kk éléments) redonne le total 2n2^n (exercice B2). Posons maintenant a=1a=1, b=−1b=-1, avec n≥1n\geq1 :
∑k=0n(−1)k(nk)=(1−1)n=0.\sum_{k=0}^n(-1)^k\binom nk=(1-1)^n=0.
Donc ∑k pair(nk)=∑k impair(nk)\sum_{k\ \text{pair}}\binom nk=\sum_{k\ \text{impair}}\binom nk : il y a autant de parties de cardinal pair que de cardinal impair, et comme leur somme vaut 2n2^n, chacune vaut 2n−12^{n-1}. Pour n=6n=6 : 1+15+15+1=32=6+20+61+15+15+1=32=6+20+6 ✓.
∑k(nk)=2n,∑k(−1)k(nk)=0,parties de cardinal pair : 2n−1\boxed{\sum_k\binom nk=2^n,\qquad\sum_k(-1)^k\binom nk=0,\qquad\text{parties de cardinal pair : }2^{n-1}}

ℹ️ Le banc a vérifié les deux identités pour n≤20n\leq20 et la première par sympy ; une preuve bijective du second fait existe aussi (échanger la présence d'un élément fixé ee envoie les parties paires sur les impaires). Le binôme donne aussi des valeurs approchées : 1,0110=(1+0,01)10≈1+10⋅0,01+45⋅0,0001=1,10451{,}01^{10}=(1+0{,}01)^{10}\approx1+10\cdot0{,}01+45\cdot0{,}0001=1{,}1045, la vraie valeur étant 1,10461{,}1046.

Rappel de cours

Binôme de Newton. (a+b)n=∑k=0n(nk)an−kbk=∑k=0n(nk)akbn−k(a+b)^n=\displaystyle\sum_{k=0}^n\binom nka^{n-k}b^k=\sum_{k=0}^n\binom nka^kb^{n-k} (les deux écritures sont égales par symétrie de (nk)\binom nk). Terme général : (nk)an−kbk\binom nka^{n-k}b^k, degré total nn.

Pascal. (nk)=(n−1k−1)+(n−1k)\binom nk=\binom{n-1}{k-1}+\binom{n-1}k pour 1≤k≤n−11\leq k\leq n-1 ; bords (n0)=(nn)=1\binom n0=\binom nn=1. Le triangle se construit ligne à ligne ; la ligne nn somme à 2n2^n et est symétrique.

Identités. ∑k(nk)=2n\sum_k\binom nk=2^n ; ∑k(−1)k(nk)=0\sum_k(-1)^k\binom nk=0 (n≥1n\geq1) ; ∑kk(nk)=n2n−1\sum_kk\binom nk=n2^{n-1} et Vandermonde en approfondissement (D2).

L'erreur classique

⚠️ Oublier les coefficients : (a+b)5≠a5+b5(a+b)^5\neq a^5+b^5. La faute la plus fréquente de tout le secondaire, et elle se voit au premier terme croisé.

⚠️ Perdre le signe ou la puissance de 22 dans (2x−1)7(2x-1)^7. Le terme général est (7k)(2x)7−k(−1)k\binom7k(2x)^{7-k}(-1)^k ; 280280 pour x3x^3 vient de 35×23×(+1)35\times2^3\times(+1), et −560-560 pour x4x^4 de 35×24×(−1)35\times2^4\times(-1).

⚠️ Écrire la formule de Pascal avec les mauvais indices : (nk)=(n−1k)+(n−1k+1)\binom nk=\binom{n-1}k+\binom{n-1}{k+1} est fausse (c'est (nk+1)\binom n{k+1} à gauche). Refaire le double comptage plutôt que de retenir la formule de mémoire.

Réponse. (a+b)5=a5+5a4b+10a3b2+10a2b3+5ab4+b5(a+b)^5=a^5+5a^4b+10a^3b^2+10a^2b^3+5ab^4+b^5. (2x−1)7(2x-1)^7 : 280x3280x^3 (k=4k=4), −560x4-560x^4 (k=3k=3). Pascal par double comptage : parties contenant nn / ne le contenant pas ; 4+6=10=(52)4+6=10=\binom52. 2n2^n et 00 en posant a=b=1a=b=1 puis a=1,b=−1a=1,b=-1 ; parties paires : 2n−12^{n-1}.
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Compter par le complémentaire et par disjonction

CalculDifficulté 3/5

1. Combien de mots de 55 lettres sans lettre répétée peut-on former avec 2626 lettres ? En déduire le nombre de mots ayant au moins une lettre répétée. 2. Combien d'entiers à 44 chiffres (de 10001000 à 99999999) contiennent au moins un chiffre 77 ? Exactement un ? 3. On lance un dé quatre fois ; combien de résultats comportent au moins un 66 ? 4. Combien d'entiers de 11 à 100100 sont pairs ou multiples de 55 ?

