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Chapitre 6 · Cours écrit

Dénombrement

Dénombrer, c'est compter les éléments d'un ensemble fini sans les écrire un par un : les codes d'un cadenas, les menus d'une cantine, les mains d'un jeu de cartes. On apprend à reconnaître l'objet à compter (une liste, une liste d'éléments distincts, une partie), puis on applique la formule qui lui correspond. Ces outils serviront au chapitre 11, pour la loi binomiale.

Leçon 1 : Ensembles, principe additif et principe multiplicatif

Voir la vidéo de la leçon 1

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.

Leçon 2 : Listes et parties d'un ensemble

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 Nombre de kk-uplets

Propriété (programme). Si AA est un ensemble à nn éléments et k≥1k \geq 1 un entier, le nombre de kk-uplets (ou kk-listes) d'éléments de AA est Card(Ak)=nk.\mathrm{Card}(A^k) = n^k.

C'est le principe multiplicatif avec kk facteurs égaux à nn : nn choix pour le premier élément, nn pour le deuxième, et ainsi de suite. Dans un kk-uplet, l'ordre compte et les répétitions sont permises.

Exemple 5 (un code). Un cadenas a quatre molettes, chacune avec les chiffres de 00 à 99. Un code est un 44-uplet de {0 ;1 ;… ;9}\{0\,;1\,;\ldots\,;9\} : il y a 104=10 00010^4 = 10\,000 codes, de 00000000 à 99999999.

Exemple 6 (génétique). L'ADN est écrit avec quatre bases, notées AA, CC, GG et TT. Une suite de trois bases, appelée codon, est un triplet de {A ;C ;G ;T}\{A\,;C\,;G\,;T\} : il y a 43=644^3 = 64 codons.

Exemple 7 (informatique). Un octet est une suite de huit bits, chacun valant 00 ou 11 : c'est un 88-uplet de {0 ;1}\{0\,;1\}. Il y a 28=2562^8 = 256 octets différents.

2.2 Nombre de parties d'un ensemble

Les parties de E={a ;b ;c}E = \{a\,;b\,;c\}, rangées selon leur nombre d'éléments, sont :

  • ∅\varnothing ;
  • {a}\{a\}, {b}\{b\}, {c}\{c\} ;
  • {a ;b}\{a\,;b\}, {a ;c}\{a\,;c\}, {b ;c}\{b\,;c\} ;
  • {a ;b ;c}\{a\,;b\,;c\}.

Il y en a 8=238 = 2^3.

Propriété (programme). Un ensemble à nn éléments a 2n2^n parties.

Pourquoi : un codage par des 0 et des 1. Écrivons E={x1 ;x2 ;… ;xn}E = \{x_1\,;x_2\,;\ldots\,;x_n\}. À chaque partie AA de EE, on associe le nn-uplet (c1 ;c2 ;… ;cn)(c_1\,;c_2\,;\ldots\,;c_n) de {0 ;1}\{0\,;1\} défini par : ci=1c_i = 1 si xi∈Ax_i \in A, et ci=0c_i = 0 sinon.

  • Pour E={a ;b ;c}E = \{a\,;b\,;c\} : {a ;c}\{a\,;c\} est codée par (1 ;0 ;1)(1\,;0\,;1), ∅\varnothing par (0 ;0 ;0)(0\,;0\,;0) et EE par (1 ;1 ;1)(1\,;1\,;1).
  • Inversement, un nn-uplet de {0 ;1}\{0\,;1\} code une seule partie : celle des éléments xix_i pour lesquels ci=1c_i = 1.

Chaque partie correspond ainsi à un nn-uplet de {0 ;1}\{0\,;1\} et un seul, et réciproquement (c'est une bijection). Il y a donc autant de parties que de nn-uplets de {0 ;1}\{0\,;1\}, c'est-à-dire 2n2^n.

Trois autres façons de voir ces 2n2^n objets (programme).

