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mathématiques MPSI · Chapitre 1 · Application directe du cours

Soit f : E → E telle que f ∘ f ∘ f = f. Montrer que f est injective si…

Raisonnement et vocabulaire ensembliste · F. Applications, images directes et réciproques · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Soit telle que . Montrer que est injective si et seulement si est surjective.

Corrigé

On suppose telle que , c'est-à-dire :

1) Si est injective, alors est surjective.

Soit . L'hypothèse donne : les deux éléments et ont la même image par . L'injectivité impose donc Soit maintenant quelconque. En posant , on obtient : tout élément de est atteint. Donc est surjective.

2) Si est surjective, alors est injective.

Soit . Par surjectivité, il existe tel que . Alors et l'on retrouve, cette fois pour tout : Soient enfin tels que . En appliquant : , c'est-à-dire . Donc est injective.

Ce que la démonstration a réellement établi. Dans les deux cas, on a démontré au passage la même chose : Autrement dit, dès que possède l'une des deux propriétés, elle est bijective et égale à sa propre réciproque — c'est une involution. La conclusion est donc bien plus forte que l'équivalence demandée.

La condition est nécessaire. Sans l'hypothèse , l'équivalence tombe : sur , l'application est injective sans être surjective, et est surjective sans être injective. C'est bien la relation qui verrouille les deux propriétés l'une à l'autre.

(Sur un ensemble fini, injectivité et surjectivité sont équivalentes pour toute application — c'est le principe des tiroirs. L'intérêt de cet exercice est qu'il ne suppose rien sur : c'est l'équation , et non la finitude, qui fait le travail.)

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