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Topos Uranos

Résumé

Cette leçon étudie les techniques élémentaires qui permettent de compter les éléments d’un ensemble fini sans les énumérer un par un. Elle définit le nombre d’éléments d’un ensemble fini au moyen de bijections, démontre à partir de cette définition les principes additif et multiplicatif, en déduit le nombre de permutations, d’arrangements et de combinaisons, et définit les coefficients binomiaux, dont la symétrie et la formule de Pascal se démontrent aussi bien par dénombrement que par le calcul. Elle range ensuite ces coefficients dans le triangle de Pascal, démontre par récurrence la formule du binôme de Newton, qui généralise les identités remarquables, et l’applique au développement de puissances, à la recherche d’un coefficient et à l’approximation numérique. C’est la dernière leçon de contenus de l’unité consacrée aux entiers naturels, qui se termine par la leçon de synthèse et défis.

Objectifs d’apprentissage

  1. Appliquer les principes additif et multiplicatif pour compter sans énumérer, en séparant des cas quand les conditions d’un choix interfèrent.
  2. Distinguer permutations, arrangements et combinaisons, et calculer leur nombre au moyen de la factorielle.
  3. Démontrer les propriétés des coefficients binomiaux par dénombrement et par le calcul, et construire avec elles le triangle de Pascal.
  4. Démontrer la formule du binôme de Newton et l’appliquer au développement de puissances, au calcul de coefficients et à l’approximation de puissances.

Les principes de dénombrement

Compter les éléments d’un ensemble fini est l’opération la plus élémentaire de l’arithmétique tant que l’ensemble peut être parcouru élément par élément. Cependant, quand les éléments sont les façons d’effectuer un choix composé, comme ranger dix livres sur une étagère ou choisir une délégation de trois personnes parmi trente, l’énumération devient impraticable, et le nombre s’obtient en décomposant le choix en morceaux ou en phases. Toute la combinatoire élémentaire repose sur deux principes, qui se démontrent à partir d’une définition précise de ce que signifie compter.

Compter les éléments d’un ensemble, c’est les numéroter : associer à chaque nombre de 11 à nn un élément, sans en répéter aucun et sans en omettre aucun. On dit qu’un ensemble AA a nn éléments, où nn est un entier naturel, lorsqu’il existe une bijection de l’ensemble {1,2,…,n}\{1, 2, \ldots, n\} sur AA, c’est-à-dire une fonction qui envoie des nombres distincts sur des éléments distincts et atteint tous les éléments de AA ; l’ensemble vide a 00 élément, et un ensemble est fini s’il est vide ou s’il a nn éléments pour un certain entier naturel nn. Les bijections, leur composition et leur réciproque sont étudiées dans la leçon sur les ensembles, relations et fonctions.

Fait admis (nombre d’éléments). On admet sans démonstration que le nombre d’éléments d’un ensemble fini est bien défini : un ensemble ne peut pas avoir à la fois mm éléments et nn éléments si m≠nm \neq n. On admet aussi que tout sous-ensemble d’un ensemble fini est fini.

Les deux faits se démontrent par récurrence sur nn ; le premier est, au fond, le principe des tiroirs, selon lequel il n’existe aucune fonction qui envoie les n+1n + 1 nombres de {1,…,n+1}\{1, \ldots, n + 1\} sur des nombres distincts de {1,…,n}\{1, \ldots, n\}. Leurs démonstrations sont longues et n’apportent aucune idée utilisée par la suite ; c’est pourquoi on les admet. Sans le premier, l’expression « le nombre d’éléments » n’aurait pas de sens, et une démonstration combinatoire, qui compte un même ensemble de deux façons, ne pourrait pas conclure que les deux résultats sont égaux.

PropositionPrincipe additif

Si AA a mm éléments, si BB a nn éléments et si AA et BB n’ont aucun élément commun, alors A∪BA \cup B a m+nm + n éléments. La figure suit la démonstration avec m=3m = 3 et n=2n = 2.

