Le cours
Résumé en cinq points
- Une égalité d'ensembles se démontre par double inclusion, une inclusion se démontre en partant d'un élément quelconque.
- Réunion, intersection et complémentaire traduisent « ou », « et » et « non ». Le complémentaire échange réunion et intersection.
- est l'ensemble des parties de , il a éléments quand en a , et c'est l'ensemble des événements en probabilités.
- Injective signifie au plus un antécédent, surjective au moins un, bijective exactement un. Ces propriétés dépendent des ensembles de départ et d'arrivée, pas seulement de la formule.
- Une bijection a une réciproque, et la réciproque d'une composée se calcule en inversant l'ordre des facteurs.
Pourquoi ce chapitre
Ce chapitre ne contient presque aucun théorème. Il contient un vocabulaire et des notations, sans lesquels les autres chapitres deviennent illisibles.
- L'ensemble des solutions d'un système linéaire est un ensemble.
- L'univers d'une expérience aléatoire, un événement, l'ensemble des parties d'un univers fini, un échantillon statistique sont aussi des ensembles.
Les opérations logiques du chapitre précédent se transposent directement en opérations ensemblistes, et cette traduction sera utilisée telle quelle en probabilités.
La partie sur les applications prépare deux choses :
- le théorème de la bijection en analyse, qui donne l'existence et l'unicité d'une solution à une équation du type ;
- le dénombrement, où la factorielle s'interprète comme un nombre de bijections d'un ensemble fini sur lui-même.
Le programme demande des exemples simples et exclut les manipulations abstraites.
1Ensembles et parties
1.1Vocabulaire de base
Définition 1.1Ensemble
Un ensemble est une collection d'objets appelés ses éléments. On écrit pour dire que est un élément de , et dans le cas contraire.
Un ensemble peut être décrit de deux façons :
- en extension, par la liste de ses éléments entre accolades, comme ;
- en compréhension, par une propriété caractérisant ses éléments, comme l'ensemble des réels tels que .
Définition 1.2Ensemble vide, cardinal
L'ensemble vide, noté , ne contient aucun élément. Un ensemble fini possède un nombre fini d'éléments ; ce nombre est son cardinal.
Les ensembles de nombres usuels sont , , , .
Attention
Il ne faut pas confondre l'élément et l'ensemble qui le contient. L'ensemble n'est pas vide : il possède un élément.
1.2Inclusion et égalité
Définition 1.3Inclusion
est une partie (ou un sous-ensemble) de , et on note , quand tout élément de est un élément de . Formellement : pour tout , si alors .
Deux ensembles sont égaux quand ils ont les mêmes éléments. Pour démontrer , on démontre les deux inclusions et , traduction ensembliste de la double implication.
Propriété 1.4Inclusion
Hypothèses
- , , sont des ensembles.
Alors :
- est inclus dans tout ensemble ;
- si et , alors (transitivité).
MéthodeDémontrer
- Écrire « soit un élément de ».
- Démontrer que appartient à .
1.3Ensemble des parties
Définition 1.5Ensemble des parties
L'ensemble de toutes les parties de se note . Ses éléments sont des ensembles.
Exemple 1.6
Si , alors contient quatre éléments : , , et .
Propriété 1.7Cardinal de
Si a éléments, en a . Ce résultat sera revu avec les coefficients binomiaux.
Attention
Ne pas mélanger les deux symboles : on écrit et . Ce sont deux façons de dire la même chose, avec des symboles différents.
La notation est celle qu'utilise le programme pour l'ensemble des événements d'une expérience aléatoire d'univers fini .
1.4Réunion, intersection, complémentaire
Soient et deux parties d'un ensemble .
Définition 1.8Opérations ensemblistes
- La réunion est l'ensemble des éléments qui appartiennent à ou à , au sens inclusif du « ou ».
- L'intersection est l'ensemble des éléments qui appartiennent à et à .
- Le complémentaire de dans , noté , est l'ensemble des éléments de qui n'appartiennent pas à . Il dépend de l'ensemble de référence.
- La différence « privé de » est l'ensemble des éléments de qui ne sont pas dans . Il est égal à .
Quand est vide, on dit que et sont disjoints. En probabilités, on dira que les événements sont incompatibles.
