mathématiques (terminale) · Chapitre 11 · Exercice de TD
Problème — Dénombrer avec le produit cartésien et la bijection
Vocabulaire ensembliste et logique · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Problème — Dénombrer avec le produit cartésien et la bijection. Un ensemble possède éléments, notés .
- Combien y a-t-il de -uplets d'éléments de ? Justifier avec le produit cartésien.
- Construire explicitement une correspondance entre les parties de et ces -uplets. Pourquoi est-ce une bijection ?
- En déduire le nombre de parties de .
- Détailler la correspondance pour et vérifier le compte.
- Combien y a-t-il de parties de contenant ? Répondre en modifiant le codage, sans utiliser de coefficient binomial.
Corrigé
- L'ensemble de ces -uplets est le produit cartésien ( facteurs). D'après le principe multiplicatif du chapitre 7 :
Autrement dit, chaque coordonnée se choisit indépendamment parmi deux valeurs, et les choix se multiplient.
- À une partie , associons le -uplet défini par
Montrons que est une bijection de l'ensemble des parties de sur , c'est-à-dire que tout -uplet a un antécédent et un seul.
- Existence : soit . La partie vérifie bien .
- Unicité : si deux parties et ont le même codage, alors pour chaque , appartient à exactement quand il appartient à ; les deux parties ont donc les mêmes éléments, donc .
Chaque -uplet a donc un antécédent et un seul : est une bijection.
- Deux ensembles finis en bijection ont le même nombre d'éléments : ce qui est compté d'un côté est compté de l'autre, sans oubli ni doublon. Donc possède exactement parties — c'est le théorème du chapitre 7, et sa démonstration tient tout entière dans cette bijection.
- Pour :
On compte parties d'un côté, triplets de l'autre, et : tout concorde.
- Imposer , c'est imposer . La première coordonnée n'offre alors plus qu'un seul choix, les autres restant libres :
Il y a donc parties contenant — soit exactement la moitié, ce qui se comprend : ajouter ou retirer appaire les parties deux à deux. On voit ici l'intérêt du codage : une contrainte sur les éléments devient une contrainte sur une coordonnée du produit cartésien, et le dénombrement redevient une simple multiplication.
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