Se connecter
Prépa · MPSI / MP2I

Dénombrement

Ce chapitre fait partie du programme de Prépa, 1re année.

Dénombrer, c'est compter les éléments d'un ensemble fini sans les énumérer un par un, en le découpant, en le mettant en bijection avec un ensemble connu ou en le comptant de deux façons. Ces techniques servent en probabilités, en algèbre (formule du binôme, polynômes) et en informatique (complexité, structures de données).

Prérequis

  • Ensembles, parties, complémentaire, réunion, intersection, produit cartésien
  • Applications : injection, surjection, bijection, composition, réciproque, image directe
  • Raisonnement par récurrence — Revoir Raisonnement par récurrence
  • Factorielle et coefficients binomiaux définis par $\binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}$, formule de Pascal et formule du binôme vues dans le chapitre de calcul
  • Fonction indicatrice d'une partie

À la fin du chapitre, on sait

  • Connaître la définition du cardinal et les propriétés des parties et des images d'un ensemble fini
  • Savoir qu'entre deux ensembles finis de même cardinal, injective, surjective et bijective sont équivalentes
  • Calculer le cardinal d'une réunion, d'un complémentaire, d'un produit cartésien
  • Dénombrer les applications, les parties, les $p$-listes d'éléments distincts, les injections, les permutations
  • Dénombrer les parties à $k$ éléments et interpréter $\binom{n}{k}$
  • Rédiger une preuve combinatoire : bijection, découpage en cas disjoints, double comptage
  • Choisir le bon modèle (ordre ou non, répétition ou non) dans une situation concrète

1.Ensembles finis et cardinal

Définition

Ensemble fini, cardinal

Un ensemble $E$ est fini s'il est vide ou s'il existe $n\in\mathbb{N}^*$ et une bijection de $\llbracket 1,n\rrbracket$ sur $E$.

L'entier $n$ est alors unique (résultat admis) : on l'appelle le cardinal de $E$, noté $\operatorname{Card} E$, $|E|$ ou $\#E$. Par convention $\operatorname{Card}\varnothing=0$.

Numéroter les éléments de $E$ sous la forme $x_1,\dots,x_n$ revient exactement à se donner une telle bijection $k\mapsto x_k$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Invariance par bijection

Si $E$ est fini et s'il existe une bijection de $E$ sur $F$, alors $F$ est fini et $\operatorname{Card} F=\operatorname{Card} E$.

En effet, si $\varphi:\llbracket 1,n\rrbracket\to E$ et $f:E\to F$ sont bijectives, $f\circ\varphi:\llbracket 1,n\rrbracket\to F$ est bijective.

C'est l'outil de base : pour compter $F$, on le met en bijection avec un ensemble dont on connaît le cardinal.

Signaler : ce contenu
Exemple

Cardinal d'un intervalle d'entiers

Pour $a\le b$ entiers, l'application $k\mapsto k-a+1$ est une bijection de $\llbracket a,b\rrbracket$ sur $\llbracket 1,b-a+1\rrbracket$. Donc $$\operatorname{Card}\llbracket a,b\rrbracket=b-a+1.$$ Par exemple $\llbracket 10,25\rrbracket$ contient $16$ entiers, et non $15$.

Les multiples de $7$ dans $\llbracket 1,100\rrbracket$ sont les $7k$ avec $1\le 7k\le 100$, soit $k\in\llbracket 1,14\rrbracket$ : il y en a $14$ (l'application $k\mapsto 7k$ est une bijection).

Signaler : ce contenu
Propriété

Parties d'un ensemble fini

Soit $E$ un ensemble fini et $A\subset E$. Alors $A$ est fini et $$\operatorname{Card} A\le\operatorname{Card} E,$$ avec égalité si et seulement si $A=E$.

Ce résultat est admis. Le cas d'égalité sert souvent à prouver une égalité d'ensembles : si $A\subset E$ et $\operatorname{Card}A=\operatorname{Card}E$, alors $A=E$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Image d'un ensemble fini

Soit $f:E\to F$ avec $E$ fini. Alors $f(E)$ est fini et $$\operatorname{Card} f(E)\le\operatorname{Card} E,$$ avec égalité si et seulement si $f$ est injective.

Conséquences :

  • si $f:E\to F$ est injective et $F$ fini, alors $\operatorname{Card}E\le\operatorname{Card}F$ ;
  • si $f:E\to F$ est surjective et $E$ fini, alors $\operatorname{Card}F\le\operatorname{Card}E$.