Démonstration

  1. A={f(1),…,f(m)},B={g(1),…,g(n)}A = \{f(1), \ldots, f(m)\}, \quad B = \{g(1), \ldots, g(n)\}

    Par hypothèse, il existe une bijection ff de {1,…,m}\{1, \ldots, m\} sur AA et une autre, gg, de {1,…,n}\{1, \ldots, n\} sur BB : les éléments de chaque ensemble sont numérotés sans répétition.

  2. i≤m ∨ i=m+j,1≤j≤n\dato{p}{i \leq m \ \vee \ i = m + j, \quad 1 \leq j \leq n}

    Par la trichotomie, tout nombre ii de 11 à m+nm + n vérifie i≤mi \leq m ou i>mi > m ; dans le second cas, par la définition de l’ordre, i=m+ji = m + j pour un entier naturel jj, unique par la simplification de l’addition, et j≤nj \leq n par la monotonie de l’addition.

  3. h(i)=f(i),h(m+j)=g(j)\dato{h}{h(i) = f(i), \quad h(m + j) = g(j)}

    Nous définissons hh sur {1,…,m+n}\{1, \ldots, m + n\} : les mm premiers nombres sont numérotés comme avec ff, et les nn suivants, comme avec gg.

  4. A∩B=∅→f(i)≠g(j)A \cap B = \emptyset \rightarrow \resaltar{f(i) \neq g(j)}

    La fonction hh envoie des nombres distincts sur des éléments distincts : deux nombres du même groupe, parce que ff et gg le font ; deux nombres de groupes différents, parce qu’ils vont vers un élément de AA et vers un élément de BB, qui n’ont aucun élément commun.

  5. A∪B={h(1),…,h(m),h(m+1),…,h(m+n)}A \cup B = \{h(1), \ldots, h(m), h(m + 1), \ldots, h(m + n)\}

    La fonction hh atteint tous les éléments de la réunion : ceux de AA sont des valeurs de ff, et ceux de BB, des valeurs de gg.

  6. h:{1,…,m+n}→A∪Bh : \{1, \ldots, \resaltar{m + n}\} \to A \cup B

    Par conséquent, hh est une bijection de {1,…,m+n}\{1, \ldots, m + n\} sur A∪BA \cup B, et la réunion a m+nm + n éléments. Si l’un des ensembles est vide, l’affirmation est immédiate.

Par récurrence sur le nombre d’ensembles réunis, le principe s’étend à toute famille finie d’ensembles deux à deux disjoints : la réunion de A1,…,ArA_1, \ldots, A_r, qui ont n1,…,nrn_1, \ldots, n_r éléments, a n1+⋯+nrn_1 + \cdots + n_r éléments, car la réunion des r+1r + 1 premiers est celle des rr premiers et du dernier, qui n’a aucun élément commun avec eux. On en déduit le second principe, qui compte les choix effectués par phases.

PropositionPrincipe multiplicatif

Si un choix s’effectue en deux phases, la première de mm façons et la seconde, quelle qu’ait été la première, de nn façons, le choix complet peut s’effectuer de m⋅nm \cdot n façons. La figure représente chaque choix complet par un point, dans la ligne de sa première phase, avec n=4n = 4.

Démonstration

  1. E=E1∪E2∪⋯∪EmE = E_1 \cup E_2 \cup \cdots \cup E_m

    Nous regroupons les choix complets selon la première phase : il y a mm classes E1,…,EmE_1, \ldots, E_m sans élément commun, et chacune a nn éléments, les nn façons de compléter ce premier choix.

  2. 1⋅n=n1 \cdot n = n

    Nous raisonnons par récurrence sur le nombre mm de classes. Initialisation : si m=1m = 1, tous les choix sont dans E1E_1, qui a nn éléments.

  3. E1∪⋯∪Ek,k⋅n\dato{h}{E_1 \cup \cdots \cup E_k}, \quad k \cdot n

    Hérédité : nous supposons que la réunion de kk classes sans élément commun, de nn éléments chacune, a k⋅nk \cdot n éléments.