  • Des mots de longueur nn sur un alphabet à deux lettres : (1 ;0 ;1)(1\,;0\,;1) s'écrit simplement 101101.
  • Des chemins dans un arbre à nn niveaux, avec deux branches à chaque nœud : au niveau ii, on prend xix_i ou on ne le prend pas. L'arbre a 2n2^n chemins.
  • Les issues d'une succession de nn épreuves à deux issues, succès SS ou échec S‾\overline{S} (les épreuves de Bernoulli du chapitre 11) : une issue est un nn-uplet de {S ;S‾}\{S\,;\overline{S}\}, et il y en a 2n2^n. Pour n=3n = 3 : SSSSSS, SSS‾SS\overline{S}, SS‾SS\overline{S}S, SS‾ S‾S\overline{S}\,\overline{S}, S‾SS\overline{S}SS, S‾SS‾\overline{S}S\overline{S}, S‾ S‾S\overline{S}\,\overline{S}S, S‾ S‾ S‾\overline{S}\,\overline{S}\,\overline{S}.

Exemple 8. Une pizzeria propose une base, sur laquelle on ajoute ou non chacun de 66 ingrédients. Une pizza correspond à une partie de l'ensemble des 66 ingrédients : il y a 26=642^6 = 64 pizzas différentes, en comptant la pizza sans ingrédient (la partie vide).

Leçon 3 : Listes d'éléments distincts, permutations

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 Un exemple : le podium

Huit nageuses disputent la finale d'un 100100 mètres. Combien de podiums (or, argent, bronze) sont possibles ?

  • 88 choix pour la médaille d'or ;
  • puis 77 pour l'argent (toutes sauf la gagnante) ;
  • puis 66 pour le bronze.

Le nombre de choix à chaque étape ne dépend pas des choix déjà faits. Par le principe multiplicatif, il y a 8×7×6=3368 \times 7 \times 6 = 336 podiums. Un podium est un triplet de nageuses distinctes.

3.2 Nombre de kk-uplets d'éléments distincts

Propriété (programme). Soit EE un ensemble à nn éléments et kk un entier tel que 1≤k≤n1 \leq k \leq n. Le nombre de kk-uplets d'éléments distincts de EE est n(n−1)(n−2)⋯(n−k+1)(k facteurs).n(n-1)(n-2)\cdots(n-k+1) \qquad (k \text{ facteurs}).

Pourquoi. On choisit les éléments un par un : nn choix pour le premier, n−1n - 1 pour le deuxième (tous sauf le premier), …, n−k+1n - k + 1 pour le kk-ième. Si k>nk > n, il n'existe aucun kk-uplet d'éléments distincts.

Exemple 9. Un code de 44 chiffres dont les chiffres sont tous différents est un 44-uplet d'éléments distincts de {0 ;1 ;… ;9}\{0\,;1\,;\ldots\,;9\} : il y en a 10×9×8×7=5 04010 \times 9 \times 8 \times 7 = 5\,040. Par complémentaire, 10 000−5 040=4 96010\,000 - 5\,040 = 4\,960 codes ont au moins deux chiffres égaux.

3.3 La factorielle

Définition (programme). Pour tout entier n≥1n \geq 1, la factorielle de nn est n!=1×2×3×⋯×n.n! = 1 \times 2 \times 3 \times \cdots \times n. Par convention, 0!=10! = 1. On lit « factorielle nn ».

nn 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 1010
n!n! 11 11 22 66 2424 120120 720720 5 0405\,040 40 32040\,320 362 880362\,880 3 628 8003\,628\,800

Pour tout entier n≥0n \geq 0, (n+1)!=(n+1)×n!(n + 1)! = (n + 1) \times n!. La factorielle grandit très vite : 20!≈2,43×101820! \approx 2{,}43 \times 10^{18}.

3.4 Permutations

Définition. Une permutation d'un ensemble fini EE à nn éléments est un nn-uplet d'éléments distincts de EE : c'est une façon de ranger tous les éléments de EE dans un ordre.

Propriété (programme). Le nombre de permutations d'un ensemble à nn éléments est n!n!.

C'est le cas k=nk = n de la propriété 3.2 : n(n−1)⋯2×1=n!n(n - 1) \cdots 2 \times 1 = n!.

Exemple 10. Les permutations de {a ;b ;c}\{a\,;b\,;c\} sont (a ;b ;c)(a\,;b\,;c), (a ;c ;b)(a\,;c\,;b), (b ;a ;c)(b\,;a\,;c), (b ;c ;a)(b\,;c\,;a), (c ;a ;b)(c\,;a\,;b) et (c ;b ;a)(c\,;b\,;a) : il y en a 3!=63! = 6.

