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Terminale · spécialité

Exercices corrigés : Combinatoire et dénombrement (Terminale)

Dénombrer, c'est compter les éléments d'un ensemble fini sans les énumérer un par un, à l'aide de quelques modèles bien choisis : k-uplets, permutations, combinaisons. Ces outils servent directement en probabilités, où le calcul d'une probabilité en situation d'équiprobabilité se ramène à compter des issues.

Exercice 1 · Calculs de factorielles et de coefficients binomiaux

application●●●
FactorielleCoefficients binomiauxSymétrie des coefficients binomiaux

Calculer sans calculatrice, en simplifiant avant de multiplier :

  1. $\dfrac{6!}{4!}$ ;
  2. $\dfrac{8!}{5!\,3!}$ ;
  3. $\binom{9}{2}$ ;
  4. $\binom{12}{10}$ ;
  5. $\binom{7}{0}$ et $\binom{7}{7}$.
Signaler : énoncé de l’exercice 1

Exercice 2 · Codes à quatre chiffres

application●●●
k-upletsk-uplets d'éléments distinctsComplémentairePrincipe multiplicatif

Un code est une suite de 4 chiffres pris dans $\{0;1;\ldots;9\}$, par exemple $0712$ ou $3303$.

  1. Combien existe-t-il de codes ?
  2. Combien de codes ont leurs 4 chiffres deux à deux distincts ?
  3. Combien de codes contiennent au moins un chiffre $0$ ?
  4. Un digicode d'immeuble est formé d'une lettre choisie parmi A, B, C, D, suivie de 3 chiffres. Combien existe-t-il de digicodes ?
Signaler : énoncé de l’exercice 2

Exercice 3 · Choisir le bon modèle dans un club

application●●●
Choix du modèle de dénombrementArrangementsCombinaisonsk-upletsPermutations

Un club compte 15 membres.

  1. On élit un président, un secrétaire et un trésorier, trois personnes distinctes. Combien de bureaux sont possibles ?
  2. On désigne une délégation de 3 membres, sans rôle particulier. Combien de délégations sont possibles ?
  3. Les 3 délégués choisis s'inscrivent chacun à un atelier parmi 5 ; plusieurs délégués peuvent choisir le même atelier. On note dans l'ordre (délégué 1, délégué 2, délégué 3) l'atelier choisi par chacun. Combien de répartitions sont possibles ?
  4. On aligne les 15 membres pour une photographie. Combien d'alignements sont possibles ?
Signaler : énoncé de l’exercice 3

Exercice 4 · Prolonger le triangle de Pascal

application●●●
Formule de PascalTriangle de PascalSomme d'une ligne

La ligne $n=6$ du triangle de Pascal est : $1$ ; $6$ ; $15$ ; $20$ ; $15$ ; $6$ ; $1$.

  1. À l'aide de la formule de Pascal, écrire les lignes $n=7$ et $n=8$.
  2. En déduire $\binom{8}{3}$, $\binom{8}{4}$ et $\binom{8}{5}$.
  3. Vérifier la valeur de $\binom{8}{3}$ à l'aide de l'expression $\dfrac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{k!}$.
  4. Calculer la somme des coefficients de la ligne 8 et comparer avec $2^8$.
Signaler : énoncé de l’exercice 4

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Exercice 5 · Parties d'un ensemble à six éléments

application●●●
Nombre de partiesCombinaisonsComplémentaire

Soit $E=\{1;2;3;4;5;6\}$.

  1. Combien $E$ possède-t-il de parties ?
  2. Combien de parties non vides ?
  3. Combien de parties à 2 éléments ?
  4. Combien de parties possèdent au moins 2 éléments ?
  5. Combien de parties contiennent l'élément $1$ ?
Signaler : énoncé de l’exercice 5

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Exercice 6 · Entiers à trois chiffres

entrainement●●●
Principe multiplicatifDisjonction de casPrincipe additifComplémentaire

On considère les entiers naturels qui s'écrivent avec exactement trois chiffres en base dix, c'est-à-dire de $100$ à $999$. Le premier chiffre n'est donc jamais $0$.

  1. Combien y a-t-il de tels entiers ?
  2. Combien ont leurs trois chiffres deux à deux distincts ?
  3. Combien sont pairs et ont leurs trois chiffres deux à deux distincts ?
  4. Combien ont au moins deux chiffres égaux ?
Signaler : énoncé de l’exercice 6

Exercice 7 · Anagrammes

entrainement●●●
PermutationsPrincipe multiplicatifCombinaisonsAnagrammes avec lettres répétées

On appelle anagramme d'un mot tout mot (ayant un sens ou non) formé avec exactement les mêmes lettres, le mot lui-même compris.

