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Principe des tiroirs

Une application d’un ensemble fini dans un autre dont le cardinal est strictement inférieur au premier ne peut pas être injective : il existe donc nécessairement deux éléments qui ont la même image. C’est ce qu’on appelle familière-ment le principe des tiroirs : si on range p objets dans n tiroirs et que n < p, il existe au moins deux objets qui sont dans le même tiroir... Sous son air d’évidence, ce principe permet de démontrer des propriétés qui ne le sont pas toujours.

Premier exemple : Deux pays sont dits voisins s’ils ont

une frontière commune. Démontrer qu’il existe né-cessairement deux pays qui ont le même nombre de voisins.

Soit n le nombre total de pays. Le nombre de voisins d’un pays varie de 0 à n−1. Mais, s’il existe un pays sans voisin (une île), alors aucun pays n’a n − 1 voi-sins. Par conséquent, le nombre de voisins d’un pays

ne peut prendre au plus que n − 1 valeurs. L’appli-cation qui, à un pays, associe son nombre de voisins n’est donc pas injective.

Second exemple : Soit E un ensemble de 10 nombres

entiers distincts compris entre 1 et 100. Démontrer qu’il existe deux sous-ensembles de E non vides et disjoints ayant la même somme.

Remarquons tout d’abord qu’il suffit de trouver deux sous-ensembles distincts non vides de même somme ; en leur retranchant leur intersection, il restera deux sous-ensembles disjoints de même somme, qui ne sau-raient être vides.

Le nombre de sous-ensembles non vides de E est

210 − 1 = 1023. La somme des éléments d’un tel

sous-ensemble est au moins égale à 1, et, au plus, égale à 91 + 92 + · · · + 100 = 955 . Il y a donc plus de sous-ensembles non vides que de sommes possibles.

Nombres entiers naturels – Combinatoire

9 COURS

2.3Notions sur les cardinaux des ensembles infinis

ATTENTION

Pour les ensembles infinis, les points

4) et 5) du corollaire 2.1 ne sont plus

vérifiés : il peut exister une application d’un ensemble infini dans lui-même qui soit injective sans être surjective, et réciproquement.

Exemple :

L’application N → N

n → 2n est

injective, mais pas surjective. Une in-verse à gauche de cette application (en imaginer une) est surjective, mais pas injective.

IMPORTANT

Ce paragraphe est hors programme. Il

est donné à titre documentaire. Un ensemble qui n’est pas fini est ditinfini. Le mathématicien allemand Georg Cantor a eu l’idée d’étendre aux ensembles infinis les définitions précédentes, et de continuer à dire que, pour tous ensembles E et F :

Card E = Card F, s’il existe une bijection de E dans F.

Exemple : Si P est l’ensemble des entiers naturels pairs,

Card P = Card N, car l’application N → Pn → 2n est bijective (N a le même

cardinal qu’une de ses parties strictes, ce qui serait impossible pour un ensemble fini...).

Card E Card F, s’il existe une injection de E dans F.

Exemple : Card N Card R (penser à l’injection canonique de N dans R). Cantor démontra les résultats suivants :

Card N = Card Z = Card Q (ensembles dénombrables) ;

• Card R = Card C = Card Rn (ensembles ayant la puissance du continu),

mais que Card N = Card R.

3 Dénombrement

Voyons concrètement comment calculer le cardinal d’un ensemble construit sur des ensembles finis donnés.

3.1Partie d’un ensemble fini

Théorème 3

Toute partie A d’un ensemble fini E est finie et Card A Card E.

Démonstration

Soit n = Card E. Il existe une bijection f de [[1, n]] dans E. La partie A est l’image par cette bijection d’une partie I de [[1, n]] qui est finie, de cardinal

p n (cf. exemples d’ensembles finis). Il existe donc une bijection de I dans A,

ce qui prouve que A est finie et Card A = Card I = p n.

