Ensembles, relations et applications
### 1. Appartenance, inclusion, égalité
Soit E un ensemble. Pour x un objet et A,B des sous-ensembles (parties) de E :
- x∈A : "x appartient à A" ; x∈/A : "x n'appartient pas à A".
- A⊂B (inclusion) : ∀x∈E, x∈A⇒x∈B.
- A=B : A⊂B et B⊂A (c'est la méthode standard pour prouver une égalité d'ensembles : double inclusion).
- ∅ : l'ensemble vide, sous-ensemble de tout ensemble.
### 2. Opérations sur les ensembles
Pour A,B parties de E :
| Opération | Notation | Définition |
|---|---|---|
| Union | A∪B | {x∈E∣x∈A ou x∈B} |
| Intersection | A∩B | {x∈E∣x∈A et x∈B} |
| Complémentaire | ∁EA ou Ac | {x∈E∣x∈/A} |
| Différence | A∖B | {x∈E∣x∈A et x∈/B}=A∩Bc |
Lois de De Morgan pour les ensembles :
∁E(A∪B)=∁EA∩∁EB∁E(A∩B)=∁EA∪∁EB Produit cartésien : A×B={(a,b)∣a∈A, b∈B} (couples ordonnés).
Ensemble des parties : P(E) est l'ensemble de toutes les parties de E (y compris ∅ et E lui-même). Si E a n éléments, P(E) a 2n éléments.
Exemple : E={1,2,3}. P(E)={∅, {1}, {2}, {3}, {1,2}, {1,3}, {2,3}, {1,2,3}}, soit 23=8 éléments.
### 3. Relations binaires
Une relation binaire R sur un ensemble E est une partie de E×E : on note xRy si (x,y) appartient à cette partie. On dit que R est :
- réflexive si ∀x∈E, xRx ;
- symétrique si ∀x,y∈E, xRy⇒yRx ;
- antisymétrique si ∀x,y∈E, (xRy∧yRx)⇒x=y ;
- transitive si ∀x,y,z∈E, (xRy∧yRz)⇒xRz.
### 4. Relations d'équivalence
R est une relation d'équivalence si elle est réflexive, symétrique et transitive.
Pour x∈E, la classe d'équivalence de x est x={y∈E∣xRy}. Les classes d'équivalence forment une partition de E : elles sont non vides, deux à deux disjointes (ou confondues), et leur union vaut E.
Exemple classique : sur Z, la relation "x≡y(modn)" (i.e. n∣(x−y)) est une relation d'équivalence. Ses classes d'équivalence sont les n classes de congruence modulo n.
### 5. Relations d'ordre
R est une relation d'ordre si elle est réflexive, antisymétrique et transitive. L'ordre est total si ∀x,y∈E, xRy∨yRx (deux éléments sont toujours comparables) ; sinon il est partiel.
Exemples : (R,≤) est un ordre total. (P(E),⊂) est un ordre partiel dès que E a au moins 2 éléments (deux parties disjointes non vides ne sont pas comparables par inclusion).
### 6. Applications : définitions de base
Une application f:E→F associe à chaque élément x∈E un unique élément f(x)∈F. On définit :
- image directe d'une partie A⊂E : f(A)={f(x)∣x∈A} ;
- image réciproque d'une partie B⊂F : f−1(B)={x∈E∣f(x)∈B} (définie même si f n'est pas bijective).
### 7. Injection, surjection, bijection
- f est injective si ∀x1,x2∈E, f(x1)=f(x2)⇒x1=x2 (équivalent à la contraposée : x1=x2⇒f(x1)=f(x2)). Deux éléments distincts ont des images distinctes.
- f est surjective si ∀y∈F, ∃x∈E, f(x)=y. Tout élément de F est atteint.
- f est bijective si elle est injective et surjective : ∀y∈F, ∃!x∈E, f(x)=y (existence et unicité).
Méthode pratique pour l'injectivité : on suppose f(x1)=f(x2) et on montre x1=x2 par calcul direct.
Exemple : f:R→R, f(x)=2x+1. Injective : f(x1)=f(x2)⇒2x1+1=2x2+1⇒x1=x2. Surjective : pour y∈R, on résout 2x+1=y, soit x=(y−1)/2∈R. Donc f est bijective.
Contre-exemple : g:R→R, g(x)=x2 n'est ni injective (g(1)=g(−1)=1) ni surjective (aucun x ne donne g(x)=−1).
### 8. Composition et bijection réciproque
Si f:E→F et g:F→G, on définit g∘f:E→G par (g∘f)(x)=g(f(x)).
Propriétés de composition :
- Si f et g sont injectives, g∘f est injective.
- Si f et g sont surjectives, g∘f est surjective.
- Si f et g sont bijectives, g∘f est bijective.
Si f:E→F est bijective, il existe une unique application f−1:F→E, la bijection réciproque, caractérisée par :
f−1∘f=idEetf∘f−1=idF Exemple : pour f(x)=2x+1 ci-dessus, f−1(y)=2y−1. Vérification : f−1(f(x))=f−1(2x+1)=2(2x+1)−1=x.