Indices (3)

Sans répétition : 2626 choix, puis 2525, … (arrangements). Le complémentaire de « au moins une répétition » est « aucune répétition ».

« Au moins un 7 » : compte d'abord les nombres sans aucun 7 — 88 choix pour le premier chiffre (ni 00 ni 77), 99 pour chacun des autres.

« Pair ou multiple de 5 » : ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣\lvert A\cup B\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-\lvert A\cap B\rvert, avec A∩BA\cap B = multiples de 1010.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

« Au moins un » se compte presque toujours par le complémentaire. Compter directement « au moins un 77 » oblige à découper en « exactement un, exactement deux, trois, quatre » et à additionner ; compter « aucun 77 » est un simple principe multiplicatif, et le total moins ce nombre donne la réponse. « Ou » se compte par la formule de la réunion : on additionne les deux cas et on retire ce qui a été compté deux fois.

👉 Les deux techniques ne sont que deux lectures de ∣A‾∣=∣E∣−∣A∣\lvert\overline A\rvert=\lvert E\rvert-\lvert A\rvert et de ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣\lvert A\cup B\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-\lvert A\cap B\rvert (exercice B6). Tous les nombres ci-dessous ont été énumérés par le banc, y compris les 90009000 entiers à quatre chiffres.

Mots sans lettre répétée

Cinq lettres distinctes : 2626 choix pour la première, 2525 pour la deuxième, puis 2424, 2323, 2222 — un arrangement de 55 parmi 2626 :

A265=26×25×24×23×22=7 893 600.A_{26}^5=26\times25\times24\times23\times22=7\,893\,600.
Le nombre total de mots de 55 lettres est 265=11 881 37626^5=11\,881\,376 (exercice E1). Par complémentaire, le nombre de mots ayant au moins une lettre répétée est
265−A265=11 881 376−7 893 600=3 987 776.26^5-A_{26}^5=11\,881\,376-7\,893\,600=3\,987\,776.
7 893 600 sans reˊpeˊtition,3 987 776 avec au moins une\boxed{7\,893\,600\ \text{sans répétition},\qquad3\,987\,776\ \text{avec au moins une}}

Environ un tiers des mots ont une répétition — ce qui surprend pour seulement cinq lettres sur vingt-six. C'est le mécanisme du « paradoxe des anniversaires » du chapitre de probabilités : la probabilité d'une coïncidence croît vite.

Au moins un sept

Il y a 90009000 entiers de 10001000 à 99999999. Comptons ceux sans aucun 77 : premier chiffre parmi {1,…,9}∖{7}\{1,\dots,9\}\setminus\{7\}, soit 88 choix ; chacun des trois autres parmi {0,…,9}∖{7}\{0,\dots,9\}\setminus\{7\}, soit 99 choix :

8×93=8×729=5832.8\times9^3=8\times729=5832.
Donc au moins un 77 :
9000−5832=3 168.9000-5832=3\,168.

Exactement un 77. Selon la position du 77 : en première position, les trois autres chiffres sont libres sauf 77 : 93=7299^3=729 ; en position 22, 33 ou 44, le premier chiffre a 88 choix et les deux autres positions non-77 en ont 99 chacune : 3×8×92=3×648=19443\times8\times9^2=3\times648=1944. Total 729+1944=2673729+1944=2673. (Le banc a énuméré les 90009000 entiers : 31683168 contiennent un 77, 26732673 en contiennent exactement un.)

9000−8⋅93=3 168 avec au moins un 7,2673 avec exactement un\boxed{9000-8\cdot9^3=3\,168\ \text{avec au moins un }7,\qquad2673\ \text{avec exactement un}}

👉 Le calcul direct de « au moins un » demanderait quatre cas (1,2,31,2,3 ou 44 sept) ; le complémentaire en demande un. Et le cas « exactement un » montre pourquoi : il faut déjà distinguer la position du 77 à cause du premier chiffre non nul.

