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Trois inclusions et ce qu'elles mesurent

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 1 — Raisonnement et vocabulaire ensembliste · F. Applications, images directes et réciproques

Énoncé

Soit une application.

a) Montrer que pour toutes parties de , , et donner un exemple où l'inclusion est stricte.

b) Montrer que pour toute partie de , , et que pour toute partie de , .

c) Montrer que les trois propriétés suivantes sont équivalentes : (i) est injective ; (ii) pour toute partie de , ; (iii) pour toutes parties de , .

d) Montrer que est surjective si et seulement si, pour toute partie de , .

Corrigé

Ce qu'on a le droit d'utiliser. Uniquement les définitions : signifie qu'il existe tel que ; signifie . Toute la difficulté de l'exercice est de ne rien utiliser d'autre.

a) L'image d'une intersection. Soit . Il existe tel que . Comme , ; comme , . Donc .

Exemple d'inclusion stricte. Prenons , , et . Alors donc , tandis que . L'inclusion est stricte, et l'on voit déjà pourquoi : deux éléments distincts ont la même image.

b) Les deux inclusions. Soit . Alors par définition de l'image directe, donc par définition de l'image réciproque : .

Soit . Il existe tel que . Or signifie , donc : .

c) Les trois caractérisations de l'injectivité. On montre (i) (ii), (ii) (i), (i) (iii) et (iii) (i).

(i) (ii). Supposons injective et soit . Soit : alors , donc pour un certain , et l'injectivité donne . Ainsi , et avec le b), .

(ii) (i). Supposons l'égalité vraie pour toute partie, et soient tels que . Appliquons-la à : , donc , soit . (Le singleton est le bon choix : c'est la plus petite partie qui contienne , donc celle qui contraint le plus.)

(i) (iii). Supposons injective. Avec le a), il reste à montrer . Soit : il existe et tels que . Par injectivité , donc et .

(iii) (i). Supposons l'égalité vraie pour toutes parties, et soient tels que . Si l'on avait , les singletons et seraient disjoints, d'où , alors que — contradiction. Donc .

d) La caractérisation de la surjectivité. Supposons surjective et soit . Soit : il existe avec ; comme , , donc . Avec le b), .

Réciproquement, supposons l'égalité vraie pour toute partie et appliquons-la à : , ce qui est exactement la surjectivité.

Ce que montrent les contre-exemples. Avec , , qui n'est ni injective ni surjective : donne — l'antécédent de trop vient du défaut d'injectivité ; donne — le point manquant vient du défaut de surjectivité.

Ce que l'exercice installe. Les trois inclusions ne sont pas trois accidents séparés : chacune mesure exactement l'un des deux défauts possibles d'une application. Une propriété ensembliste, vraie pour toutes les parties, caractérise une propriété ponctuelle de — et le passage de l'une à l'autre se fait toujours par le même geste, le choix d'un singleton.

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