Exemple 11. On range 55 livres différents sur une étagère : il y a 5!=1205! = 120 rangements. De même, en mélangeant les cinq lettres, toutes différentes, du mot PLAGE, on écrit 120120 mots (qui ont un sens ou non).

3.5 Écriture avec des factorielles

Pour 1≤k≤n1 \leq k \leq n : n(n−1)⋯(n−k+1)=n!(n−k)!,n(n-1)\cdots(n-k+1) = \frac{n!}{(n-k)!}, car les facteurs de 11 à n−kn - k de n!n! se simplifient avec ceux de (n−k)!(n - k)!. Par exemple, 8×7×6=8!5!=40 320120=3368 \times 7 \times 6 = \dfrac{8!}{5!} = \dfrac{40\,320}{120} = 336.

Leçon 4 : Combinaisons

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 Définition

Définition (programme). Soit EE un ensemble à nn éléments et kk un entier tel que 0≤k≤n0 \leq k \leq n. Une combinaison de kk éléments de EE est une partie de EE à kk éléments. Leur nombre se note (nk),qui se lit « k parmi n ».\binom{n}{k}, \qquad \text{qui se lit « } k \text{ parmi } n \text{ ».}

Dans une combinaison, l'ordre ne compte pas et il n'y a pas de répétition. Les nombres (nk)\binom{n}{k} sont aussi appelés coefficients binomiaux.

Exemple 12. Les parties à 22 éléments de E={a ;b ;c ;d}E = \{a\,;b\,;c\,;d\} sont {a ;b}\{a\,;b\}, {a ;c}\{a\,;c\}, {a ;d}\{a\,;d\}, {b ;c}\{b\,;c\}, {b ;d}\{b\,;d\} et {c ;d}\{c\,;d\}. Donc (42)=6\dbinom{4}{2} = 6.

4.2 Des listes aux parties : les formules

Toujours avec E={a ;b ;c ;d}E = \{a\,;b\,;c\,;d\}, il y a 4×3=124 \times 3 = 12 couples d'éléments distincts. Chaque partie {x ;y}\{x\,;y\} donne exactement deux couples, (x ;y)(x\,;y) et (y ;x)(y\,;x). Donc 12=6×212 = 6 \times 2, c'est-à-dire (42)=4×32\dbinom42 = \dfrac{4 \times 3}{2}.

Cas général. Les kk éléments d'une partie à kk éléments peuvent être rangés de k!k! façons : chaque partie donne k!k! kk-uplets d'éléments distincts. Et chaque kk-uplet d'éléments distincts est obtenu une seule fois, à partir de la partie formée de ses éléments. Donc k!×(nk)=n(n−1)⋯(n−k+1).k! \times \binom{n}{k} = n(n-1)\cdots(n-k+1).

Propriété (programme : formules). Pour tous entiers nn et kk tels que 0≤k≤n0 \leq k \leq n : (nk)=n(n−1)⋯(n−k+1)k!=n!(n−k)! k!.\binom{n}{k} = \frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{k!} = \frac{n!}{(n-k)!\,k!}.

Pour k=0k = 0, le produit du numérateur n'a aucun facteur et vaut 11 par convention ; la seconde formule donne directement n!n! 0!=1\dfrac{n!}{n!\,0!} = 1.

Exemple 13. (52)=5×42=10\dbinom{5}{2} = \dfrac{5 \times 4}{2} = 10 et (63)=6×5×43×2×1=1206=20\dbinom{6}{3} = \dfrac{6 \times 5 \times 4}{3 \times 2 \times 1} = \dfrac{120}{6} = 20.

4.3 L'ordre compte-t-il ?

Exemple 14. Une association compte 1212 membres.

  • Pour élire un bureau (un président, un trésorier, un secrétaire), l'ordre compte : chaque poste est différent. Un bureau est un triplet de membres distincts : 12×11×10=1 32012 \times 11 \times 10 = 1\,320 bureaux.
  • Pour désigner une commission de 33 membres, sans poste, l'ordre ne compte pas : une commission est une partie à 33 éléments. Il y en a (123)=1 3203!=220\dbinom{12}{3} = \dfrac{1\,320}{3!} = 220.

Chaque commission correspond à 3!=63! = 6 bureaux : on répartit les trois postes entre ses trois membres.

