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2.5 Applications

2.5.4 Réciproque d’une bijection

Soient E et F deux ensembles non vides et f une application bijective de E sur F .

On appelle application réciproque de f ( ou bijection réciproque de f ) l’application notée f−1 définie par : f−1: F −→ E tel que pour tout

(

x, y

)

∈ E × F ; f−1

(

y

) =

x ⇐⇒ y

=

f

(

x

)

.

Exemples 2.5.21 :

• L’application f : R −→ R∗+ telle que f

(

x

) =

ex+1 est une bejection de R sur R∗+, sa réciproque est l’application bejective g : R∗+ −→ R telle que g

(

x

) =

lnx − 1.

• L’application h : R− −→ R+ telle que f

(

x

) =

x2 est une bejection de Rsur R+, sa réciproque est l’application bejective h−1: R+ −→Rtelle que h−1

(

x

) =

x.

Proposition 2.5.22 :

Soient E et F deux ensembles non vides et f une application de E vers F .

1• Si f bijective alors son application réciproque f−1est bejective de F sur E et elle verifie

(

f−1

)

−1

=

f , f−1◦ f

=

IdE et f ◦ f−1

=

IdF.

2• f bijective si et seulement s’il existe une et une seul application bejective g de F sur E telle que f ◦ g

=

IdF et g ◦ f

=

IdE. Cela signifie que g

=

f−1.

Preuve :

dans E par f . Ce qui montre que la relation réciproque f−1 est une application de F vers E. Et comme f est une application alors, tout élément dans E a un et un seul antécédent dans F par f−1. Donc f−1 est bejective.

Pour la démonstration de

(

f−1

)

−1

=

f , on note f−1

=

g : F −→ E.

On a alors g−1 : E −→ F une application bejective, pour tout x ∈ E fixé, on a

(

f−1

)

−1

(

x

) =

g−1

(

x

) =

y

=

f

(

x

)

.

Montrons maintenant f−1◦ f

=

IdE pius f ◦ f−1

=

IdF.

Soient x ∈ E et y

=

f

(

x

)

. On a f−1◦ f

(

x

) =

f−1

(

f

(

x

)) =

f−1

(

y

) =

IdE

(

x

)

.

Ainsi ∀x ∈ E;f−1◦ f

(

x

) =

x, donc f−1◦ f

=

IdE.

Soient y ∈ F et x

=

f−1

(

y

)

. On af ◦ f−1

(

y

) =

ff−1

(

y

)



=

f

(

x

) =

IdF

(

y

)

.

Ainsi ∀y ∈ F ;f ◦ f−1

(

y

) =

y, donc f ◦ f−1

=

IdF.

2• ”

=

⇒ ” : Supposons f bijective, et montrons qu’il existe une application bejective g : F −→ E telle que f ◦ g

=

IdF et g ◦ f

=

IdE.

Comme f est bejective alors, d’après 1•, l’appliquation réciproque de f est f−1 : F −→ E donc il existe une application g

=

f−1 telle que f ◦ g

=

IdF et g ◦ f

=

IdE.

” ⇐

=

” : Supposons qu’il existe une application g : F −→ E telle que f ◦ g

=

IdF et g ◦ f

=

IdE et

montrons que f est bijective.

Pour l’injectivité de f : Soient

(

x1, x2

)

∈ E2 tel que f

(

x1

) =

f

(

x2

)

. On compose à gauche avec g on obtient

(

g ◦ f

) (

x1

) = (

g ◦ f

) (

x2

)

, on a alors IdE

(

x1

) =

IdE

(

x2

)

. Donc f est injective.

Pour la surjectivité de f : Puisque f ◦ g

=

IdF et que IdF est bejective, alors d’après la cinquième

propriété dans la proposition 2.5.19 f est surjective. Ce qui montre que f est bijective.