Au moins un six en quatre lancers

Un résultat est une liste de 44 faces : 64=12966^4=1296 résultats. Aucun 66 : chaque lancer parmi 55 faces, 54=6255^4=625. Au moins un 66 :

64−54=1296−625=671.6^4-5^4=1296-625=671.
Le banc a énuméré les 12961296 listes et compté 671671 qui contiennent un 66.
64−54=671\boxed{6^4-5^4=671}

ℹ️ En probabilité (lancers équiprobables), P(au moins un 6)=6711296≈0,518P(\text{au moins un }6)=\dfrac{671}{1296}\approx0{,}518 : plus d'une chance sur deux en quatre lancers — le pari historique du chevalier de Méré. Le chapitre de probabilités reprend ce calcul sous la forme 1−(5/6)41-(5/6)^4.

Pair ou multiple de cinq

Soit AA les pairs de {1,…,100}\{1,\dots,100\}, BB les multiples de 55 : ∣A∣=50\lvert A\rvert=50, ∣B∣=20\lvert B\rvert=20. Les deux se recouvrent sur les multiples de 1010 : ∣A∩B∣=10\lvert A\cap B\rvert=10. Donc

∣A∪B∣=50+20−10=60.\lvert A\cup B\rvert=50+20-10=60.
Le banc a énuméré : 6060 entiers de 11 à 100100 sont pairs ou multiples de 55. Par complémentaire, 4040 ne sont ni l'un ni l'autre (les entiers impairs non multiples de 55 : 100×12×45=40100\times\tfrac12\times\tfrac45=40).
50+20−10=60\boxed{50+20-10=60}

👉 Avec trois conditions (pair, ou multiple de 33, ou multiple de 55), la formule a sept termes : c'est la formule du crible, en approfondissement (D1), où le même calcul donne 7474.

Rappel de cours

Complémentaire. ∣A‾∣=∣E∣−∣A∣\lvert\overline A\rvert=\lvert E\rvert-\lvert A\rvert. À utiliser dès que l'énoncé contient « au moins un », « pas tous », « différents » : le complémentaire (« aucun », « tous », « tous égaux ») est presque toujours un simple produit.

Réunion. ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣\lvert A\cup B\rvert=\lvert A\rvert+\lvert B\rvert-\lvert A\cap B\rvert ; si A∩B=∅A\cap B=\varnothing, on additionne. Trois ensembles : formule du crible (D1).

Disjonction de cas. Découper l'ensemble à compter en cas exhaustifs et disjoints, compter chacun, additionner. Vérifier les deux adjectifs : un cas oublié sous-compte, un chevauchement sur-compte.

L'erreur classique

⚠️ Compter « au moins un 7 » par 4×1×934\times1\times9^3 (« on place le 7 quelque part, le reste est libre ») : les nombres à deux 77 sont comptés deux fois, ceux à trois 77 trois fois. Le résultat, 29162916, n'est ni 31683168 ni 26732673 — il ne compte rien. Le complémentaire n'a pas ce défaut.

⚠️ Oublier que le premier chiffre n'est pas nul. Les entiers « à 4 chiffres » vont de 10001000 à 99999999 : le premier chiffre a 99 choix (ou 88 sans le 77), pas 1010.

⚠️ Additionner 50+2050+20 pour « pair ou multiple de 5 ». Les multiples de 1010 sont dans les deux ; sans la soustraction, on trouve 7070, ce qui est faux.

Réponse. A265=26⋅25⋅24⋅23⋅22=7 893 600A_{26}^5=26\cdot25\cdot24\cdot23\cdot22=7\,893\,600 ; avec répétition : 265−7 893 600=3 987 77626^5-7\,893\,600=3\,987\,776. Au moins un 77 : 9000−8⋅93=9000−5832=3 1689000-8\cdot9^3=9000-5832=3\,168 ; exactement un : 93+3⋅8⋅92=26739^3+3\cdot8\cdot9^2=2673. Au moins un 66 : 64−54=6716^4-5^4=671. Pair ou multiple de 55 : 50+20−10=6050+20-10=60.
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Synthèse : chemins sur une grille, parties contenant un élément, les quatre tirages

CalculDifficulté 3/5

1. On se déplace sur une grille de (0,0)(0,0) à (p,q)(p,q) par pas « droite » ou « haut » uniquement. Démontrer que le nombre de chemins est (p+qp)\binom{p+q}p, et le calculer pour p=4p=4, q=3q=3. Expliquer pourquoi le nombre de chemins vers chaque nœud est la somme de ceux vers ses deux voisins. 2. Combien de parties à 44 éléments de {1,…,10}\{1,\dots,10\} contiennent l'élément 11 ? En déduire l'identité k(nk)=n(n−1k−1)k\binom nk=n\binom{n-1}{k-1}. 3. On tire 33 boules dans une urne de 55 boules numérotées. Dresser le tableau des quatre types de tirage (successifs avec ou sans remise, simultané, non ordonné avec répétition) et compter chacun. 4. Un tiercé se joue sur 1212 chevaux ; combien de tiercés dans l'ordre ? dans le désordre ?