Propriété 1.9Règles de calcul
Les règles sont exactement celles des connecteurs logiques.
- La réunion et l'intersection sont commutatives et associatives.
- Chacune est distributive par rapport à l'autre :
- Le complémentaire du complémentaire de est .
Propriété 1.10Formules de De Morgan
À retenir
Prendre le complémentaire échange réunion et intersection.
Exemple 1.11Fichier client
Dans un fichier client , soit l'ensemble des clients ayant commandé au moins une fois cette année et l'ensemble des clients abonnés à la newsletter.
- est l'ensemble des clients actifs non abonnés, une cible marketing naturelle.
- est l'ensemble des clients ni actifs ni abonnés.
1.5Produit cartésien
Définition 1.12Produit cartésien
Le produit cartésien est l'ensemble des couples avec dans et dans .
Un couple est ordonné : et sont deux couples différents, alors que les ensembles et sont égaux.
On note le produit , ensemble des couples de réels, qui s'identifie au plan muni d'un repère. Plus généralement est l'ensemble des -uplets de réels. Ces notations serviront pour les systèmes linéaires, les matrices colonnes et les régionnements du plan.
Propriété 1.13Cardinal d'un produit
Hypothèses
- et sont finis, de cardinaux et .
Alors a éléments. Ce principe multiplicatif est la base du dénombrement.
2Applications
2.1Définition
Définition 2.1Application
Une application de dans associe à chaque élément de un unique élément de , noté .
- est l'ensemble de départ, l'ensemble d'arrivée.
- est l'image de ; si , est un antécédent de .
Deux applications sont égales quand elles ont même ensemble de départ, même ensemble d'arrivée, et même image en chaque point. Changer l'ensemble de départ ou d'arrivée change l'application, même si la formule reste la même. C'est ce qui se passe quand on restreint la fonction carré à l'intervalle des réels positifs.
Définition 2.2Image d'une application
L'image de par , notée , est l'ensemble des images des éléments de . C'est une partie de , en général strictement incluse dans .
Le programme précise que l'image réciproque d'une partie de l'ensemble d'arrivée n'est pas un attendu : on n'utilisera donc pas cette notion.
2.2Composition
Définition 2.3Composée
Si va de dans et va de dans , la composée va de dans et est définie par
L'ordre compte : on applique d'abord.
Attention
La composition n'est pas commutative en général. Avec et , on a et , qui diffèrent.
Propriété 2.4Associativité et neutre
- La composition est associative : , ce qui permet d'écrire sans parenthèses.
- L'application identité de , notée , associe à . Elle est neutre pour la composition.
2.3Injection, surjection, bijection
Soit une application de dans .
Définition 2.5Injection, surjection, bijection
- est injective quand deux éléments distincts de ont toujours des images distinctes. De façon équivalente et plus commode pour rédiger : pour tous et de , si alors . Autrement dit, tout élément de a au plus un antécédent.
- est surjective quand tout élément de possède au moins un antécédent. De façon équivalente, .
- est bijective quand elle est à la fois injective et surjective. Autrement dit, tout élément de possède exactement un antécédent.
Exemple 2.6Exemples de référence
- La fonction carré de dans n'est ni injective, puisque et ont la même image, ni surjective, puisque n'a pas d'antécédent.
- La même formule, de dans , est bijective.
- La fonction exponentielle de dans est injective et non surjective, mais de dans elle est bijective.
L'injectivité et la surjectivité ne dépendent pas seulement de la formule.
2.4Application réciproque
Définition 2.7Application réciproque
Si est une bijection de sur , son application réciproque, notée , va de dans . Elle associe à chaque de son unique antécédent par . Elle est caractérisée par
La réciproque d'une bijection est elle-même une bijection, et sa réciproque est .
Propriété 2.8Équation
Hypothèses
- est une application de dans .
Alors est bijective de sur si et seulement si, pour tout de , l'équation possède une unique solution dans . Cette solution est .
C'est sous cette forme que la bijection servira en analyse pour résoudre des équations.
2.5Composée de deux bijections
Propriété 2.9Réciproque d'une composée
Hypothèses
- est une bijection de sur ;
- est une bijection de sur .
