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Exercice corrigé : Couples de parties (type CCINP)

Bijection avec un ensemble d'applicationsFonctions indicatricesDouble comptageFormule du binômeInterversion de sommes finies

Soit $n\in\mathbb N^*$ et $E$ un ensemble à $n$ éléments.

  1. Combien y a-t-il de couples $(A,B)\in\mathcal P(E)^2$ ?
  2. On note $\mathcal I=\{(A,B)\in\mathcal P(E)^2\mid A\subset B\}$. Pour $(A,B)\in\mathcal I$, on pose $\varphi_{A,B}=\mathbf 1_A+\mathbf 1_B$. Montrer que $(A,B)\mapsto\varphi_{A,B}$ est une bijection de $\mathcal I$ sur $\{0,1,2\}^E$ et en déduire $\operatorname{Card}\mathcal I$.
  3. Calculer $\operatorname{Card}\mathcal I$ d'une seconde façon en regroupant selon le cardinal de $B$, et vérifier la concordance à l'aide de la formule du binôme.
  4. En déduire, par des bijections simples, le nombre de couples $(A,B)$ tels que $A\cap B=\varnothing$, puis le nombre de couples tels que $A\cup B=E$.
  5. On pose $S=\sum_{(A,B)\in\mathcal P(E)^2}\operatorname{Card}(A\cap B)$. En écrivant $\operatorname{Card}(A\cap B)=\sum_{x\in E}\mathbf 1_A(x)\mathbf 1_B(x)$, montrer que $S=n4^{n-1}$.
  6. En déduire $T=\sum_{(A,B)\in\mathcal P(E)^2}\operatorname{Card}(A\cup B)$. Vérifier les valeurs de $S$ et $T$ pour $n=1$.

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Notions à revoir

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