Exemple 15 (un jeu de cartes). Un jeu de 3232 cartes est distribué. Une main de 55 cartes est une partie à 55 éléments de l'ensemble des 3232 cartes : il y a (325)=32×31×30×29×285!=201 376 mains.\binom{32}{5} = \frac{32 \times 31 \times 30 \times 29 \times 28}{5!} = 201\,376 \text{ mains.}

À la calculatrice, (nk)\binom{n}{k} s'obtient avec la touche ou le menu « Combinaison » (souvent noté nCr).

Leçon 5 : Valeurs particulières, symétrie, relation de Pascal

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 Valeurs particulières

Pour tout entier n≥0n \geq 0 (et n≥1n \geq 1 ou n≥2n \geq 2 quand il le faut) :

  • (n0)=1\dbinom{n}{0} = 1 : la seule partie à 00 élément est l'ensemble vide ;
  • (n1)=n\dbinom{n}{1} = n : les parties à un élément sont les nn ensembles {x}\{x\} ;
  • (n2)=n(n−1)2\dbinom{n}{2} = \dfrac{n(n-1)}{2} : c'est la formule pour k=2k = 2 ;
  • (nn)=1\dbinom{n}{n} = 1 : la seule partie à nn éléments est EE lui-même.

Exemple 16. Dans un tournoi de handball, 1010 équipes se rencontrent une fois chacune. Un match correspond à une paire d'équipes, c'est-à-dire une partie à 22 éléments : il y a (102)=10×92=45\dbinom{10}{2} = \dfrac{10 \times 9}{2} = 45 matchs.

5.2 Symétrie

Propriété (programme). Pour tous entiers nn et kk tels que 0≤k≤n0 \leq k \leq n : (nn−k)=(nk).\binom{n}{n-k} = \binom{n}{k}.

Par le calcul. (nn−k)=n!(n−(n−k))! (n−k)!=n!k! (n−k)!=(nk)\dbinom{n}{n-k} = \dfrac{n!}{\big(n - (n-k)\big)!\,(n-k)!} = \dfrac{n!}{k!\,(n-k)!} = \dbinom{n}{k}.

Par le dénombrement. Choisir les kk éléments que l'on prend, c'est choisir les n−kn - k éléments que l'on laisse. À chaque partie AA à kk éléments, on associe son complémentaire A‾\overline{A}, qui a n−kn - k éléments ; et chaque partie à n−kn - k éléments est obtenue une seule fois, comme complémentaire de son propre complémentaire. Il y a donc autant de parties à kk éléments que de parties à n−kn - k éléments.

Exemple 17. (3028)=(302)=30×292=435\dbinom{30}{28} = \dbinom{30}{2} = \dfrac{30 \times 29}{2} = 435 : choisir 2828 élèves sur 3030 revient à choisir les 22 qui restent.

5.3 La relation de Pascal

Propriété (programme : relation de Pascal). Pour tous entiers nn et kk tels que 0≤k≤n−10 \leq k \leq n - 1 : (nk)+(nk+1)=(n+1k+1).\binom{n}{k} + \binom{n}{k+1} = \binom{n+1}{k+1}.

Par exemple, (41)+(42)=4+6=10=(52)\dbinom41 + \dbinom42 = 4 + 6 = 10 = \dbinom52.

Démonstration par le calcul (programme). On part de la formule avec les factorielles : (nk)+(nk+1)=n!k! (n−k)!+n!(k+1)! (n−k−1)!.\binom{n}{k} + \binom{n}{k+1} = \frac{n!}{k!\,(n-k)!} + \frac{n!}{(k+1)!\,(n-k-1)!}. On met les deux fractions au même dénominateur (k+1)! (n−k)!(k+1)!\,(n-k)!, en utilisant (k+1)!=(k+1)×k!(k+1)! = (k+1) \times k! et (n−k)!=(n−k)×(n−k−1)!(n-k)! = (n-k) \times (n-k-1)! (valable car n−k≥1n - k \geq 1) : (nk)+(nk+1)=n! (k+1)(k+1)! (n−k)!+n! (n−k)(k+1)! (n−k)!=n! ((k+1)+(n−k))(k+1)! (n−k)!=n! (n+1)(k+1)! (n−k)!.\binom{n}{k} + \binom{n}{k+1} = \frac{n!\,(k+1)}{(k+1)!\,(n-k)!} + \frac{n!\,(n-k)}{(k+1)!\,(n-k)!} = \frac{n!\,\big((k+1) + (n-k)\big)}{(k+1)!\,(n-k)!} = \frac{n!\,(n+1)}{(k+1)!\,(n-k)!}. Or n! (n+1)=(n+1)!n!\,(n+1) = (n+1)! et n−k=(n+1)−(k+1)n - k = (n+1) - (k+1). On reconnaît (n+1)!(k+1)! ((n+1)−(k+1))!=(n+1k+1).\frac{(n+1)!}{(k+1)!\,\big((n+1)-(k+1)\big)!} = \binom{n+1}{k+1}.