Alors est une bijection de sur , et
L'ordre s'inverse, comme pour l'inverse d'un produit de matrices. Pour défaire deux opérations successives, on défait d'abord la dernière.
2.6Cas des ensembles finis
Propriété 2.10Ensembles finis de même cardinal
Hypothèses
- et sont deux ensembles finis de même cardinal ;
- est une application de dans .
Alors est injective si et seulement si elle est surjective, donc si et seulement si elle est bijective. Ce résultat sert au dénombrement.
Propriété 2.11Nombre de bijections
Le nombre de bijections d'un ensemble à éléments sur un ensemble à éléments vaut .
Justification informelle : on choisit l'image du premier élément parmi possibilités, celle du deuxième parmi les restantes, et ainsi de suite. Le programme cite explicitement cette interprétation de .
3Liens avec le reste du programme
- Probabilités. L'univers d'une expérience aléatoire est un ensemble fini, un événement est une partie de , donc un élément de .
- « et » se lit , « ou » se lit , « non » se lit .
- Deux événements incompatibles sont deux parties disjointes.
- Un système complet d'événements est une famille de parties deux à deux disjointes dont la réunion est .
- Systèmes linéaires. L'ensemble des solutions d'un système à inconnues est une partie de . Le décrire, c'est décrire une partie d'un produit cartésien.
- Analyse. Le théorème de la bijection dit qu'une fonction continue et strictement monotone sur un intervalle réalise une bijection de sur l'intervalle . C'est la principale source de bijections du programme.
- Informatique. Une liste Python indexée de à peut se voir comme une application de l'ensemble des indices dans l'ensemble des valeurs. Vérifier qu'une liste n'a pas de doublon revient à vérifier l'injectivité, ce qui s'écrit avec deux boucles imbriquées, en comparant chaque paire d'indices distincts.
Méthodes
MéthodeDémontrer une égalité d'ensembles
- Procéder par double inclusion et .
- Sauf si un calcul par équivalences est manifestement réversible.
MéthodeDémontrer une inclusion
- Partir d'un élément quelconque du premier ensemble.
- Montrer qu'il appartient au second.
MéthodeDémontrer l'injectivité
- Supposer .
- En déduire .
MéthodeDémontrer la surjectivité
- Prendre quelconque dans l'ensemble d'arrivée.
- Résoudre l'équation , c'est-à-dire exhiber un antécédent.
MéthodeDémontrer la bijectivité et obtenir la réciproque
- Résoudre en en fonction de .
- Si la solution est unique, la bijectivité est prouvée et l'expression obtenue est celle de la réciproque.
MéthodeRéfuter injectivité ou surjectivité
- Pour réfuter l'injectivité, exhiber deux antécédents distincts de la même image.
- Pour réfuter la surjectivité, exhiber un élément sans antécédent.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Démontrer une égalité d'ensembles par double inclusion sur un exemple simple.
- Écrire les deux formules de De Morgan et les justifier avec les connecteurs logiques.
- Écrire l'ensemble des parties d'un ensemble à trois éléments et donner son cardinal.
- Décider si une application donnée est injective, surjective, bijective, avec justification dans les deux sens.
- Montrer qu'une fonction affine non constante de dans est bijective et calculer sa réciproque.
- Expliquer pourquoi la fonction carré devient bijective quand on restreint le départ et l'arrivée aux réels positifs.
- Énoncer la réciproque d'une composée de deux bijections et justifier l'inversion de l'ordre.
- Traduire en langage ensembliste une situation de probabilités portant sur deux événements.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Deux ensembles sont égaux si et seulement si chacun est inclus dans l'autre. Exigible, c'est la méthode de la double inclusion.
- Lois de De Morgan ensemblistes. Le complémentaire de A ∪ B est Ā ∩ B̄, celui de A ∩ B est Ā ∪ B̄. Exigibles avec démonstration, par traduction logique.
- Distributivité, A ∩ (B ∪ C) = (A ∩ B) ∪ (A ∩ C) et A ∪ (B ∩ C) = (A ∪ B) ∩ (A ∪ C). Exigibles avec démonstration.
- Différence, A privé de B est égal à A ∩ B̄. Exigible, c'est une définition à savoir réécrire.