Pour la bejectivité de g : Puisque f ◦ g

=

IdF et g ◦ f

=

IdE et que IdE et IdF sont bejectives,

alors d’après la cinquième propriété dans la proposition 2.5.19 g est bejective.

Pour l’unicité de g : On suppose que h : F −→ E une autre application telle que h ◦ f

=

IdE et

f ◦ h

=

IdF, en particulier f ◦ h

=

IdF

=

f ◦ g, donc pour tout y ∈ F ; f

(

h

(

y

)) =

f

(

g

(

y

))

or f est

bejective alors elle est injective donc pour tout y ∈ F ; h

(

y

) =

g

(

y

)

, ceci montre que h

=

g.

Même si en particulier h ◦ f

=

IdE

=

g ◦ f , on a pour tout x ∈ E; h

(

f

(

x

)) =

g

(

f

(

x

))

, comme f

est bejective alors pour tout y ∈ F ; h

(

y

) =

g

(

y

)

. Pour g

=

f−1 : Sela s’obtient comme suit :

• IdE

=

g ◦ f ⇐⇒ IdE◦ f−1

= (

g ◦ f

)

◦ f−1 ⇐⇒ f−1

=

g ◦f ◦ f−1 ⇐⇒ f−1

=

g ◦ IdF

=

g. • f ◦ g

=

IdF ⇐⇒ f−1◦

(

f ◦ g

) =

f−1◦ IdF ⇐⇒f−1◦ f◦ g

=

f−1 ⇐⇒ g

=

IdE◦ g

=

f−1.

Commentaire : On ne peut pas passer de l’une des deux égalités g ◦ f

=

IdE et f ◦ g

=

IdF sans

l’autre pour deduire que f est bejective. Considérons par exemple les deux applications suivantes :

f : E ={−1, 0, 1, 2, 3} −→ F ={0, 1, 2, 3, 4, 5} g: F ={0, 1, 2, 3, 4, 5} −→ E ={−1, 0, 1, 2, 3} x 7−→ x+2. x 7−→      0 si x < 1 x − 2 si x ≥ 1. On remarque que l’élément 0 de F n’a pas d’antécédent par f dans E, ce qui montre que f n’est pas bijective. Pourtant, pour tout élément de E on a :

g(f(x)) =f(x)− 2=IdE(x)car pour tout x ∈ E; f(x)≥ 1.

Ainsi, pour tout élément de F − {0} on a :

f(g(x)) =g(x) +2=IdF −{0}(x)6= IdF(x), car f(g(0)) =f(0) =2. Conclusion 2.5.23 :

On dit queg : F −→ E est l’application réciproque de l’application bejectivef : E −→ F si et seulement si f ◦ g=IdF etg ◦ f =IdE.

Proposition 2.5.24 :

Soient E, F et G trois ensembles non vides, f : E −→ F et g : F −→ G deux applications bijectives.

L’application g ◦ f est bijective et sa bijection réciproque est (g ◦ f)−1 =f−1◦ g−1.

Preuve :

Supposons que f : E −→ F et g : F −→ G deux applications bijectives et montrons que g ◦ f est bijective. Puisque f et g sont à la fois injectives et surjectives on a alors, d’après les deux premières propriétés de la proposition 2.5.19, g ◦ f est elle aussi. Donc elle est bejective.

(g ◦ f)◦(g ◦ f)−1 =IdG ⇐⇒ g−1◦  (g ◦ f)◦(g ◦ f)−1=g−1◦ IdG ⇐⇒ g−1◦(g ◦ f) ◦(g ◦ f)−1 =g−1 (car 00◦00 associative) ⇐⇒ g−1◦ g◦ f (g ◦ f)−1=g−1 ⇐⇒(IdF ◦ f)◦(g ◦ f)−1 =g−1 (car g−1◦ g=IdF) ⇐⇒ f ◦(g ◦ f)−1 =g−1 ⇐⇒ f−1◦f ◦(g ◦ f)−1=f−1◦ g−1 ⇐⇒ f−1◦ f ◦(g ◦ f)−1 =f−1◦ g−1 ⇐⇒ IdE◦(g ◦ f)−1 =f−1◦ g−1 ⇐⇒(g ◦ f)−1 =f−1◦ g−1. Définition 2.5.25 :

Soit E un ensemble non vide. On appelleinvolution de E toute application f de E dans lui-même vérifiant f ◦ f =IdE.