Si $f$ est injective, elle induit une bijection de $E$ sur $f(E)$, d'où l'égalité. La réciproque est admise.

Signaler : ce contenu
Remarque

Principe des tiroirs

Par contraposée : si $\operatorname{Card}E>\operatorname{Card}F$, aucune application de $E$ dans $F$ n'est injective. Deux éléments distincts de $E$ ont donc la même image.

Exemple : parmi $13$ personnes, l'application « mois de naissance » va d'un ensemble à $13$ éléments dans un ensemble à $12$ éléments ; elle n'est pas injective, donc deux personnes au moins sont nées le même mois.

Signaler : ce contenu
Théorème

Applications entre ensembles de même cardinal

Soient $E$ et $F$ deux ensembles finis de même cardinal et $f:E\to F$. Les assertions suivantes sont équivalentes :

  1. $f$ est injective ;
  2. $f$ est surjective ;
  3. $f$ est bijective.
Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

Notons $n=\operatorname{Card}E=\operatorname{Card}F$. Il suffit de montrer que 1 implique 3 et que 2 implique 3, les autres implications étant immédiates.

Injective implique bijective. Si $f$ est injective, $\operatorname{Card}f(E)=\operatorname{Card}E=n=\operatorname{Card}F$. Comme $f(E)\subset F$, le cas d'égalité des parties donne $f(E)=F$ : $f$ est surjective, donc bijective.

Surjective implique bijective. Si $f$ est surjective, on choisit pour chaque $y\in F$ un antécédent $g(y)\in E$. On définit ainsi $g:F\to E$ avec $f\circ g=\mathrm{id}_F$. L'application $g$ est injective : si $g(y)=g(y')$, alors $y=f(g(y))=f(g(y'))=y'$. D'après le point précédent (appliqué de $F$ dans $E$, qui ont même cardinal), $g$ est bijective. Alors $f=f\circ g\circ g^{-1}=g^{-1}$ est bijective.

Signaler : ce contenu
Attention

Hypothèses indispensables

Le théorème est faux pour des ensembles infinis : $n\mapsto n+1$ est injective de $\mathbb{N}$ dans $\mathbb{N}$ sans être surjective.

Il est faux aussi si les cardinaux diffèrent : $x\mapsto x$ de $\{1,2\}$ dans $\{1,2,3\}$ est injective, pas surjective. Avant d'invoquer ce théorème, on vérifie toujours : ensembles finis, même cardinal.

Signaler : ce contenu
Méthode

Prouver qu'une application est bijective en dimension finie

Pour montrer que $f:E\to F$ est bijective avec $E$, $F$ finis :

  1. on vérifie que $\operatorname{Card}E=\operatorname{Card}F$ ;
  2. on démontre seulement l'injectivité (souvent la plus facile : $f(x)=f(x')\Rightarrow x=x'$), ou seulement la surjectivité ;
  3. on conclut par le théorème.

Exemple : $p$ premier, $a\in\llbracket 1,p-1\rrbracket$. L'application $x\mapsto$ reste de $ax$ modulo $p$ va de $\llbracket 1,p-1\rrbracket$ dans lui-même (car $p\nmid ax$). Elle est injective : si $ax\equiv ax'\ [p]$, alors $p\mid a(x-x')$, donc $p\mid x-x'$ par le lemme d'Euclide, et $|x-x'|<p$ impose $x=x'$. Elle est donc bijective.

Signaler : ce contenu

2.Réunion, complémentaire, produit cartésien

Propriété

Réunion disjointe

Si $A_1,\dots,A_m$ sont des parties finies deux à deux disjointes, alors $$\operatorname{Card}\Big(\bigcup_{i=1}^m A_i\Big)=\sum_{i=1}^m\operatorname{Card}A_i.$$ On l'appelle le principe additif. Le cas $m=2$ s'obtient en recollant une numérotation de $A_1$ (indices $1$ à $a$) et une de $A_2$ (indices $a+1$ à $a+b$) ; le cas général suit par récurrence sur $m$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Complémentaire, différence

Si $E$ est fini et $A\subset E$ : $$\operatorname{Card}(E\setminus A)=\operatorname{Card}E-\operatorname{Card}A.$$ Plus généralement, pour $A,B$ finis, $\operatorname{Card}(B\setminus A)=\operatorname{Card}B-\operatorname{Card}(A\cap B)$.

Preuve : $E=A\cup(E\setminus A)$ est une réunion disjointe, et $B=(B\setminus A)\cup(A\cap B)$ aussi.