- Si E a n éléments, P(E) en a 2ⁿ. Admis à ce stade, redémontré avec les coefficients binomiaux. Si A a p éléments et B en a q, A × B en a pq. Admis, principe multiplicatif.
- La composition est associative et non commutative en général. Exigible.
- La composée de deux injections est injective, celle de deux surjections est surjective, celle de deux bijections est bijective. Exigibles avec démonstration.
- Réciproque d'une composée de bijections, (g ∘ f)⁻¹ = f⁻¹ ∘ g⁻¹. Exigible avec démonstration.
- f est bijective de E sur F si et seulement si pour tout y de F, l'équation f(x) = y a une unique solution dans E. Exigible, c'est la définition reformulée, et la méthode de calcul de f⁻¹.
- Si g ∘ f = Id_E et f ∘ g = Id_F, alors f est bijective et g = f⁻¹. Exigible avec démonstration.
- Pour E et F finis de même cardinal, injective, surjective et bijective sont équivalentes. Admis, sert au dénombrement.
- Le nombre de bijections d'un ensemble à n éléments sur lui-même vaut n!. Admis, interprétation citée par le programme.
- Hors programme, à signaler si un exercice les demande. L'image réciproque f⁻¹(B) d'une partie de l'ensemble d'arrivée, les manipulations abstraites sur des applications quelconques, le théorème de Cantor, les cardinaux infinis.
Clés de démonstration
De Morgan ensembliste. Soit x ∈ E. Dire x ∉ A ∪ B, c'est dire non(x ∈ A ou x ∈ B), donc (x ∉ A et x ∉ B) par De Morgan logique, donc x ∈ Ā ∩ B̄. Chaque étape est une équivalence. Astuce, un énoncé ensembliste est une phrase logique sur un x générique, on traduit et on revient.
Composée d'injections. Si g(f(x)) = g(f(x′)), l'injectivité de g donne f(x) = f(x′), puis celle de f donne x = x′. Astuce, on remonte de l'extérieur vers l'intérieur.
Composée de surjections. Soit z ∈ G. Par surjectivité de g, il existe y ∈ F avec g(y) = z, puis par celle de f, il existe x ∈ E avec f(x) = y. Alors g(f(x)) = z. Astuce, on construit l'antécédent en deux temps, de l'arrivée vers le départ.
Réciproque d'une composée. On vérifie (f⁻¹ ∘ g⁻¹) ∘ (g ∘ f) = f⁻¹ ∘ (g⁻¹ ∘ g) ∘ f = f⁻¹ ∘ f = Id_E par associativité, et de même dans l'autre sens. Astuce, la réciproque est unique, il suffit d'exhiber une application qui fonctionne des deux côtés.
Caractérisation par g ∘ f = Id_E et f ∘ g = Id_F. La première égalité donne f injective, car f(x) = f(x′) entraîne x = g(f(x)) = g(f(x′)) = x′. La seconde donne f surjective, car y = f(g(y)). Astuce, chaque identité livre une propriété, il faut les deux.
Exemples et contre-exemples à connaître
- Si E = {1, 2}, alors {1} ⊂ E et {1} ∈ P(E), mais 1 ∉ P(E). Appartenance et inclusion ne vivent pas au même étage.
- {∅} n'est pas vide, il contient un élément, l'ensemble vide. Et ∅ ⊂ A pour tout ensemble A.
- Les couples (1, 2) et (2, 1) sont différents, alors que {1, 2} = {2, 1}. Le produit cartésien est ordonné, l'ensemble ne l'est pas.
- Le complémentaire dépend de l'ensemble de référence. Le complémentaire de N dans Z est l'ensemble des entiers strictement négatifs, dans R c'est bien plus gros.
- x ↦ x² est injective de R₊ dans R, surjective de R dans R₊, bijective de R₊ dans R₊, ni l'un ni l'autre de R dans R. Les ensembles font partie de l'application.
- L'exponentielle est injective de R dans R, non surjective, et bijective de R sur l'ensemble des réels strictement positifs, de réciproque ln.
- n ↦ n + 1 est injective de N dans N sans être surjective, 0 n'a pas d'antécédent. Sur un ensemble fini, ce serait impossible.