Propriétés 2.5.26 :

Toute involution f de E est une bijection de E sur E et f−1 =f .

Preuve :

On applique la deuxième propriété de la proposition 2.5.22 dans le cas particulier où g =f .

2.6

Exercices

Exercice 2.6.1 :

Les fonctions suivantes sont-elles injectives, surjectives, bijectives ?

f : R −→ R+ g: C − {2i} −→ C h: ]−12,12[ −→ R x 7−→ x 2 |x|+1. z 7−→ z z − 2i. x 7−→ tan(πx). k: Z −→ N l: R −→ R n 7−→ k(n) =      2n, si n ≥ 0 −2n − 1, si n ≤ −1. x 7−→ eexx+−11 Exercice 2.6.2 : Soit f l’application de −π2,π2

1. Cette application est-elle injective ? est-elle surjective ? est-elle bijective ?

2. Déterminer l’ensemble A telle que la restriction de f à A est une bijection de A sur [0, 1].

Exercice 2.6.3 :

Démontrer que pour (A, B)∈(P(E))2 et x ∈ E on a : 1. IA(x) =IB(x)⇐⇒ A=B. 2. ICEA(x) =1 − IA(x). 3. IA∩B(x) =IA(x)IB(x). 4. IA∪B(x) =IA(x) +IB(x)− IA(x)IB(x). 5. IA−B(x) =IA(x)(1 − IB(x)). 6. IA∆B(x) =IA(x) +IB(x)− 2IA(x).IB(x). Exercice 2.6.4 :

Soient (A, B)∈(P(E))2 et f : P(E)−→P(A)×P(B)définie par : f(X) = (X ∩ A, X ∩ B). 1) Montrer que f est injective si et seulemnt si A ∪ B=E.

2) Montrer que f est surjectif si et seulement si A ∩ B=φ.

3) Donner une condition nécessaire et suffisante pour que f soit bijective. Donner f−1.

Exercice 2.6.5 :

Soit N l’ensemble des entiers naturels.

Soit n ∈N fixé. Montrer qu’il existe un couple unique d’entiers (a, b)vérifiant b=n −a(a2+1) et b ≤ a. 1. Montrer que l’application soivante :

f : N × N −→ N

(a, b) 7−→ (a+b)(2a+b+1)+b. est une bijection de N × N sur N.

Exercice 2.6.6 :

On considère quatre ensembles A, B, C et D et des applications f : A −→ B, g : B −→ C, h : C −→ D

Montrer que :

1. (g ◦ f) injective implique que f est injective.

2. Si(g ◦ f) est injective et f surjective alors g est injective.

3. (g ◦ f) surjective implique que g est surjective.

4. Si(g ◦ f) est surjective et f injective alors f est surjective.

Exercice 2.6.7 :

Soit

f : N2 −→ N

(n, p) 7−→ 2n(2p+1).

1) Démontrer que f est une bijection.

2) En déduire une bijection deN2 sur N.

Exercice 2.6.8 :

Soit

f : Z × N∗ −→ Q

(p, q) 7−→ p+ 1q. a. Montrer que f est injective.

b. Montrer que f n’est pas surjective.

Exercice 2.6.9 :

Soient E et F deux ensembles, A, B deux sous-ensembles de E, C, D deux sous-ensembles de F et f :

E −→ F une application donnée. Montrer ce qui suit :

1. A ⊂ B=⇒ f(A)⊂ f(B). La réciproque est-elle vraie ?.

2. f(A ∪ B) =f(A)∪ f(B).