  4. (E1∪⋯∪Ek)∪Ek+1,k⋅n+n(E_1 \cup \cdots \cup E_k) \cup \resaltar{E_{k + 1}}, \quad k \cdot n + \resaltar{n}

    La réunion de k+1k + 1 classes est celle des kk premières et de la dernière, qui n’a aucun élément commun avec elles ; par le principe additif, elle a k⋅n+nk \cdot n + n éléments.

  5. k⋅n+n=(k+1)⋅nk \cdot n + n = \resaltar{(k + 1) \cdot n}

    Par le lemme S(k)⋅n=k⋅n+nS(k) \cdot n = k \cdot n + n, démontré pour établir la commutativité de la multiplication dans la leçon sur les opérations, ce nombre est (k+1)⋅n(k + 1) \cdot n.

  6. E1∪⋯∪Em,m⋅nE_1 \cup \cdots \cup E_m, \quad \resaltar{m \cdot n}

    Par le principe de récurrence, la réunion de mm classes a m⋅nm \cdot n éléments : le choix complet peut s’effectuer de m⋅nm \cdot n façons. Sur la figure, 3⋅4=123 \cdot 4 = 12.

De même, par récurrence sur le nombre de phases, le principe multiplicatif s’étend à tout nombre fini de phases : un choix en rr phases, qui peuvent s’effectuer respectivement de n1,n2,…,nrn_1, n_2, \ldots, n_r façons, peut s’effectuer de n1n2⋯nrn_1 n_2 \cdots n_r façons. Par exemple, dans le système décimal étudié dans la leçon sur les systèmes de numération de position, il y a 9⋅10⋅10=9009 \cdot 10 \cdot 10 = 900 nombres de trois chiffres, car le premier chiffre ne peut pas être 00 et les deux autres sont libres. Il convient de remarquer que le principe multiplicatif exige que le nombre d’options de chaque phase ne dépende pas de ce qui a été choisi auparavant, même si les options elles-mêmes en dépendent ; si cette condition n’est pas remplie, on sépare des cas dans lesquels elle l’est et on additionne leurs résultats par le principe additif.

Les phases successives d’un choix se représentent par un arbre de dénombrement : d’un point initial, la racine, partent autant de branches que la première phase a d’options ; de l’extrémité de chaque branche, autant que la deuxième en a, et ainsi de suite. Chaque parcours de la racine à une extrémité finale, ou feuille, est un choix complet, et le principe multiplicatif compte les feuilles sans les dessiner.

ExempleNombres de trois chiffres formés avec les chiffres 11, 22 et 33

Compter les nombres de trois chiffres qu’on peut écrire avec les chiffres 11, 22 et 33 sans en répéter aucun, et les comparer avec ceux qu’on obtient si la répétition est permise.

Démonstration

  1. 3\resaltar{3}

    Le premier chiffre peut être n’importe lequel des trois : trois branches partent de la racine.

  2. 3⋅2=63 \cdot \resaltar{2} = \resaltar{6}

    Une fois le premier chiffre choisi, il en reste deux pour le deuxième, quel qu’ait été le premier : chaque branche se divise en deux, et par le principe multiplicatif il y a six débuts possibles.

  3. 3⋅2⋅1=6\dato{p}{3 \cdot 2 \cdot \resaltar{1} = \resaltar{6}}

    Pour le troisième chiffre il ne reste qu’une possibilité, de sorte que chaque début se complète d’une seule façon.

  4. 123, 132, 213, 231, 312, 321123, \ 132, \ 213, \ 231, \ 312, \ 321

    Les feuilles de l’arbre, lues depuis la racine, sont les six nombres cherchés, rangés par ordre croissant.

  5. 3⋅3⋅3=27\resaltar{3 \cdot 3 \cdot 3} = \resaltar{27}

    Si la répétition des chiffres est permise, chaque phase a trois options, et l’arbre a beaucoup plus de feuilles que dans le cas sans répétition.