Signaler : ce contenu
Théorème

Réunion de deux ensembles finis

Pour $A$ et $B$ finis : $$\operatorname{Card}(A\cup B)=\operatorname{Card}A+\operatorname{Card}B-\operatorname{Card}(A\cap B).$$

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

On écrit $A\cup B=A\cup(B\setminus A)$, réunion disjointe. Donc $$\operatorname{Card}(A\cup B)=\operatorname{Card}A+\operatorname{Card}(B\setminus A)=\operatorname{Card}A+\operatorname{Card}B-\operatorname{Card}(A\cap B),$$ en utilisant la propriété précédente pour $\operatorname{Card}(B\setminus A)$.

Signaler : ce contenu
Exemple

Entiers divisibles par 2 ou par 3

Dans $E=\llbracket 1,100\rrbracket$, soit $A$ l'ensemble des multiples de $2$ et $B$ celui des multiples de $3$.

  • $\operatorname{Card}A=50$ ;
  • $\operatorname{Card}B=33$ (car $3\times 33=99\le 100<102$) ;
  • $A\cap B$ est l'ensemble des multiples de $6$ : $\operatorname{Card}(A\cap B)=16$ (car $6\times16=96$).

Donc $\operatorname{Card}(A\cup B)=50+33-16=67$. Il y a $100-67=33$ entiers de $E$ divisibles ni par $2$ ni par $3$.

Signaler : ce contenu
Remarque

Formule du crible (hors programme)

Pour trois ensembles finis : $$|A\cup B\cup C|=|A|+|B|+|C|-|A\cap B|-|A\cap C|-|B\cap C|+|A\cap B\cap C|.$$ La formule générale de Poincaré pour $m$ ensembles est hors programme ; elle se redémontre si un énoncé la demande (par récurrence ou avec les fonctions indicatrices).

Signaler : ce contenu
Théorème

Produit cartésien

Si $E$ et $F$ sont finis : $$\operatorname{Card}(E\times F)=\operatorname{Card}E\times\operatorname{Card}F.$$ Par récurrence, $\operatorname{Card}(E_1\times\cdots\times E_m)=\prod_{i=1}^m\operatorname{Card}E_i$ et $\operatorname{Card}(E^m)=(\operatorname{Card}E)^m$.

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

Notons $n=\operatorname{Card}E$ et $p=\operatorname{Card}F$. On écrit $$E\times F=\bigcup_{x\in E}\{x\}\times F.$$ Ces $n$ parties sont deux à deux disjointes (la première coordonnée diffère). Chacune est en bijection avec $F$ via $(x,y)\mapsto y$, donc a $p$ éléments. Le principe additif donne $\operatorname{Card}(E\times F)=\sum_{x\in E}p=np$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Lemme des bergers

Soit $f:E\to F$ une application surjective entre ensembles finis telle que chaque élément de $F$ ait exactement $k$ antécédents. Alors $$\operatorname{Card}E=k\,\operatorname{Card}F.$$ Preuve : $E=\bigcup_{y\in F}f^{-1}(\{y\})$, réunion disjointe de $\operatorname{Card}F$ parties à $k$ éléments.

Le nom vient de l'image du berger qui compte les pattes et divise par $4$. On s'en sert surtout pour diviser : si chaque objet a été compté $k$ fois, on divise par $k$.

Signaler : ce contenu
Méthode

Principe additif, principe multiplicatif

  • Additif : si les objets à compter se répartissent en cas disjoints qui recouvrent tout, on compte chaque cas et on additionne.
  • Multiplicatif : si un objet se construit par une suite de choix successifs et que le nombre d'options à chaque étape ne dépend pas des choix précédents (même si les options elles-mêmes en dépendent), on multiplie ces nombres.

La rédaction doit expliciter le découpage ou la suite de choix, puis vérifier que chaque objet est obtenu exactement une fois.

Signaler : ce contenu
Exemple

Codes et mots

  • Un code à $4$ chiffres est un élément de $\llbracket 0,9\rrbracket^4$ : il y en a $10^4=10\,000$.
  • Un mot de passe formé de $2$ lettres majuscules suivies de $3$ chiffres : $26^2\times10^3=676\,000$.
  • Codes à $4$ chiffres contenant au moins un $0$ : on passe au complémentaire. Il y a $9^4=6561$ codes sans $0$, donc $10\,000-6561=3439$ codes avec au moins un $0$.
Signaler : ce contenu

3.Applications, listes, injections, permutations

Définition

$p$-listes

Soit $F$ un ensemble et $p\in\mathbb{N}^*$. Une $p$-liste (ou $p$-uplet) d'éléments de $F$ est un élément $(y_1,\dots,y_p)$ de $F^p$. L'ordre compte et les répétitions sont permises.

