Licence 1Algèbre

Ensembles, relations et applications

50 min15 exercicesSéquence 2.2Licence 1

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Durée : 50 min

Ensembles, relations et applications

### 1. Appartenance, inclusion, égalité

Soit EE un ensemble. Pour xx un objet et A,BA, B des sous-ensembles (parties) de EE :

- xAx \in A : "xx appartient à AA" ; xAx \notin A : "xx n'appartient pas à AA".
- ABA \subset B (inclusion) : xE, xAxB\forall x \in E,\ x \in A \Rightarrow x \in B.
- A=BA = B : ABA \subset B et BAB \subset A (c'est la méthode standard pour prouver une égalité d'ensembles : double inclusion).
- \emptyset : l'ensemble vide, sous-ensemble de tout ensemble.

### 2. Opérations sur les ensembles

Pour A,BA, B parties de EE :

| Opération | Notation | Définition |
|---|---|---|
| Union | ABA \cup B | {xExA ou xB}\{x \in E \mid x \in A \text{ ou } x \in B\} |
| Intersection | ABA \cap B | {xExA et xB}\{x \in E \mid x \in A \text{ et } x \in B\} |
| Complémentaire | EA\complement_E A ou AcA^c | {xExA}\{x \in E \mid x \notin A\} |
| Différence | ABA \setminus B | {xExA et xB}=ABc\{x \in E \mid x \in A \text{ et } x \notin B\} = A \cap B^c |

Lois de De Morgan pour les ensembles :

E(AB)=EAEBE(AB)=EAEB\complement_E(A \cup B) = \complement_E A \cap \complement_E B \qquad \complement_E(A \cap B) = \complement_E A \cup \complement_E B

Produit cartésien : A×B={(a,b)aA, bB}A \times B = \{(a,b) \mid a \in A,\ b \in B\} (couples ordonnés).

Ensemble des parties : P(E)\mathcal{P}(E) est l'ensemble de toutes les parties de EE (y compris \emptyset et EE lui-même). Si EE a nn éléments, P(E)\mathcal{P}(E) a 2n2^n éléments.

Exemple : E={1,2,3}E = \{1,2,3\}. P(E)={, {1}, {2}, {3}, {1,2}, {1,3}, {2,3}, {1,2,3}}\mathcal{P}(E) = \big\{ \emptyset,\ \{1\},\ \{2\},\ \{3\},\ \{1,2\},\ \{1,3\},\ \{2,3\},\ \{1,2,3\} \big\}, soit 23=82^3 = 8 éléments.

### 3. Relations binaires

Une relation binaire R\mathcal{R} sur un ensemble EE est une partie de E×EE \times E : on note xRyx\,\mathcal{R}\,y si (x,y)(x,y) appartient à cette partie. On dit que R\mathcal{R} est :

- réflexive si xE, xRx\forall x \in E,\ x\,\mathcal{R}\,x ;
- symétrique si x,yE, xRyyRx\forall x,y \in E,\ x\,\mathcal{R}\,y \Rightarrow y\,\mathcal{R}\,x ;
- antisymétrique si x,yE, (xRyyRx)x=y\forall x,y \in E,\ (x\,\mathcal{R}\,y \wedge y\,\mathcal{R}\,x) \Rightarrow x = y ;
- transitive si x,y,zE, (xRyyRz)xRz\forall x,y,z \in E,\ (x\,\mathcal{R}\,y \wedge y\,\mathcal{R}\,z) \Rightarrow x\,\mathcal{R}\,z.

### 4. Relations d'équivalence

R\mathcal{R} est une relation d'équivalence si elle est réflexive, symétrique et transitive.

Pour xEx \in E, la classe d'équivalence de xx est x={yExRy}\overline{x} = \{y \in E \mid x\,\mathcal{R}\,y\}. Les classes d'équivalence forment une partition de EE : elles sont non vides, deux à deux disjointes (ou confondues), et leur union vaut EE.

Exemple classique : sur Z\mathbb{Z}, la relation "xy(modn)x \equiv y \pmod{n}" (i.e. n(xy)n \mid (x-y)) est une relation d'équivalence. Ses classes d'équivalence sont les nn classes de congruence modulo nn.