Indices (3)

Un chemin de (0,0)(0,0) à (p,q)(p,q) est un mot de p+qp+q lettres D ou H, avec exactement pp lettres D : choisir leurs positions.

Une partie à 44 éléments contenant 11, c'est 11 plus 33 éléments choisis parmi les 99 autres.

Pour le tableau : nkn^k, AnkA_n^k, (nk)\binom nk ; la quatrième case, (n+k−1k)\binom{n+k-1}k, est traitée en approfondissement — elle est donnée ici pour le tableau complet.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Cet exercice réunit les outils du lot : bijection, complémentaire, produit, et la question de l'ordre. Les chemins d'une grille se comptent par bijection avec des mots (donc des combinaisons) ; les parties contenant un élément fixé, en retirant cet élément du choix ; et le tableau des quatre tirages est la carte du chapitre — quatre réponses pour la « même » question, selon que l'ordre compte et que la répétition est permise. Savoir refaire ce tableau, c'est savoir dans quelle case ranger un énoncé.

👉 Le banc a énuméré chaque compte : 3535 chemins, 8484 parties, et les quatre nombres 125,60,10,35125,60,10,35 obtenus par quatre énumérations différentes d'itertools, comparées aux quatre formules.

Les chemins d'une grille

Un chemin de (0,0)(0,0) à (p,q)(p,q) fait exactement pp pas « droite » (D) et qq pas « haut » (H), dans un ordre quelconque : c'est un mot de p+qp+q lettres contenant pp fois D et qq fois H. Un tel mot est entièrement déterminé par les positions des pp lettres D parmi les p+qp+q positions — une partie à pp éléments de {1,…,p+q}\{1,\dots,p+q\}. Cette correspondance est une bijection, donc

nombre de chemins=(p+qp)=(p+qq)■\boxed{\text{nombre de chemins}=\binom{p+q}p=\binom{p+q}q}\qquad\blacksquare
Pour p=4p=4, q=3q=3 : (74)=35\binom74=35 chemins (le banc les a énumérés, ainsi que tous les (p+qp)\binom{p+q}p pour p,q≤6p,q\leq6).

Pourquoi la somme des deux voisins. Un chemin arrivant au nœud (i,j)(i,j) vient nécessairement de (i−1,j)(i-1,j) par un pas D, ou de (i,j−1)(i,j-1) par un pas H — deux cas disjoints qui couvrent tout. Donc c(i,j)=c(i−1,j)+c(i,j−1)c(i,j)=c(i-1,j)+c(i,j-1), avec c=1c=1 sur les bords : c'est la formule de Pascal (i+ji)=(i+j−1i−1)+(i+j−1i)\binom{i+j}i=\binom{i+j-1}{i-1}+\binom{i+j-1}i, et le triangle de Pascal se dessine sur la grille (figure de la leçon : 1,4,10,20,351,4,10,20,35 sur la dernière ligne).

Parties contenant un élément donné

Une partie à 44 éléments de {1,…,10}\{1,\dots,10\} contenant 11 est formée de 11 et de 33 éléments choisis parmi les 99 autres : (93)=84\binom93=84 parties (énumérées par le banc). Par symétrie, chaque élément est dans 8484 parties.

L'identité. Comptons les couples (partie AA à kk éléments, élément x∈Ax\in A) de deux façons : en choisissant AA puis xx dedans, (nk)⋅k\binom nk\cdot k ; en choisissant xx parmi nn puis les k−1k-1 autres éléments de AA parmi n−1n-1, n(n−1k−1)n\binom{n-1}{k-1}. D'où

k(nk)=n(n−1k−1)■\boxed{k\binom nk=n\binom{n-1}{k-1}}\qquad\blacksquare
Sur l'exemple : 4×(104)=4×210=840=10×844\times\binom{10}4=4\times210=840=10\times84 ✓. Autrement dit, la proportion des parties à kk éléments qui contiennent un élément donné est kn\dfrac kn : 410×210=84\dfrac4{10}\times210=84.

👉 Cette identité redonne ∑kk(nk)=n∑k(n−1k−1)=n2n−1\sum_kk\binom nk=n\sum_k\binom{n-1}{k-1}=n2^{n-1} (approfondissement, D2) : le double comptage produit les identités que les factorielles ne font que vérifier.