  1. Combien le mot CARTON possède-t-il d'anagrammes ?
  2. Combien de ces anagrammes commencent par une voyelle ?
  3. Combien commencent et finissent par une consonne ?
  4. Combien le mot BARBARA possède-t-il d'anagrammes ?
Signaler : énoncé de l’exercice 7

Exercice 8 · Délégation dans une classe

entrainement●●●
CombinaisonsPrincipe multiplicatifComplémentairePrincipe additif

Une classe compte 12 filles et 10 garçons. On choisit une délégation de 4 élèves, sans rôle particulier.

  1. Combien de délégations sont possibles ?
  2. Combien de délégations comportent exactement 2 filles et 2 garçons ?
  3. Combien de délégations comportent au moins une fille ?
  4. Combien de délégations comportent au moins une fille et au moins un garçon ?
Signaler : énoncé de l’exercice 8

Exercice 9 · Une urne, trois façons de tirer

entrainement●●●
Choix du modèle de dénombrementk-upletsArrangementsCombinaisonsProbabilités et équiprobabilité

Une urne contient 8 boules indiscernables au toucher : 5 rouges et 3 vertes, numérotées pour être distinguées. On tire 3 boules.

  1. On tire successivement 3 boules avec remise. Combien y a-t-il de tirages possibles ? Combien sont formés de 3 boules rouges ? En déduire la probabilité d'obtenir 3 boules rouges.
  2. Mêmes questions pour 3 tirages successifs sans remise.
  3. Mêmes questions pour un tirage simultané de 3 boules.
  4. Comparer les probabilités obtenues aux questions 2 et 3.
Signaler : énoncé de l’exercice 9

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Exercice 10 · Chemins sur un quadrillage

entrainement●●●
CombinaisonsPrincipe multiplicatifComplémentaire

Dans un repère, on se déplace du point $O(0;0)$ au point $B(5;4)$ en ne faisant que des pas d'une unité vers la droite (D) ou vers le haut (H).

  1. Combien de pas comporte un chemin ? Combien de pas D et de pas H ?
  2. Combien y a-t-il de chemins de $O$ à $B$ ?
  3. Combien de ces chemins passent par le point $C(2;2)$ ?
  4. Combien de chemins de $O$ à $B$ évitent le point $C$ ?
Signaler : énoncé de l’exercice 10

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Exercice 11 · Diagonales d'un polygone

entrainement●●●
CombinaisonsCoefficient binomial d'ordre 2Équation du second degré

On considère un polygone convexe à $n$ côtés ($n\geqslant 3$). Une diagonale est un segment qui joint deux sommets non consécutifs.

  1. Combien de segments peut-on tracer en joignant deux sommets du polygone ?
  2. Montrer que le nombre de diagonales est $d_n=\dfrac{n(n-3)}{2}$.
  3. Calculer $d_{10}$.
  4. Déterminer le polygone qui possède exactement 54 diagonales.
Signaler : énoncé de l’exercice 11

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Exercice 12 · Comité et président : une identité

approfondissement●●●
Coefficients binomiauxDouble dénombrementSomme d'une ligne du triangle de PascalManipulation de factorielles

Soit $n$ un entier naturel non nul.

  1. Montrer par le calcul que, pour tout entier $k$ tel que $1\leqslant k\leqslant n$ : $$k\binom{n}{k}=n\binom{n-1}{k-1}.$$
  2. Un groupe compte $n$ personnes. On forme un comité de $k$ personnes, puis on désigne un président parmi les membres du comité. En comptant de deux façons le nombre de résultats possibles, retrouver l'égalité de la question 1.
  3. En déduire que $\displaystyle\sum_{k=1}^{n}k\binom{n}{k}=n\,2^{n-1}$.
  4. Vérifier ce résultat pour $n=4$.
  5. Retrouver le résultat de la question 3 directement, en dénombrant les couples (comité non vide, président de ce comité).
Signaler : énoncé de l’exercice 12

Exercice 13 · Sommes de coefficients sur une colonne

approfondissement●●●
Formule de PascalRaisonnement par récurrenceCoefficients binomiauxSommes d'entiers

Soit $k$ un entier naturel fixé. Pour tout entier $n\geqslant k$, on pose $$S_n=\sum_{j=k}^{n}\binom{j}{k}=\binom{k}{k}+\binom{k+1}{k}+\cdots+\binom{n}{k}.$$

  1. Démontrer par récurrence que, pour tout $n\geqslant k$, $S_n=\binom{n+1}{k+1}$.
  2. En déduire la valeur de $\binom{2}{2}+\binom{3}{2}+\cdots+\binom{10}{2}$, puis la vérifier par un calcul direct.
  3. Retrouver, à l'aide de la question 1, l'égalité $1+2+\cdots+n=\dfrac{n(n+1)}{2}$ pour $n\geqslant1$.
  4. Vérifier que, pour tout entier $j\geqslant1$, $j^2=2\binom{j}{2}+\binom{j}{1}$, puis en déduire que, pour tout $n\geqslant 2$, $$1^2+2^2+\cdots+n^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}.$$
Signaler : énoncé de l’exercice 13

Exercice 14 · Couples de parties emboîtées

approfondissement●●●
Nombre de partiesk-upletsBijectionDouble dénombrementPrincipe additif

Soit $E$ un ensemble fini à $n$ éléments ($n\geqslant1$). On s'intéresse aux couples $(A;B)$ de parties de $E$ tels que $A\subset B$.