### 5. Relations d'ordre

R\mathcal{R} est une relation d'ordre si elle est réflexive, antisymétrique et transitive. L'ordre est total si x,yE, xRyyRx\forall x,y \in E,\ x\,\mathcal{R}\,y \vee y\,\mathcal{R}\,x (deux éléments sont toujours comparables) ; sinon il est partiel.

Exemples : (R,)(\mathbb{R}, \leq) est un ordre total. (P(E),)(\mathcal{P}(E), \subset) est un ordre partiel dès que EE a au moins 22 éléments (deux parties disjointes non vides ne sont pas comparables par inclusion).

### 6. Applications : définitions de base

Une application f:EFf : E \to F associe à chaque élément xEx \in E un unique élément f(x)Ff(x) \in F. On définit :

- image directe d'une partie AEA \subset E : f(A)={f(x)xA}f(A) = \{f(x) \mid x \in A\} ;
- image réciproque d'une partie BFB \subset F : f1(B)={xEf(x)B}f^{-1}(B) = \{x \in E \mid f(x) \in B\} (définie même si ff n'est pas bijective).

### 7. Injection, surjection, bijection

- ff est injective si x1,x2E, f(x1)=f(x2)x1=x2\forall x_1, x_2 \in E,\ f(x_1) = f(x_2) \Rightarrow x_1 = x_2 (équivalent à la contraposée : x1x2f(x1)f(x2)x_1 \neq x_2 \Rightarrow f(x_1) \neq f(x_2)). Deux éléments distincts ont des images distinctes.
- ff est surjective si yF, xE, f(x)=y\forall y \in F,\ \exists x \in E,\ f(x) = y. Tout élément de FF est atteint.
- ff est bijective si elle est injective et surjective : yF, !xE, f(x)=y\forall y \in F,\ \exists! x \in E,\ f(x) = y (existence et unicité).

Méthode pratique pour l'injectivité : on suppose f(x1)=f(x2)f(x_1) = f(x_2) et on montre x1=x2x_1 = x_2 par calcul direct.

Exemple : f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R}, f(x)=2x+1f(x) = 2x+1. Injective : f(x1)=f(x2)2x1+1=2x2+1x1=x2f(x_1)=f(x_2) \Rightarrow 2x_1+1=2x_2+1 \Rightarrow x_1=x_2. Surjective : pour yRy \in \mathbb{R}, on résout 2x+1=y2x+1=y, soit x=(y1)/2Rx = (y-1)/2 \in \mathbb{R}. Donc ff est bijective.

Contre-exemple : g:RRg : \mathbb{R} \to \mathbb{R}, g(x)=x2g(x) = x^2 n'est ni injective (g(1)=g(1)=1g(1)=g(-1)=1) ni surjective (aucun xx ne donne g(x)=1g(x)=-1).

### 8. Composition et bijection réciproque

Si f:EFf : E \to F et g:FGg : F \to G, on définit gf:EGg \circ f : E \to G par (gf)(x)=g(f(x))(g\circ f)(x) = g(f(x)).

Propriétés de composition :
- Si ff et gg sont injectives, gfg \circ f est injective.
- Si ff et gg sont surjectives, gfg \circ f est surjective.
- Si ff et gg sont bijectives, gfg \circ f est bijective.

Si f:EFf : E \to F est bijective, il existe une unique application f1:FEf^{-1} : F \to E, la bijection réciproque, caractérisée par :

f1f=idEetff1=idFf^{-1} \circ f = \mathrm{id}_E \qquad \text{et} \qquad f \circ f^{-1} = \mathrm{id}_F

Exemple : pour f(x)=2x+1f(x) = 2x+1 ci-dessus, f1(y)=y12f^{-1}(y) = \frac{y-1}{2}. Vérification : f1(f(x))=f1(2x+1)=(2x+1)12=xf^{-1}(f(x)) = f^{-1}(2x+1) = \frac{(2x+1)-1}{2} = x.

Exercices

Soit E={1,2,3,4}E = \{1,2,3,4\}. Combien d'éléments possède P(E)\mathcal{P}(E) ?

Vrai ou faux : AB=AEBA \setminus B = A \cap \complement_E B.

Quelle propriété caractérise une fonction injective f:EFf : E \to F ?

La relation "\leq" sur R\mathbb{R} est :

Vrai ou faux : f(x)=x2f(x) = x^2 définie de R\mathbb{R} vers R\mathbb{R} est injective.

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