Le tableau des quatre tirages

Trois boules dans une urne de cinq (n=5n=5, k=3k=3) :

tirage ordre répétition formule valeur
successif avec remise oui oui nkn^k 53=1255^3=125
successif sans remise oui non AnkA_n^k 5⋅4⋅3=605\cdot4\cdot3=60
simultané non non (nk)\binom nk (53)=10\binom53=10
non ordonné avec répétition non oui (n+k−1k)\binom{n+k-1}k (73)=35\binom73=35

Le banc a énuméré les quatre familles avec quatre outils distincts (125125 listes, 6060 arrangements, 1010 combinaisons, 3535 combinaisons avec répétition) et retrouvé les quatre formules. Deux relations à lire dans le tableau : 60=10×3!60=10\times3! (chaque combinaison se range de 66 façons) et 125>60125>60 (autoriser la répétition ajoute des tirages). La quatrième case est démontrée en approfondissement (barres et étoiles, D4) ; elle est ici pour que le tableau soit complet.

125601035\boxed{125\quad60\quad10\quad35}

👉 La question qui range un énoncé dans sa case : deux tirages qui ne diffèrent que par l'ordre sont-ils le même résultat ? (colonne « ordre ») ; une boule peut-elle sortir deux fois ? (colonne « répétition »). Une main de cartes : non, non — combinaison. Un code : oui, oui — liste. Un podium : oui, non — arrangement.

Le tiercé

Dans l'ordre : les trois premiers chevaux avec leur rang, un arrangement de 33 parmi 1212 : A123=12×11×10=1320A_{12}^3=12\times11\times10=1320.

Dans le désordre : les trois premiers sans leur rang, une combinaison : (123)=13206=220\binom{12}3=\dfrac{1320}6=220.

1320 tierceˊs dans l’ordre,220 dans le deˊsordre\boxed{1320\ \text{tiercés dans l'ordre},\qquad220\ \text{dans le désordre}}

Un tiercé dans le désordre est gagnant pour 66 tiercés dans l'ordre différents — c'est le facteur 3!3! entre les deux cases « sans répétition » du tableau. En probabilité (chevaux équiprobables, ce qu'ils ne sont jamais), gagner dans l'ordre a une chance sur 13201320, dans le désordre une sur 220220.

Rappel de cours

Bijection. Pour compter un ensemble, le mettre en bijection avec un ensemble connu : chemins ↔ mots ↔ parties.

Les quatre tirages de kk parmi nn. Ordonné avec répétition : nkn^k. Ordonné sans répétition : Ank=n!(n−k)!A_n^k=\dfrac{n!}{(n-k)!}. Non ordonné sans répétition : (nk)\binom nk. Non ordonné avec répétition : (n+k−1k)\binom{n+k-1}k (approfondissement).

Identités de double comptage. k(nk)=n(n−1k−1)k\binom nk=n\binom{n-1}{k-1} ; formule de Pascal ; (nk)=(nn−k)\binom nk=\binom n{n-k}.

L'erreur classique

⚠️ Compter les chemins par 2p+q2^{p+q} (« à chaque pas, deux directions »). Ce compte ignore qu'il faut exactement pp pas D : 27=128≠352^7=128\neq35. Le nombre de pas de chaque sorte est imposé par l'arrivée.

⚠️ Compter les parties contenant 11 par (104)/10\binom{10}4/10. Ce serait la proportion 110\tfrac1{10}, alors qu'elle vaut kn=410\tfrac k n=\tfrac4{10} : un élément est dans 44 positions sur 1010, en quelque sorte. 210/10=21≠84210/10=21\neq84.

⚠️ Se tromper de case. Un tirage simultané compté comme successif (6060 au lieu de 1010) est la méprise la plus fréquente du chapitre. Avant tout calcul, répondre aux deux questions du tableau.

Réponse. Chemins : mots de p+qp+q lettres à pp D, (p+qp)\binom{p+q}p ; (74)=35\binom74=35 ; c(i,j)=c(i−1,j)+c(i,j−1)c(i,j)=c(i-1,j)+c(i,j-1) = Pascal. Parties à 44 contenant 11 : (93)=84\binom93=84 ; k(nk)=n(n−1k−1)k\binom nk=n\binom{n-1}{k-1} (840=840840=840). Tableau : 125125, 6060, 1010, 3535. Tiercé : 13201320 dans l'ordre, 220220 dans le désordre.
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