Démonstration par le dénombrement (programme : méthode combinatoire). Soit FF un ensemble à n+1n + 1 éléments, et aa un élément de FF. On compte les parties de FF à k+1k + 1 éléments en deux groupes disjoints.

  • Celles qui contiennent aa. En retirant aa, on obtient une partie à kk éléments de F∖{a}F \setminus \{a\}, qui a nn éléments ; et inversement, en ajoutant aa à une telle partie, on retrouve la partie de départ. Il y en a (nk)\dbinom{n}{k}.
  • Celles qui ne contiennent pas aa. Ce sont les parties à k+1k + 1 éléments de F∖{a}F \setminus \{a\}. Il y en a (nk+1)\dbinom{n}{k+1}.

Par le principe additif, (n+1k+1)=(nk)+(nk+1)\dbinom{n+1}{k+1} = \dbinom{n}{k} + \dbinom{n}{k+1}.

Exemple 18. F={a ;b ;c ;d ;e}F = \{a\,;b\,;c\,;d\,;e\}. Parmi ses (52)=10\dbinom52 = 10 parties à 22 éléments, 44 contiennent aa ({a ;b}\{a\,;b\}, {a ;c}\{a\,;c\}, {a ;d}\{a\,;d\}, {a ;e}\{a\,;e\}), et (42)=6\dbinom42 = 6 ne le contiennent pas : 4+6=104 + 6 = 10.

Leçon 6 : Triangle de Pascal, mots et chemins

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 Le triangle de Pascal

On range les nombres (nk)\binom{n}{k} dans un tableau : la ligne nn contient (n0),(n1),…,(nn)\binom{n}{0}, \binom{n}{1}, \ldots, \binom{n}{n}. Chaque ligne commence et finit par 11. Grâce à la relation de Pascal, chaque autre nombre est la somme du nombre situé juste au-dessus et de son voisin de gauche.

n\kn \backslash k 00 11 22 33 44 55 66 77
00 11
11 11 11
22 11 22 11
33 11 33 33 11
44 11 44 66 44 11
55 11 55 1010 1010 55 11
66 11 66 1515 2020 1515 66 11
77 11 77 2121 3535 3535 2121 77 11

Par exemple, (73)=(62)+(63)=15+20=35\binom73 = \binom62 + \binom63 = 15 + 20 = 35. Chaque ligne se lit de la même façon dans les deux sens : c'est la symétrie (nn−k)=(nk)\binom{n}{n-k} = \binom{n}{k}.

6.2 Un peu d'histoire

Ce tableau porte le nom de Blaise Pascal, qui lui consacre un traité au XVIIe siècle. Mais des propriétés arithmétiques de ce triangle étaient déjà présentes dans les travaux combinatoires des mathématiques indiennes et chinoises, bien avant lui. La combinatoire est aussi un sujet favori des récréations mathématiques depuis l'Antiquité, et l'est encore chez des arithméticiens du XIXe siècle comme Lucas, Delannoy et Laisant. Aujourd'hui, les « mathématiques discrètes » se développent beaucoup, portées notamment par l'informatique et l'intelligence artificielle.

6.3 Représentation par des mots

Propriété. Le nombre de mots de longueur nn, écrits avec les lettres 00 et 11, qui contiennent exactement kk fois la lettre 11, est (nk)\binom{n}{k}.

Pourquoi. Un tel mot est connu dès qu'on sait où sont ses kk lettres 11 : c'est une partie à kk éléments de l'ensemble des positions {1 ;2 ;… ;n}\{1\,;2\,;\ldots\,;n\}.

Exemple 19. Les mots de longueur 55 avec exactement deux 11 sont 1100011000, 1010010100, 1001010010, 1000110001, 0110001100, 0101001010, 0100101001, 0011000110, 0010100101 et 0001100011 : il y en a (52)=10\dbinom52 = 10.