Une $p$-liste d'éléments distincts est une $p$-liste où $y_i\ne y_j$ pour $i\ne j$.

Signaler : ce contenu
Théorème

Nombre d'applications

Si $E$ et $F$ sont finis, l'ensemble $F^E$ des applications de $E$ dans $F$ est fini et $$\operatorname{Card}(F^E)=(\operatorname{Card}F)^{\operatorname{Card}E}.$$

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

Notons $n=\operatorname{Card}E$, $p=\operatorname{Card}F$, et numérotons $E=\{x_1,\dots,x_n\}$. L'application $$\Phi:F^E\to F^n,\quad f\mapsto\big(f(x_1),\dots,f(x_n)\big)$$ est bijective : une application est entièrement déterminée par ses valeurs, et toute $n$-liste $(y_1,\dots,y_n)$ est l'image de l'unique $f$ telle que $f(x_i)=y_i$. Donc $\operatorname{Card}(F^E)=\operatorname{Card}(F^n)=p^n$.

Si $E=\varnothing$, il existe une seule application (l'application vide), et $p^0=1$ : la formule reste vraie.

Signaler : ce contenu
Attention

Ordre des exposants

Le cardinal de l'ensemble d'arrivée est à la base, celui de départ est à l'exposant. Pour chaque élément de départ, on choisit une image parmi les éléments d'arrivée.

Exemple : il y a $3^5=243$ applications d'un ensemble à $5$ éléments dans un ensemble à $3$ éléments, et $5^3=125$ dans l'autre sens.

Signaler : ce contenu
Théorème

Nombre de parties

Si $E$ est fini de cardinal $n$, l'ensemble $\mathcal{P}(E)$ de ses parties est fini et $$\operatorname{Card}\mathcal{P}(E)=2^n.$$

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

L'application $A\mapsto\mathbf{1}_A$ est une bijection de $\mathcal{P}(E)$ sur $\{0,1\}^E$ : une partie est déterminée par son indicatrice, et toute $g:E\to\{0,1\}$ est l'indicatrice de $A=g^{-1}(\{1\})$. Donc $\operatorname{Card}\mathcal{P}(E)=\operatorname{Card}\{0,1\}^E=2^n$.

Concrètement : pour chacun des $n$ éléments, on décide s'il est dans la partie ou non, soit $2$ choix à chaque fois.

Signaler : ce contenu
Théorème

Nombre de $p$-listes d'éléments distincts

Soit $F$ de cardinal $n$ et $p\in\mathbb{N}^*$. Le nombre de $p$-listes d'éléments distincts de $F$ vaut $$n(n-1)\cdots(n-p+1)=\frac{n!}{(n-p)!}\quad\text{si }p\le n,$$ et $0$ si $p>n$.

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

Notons $L_p$ l'ensemble de ces listes. Si $p>n$, $L_p=\varnothing$ par le principe des tiroirs. Supposons $p\le n$ et raisonnons par récurrence sur $p$.

Pour $p=1$ : $L_1$ est en bijection avec $F$, donc $\operatorname{Card}L_1=n$.

Soit $p<n$ tel que $\operatorname{Card}L_p=\frac{n!}{(n-p)!}$. L'application $$\pi:L_{p+1}\to L_p,\quad(y_1,\dots,y_{p+1})\mapsto(y_1,\dots,y_p)$$ est surjective, et chaque $(y_1,\dots,y_p)\in L_p$ a exactement $n-p$ antécédents : $y_{p+1}$ est un élément quelconque de $F\setminus\{y_1,\dots,y_p\}$, qui a $n-p$ éléments. Le lemme des bergers donne $$\operatorname{Card}L_{p+1}=(n-p)\frac{n!}{(n-p)!}=\frac{n!}{(n-p-1)!}.$$ Cela conclut la récurrence.

Signaler : ce contenu
Propriété

Injections et permutations

Soient $E$ de cardinal $p$ et $F$ de cardinal $n$.

  • Le nombre d'injections de $E$ dans $F$ vaut $\frac{n!}{(n-p)!}$ si $p\le n$, et $0$ si $p>n$.
  • Le nombre de bijections de $E$ sur $F$ vaut $n!$ si $p=n$.
  • En particulier, le groupe symétrique $\mathfrak{S}_n$ des permutations de $\llbracket1,n\rrbracket$ a $n!$ éléments.