- f l'inclusion de N dans Z et g la valeur absolue de Z dans N. Alors g ∘ f = Id_N, pourtant f n'est pas surjective et g n'est pas injective. Une seule identité ne donne pas la bijectivité.
- Avec f(x) = x + 1 et g(x) = 2x, g ∘ f(x) = 2x + 2 et f ∘ g(x) = 2x + 1. La composition n'est pas commutative.
- x ↦ x³ est bijective de R sur R, alors que x ↦ x² ne l'est pas. Une fonction strictement monotone est injective, la surjectivité se lit sur l'image.
Techniques du chapitre
Double inclusion. Mini-exercice, montrer que A ∩ (A ∪ B) = A. Si x ∈ A ∩ (A ∪ B), alors x ∈ A. Si x ∈ A, alors x ∈ A ∪ B, donc x ∈ A ∩ (A ∪ B). Les deux inclusions donnent l'égalité.
Chaîne d'équivalences. Mini-exercice, montrer que A privé de (B ∪ C) est égal à (A privé de B) ∩ (A privé de C). Pour x ∈ E, x ∈ A et x ∉ B ∪ C équivaut à x ∈ A et x ∉ B et x ∉ C, qui équivaut à (x ∈ A et x ∉ B) et (x ∈ A et x ∉ C). Chaque étape est réversible, une seule chaîne suffit.
Injectivité par le calcul. Mini-exercice, f(x) = 3x − 5 de R dans R. Si 3x − 5 = 3x′ − 5, alors x = x′. Injective.
Réfuter l'injectivité ou la surjectivité. Mini-exercice, f(x) = x² − 2x de R dans R. Non injective, f(0) = f(2) = 0. Non surjective, f(x) = (x − 1)² − 1 ≥ −1, donc −2 n'a pas d'antécédent.
Bijectivité et réciproque par résolution de f(x) = y. Mini-exercice, f(x) = 3x − 5 de R dans R. Pour y réel, 3x − 5 = y équivaut à x = (y + 5)/3, unique solution. Donc f est bijective et f⁻¹(y) = (y + 5)/3.
Restreindre pour rendre bijective. Mini-exercice, f(x) = x² − 2x. Sur [1, +∞[, f est strictement croissante à valeurs dans [−1, +∞[, et pour y ≥ −1, l'équation (x − 1)² = y + 1 avec x ≥ 1 donne x = 1 + √(y + 1), unique. Bijection de [1, +∞[ sur [−1, +∞[.
Traduire une situation aléatoire. Mini-exercice, on lance deux dés, A « la somme vaut 7 », B « le premier dé est pair ». A ∩ B est l'ensemble des couples (2, 5), (4, 3), (6, 1). Ā est « la somme est différente de 7 ». Le complémentaire de A ∪ B est « la somme n'est pas 7 et le premier dé est impair ».
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Parties d'un ensemble
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit E = {a, b, c}. Écrire P(E). Montrer ensuite que pour deux ensembles A et B, A ⊂ B si et seulement si P(A) ⊂ P(B).
Technique distinguer élément et partie, puis double implication.
Voir le corrigé
- P(E) contient ∅, {a}, {b}, {c}, {a, b}, {a, c}, {b, c}, {a, b, c}, soit 8 = 2³ éléments. 2. Si A ⊂ B et X ∈ P(A), alors X ⊂ A ⊂ B, donc X ∈ P(B). 3. Réciproquement, si P(A) ⊂ P(B), comme A ∈ P(A), on a A ∈ P(B), donc A ⊂ B.
piège : Oublier ∅ et E eux-mêmes dans P(E).
Exercice 2. Égalités d'ensembles
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soient A, B, C trois parties de E. (a) Montrer que si A ∪ B = A ∩ B alors A = B. (b) Montrer que (A ∩ B̄) ∪ (Ā ∩ B) = (A ∪ B) ∩ (complémentaire de A ∩ B).
Technique double inclusion avec disjonction selon l'appartenance à A.