De même, dans une succession de nn épreuves à deux issues, il y a (nk)\binom{n}{k} issues comportant exactement kk succès : il suffit de choisir les rangs des succès. Dans l'arbre, ce sont les chemins qui passent exactement kk fois par une branche SS. Pour n=3n = 3 et k=2k = 2 : SSS‾SS\overline{S}, SS‾SS\overline{S}S et S‾SS\overline{S}SS, soit (32)=3\binom32 = 3 issues. Le chapitre 11 s'en servira.

6.4 Représentation par des chemins sur un quadrillage

Exemple 20. Dans un quartier dont les rues forment un quadrillage, on va du point AA au point BB, situé 44 rues plus à droite et 33 rues plus haut, en allant toujours vers la droite (DD) ou vers le haut (HH). Un trajet est un mot de 77 lettres, avec 44 lettres DD et 33 lettres HH, par exemple DHDDHHDDHDDHHD. Il est connu dès qu'on choisit les 33 positions des HH parmi les 77 : il y a (73)=35\dbinom73 = 35 trajets.

6.5 Somme des nombres d'une ligne

Propriété (programme). Pour tout entier n≥0n \geq 0 : ∑k=0n(nk)=(n0)+(n1)+⋯+(nn)=2n.\sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} = \binom{n}{0} + \binom{n}{1} + \cdots + \binom{n}{n} = 2^n.

Le symbole ∑k=0n\displaystyle\sum_{k=0}^{n} (« somme pour kk allant de 00 à nn ») est une écriture courte de cette somme de n+1n + 1 termes.

Démonstration par dénombrement (programme). Soit EE un ensemble à nn éléments. Chaque partie de EE a un nombre d'éléments kk compris entre 00 et nn.

  1. Pour chaque kk, il y a (nk)\binom{n}{k} parties à kk éléments.
  2. Ces n+1n + 1 groupes de parties sont deux à deux disjoints (une partie n'a qu'un seul nombre d'éléments), et ensemble ils contiennent toutes les parties de EE.
  3. Par le principe additif, le nombre de parties de EE est (n0)+(n1)+⋯+(nn)\binom{n}{0} + \binom{n}{1} + \cdots + \binom{n}{n}.
  4. Or ce nombre vaut 2n2^n (leçon 2). D'où l'égalité.

Exemple 21. Ligne 44 : 1+4+6+4+1=16=241 + 4 + 6 + 4 + 1 = 16 = 2^4. Ligne 77 : 1+7+21+35+35+21+7+1=128=271 + 7 + 21 + 35 + 35 + 21 + 7 + 1 = 128 = 2^7.

Conséquence. Un ensemble à nn éléments a 2n−12^n - 1 parties non vides. Par exemple, avec 66 ingrédients, on compose 26−1=632^6 - 1 = 63 pizzas avec au moins un ingrédient.

Leçon 7 : Algorithmes en Python

Voir la vidéo de la leçon 7

Les programmes ci-dessous utilisent les listes de Python (programme : générer une liste en extension, par ajouts successifs ou en compréhension, la parcourir). En langage naturel, l'affectation s'écrit avec une flèche : « L←[1]L \leftarrow [1] » se lit « LL prend la valeur [1][1] ».

7.1 Le triangle de Pascal

Une ligne à partir de la précédente. La ligne suivante commence par 11, contient ensuite les sommes de deux nombres voisins de la ligne LL, et finit par 11 : c'est la relation de Pascal.

def ligne_suivante(L):
    M = [1]
    for k in range(1, len(L)):
        M.append(L[k-1] + L[k])
    M.append(1)
    return M

La même fonction s'écrit aussi avec une liste en compréhension : return [1] + [L[k-1] + L[k] for k in range(1, len(L))] + [1].

La ligne nn. On part de la ligne 00, qui vaut [1], et on applique nn fois la fonction.

def pascal(n):
    L = [1]
    for i in range(n):
        L = ligne_suivante(L)
    return L
>>> pascal(5)
[1, 5, 10, 10, 5, 1]
>>> sum(pascal(10))
1024

La seconde ligne vérifie la propriété de la leçon 6 : ∑k=010(10k)=210=1 024\sum\limits_{k=0}^{10} \binom{10}{k} = 2^{10} = 1\,024.

