Adloun

Les étoiles et les barres

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 18 — Dénombrement · C. Combinaisons et identités

Énoncé

Soient et .

a) Combien l'équation admet-elle de solutions ?

b) Que devient le compte si l'on impose pour tout ?

Corrigé

La stratégie. On ne compte pas les solutions, on les dessine : à chaque solution on associe un mot, et compter des mots, c'est choisir des positions — le geste des chemins de la grille, poussé là où il compte vraiment.

a) Le codage. À une solution on associe le mot formé de étoiles, puis une barre, puis étoiles, puis une barre, et ainsi de suite jusqu'aux étoiles finales : Ce mot compte étoiles au total, puisque , et barres : il est de longueur . Par exemple, pour et , la solution s'écrit — deux barres consécutives codent le zéro.

C'est une bijection. Réciproquement, tout mot de étoiles et barres se relit d'une unique façon : est le nombre d'étoiles entre la -ième barre et la -ième (avant la première pour , après la dernière pour ), et ces nombres sont des entiers naturels de somme . Le codage et le décodage sont inverses l'un de l'autre.

Le compte. Un tel mot est déterminé par les positions de ses barres parmi les places, les étoiles occupant le reste :

Le point délicat. Les peuvent être nuls, et c'est ce qui fait marcher le codage : deux barres consécutives, une barre en tête ou en queue, codent exactement un . Si l'on interdisait les blocs vides, la lecture ne serait plus surjective sur les mots.

b) Le cas . Le changement de variable est une bijection entre les solutions à coordonnées de et les solutions dans de . D'après a), il y en a nombre nul si , ce qui est correct : entiers au moins égaux à ont une somme au moins égale à . On peut aussi le voir directement sur le dessin : les étoiles étant alignées, il s'agit de placer barres dans les intervalles entre deux étoiles consécutives, sans en mettre deux au même endroit — choix.

Contrôle. , : solutions, et à coordonnées , à savoir les permutations de et de : . , : solutions, .

Ce que l'exercice installe. Encoder : un objet difficile à compter se traduit en un mot, et un mot à deux lettres se compte en choisissant les positions d'une lettre. Le même nombre compte les façons de ranger boules indiscernables dans boîtes, les monômes de degré en variables, et il apparaît au chapitre 17 comme coefficient de dans . Une variante utile : les solutions de sont celles de avec une variable d'écart, soit .

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