Preuve : avec $E=\{x_1,\dots,x_p\}$, la bijection $f\mapsto(f(x_1),\dots,f(x_p))$ envoie les injections exactement sur les $p$-listes d'éléments distincts. Pour $p=n$, une injection est une bijection (même cardinal), et $\frac{n!}{0!}=n!$.

Signaler : ce contenu
Exemple

Applications chiffrées

  • Tiercé dans l'ordre avec $16$ chevaux : $16\times15\times14=3360$ arrivées possibles (3-listes d'éléments distincts).
  • Codes à $4$ chiffres tous distincts : $10\times9\times8\times7=5040$.
  • Injections de $\llbracket1,3\rrbracket$ dans $\llbracket1,5\rrbracket$ : $5\times4\times3=60$, parmi les $5^3=125$ applications.
  • Surjections de $\llbracket1,3\rrbracket$ sur $\{a,b\}$ : parmi les $2^3=8$ applications, seules les $2$ applications constantes ne sont pas surjectives, d'où $6$ surjections.
  • Façons d'asseoir $6$ personnes sur $6$ chaises numérotées : $6!=720$.
Signaler : ce contenu
Remarque

Notation $A_n^p$

Le nombre $\frac{n!}{(n-p)!}$ est parfois noté $A_n^p$ (nombre d'arrangements). Cette notation n'est pas celle du programme : on peut l'utiliser à condition de la définir dans la copie.

Signaler : ce contenu

4.Parties à k éléments et coefficients binomiaux

Définition

Parties à $k$ éléments

Soit $E$ un ensemble fini et $k\in\mathbb{N}$. On note $\mathcal{P}_k(E)$ l'ensemble des parties de $E$ ayant exactement $k$ éléments. On les appelle aussi $k$-combinaisons de $E$ : l'ordre ne compte pas, il n'y a pas de répétition.

Rappel : pour $0\le k\le n$, $\binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}$, et $\binom{n}{k}=0$ si $k>n$.

Signaler : ce contenu
Théorème

Interprétation combinatoire de $\binom{n}{k}$

Si $\operatorname{Card}E=n$, alors pour tout $k\in\mathbb{N}$ : $$\operatorname{Card}\mathcal{P}_k(E)=\binom{n}{k}.$$ $\binom{n}{k}$ se lit « $k$ parmi $n$ ».

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

Si $k>n$, aucune partie de $E$ n'a $k$ éléments, et $\binom{n}{k}=0$. Si $k=0$, seule $\varnothing$ convient, et $\binom{n}{0}=1$.

Soit $1\le k\le n$ et $L_k$ l'ensemble des $k$-listes d'éléments distincts de $E$. L'application $$\sigma:L_k\to\mathcal{P}_k(E),\quad(y_1,\dots,y_k)\mapsto\{y_1,\dots,y_k\}$$ est bien à valeurs dans $\mathcal{P}_k(E)$ car les $y_i$ sont distincts. Elle est surjective. Une partie $A\in\mathcal{P}_k(E)$ a pour antécédents toutes les façons d'ordonner ses éléments, c'est-à-dire les bijections de $\llbracket1,k\rrbracket$ sur $A$ : il y en a $k!$.

Le lemme des bergers donne $\operatorname{Card}L_k=k!\operatorname{Card}\mathcal{P}_k(E)$, d'où $$\operatorname{Card}\mathcal{P}_k(E)=\frac{1}{k!}\cdot\frac{n!}{(n-k)!}=\binom{n}{k}.$$

Signaler : ce contenu
Exemple

Mains de cartes

Un jeu de $32$ cartes contient $4$ as. Une main est une partie à $5$ cartes.

  • Nombre de mains : $\binom{32}{5}=\frac{32\times31\times30\times29\times28}{120}=201\,376$.
  • Mains avec exactement $2$ as : on choisit les $2$ as parmi $4$, puis les $3$ autres cartes parmi les $28$ qui ne sont pas des as : $\binom{4}{2}\binom{28}{3}=6\times3276=19\,656$.
  • Mains avec au moins un as : complémentaire des mains sans as, $\binom{32}{5}-\binom{28}{5}=201\,376-98\,280=103\,096$.
Signaler : ce contenu
Méthode

« Exactement », « au moins », « au plus »

  1. Exactement $j$ objets d'un type : on choisit les $j$ objets dans ce type, puis les autres hors de ce type, et on multiplie.
  2. Au moins un : on compte le complémentaire (« aucun ») et on soustrait du total.
  3. Au moins $j$ ou au plus $j$ : on somme les cas « exactement $i$ » (cas disjoints), ou on passe au complémentaire si c'est plus court.