7.2 Les parties à 2 ou 3 éléments d'un ensemble

On représente un ensemble par la liste de ses éléments. Pour obtenir chaque partie une seule fois, on impose aux indices d'être rangés dans l'ordre croissant : i<ji < j.

E = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e']
n = len(E)
P2 = [[E[i], E[j]] for i in range(n) for j in range(i+1, n)]
>>> P2
[['a', 'b'], ['a', 'c'], ['a', 'd'], ['a', 'e'], ['b', 'c'], ['b', 'd'], ['b', 'e'], ['c', 'd'], ['c', 'e'], ['d', 'e']]
>>> len(P2)
10

On retrouve (52)=10\binom52 = 10. Pour les parties à 33 éléments, on impose i<j<ki < j < k :

P3 = [[E[i], E[j], E[k]] for i in range(n) for j in range(i+1, n) for k in range(j+1, n)]

len(P3) vaut 10, c'est-à-dire (53)\binom53.

7.3 Les permutations d'un ensemble fini

On construit les débuts de permutations étape par étape, comme dans un arbre : à chaque étape, on prolonge chaque liste déjà obtenue par chacun des éléments qu'elle ne contient pas encore.

def permutations(E):
    P = [[]]
    for etape in range(len(E)):
        P = [p + [x] for p in P for x in E if x not in p]
    return P
>>> permutations([1, 2, 3])
[[1, 2, 3], [1, 3, 2], [2, 1, 3], [2, 3, 1], [3, 1, 2], [3, 2, 1]]
>>> len(permutations([1, 2, 3, 4, 5]))
120

Avec [1, 2, 3], la liste P vaut [[1], [2], [3]] après la première étape (33 choix), puis contient 66 listes de deux éléments (3×23 \times 2), puis les 66 permutations (3×2×1=3!3 \times 2 \times 1 = 3!). En faisant seulement kk étapes, on obtiendrait les kk-uplets d'éléments distincts.

7.4 Tirer une permutation au hasard

On tire au hasard un élément parmi ceux qui restent, on le retire de la liste, et on l'ajoute à la permutation, jusqu'à ce qu'il ne reste rien.

from random import randint

def permutation_hasard(E):
    reste = list(E)
    P = []
    while len(reste) > 0:
        i = randint(0, len(reste) - 1)
        P.append(reste.pop(i))
    return P

randint(0, len(reste) - 1) tire un indice au hasard dans la liste reste, et reste.pop(i) retire l'élément d'indice i en le renvoyant. Un appel permutation_hasard([1, 2, 3, 4, 5]) peut renvoyer par exemple [4, 1, 5, 3, 2]. On fait nn tirages, puis n−1n - 1, et ainsi de suite : chacune des n!n! permutations peut sortir, avec la même chance.

Leçon 8 : Reconnaître l'objet à dénombrer

Voir la vidéo de la leçon 8

8.1 Deux questions à se poser

Pour choisir kk objets parmi nn, on se demande : l'ordre compte-t-il ? et peut-on reprendre plusieurs fois le même objet ?

L'ordre compte ? Répétitions ? Objet à dénombrer Nombre
oui oui kk-uplet (ou kk-liste) nkn^k
oui non kk-uplet d'éléments distincts n(n−1)⋯(n−k+1)=n!(n−k)!n(n-1)\cdots(n-k+1) = \dfrac{n!}{(n-k)!}
oui, on range les nn objets non permutation n!n!
non non partie à kk éléments (combinaison) (nk)\dbinom{n}{k}

Repères de vocabulaire : des tirages « successifs avec remise » donnent des kk-uplets ; « successifs sans remise », des kk-uplets d'éléments distincts ; « simultanés », des parties.

8.2 Trois outils pour combiner

  • Des cas qui ne se recouvrent pas (« ou ») : on additionne (principe additif).
  • Des choix successifs (« puis », « et ») : on multiplie (principe multiplicatif).
  • « Au moins un » : on compte souvent le complémentaire (« aucun »), puis on le retire du total.

Pour ne rien oublier ni compter deux fois, on s'aide d'une représentation : diagramme, tableau, arbre.