3.2Réunion disjointe

Théorème 4

Si E et F sont deux ensembles finis disjoints (E ∩ F = ∅), E ∪ F est fini et Card (E ∪ F) = Card E + Card F.

Hachette Li vre –H Pr épa /M ath –L ap hotocopie non autorisée est un délit

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IMPORTANT

En particulier, si A ∈ P(E), Card

C

EA = Card E − Card A.

Démonstration

Soit n = Card E et p = Card F. Il existe une bijection f de E dans [[1, n]] et une bijection g de F dans [[n + 1, n + p]]. Soit h l’application de E ∪ F dans [[1, n + p]] qui, à tout élément x de E ∪ F, associe f (x) si x ∈ E, et

g(x) si x ∈ F. h est bijective, car E ∩ F = ∅. Donc E ∪ F est fini et

Card (E ∪ F) = n + p.

3.3Réunion quelconque

Théorème 5

Quels que soient les ensembles finis E et F : E ∪ F est fini et : Card (E ∪ F) = Card E + Card F − Card (E ∩ F) IMPORTANT

En ajoutant Card E et Card F, on compte deux fois les éléments de

E ∩ F. C’est pourquoi il faut

retran-cher le cardinal de cette intersection. Dans une situation concrète de dé-nombrement, on peut compter plu-sieurs fois les mêmes objets, à condi-tion d’en être conscient et de les re-trancher autant de fois qu’il le faut dans le résultat final.

Démonstration

E ∪ F = E ∪ (F\E) et E ∩ (F\E) = ∅, d’où E ∪ F est fini et :

Card (E ∪ F) = Card (E) + Card (F\E)

Par ailleurs, F\E =

C

FE ∩ F ; donc Card (F\E) = Card F − Card (E ∩ F).

En définitive, Card (E ∪ F) = Card E + Card F − Card (E ∩ F).

Pour s’entraîner : ex. 7

3.4Produit cartésien

Théorème 6

Si E et F sont deux ensembles finis, E × F est fini et : Card (E × F) = Card E×Card F

EXEMPLE

Combien peut-on écrire de mots de trois lettres ?

Il s’agit de 3-listes d’éléments de l’al-phabet, qui possède 26 éléments ; d’où 263 = 17 576 mots distincts.

Démonstration

Soit E = {e1, e2, · · · , ep} ;

E × F = ({e1} × F) ∪ ({e2} × F) ∪ · · · ∪ ({ep} × F). Il s’agit d’une réunion disjointe, donc E × F est fini et :

Card (E × F) =

p

i=1

Card ({ei} × F)

Chacun de ces ensembles est en bijection avec F, donc Card ({ei} × F) =

Card F.

En définitive, Card (E × F) = p Card F = Card E×Card F.

Plus généralement, Card (Fn) = (Card F)n. C’est le nombre de n-listes

d’élé-ments de F. On utilise les n-listes dans tous les problèmes de choix successifs de

n éléments d’un ensemble, avec d’éventuelles répétitions.

3.5Applications

Théorème 7

Si E et F sont deux ensembles finis, FE est fini et : Card (FE) = (Card F)Card E

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Démonstration

Soit E = {e1, e2, · · · , ep}.

L’application FfE → F→ (f (ep

1), · · · , f (ep)) est bijective.

Donc FE est fini et Card (FE) = Card (Fp) = (Card F)p= (Card F)Card E.

3.6Injections

IMPORTANT

On rappelle que n! (lire factorielle

n) désigne le produit des n premiers

entiers naturels non nuls. Par convention 0! = 1.

Théorème 8

Soit E et F deux ensembles finis de cardinaux respectifs : Card E = p et Card F = n, avec 0 p n

Le nombre d’injections de E dans F est l’entier :

Ap

n= n(n − 1) · · · (n − p + 1) = (n − p)!n!

Démonstration

Raisonnons par récurrence sur p :

pour p = 0, il existe une injection de ∅ dans F : A0

n = 1 = (n − 0)!n! ;

soit p ∈ [[1, n − 1]] tel que le nombre d’injections d’un ensemble de cardinal

p dans F soit Ap

n. Soit E un ensemble de cardinal p + 1, et a ∈ E.