3. f(A ∩ B)⊂ f(A)∩ f(B). Quelle est la condition sur f pour l’égalité ?.

4. C ⊂ D=⇒ f−1(C)⊂ f−1(D).

5. f−1(C ∪ D) =f−1(A)∪ f−1(B).

6. f−1(C ∩ D)⊂ f−1(C)∩ f−1(D).

Exercice 2.6.10 :

Soit f une fonction réelle d’une variable réelle définie par f(x) = s

1+x2

1 − x2.

1.) Montrer que f est ni injective, ni surjective.

2.) Donner les plus grands sous-ensembles E et F de R tels que la fonction g : E −→ F définie par g(x) =

s

1+x2

1 − x2 soit bijective.

3.) Écrire l’expression algébrique de g−1(x)où g−1 est la fonction réciproque de g.

Exercice 2.6.11 :

Soit f une fonction réelle d’une variable réelle définie par f(x) =ex21 +1.

a.) Calculer l’image directe de ]− 1, 2[ par la fonction f .

c.)Montrer que f est ni injective, ni surjective.

d.) Donner les plus grands sous-ensembles A et B de R tels que la fonction h : A −→ B définie par h(x) =ex21 +1 soit bijective.

Chapitre

3

Les fonctions réelles à une variable réelle

3.1

Fonctions réelles, définitions et propriétés

Définition 3.1.1 :

Une fonction d’une variable réelle à valeurs réelles est une relation, notée f de I ⊆R vers R, telle que pour tout antécédent x de I donné, est en relation au plus un et un seul image y dans R par f. On note :

f : I −→ R

x 7−→ f(x)

et F(I,R) l’ensemble des fonctions de I vers R.

Exemples 3.1.2 :

f : R∗ −→ R

x 7−→ f(x) = 1xcos(x1)

f est une fonction réelle d’une variable réelle.

g: C −→ R

z 7−→ g(z) = Re(|z|z)−1

g est une fonction réelle d’une variable complexe. Domaine de définition d’une fonction

Définition 3.1.3 :

Soit f une fonction réelle d’une variable réelle. On appelle l’ensemble de définition (ou domaine de définition) de f , on note Df l’ensemble des antécédents qui ont des images par la fonction f .

C’est-à-dire : si f : I ⊆R −→ I0 ⊆R. on a, alors

Df =x ∈ I tels que ∃y=f(x)∈ I0 .

f : R −→ R x 7−→ f(x) = √1 xln( x−1 x ), Df = n x ∈R tels que √1 xln( x−1 x )∈R o =nx ∈R tels que x > 0 ∧ x−1x > 0o = ]1,+∞[. g: Z −→ R n 7−→ g(n) = √|n| 4−n2, Dg = n x ∈Z tels que|n| 4−n2 ∈R o = x ∈Z tels que 4 − n2 > 0 ={−1, 0, 1} .

Représentation graphique d’une fonction

Définition 3.1.5 :

Le graphe ( ou courbe représentative) d’une fonction f : E ⊆R −→ F ⊆ R, est le sous-ensemble Gf (resp. ou Cf ) de E × F tel que :

Gf ={M(x, f(x)) / x ∈ Df ∧ f(x)∈ F } .

Opérations sur les fonctions

Définition 3.1.6 :

Soient f et g deux fonctions définies respectivement sur Df et Dg.

Domaine de définition de f+g, f − g et f × g est l’ensemble Df ∩ Dg, c’est-à-dire :

Df+g =Df −g =Df ×g =Df∩ Dg. Pour tout x ∈ Df∩ Dg, (f +g) (x) =f(x) +g(x),(f − g) (x) =f(x)− g(x) et (f × g) (x) =f(x)× g(x). Domaine de définition de f g est l’ensemble Df g = (Df∩ Dg)− {x ∈ Dg tels que g(x) =0} , et pour tout x ∈ Df g , fg(x) = fg((xx)).

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