On évite de « choisir d'abord un objet du type voulu puis le reste librement » : chaque configuration serait comptée plusieurs fois.

Signaler : ce contenu
Propriété

Symétrie

Pour $0\le k\le n$ : $\binom{n}{k}=\binom{n}{n-k}$.

Preuve combinatoire : l'application $A\mapsto E\setminus A$ est une bijection de $\mathcal{P}_k(E)$ sur $\mathcal{P}_{n-k}(E)$ (elle est sa propre réciproque). Choisir les $k$ éléments retenus revient à choisir les $n-k$ éléments exclus.

Signaler : ce contenu
Propriété

Formule de Pascal

Pour $n\ge1$ et $1\le k\le n$ : $$\binom{n}{k}=\binom{n-1}{k-1}+\binom{n-1}{k}.$$

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve combinatoire

Soit $E$ de cardinal $n\ge1$ et $a\in E$ fixé. On partage $\mathcal{P}_k(E)$ en deux parties disjointes :

  • les parties contenant $a$ : $A\mapsto A\setminus\{a\}$ est une bijection vers $\mathcal{P}_{k-1}(E\setminus\{a\})$, de cardinal $\binom{n-1}{k-1}$ ;
  • les parties ne contenant pas $a$ : ce sont exactement les éléments de $\mathcal{P}_k(E\setminus\{a\})$, de cardinal $\binom{n-1}{k}$ (nul si $k=n$).

Le principe additif donne la formule.

Signaler : ce contenu
Théorème

Formule du binôme

Soient $a,b$ deux éléments d'un anneau qui commutent ($ab=ba$), par exemple deux complexes. Pour $n\in\mathbb{N}$ : $$(a+b)^n=\sum_{k=0}^n\binom{n}{k}a^kb^{n-k}.$$

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve combinatoire

On écrit $(a+b)^n=(a+b)(a+b)\cdots(a+b)$ avec $n$ facteurs numérotés de $1$ à $n$. Développer par distributivité revient à choisir, dans chaque facteur, soit $a$, soit $b$, et à sommer tous les produits obtenus. Un tel choix est déterminé par la partie $K\subset\llbracket1,n\rrbracket$ des facteurs où l'on prend $a$. Comme $a$ et $b$ commutent, le produit correspondant vaut $a^{\operatorname{Card}K}b^{n-\operatorname{Card}K}$. Donc $$(a+b)^n=\sum_{K\subset\llbracket1,n\rrbracket}a^{\operatorname{Card}K}b^{n-\operatorname{Card}K}=\sum_{k=0}^n\operatorname{Card}\mathcal{P}_k(\llbracket1,n\rrbracket)\,a^kb^{n-k},$$ en regroupant les parties selon leur cardinal $k$. On conclut avec $\operatorname{Card}\mathcal{P}_k(\llbracket1,n\rrbracket)=\binom{n}{k}$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Sommes classiques

Pour $n\in\mathbb{N}$ : $$\sum_{k=0}^n\binom{n}{k}=2^n.$$ Preuve combinatoire : $\mathcal{P}(E)$ est la réunion disjointe des $\mathcal{P}_k(E)$ pour $0\le k\le n$.

Pour $n\ge1$, le binôme avec $a=-1$, $b=1$ donne $\sum_{k=0}^n(-1)^k\binom{n}{k}=0$ : un ensemble non vide a autant de parties de cardinal pair que de cardinal impair, soit $2^{n-1}$ de chaque.

Signaler : ce contenu
Exemple

Chemins dans un quadrillage

On va de $(0,0)$ à $(p,q)$ par pas élémentaires $(1,0)$ (droite) ou $(0,1)$ (haut). Un chemin compte $p+q$ pas, dont $p$ vers la droite. Il est déterminé par l'ensemble des numéros des pas vers la droite, partie à $p$ éléments de $\llbracket1,p+q\rrbracket$. Il y a donc $\binom{p+q}{p}$ chemins.

Pour $(3,2)$ : $\binom{5}{3}=10$ chemins.

Autre exemple : un polygone convexe à $n$ sommets a $\binom{n}{2}-n=\frac{n(n-3)}{2}$ diagonales (segments joignant deux sommets, moins les $n$ côtés). Pour $n=10$ : $45-10=35$.

Signaler : ce contenu

5.Preuves combinatoires

Méthode

Rédiger une preuve combinatoire

Pour démontrer une identité entre entiers par le dénombrement :

  1. Choisir un ensemble $X$ dont l'un des membres est visiblement le cardinal (comités, parties, chemins, couples...).
  2. Le compter d'une seconde façon : par découpage en cas disjoints (on obtient une somme), par choix successifs (un produit), ou par une bijection avec un ensemble connu.
  3. Conclure : les deux expressions sont égales car elles valent $\operatorname{Card}X$.