Une injection f de E dans F est caractérisée par :

– la restriction injective de f à E\{a} : Ap

n possibilités ;

– le choix de l’élément f (a) qui ne doit pas appartenir à f (E) : n−p possibilités. Le nombre d’injections de E dans F est donc :

Ap

n(n − p) = (n − p)!n! (n − p) = (n − p − 1)!n! = Ap+1

n

Par récurrence, le nombre d’injections de E dans F est donc bien Ap

n pour tout

p ∈ [[1, n]].

EXEMPLE

Combien y a-t-il de tiercés dans l’ordre pour dix chevaux au départ ? Il s’agit d’arrangements de trois che-vaux parmi dix : 10 × 9 × 8 = 720 tiercés dans l’ordre.

Une injection de [[1, p]] dans F est appeléearrangementde p éléments de F.

C’est une p-liste d’éléments de F distincts deux à deux. On utilise les arrangements dans tous les problèmes de choix successifs de p éléments parmi n, sans répétition.

Corollaire 8.1

Si E est un ensemble fini de cardinal n, le nombre de bijections de E dans

E est n!.

Démonstration

Comme E est fini, il est équivalent de dire qu’une application de E dans E est

injective ou bijective ; le nombre de bijections de E dans E est donc An

n= n!. Ha ch et te Li vr e– HP répa /M ath –L ap hotocopie non autorisée est un délit

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Nombres entiers naturels – Combinatoire EXEMPLE

De combien de façons dix convives peuvent-ils se placer autour d’une table ? 10! = 3 628 800.

Une bijection de E dans E est appeléepermutationdes éléments de E. On

utilise les permutations dans tous les problèmes de choix d’un ordre de tous les éléments d’un ensemble fini.

3.7Parties d’un ensemble fini

Théorème 9

Si E est un ensemble fini de cardinal n, Card P(E) = 2n Démonstration

Effectuons une récurrence sur n.

Pour n = 0, E = ∅ et P(E) = {∅} ; Card P(E) = 1 = 20.

Soit n ∈ N tel que, pour tout ensemble E de cardinal n, Card P(E) = 2n.

Considérons un ensemble F de cardinal n + 1, et a un élément fixé de F.

L’ensemble E = F\{a} a pour cardinal n, il a donc 2n parties.

Les parties de F ne contenant pas a sont exactement les parties de E : il y

en a 2n.

Les parties de F contenant a sont les réunions d’une partie de E et du

singleton {a} : il y en a aussi 2n.

Le nombre total de parties de F est donc 2×2n, c’est-à-dire 2n+1.

Par récurrence, tout ensemble de cardinal n possède 2n parties.

IMPORTANT

On peut le noter aussi pn.

Plus précisément, étudions le nombre de parties de E de cardinal fixé :

Théorème 10

Soit E un ensemble fini de cardinal n. Le nombre de parties de E de cardinal

p (0 p n) est l’entier :

n

p = p!(n − p)!n!

Démonstration

À une injection f de [[1, p]] dans E correspond une image f ([[1, p]]), qui est une partie de E de cardinal p. Réciproquement, toute partie de E de cardinal p est l’image de [[1, p]] par p! injections distinctes (correspondant aux permutations de [[1, p]]).

Le nombre de parties de cardinal p est donc Apn

p! = n! p!(n − p)! .

EXEMPLE

On tire 5 cartes dans un jeu de 32. Combien y a-t-il de résultats pos-sibles ?

Il s’agit de combinaisons de 5 éléments parmi 32 :

il y a 32

5 = 201 376 possibilités.

Une partie de cardinal p d’un ensemble E est appeléecombinaisonde p

élé-ments de E. On utilise les combinaisons dans tous les problèmes de choix si-multanés de p éléments distincts parmi n, sans considération d’ordre et sans répétition.

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APPLICATION 5

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