  1. On prend $E=\{a;b\}$. Dresser la liste de ces couples et les compter.
  2. On revient au cas général et on note $E=\{x_1;\ldots;x_n\}$. Pour chaque élément $x_i$, combien de situations sont possibles vis-à-vis de $A$ et $B$ ? En construisant une bijection avec $\{0;1;2\}^n$, montrer qu'il y a $3^n$ couples $(A;B)$ avec $A\subset B$.
  3. Dénombrer ces couples d'une autre façon, en classant selon le nombre $k$ d'éléments de $B$. En déduire que $\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}2^k=3^n$, et vérifier pour $n=3$.
  4. Combien y a-t-il de couples $(A;B)$ de parties de $E$ quelconques ? Combien vérifient $A\not\subset B$ ? Donner les valeurs pour $n=3$.
Signaler : énoncé de l’exercice 14

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Exercice 15 · Une loterie hebdomadaire

examen●●●
CombinaisonsPrincipe multiplicatifProbabilités et équiprobabilitéLoi binomialeLogarithme népérien

Les parties A et B peuvent être traitées de façon liée ; les résultats numériques sont arrondis à $10^{-3}$.

Une loterie propose une grille de 20 numéros, de 1 à 20. Un joueur coche 4 numéros distincts. Chaque semaine, l'organisateur tire au sort, simultanément, 4 numéros gagnants parmi les 20. Un « bon numéro » est un numéro coché qui fait partie des numéros gagnants.

Partie A : dénombrement

  1. Combien de grilles différentes un joueur peut-il remplir ?
  2. Les 4 numéros gagnants étant fixés, déterminer, pour chaque entier $k$ de $0$ à $4$, le nombre de grilles comportant exactement $k$ bons numéros. Vérifier la cohérence des résultats.

Partie B : probabilités

On suppose que toutes les grilles sont équiprobables. Le joueur gagne un lot s'il a au moins 2 bons numéros.

  1. Montrer que la probabilité $p$ qu'une grille soit gagnante vaut $\dfrac{157}{969}$, et en donner une valeur approchée.
  2. Le joueur joue une grille par semaine pendant $n$ semaines ; les tirages sont indépendants. On note $X$ le nombre de semaines où il gagne un lot. a. Donner la loi de $X$. b. Pour $n=10$, calculer la probabilité que le joueur gagne au moins une fois. c. Déterminer le plus petit entier $n$ tel que la probabilité de gagner au moins une fois dépasse $0{,}99$.
Signaler : énoncé de l’exercice 15

Exercice 16 · Triangle de Pascal, programme et commissions paritaires

examen●●●
Formule de PascalTriangle de PascalAlgorithmique en PythonDouble dénombrementCombinaisonsProbabilités et équiprobabilité

Partie A : un programme

On considère la fonction Python suivante, dont une ligne est incomplète.

def pascal(n):
    L = [1]
    for i in range(n):
        M = [1]
        for j in range(1, len(L)):
            M.append(.......)
        M.append(1)
        L = M
    return L

Elle doit renvoyer la liste des coefficients de la ligne $n$ du triangle de Pascal, c'est-à-dire $\left[\binom{n}{0},\binom{n}{1},\ldots,\binom{n}{n}\right]$.

  1. Que renvoient pascal(0) et pascal(1) ?
  2. Compléter la ligne en pointillés et justifier à l'aide d'une formule du cours.
  3. Que renvoie pascal(5) ?

Partie B : une identité

Soit $n\geqslant1$. Un groupe est formé de $n$ femmes et $n$ hommes. On forme une commission de $n$ personnes, sans rôle particulier.

  1. Combien de commissions sont possibles ?
  2. Pour $0\leqslant k\leqslant n$, montrer que le nombre de commissions comportant exactement $k$ femmes est $\binom{n}{k}^2$.
  3. En déduire que $\displaystyle\binom{2n}{n}=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}^2$.
  4. Vérifier cette égalité pour $n=4$, à l'aide de la liste renvoyée par pascal(4).

Partie C : tirage au sort

Dans cette partie, $n=4$ : le groupe compte 4 femmes et 4 hommes, et la commission de 4 personnes est tirée au sort, toutes les commissions étant équiprobables.

  1. Calculer la probabilité que la commission soit paritaire (2 femmes et 2 hommes).
  2. Calculer la probabilité que la commission comporte plus de femmes que d'hommes.
  3. Calculer la probabilité que la commission comporte au moins une femme.
Signaler : énoncé de l’exercice 16

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