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Leçon 1

Ensembles, principe additif et principe multiplicatif

Vidéo 1 : Ensembles, principe additif et principe multiplicatif · 4 min 04 s · sous-titres en français

Le cours écrit

1.1 Vocabulaire des ensembles

Un ensemble fini EE est formé d'un nombre fini d'objets, ses éléments. On écrit x∈Ex \in E (« xx appartient à EE »). On peut donner un ensemble en extension, en écrivant ses éléments entre accolades : E={a ;b ;c}E = \{a\,;b\,;c\}. L'ordre d'écriture ne compte pas, et chaque élément n'est écrit qu'une fois : {a ;b ;c}={c ;a ;b}\{a\,;b\,;c\} = \{c\,;a\,;b\}.

  • Le cardinal de EE, noté Card(E)\mathrm{Card}(E), est son nombre d'éléments. Par exemple Card({a ;b ;c})=3\mathrm{Card}(\{a\,;b\,;c\}) = 3.
  • L'ensemble vide, noté ∅\varnothing, n'a aucun élément : Card(∅)=0\mathrm{Card}(\varnothing) = 0.
  • AA est une partie (ou un sous-ensemble) de EE, et on note A⊂EA \subset E, si tout élément de AA est un élément de EE. L'ensemble vide et EE lui-même sont des parties de EE.
  • Pour deux parties AA et BB de EE : l'intersection A∩BA \cap B contient les éléments communs à AA et à BB ; la réunion A∪BA \cup B contient les éléments qui sont dans AA ou dans BB (ou dans les deux) ; le complémentaire de AA dans EE, noté A‾\overline{A} ou E∖AE \setminus A, contient les éléments de EE qui ne sont pas dans AA.
  • AA et BB sont disjoints s'ils n'ont aucun élément commun : A∩B=∅A \cap B = \varnothing.

1.2 Le principe additif

Propriété (programme : principe additif). Si AA et BB sont deux ensembles finis disjoints, alors Card(A∪B)=Card(A)+Card(B).\mathrm{Card}(A \cup B) = \mathrm{Card}(A) + \mathrm{Card}(B). Plus généralement, si A1,A2,…,ApA_1, A_2, \ldots, A_p sont des ensembles finis deux à deux disjoints, alors Card(A1∪A2∪⋯∪Ap)=Card(A1)+Card(A2)+⋯+Card(Ap)\mathrm{Card}(A_1 \cup A_2 \cup \cdots \cup A_p) = \mathrm{Card}(A_1) + \mathrm{Card}(A_2) + \cdots + \mathrm{Card}(A_p).

Exemple 1. Le jeudi après-midi, un lycée propose 44 sports et 33 ateliers artistiques. Chaque élève choisit une seule activité. Les deux listes n'ont aucune activité en commun : il y a 4+3=74 + 3 = 7 choix possibles.

Conséquence : le complémentaire. Une partie AA de EE et son complémentaire A‾\overline{A} sont disjoints, et leur réunion est EE. Donc Card(A‾)=Card(E)−Card(A).\mathrm{Card}(\overline{A}) = \mathrm{Card}(E) - \mathrm{Card}(A). C'est souvent plus rapide de compter ce que l'on ne veut pas, puis de le retirer du total.

Quand les ensembles ne sont pas disjoints, on découpe en morceaux disjoints.

Exemple 2. Dans une classe de 3535 élèves, 1818 chantent dans la chorale, 1010 font partie du club d'échecs, et 44 font les deux.

  • Seulement la chorale : 18−4=1418 - 4 = 14 élèves ; seulement les échecs : 10−4=610 - 4 = 6 élèves ; les deux : 44 élèves.
  • Ces trois groupes sont disjoints. Par le principe additif, 14+6+4=2414 + 6 + 4 = 24 élèves pratiquent au moins l'une des deux activités.
  • Par complémentaire, 35−24=1135 - 24 = 11 élèves ne pratiquent aucune des deux.