On appelle double comptage cette démarche. La rédaction précise toujours l'ensemble compté et justifie que le découpage est disjoint et exhaustif.

Signaler : ce contenu
Exemple

Comité avec président

Montrons que, pour $1\le k\le n$ : $k\binom{n}{k}=n\binom{n-1}{k-1}$.

Soit $E$ un ensemble de $n$ personnes. On compte l'ensemble $X$ des couples $(A,x)$ où $A\in\mathcal{P}_k(E)$ est un comité et $x\in A$ son président.

  • On choisit d'abord le comité ($\binom{n}{k}$ façons), puis le président parmi ses $k$ membres : $\operatorname{Card}X=k\binom{n}{k}$.
  • On choisit d'abord le président ($n$ façons), puis les $k-1$ autres membres parmi les $n-1$ personnes restantes : $\operatorname{Card}X=n\binom{n-1}{k-1}$.

D'où l'égalité. Contrôle : $n=5$, $k=2$ donne $2\times10=5\times4$.

Signaler : ce contenu
Exemple

Somme des $k\binom{n}{k}$

Montrons que, pour $n\ge1$ : $\sum_{k=0}^nk\binom{n}{k}=n2^{n-1}$.

Soit $E$ de cardinal $n$ et $X=\{(A,x)\mid A\subset E,\ x\in A\}$.

  • En regroupant selon le cardinal $k$ de $A$ : il y a $\binom{n}{k}$ parties à $k$ éléments, et $k$ choix de $x$ pour chacune, soit $\operatorname{Card}X=\sum_{k=0}^nk\binom{n}{k}$.
  • En choisissant d'abord $x$ ($n$ choix), puis $A=\{x\}\cup B$ avec $B\subset E\setminus\{x\}$ quelconque ($2^{n-1}$ choix) : $\operatorname{Card}X=n2^{n-1}$.

Contrôle : $n=3$ donne $0+3+6+3=12=3\times4$.

Signaler : ce contenu
Théorème

Formule de Vandermonde

Pour $p,q,n\in\mathbb{N}$ : $$\sum_{k=0}^n\binom{p}{k}\binom{q}{n-k}=\binom{p+q}{n}.$$ Cette formule n'est pas explicitement au programme, mais elle est classique et sa preuve est exigible dans l'esprit du chapitre.

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve combinatoire

Soit $E=A\cup B$ avec $A$, $B$ disjoints, $\operatorname{Card}A=p$, $\operatorname{Card}B=q$. Alors $\operatorname{Card}E=p+q$ et $\operatorname{Card}\mathcal{P}_n(E)=\binom{p+q}{n}$.

On partage $\mathcal{P}_n(E)$ selon $k=\operatorname{Card}(X\cap A)\in\llbracket0,n\rrbracket$. Une partie $X$ avec $\operatorname{Card}(X\cap A)=k$ est déterminée par le couple $(X\cap A,X\cap B)\in\mathcal{P}_k(A)\times\mathcal{P}_{n-k}(B)$, et tout tel couple convient (sa réunion a $n$ éléments). Il y a donc $\binom{p}{k}\binom{q}{n-k}$ telles parties. Le principe additif donne la formule (les termes avec $k>p$ ou $n-k>q$ sont nuls, ce qui est cohérent).

Signaler : ce contenu
Propriété

Somme des carrés

Avec $p=q=n$ dans Vandermonde et la symétrie $\binom{n}{n-k}=\binom{n}{k}$ : $$\sum_{k=0}^n\binom{n}{k}^2=\binom{2n}{n}.$$ Contrôle : $n=3$ donne $1+9+9+1=20=\binom{6}{3}$.

Signaler : ce contenu
Exemple

Partage selon le plus grand élément

Montrons que, pour $0\le k\le n$ : $\sum_{j=k}^n\binom{j}{k}=\binom{n+1}{k+1}$.

On compte les parties à $k+1$ éléments de $\llbracket1,n+1\rrbracket$ selon leur plus grand élément $m$. On a $m\in\llbracket k+1,n+1\rrbracket$, et les $k$ autres éléments forment une partie quelconque à $k$ éléments de $\llbracket1,m-1\rrbracket$ : $\binom{m-1}{k}$ choix. Avec $j=m-1\in\llbracket k,n\rrbracket$, le principe additif donne la formule.