8.3 Exemples

Exemple 22 (un digicode). Un digicode demande une lettre parmi AA, BB, CC, puis trois chiffres. L'ordre compte et les chiffres peuvent se répéter : 3×103=3 0003 \times 10^3 = 3\,000 codes. Si les trois chiffres doivent être différents : 3×10×9×8=2 1603 \times 10 \times 9 \times 8 = 2\,160 codes.

Exemple 23 (une équipe). Un club compte 1010 filles et 88 garçons. On forme une équipe de 44 joueurs, sans poste particulier.

  • Nombre d'équipes. L'ordre ne compte pas : une équipe est une partie à 44 éléments des 1818 membres. Il y en a (184)=3 060\dbinom{18}{4} = 3\,060.
  • Exactement deux filles et deux garçons. On choisit les filles, puis les garçons : (102)×(82)=45×28=1 260\dbinom{10}{2} \times \dbinom{8}{2} = 45 \times 28 = 1\,260 équipes.
  • Au moins un garçon. Le contraire est « aucun garçon », c'est-à-dire quatre filles : (104)=210\dbinom{10}{4} = 210 équipes. Il reste 3 060−210=2 8503\,060 - 210 = 2\,850 équipes avec au moins un garçon.
  • Une probabilité. Si l'équipe est tirée au sort, toutes les équipes ont la même probabilité. La probabilité d'obtenir deux filles et deux garçons est 1 2603 060=717≈0,41\dfrac{1\,260}{3\,060} = \dfrac{7}{17} \approx 0{,}41.

Exemple 24 (des mots avec des lettres répétées). Combien de mots différents peut-on écrire avec les six lettres du mot ANANAS ? On choisit les 33 positions des AA parmi les 66 : (63)=20\dbinom63 = 20 choix ; puis les 22 positions des NN parmi les 33 qui restent : (32)=3\dbinom32 = 3 choix ; le SS prend la dernière place. Il y a 20×3=6020 \times 3 = 60 mots. Attention : ce n'est pas 6!=7206! = 720, car échanger deux AA ne change pas le mot.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Principe additif : si AA et BB sont disjoints, Card(A∪B)=Card(A)+Card(B)\mathrm{Card}(A \cup B) = \mathrm{Card}(A) + \mathrm{Card}(B). En particulier, Card(A‾)=Card(E)−Card(A)\mathrm{Card}(\overline{A}) = \mathrm{Card}(E) - \mathrm{Card}(A).
  2. Principe multiplicatif : Card(E×F)=Card(E)×Card(F)\mathrm{Card}(E \times F) = \mathrm{Card}(E) \times \mathrm{Card}(F) ; pour des choix successifs, on multiplie les nombres de possibilités.
  3. Un ensemble à nn éléments a nkn^k kk-uplets (ordre, répétitions permises) et 2n2^n parties (codées par les nn-uplets de {0 ;1}\{0\,;1\}).
  4. Il a n(n−1)⋯(n−k+1)=n!(n−k)!n(n-1)\cdots(n-k+1) = \dfrac{n!}{(n-k)!} kk-uplets d'éléments distincts, et n!n! permutations. Par convention, 0!=10! = 1.
  5. Une combinaison de kk éléments est une partie à kk éléments : (nk)=n(n−1)⋯(n−k+1)k!=n!(n−k)! k!\dbinom{n}{k} = \dfrac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{k!} = \dfrac{n!}{(n-k)!\,k!}.
  6. (n0)=(nn)=1\dbinom{n}{0} = \dbinom{n}{n} = 1, (n1)=n\dbinom{n}{1} = n, (n2)=n(n−1)2\dbinom{n}{2} = \dfrac{n(n-1)}{2} ; symétrie (nn−k)=(nk)\dbinom{n}{n-k} = \dbinom{n}{k} ; relation de Pascal (nk)+(nk+1)=(n+1k+1)\dbinom{n}{k} + \dbinom{n}{k+1} = \dbinom{n+1}{k+1}, démontrée par le calcul et par le dénombrement.
  7. (nk)\dbinom{n}{k} compte aussi les mots de longueur nn à kk lettres 11, et les chemins à kk succès dans un arbre ; la somme d'une ligne du triangle de Pascal vaut 2n2^n (démontré par dénombrement).
  8. Pour dénombrer, on se demande si l'ordre compte et si les répétitions sont permises ; on additionne des cas disjoints, on multiplie des choix successifs, et on passe au complémentaire pour « au moins un ».
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