Voir le corrigé
- (a) Soit x ∈ A. Alors x ∈ A ∪ B = A ∩ B, donc x ∈ B. Par symétrie des rôles, B ⊂ A. 2. (b) Soit x dans le membre de gauche. Si x ∈ A ∩ B̄, alors x ∈ A ∪ B et x ∉ A ∩ B. Même chose si x ∈ Ā ∩ B. 3. Réciproquement, si x ∈ A ∪ B et x ∉ A ∩ B, alors x est dans A ou dans B mais pas dans les deux. Si x ∈ A, alors x ∉ B, donc x ∈ A ∩ B̄. Si x ∉ A, alors x ∈ B, donc x ∈ Ā ∩ B. 4. L'ensemble obtenu est la différence symétrique, les éléments qui sont dans exactement l'un des deux.
piège : Manipuler les ensembles par calcul formel sans jamais revenir à un élément x.
Exercice 3. Trois applications à classer
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Dire si les applications suivantes sont injectives, surjectives, bijectives. f(n) = 2n de N dans N. g(x) = x³ + 1 de R dans R. h(n) = n² de Z dans N.
Technique résoudre f(x) = y ou exhiber un contre-exemple.
Voir le corrigé
- f injective, 2n = 2n′ donne n = n′. Non surjective, 1 n'a pas d'antécédent dans N. 2. g bijective, pour y réel, x³ = y − 1 a une unique solution réelle, la racine cubique de y − 1, car la fonction cube est strictement croissante et prend toute valeur réelle. 3. h non injective, h(−1) = h(1). Non surjective, 2 n'est le carré d'aucun entier.
piège : Dire que h est surjective parce que « tout entier positif est un carré ». Seuls 0, 1, 4, 9, … le sont.
Exercice 4. Homographie
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit Ecricome
Soit f définie sur R privé de 1 par f(x) = (2x + 1)/(x − 1). Montrer que f est à valeurs dans R privé de 2, puis que f est une bijection de R privé de 1 sur R privé de 2, et calculer f⁻¹.
Technique résoudre f(x) = y en vérifiant l'appartenance aux bons ensembles.
Voir le corrigé
- Si f(x) = 2, alors 2x + 1 = 2x − 2, impossible. Donc f est à valeurs dans R privé de 2. 2. Soit y ≠ 2. Pour x ≠ 1, l'équation (2x + 1)/(x − 1) = y équivaut à 2x + 1 = yx − y, soit x(y − 2) = y + 1, soit x = (y + 1)/(y − 2), division licite car y ≠ 2. 3. Ce candidat est différent de 1, car (y + 1)/(y − 2) = 1 donnerait y + 1 = y − 2, impossible. Il est donc dans l'ensemble de départ. 4. Unique antécédent pour tout y ≠ 2, f est bijective et f⁻¹(y) = (y + 1)/(y − 2). Contrôle, f(−1) = (−1)/(−2) = 1/2 et f⁻¹(1/2) = (3/2)/(−3/2) = −1.
piège : Une erreur de signe en isolant x, jamais détectée faute de tester la réciproque sur une valeur simple.
Exercice 5. Identités et bijectivité
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soient f de E dans F et g de F dans E avec g ∘ f = Id_E. Montrer que f est injective et g surjective. Donner un exemple où f n'est pas bijective. Montrer que si de plus f ∘ g = Id_F, alors f est bijective de réciproque g.
Technique composer par la bonne application.
Voir le corrigé
- Si f(x) = f(x′), on applique g, x = x′. 2. Pour x ∈ E, x = g(f(x)) a un antécédent par g. 3. Exemple 8 de la section 3. 4. Si f ∘ g = Id_F, alors tout y de F s'écrit f(g(y)), f est surjective donc bijective. En composant g ∘ f = Id_E à droite par f⁻¹, g = f⁻¹.
piège : Conclure à la bijectivité avec une seule identité.
Exercice 6. Une involution
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit Ecricome
Soit f définie sur R privé de 1 par f(x) = x/(x − 1). Montrer que f est à valeurs dans R privé de 1, calculer f ∘ f, en déduire que f est bijective et donner f⁻¹.
Technique une application égale à sa propre réciproque est bijective par la caractérisation à deux identités.
Voir le corrigé
- f(x) = 1 donnerait x = x − 1, impossible. 2. Pour x ≠ 1, f(f(x)) = [x/(x − 1)] / [x/(x − 1) − 1] = [x/(x − 1)] / [1/(x − 1)] = x. Donc f ∘ f = Id. 3. Les deux identités f ∘ f = Id sont vérifiées, donc f est bijective et f⁻¹ = f.
piège : Oublier de vérifier que f(x) reste dans l'ensemble de départ avant de composer.