Contrôle : $k=1$, $n=4$ donne $1+2+3+4=10=\binom{5}{2}$.

Signaler : ce contenu
Exemple

Anagrammes

Combien de mots (suites de lettres) s'écrivent avec les lettres de ANANAS ? Il y a $6$ positions, avec $3$ A, $2$ N et $1$ S.

Par choix successifs : on choisit les positions des A ($\binom{6}{3}=20$), puis celles des N parmi les $3$ restantes ($\binom{3}{2}=3$), le S occupe la dernière : $20\times3=60$.

Par le lemme des bergers : les $6!=720$ ordonnements de six jetons distincts $A_1,A_2,A_3,N_1,N_2,S$ donnent chaque mot exactement $3!\times2!=12$ fois (permutations des A entre eux et des N entre eux). D'où $720/12=60$.

Signaler : ce contenu
Exemple

Solutions entières d'une équation

Combien de triplets $(x_1,x_2,x_3)\in\mathbb{N}^3$ vérifient $x_1+x_2+x_3=4$ ?

On associe à un triplet le mot formé de $x_1$ étoiles, une barre, $x_2$ étoiles, une barre, $x_3$ étoiles. Par exemple $(1,0,3)\mapsto\star|\,|\star\star\star$. C'est une bijection vers les mots de longueur $6$ contenant $4$ étoiles et $2$ barres, déterminés par la position des barres : $\binom{6}{2}=15$ solutions.

Plus généralement, le nombre de solutions de $x_1+\cdots+x_k=n$ dans $\mathbb{N}^k$ vaut $\binom{n+k-1}{k-1}$. Ce résultat n'est pas au programme : il se redémontre par cette bijection.

Signaler : ce contenu

6.Modéliser une situation de dénombrement

On choisit $p$ objets dans un ensemble à $n$ éléments. Deux questions déterminent le modèle : l'ordre compte-t-il ? les répétitions sont-elles possibles ?

ordre compte ordre ne compte pas
répétitions possibles $p$-listes : $n^p$ $\binom{n+p-1}{p}$ (hors programme)
sans répétition $p$-listes d'éléments distincts : $\frac{n!}{(n-p)!}$ parties à $p$ éléments : $\binom{n}{p}$

Passage d'une colonne à l'autre sans répétition : chaque partie à $p$ éléments correspond à $p!$ listes ordonnées, d'où $\frac{n!}{(n-p)!}=p!\binom{n}{p}$.

Signaler : ce contenu
Méthode

Démarche de modélisation

  1. Décrire précisément un résultat : qu'est-ce qui distingue deux issues ? (« une main de 5 cartes », « un podium ordonné »).
  2. Choisir l'ensemble modèle : listes, listes d'éléments distincts, parties, applications, produit cartésien.
  3. Vérifier la correspondance : chaque issue est représentée une et une seule fois. Sinon, corriger par le lemme des bergers (diviser par le nombre de répétitions) ou découper en cas disjoints.
  4. Calculer, puis contrôler sur un petit cas ou par un second comptage.
Signaler : ce contenu
Exemple

Urne : trois façons de tirer

Une urne contient $10$ boules numérotées : $4$ rouges et $6$ blanches. On tire $3$ boules.

Tirage simultané (parties à $3$ éléments) : $\binom{10}{3}=120$ tirages. Exactement $2$ rouges : $\binom{4}{2}\binom{6}{1}=36$.

Tirages successifs sans remise ($3$-listes d'éléments distincts) : $10\times9\times8=720$ tirages. Exactement $2$ rouges : on choisit les rangs des rouges ($\binom{3}{2}=3$), puis les boules dans l'ordre : $3\times4\times3\times6=216$.

Tirages successifs avec remise ($3$-listes) : $10^3=1000$ tirages. Exactement $2$ rouges : $3\times4^2\times6=288$.

Les proportions $\frac{36}{120}$ et $\frac{216}{720}$ valent toutes deux $0{,}3$ : sans remise, tenir compte de l'ordre ne change pas les proportions, à condition de le faire partout.

Signaler : ce contenu
Attention

Cohérence du modèle

Dans un même calcul, on garde un seul modèle. Compter le total en parties et les cas favorables en listes (ou l'inverse) donne un résultat faux d'un facteur $p!$.

De même, « choisir $3$ délégués » (parties) et « choisir un président, un trésorier, un secrétaire » (listes d'éléments distincts) ne sont pas la même question : $\binom{10}{3}=120$ contre $10\times9\times8=720$.

Signaler : ce contenu