On peut ranger ces nombres dans un tableau à double entrée :

Échecs Pas échecs Total
Chorale 44 1414 1818
Pas chorale 66 1111 1717
Total 1010 2525 3535

Remarque. Ce découpage donne la formule Card(A∪B)=Card(A)+Card(B)−Card(A∩B)\mathrm{Card}(A \cup B) = \mathrm{Card}(A) + \mathrm{Card}(B) - \mathrm{Card}(A \cap B) : dans Card(A)+Card(B)\mathrm{Card}(A) + \mathrm{Card}(B), les éléments de A∩BA \cap B sont comptés deux fois. Ici, 18+10−4=2418 + 10 - 4 = 24.

1.3 Couples, kk-uplets et produit cartésien

Ces notions sont définies pour des ensembles quelconques, finis ou non.

  • Un couple (x ;y)(x\,;y) est formé d'un premier élément xx et d'un second élément yy. L'ordre compte : (1 ;2)≠(2 ;1)(1\,;2) \neq (2\,;1). Deux couples sont égaux quand ils ont le même premier élément et le même second élément. Un couple peut avoir deux fois le même élément : (1 ;1)(1\,;1).
  • Le produit cartésien de deux ensembles EE et FF est l'ensemble des couples dont le premier élément est dans EE et le second dans FF : E×F={(x ;y) avec x∈E et y∈F}.E \times F = \{(x\,;y) \text{ avec } x \in E \text{ et } y \in F\}.
  • De même, un triplet (x ;y ;z)(x\,;y\,;z) a trois éléments rangés dans un ordre, et un kk-uplet (ou kk-liste) (x1 ;x2 ;… ;xk)(x_1\,;x_2\,;\ldots\,;x_k) en a kk. Le produit cartésien E1×E2×⋯×EkE_1 \times E_2 \times \cdots \times E_k est l'ensemble des kk-uplets dont le premier élément est dans E1E_1, le deuxième dans E2E_2, etc.
  • Si AA est un ensemble, on note Ak=A×A×⋯×AA^k = A \times A \times \cdots \times A (kk facteurs) l'ensemble des kk-uplets d'éléments de AA.

Exemples. Les couples de réels forment R2=R×R\mathbb{R}^2 = \mathbb{R} \times \mathbb{R} : ce sont les coordonnées des points du plan dans un repère. Les triplets de réels forment R3\mathbb{R}^3, qui repère les points de l'espace (chapitre 3).

1.4 Le principe multiplicatif

Propriété (programme : principe multiplicatif). Si EE et FF sont deux ensembles finis, alors Card(E×F)=Card(E)×Card(F).\mathrm{Card}(E \times F) = \mathrm{Card}(E) \times \mathrm{Card}(F). Plus généralement, Card(E1×E2×⋯×Ek)=Card(E1)×Card(E2)×⋯×Card(Ek)\mathrm{Card}(E_1 \times E_2 \times \cdots \times E_k) = \mathrm{Card}(E_1) \times \mathrm{Card}(E_2) \times \cdots \times \mathrm{Card}(E_k).

Pourquoi. Si Card(E)=n\mathrm{Card}(E) = n et Card(F)=p\mathrm{Card}(F) = p, on range les couples dans un tableau à nn lignes (une par élément de EE) et pp colonnes (une par élément de FF) : il a n×pn \times p cases. On peut aussi dire que E×FE \times F est la réunion des nn ensembles disjoints {x}×F\{x\} \times F, qui ont chacun pp éléments : principe additif.

Exemple 3. On lance une pièce, puis un dé à six faces. Une issue est un couple, par exemple (P ;3)(P\,;3) (pile, puis trois). L'ensemble des issues est {P ;F}×{1 ;2 ;3 ;4 ;5 ;6}\{P\,;F\} \times \{1\,;2\,;3\,;4\,;5\,;6\} : il y a 2×6=122 \times 6 = 12 issues.

Exemple 4. La cantine propose 22 entrées, 33 plats et 22 desserts. Un menu est un triplet (entrée ; plat ; dessert). Il y a 2×3×2=122 \times 3 \times 2 = 12 menus. Un arbre les montre tous : 22 branches au premier niveau, puis 33 branches au bout de chacune, puis 22 : 1212 chemins.

En pratique. Quand on fait un choix en plusieurs étapes, et que le nombre de possibilités à chaque étape ne dépend pas des choix précédents, on multiplie ces nombres.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : vélos et trottinettes
  • Exercice 2 : produit cartésien et formules de boulangerie

Exercices du chapitre (PDF, 144 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 166 Ko)

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