Exercice 7. Fonction logistique
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit BCE, EDHEC ou emlyon
Soit f définie sur R par f(x) = eˣ/(1 + eˣ). Montrer que f est une bijection de R sur ]0, 1[ et calculer f⁻¹.
Technique résoudre f(x) = y avec les propriétés de exp et ln.
Voir le corrigé
- Pour tout x, eˣ > 0 donc 0 < f(x) < 1. 2. Soit y ∈ ]0, 1[. L'équation eˣ/(1 + eˣ) = y équivaut à eˣ(1 − y) = y, soit eˣ = y/(1 − y), quantité strictement positive car 0 < y < 1. 3. Donc l'équation équivaut à x = ln(y/(1 − y)), unique solution. 4. f est bijective et f⁻¹(y) = ln(y/(1 − y)). Cette réciproque s'appelle logit, elle sert en économétrie.
piège : Écrire eˣ = y/(1 − y) sans vérifier que le membre de droite est strictement positif, condition sans laquelle ln n'a pas de sens.
Exercice 8. Applications de R² dans R²
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit BCE, EDHEC ou emlyon
Soit f(x, y) = (x + y, x − y) et g(x, y) = (x + y, xy). Montrer que f est bijective et calculer f⁻¹. Montrer que g n'est ni injective ni surjective.
Technique résoudre un système pour f, chercher deux antécédents ou une valeur non atteinte pour g.
Voir le corrigé
- Pour (u, v) ∈ R², le système x + y = u, x − y = v a pour unique solution x = (u + v)/2, y = (u − v)/2. Donc f est bijective et f⁻¹(u, v) = ((u + v)/2, (u − v)/2). 2. g(1, 2) = g(2, 1) = (3, 2), g n'est pas injective. 3. Si g(x, y) = (0, 1), alors y = −x et −x² = 1, impossible. Le couple (0, 1) n'a pas d'antécédent, g n'est pas surjective.
piège : Croire qu'une application définie par des formules polynomiales est automatiquement surjective.
Exercice 9. Une bijection de N sur Z
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit BCE, ESSEC ou HEC
Soit f définie sur N par f(n) = n/2 si n est pair et f(n) = −(n + 1)/2 si n est impair. Montrer que f est une bijection de N sur Z.
Technique disjonction selon la parité, puis résolution de f(n) = m.
Voir le corrigé
- Les pairs donnent 0, 1, 2, …, les impairs donnent −1, −2, …, f est à valeurs dans Z. 2. Surjectivité, pour m ≥ 0, n = 2m est pair et f(n) = m. Pour m < 0, n = −2m − 1 est un entier naturel impair et f(n) = −(−2m)/2 = m. 3. Injectivité, un pair a une image positive ou nulle, un impair une image strictement négative. Si f(n) = f(n′), n et n′ ont même parité, et alors n/2 = n′/2 ou (n + 1)/2 = (n′ + 1)/2 donne n = n′. 4. f est bijective, N et Z se correspondent terme à terme.
piège : Prouver la surjectivité sans vérifier que l'antécédent proposé est bien un entier naturel de la bonne parité.
Erreurs fréquentes
- Confondre ∈ et ⊂, écrire {1} ∈ E ou 1 ⊂ E.
- Démontrer une égalité d'ensembles en n'écrivant qu'une inclusion, ou par des calculs sans revenir à un élément.
- Oublier que l'injectivité et la surjectivité dépendent des ensembles de départ et d'arrivée, pas seulement de la formule.
- Utiliser la notation f⁻¹ pour une application qui n'est pas bijective, alors que l'image réciproque d'une partie n'est pas au programme.
- Isoler x dans f(x) = y avec une erreur de signe et ne jamais tester la réciproque sur une valeur simple.
Fiche rédigée à partir du programme officiel d'ECG, mathématiques appliquées de première année, premier semestre, partie I « Raisonnement et vocabulaire ensembliste », section « Ensembles, applications ». Le programme précise que tout exposé théorique est exclu et que ce vocabulaire s'installe progressivement au fil du semestre.