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Licence 1 · Logique, ensembles et raisonnement

Ensembles, relations et applications

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 de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

P(E)\mathcal{P}(E) a 2n2^n éléments pour E=n|E|=n. Ici n=4n=4, donc 24=162^4 = 16.

Exercice 2

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

Corrigé

Vrai. xAB(xA et xB)(xA et xEB)xAEBx \in A\setminus B \Leftrightarrow (x\in A \text{ et } x\notin B) \Leftrightarrow (x \in A \text{ et } x \in \complement_E B) \Leftrightarrow x \in A \cap \complement_E B.

Exercice 3

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

Corrigé

L'injectivité signifie que deux antécédents distincts ne peuvent avoir la même image, ce qui se traduit par la contraposée : f(x1)=f(x2)x1=x2f(x_1)=f(x_2) \Rightarrow x_1=x_2. L'option C est toujours vraie pour une fonction (par définition d'une fonction) et ne caractérise donc rien. B et D définissent la surjectivité.

Exercice 4

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

Corrigé

"\leq" est réflexive (xxx\leq x), antisymétrique (xyx\leq y et yxx=yy\leq x \Rightarrow x=y) et transitive : c'est une relation d'ordre. De plus deux réels sont toujours comparables : l'ordre est total.

Exercice 5

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

Corrigé

Faux. On a f(1)=f(1)=1f(1) = f(-1) = 1 alors que 111 \neq -1 : deux antécédents distincts ont la même image, donc ff n'est pas injective sur R\mathbb{R}.

Exercice 6

Soient A,BEA, B \subset E. Que vaut E(AB)\complement_E(A \cup B) ?

Corrigé

C'est la première loi de De Morgan pour les ensembles : E(AB)=EAEB\complement_E(A\cup B) = \complement_E A \cap \complement_E B. Intuitivement, ne pas être dans AA ou BB équivaut à n'être ni dans AA ni dans BB.

Exercice 7

Sur Z\mathbb{Z}, on définit xRyxyx \mathcal{R} y \Leftrightarrow x - y est pair. Cette relation est :

Corrigé

Réflexive : xx=0x-x=0 est pair. Symétrique : si xyx-y est pair, yx=(xy)y-x=-(x-y) l'est aussi. Transitive : si xyx-y et yzy-z sont pairs, xz=(xy)+(yz)x-z=(x-y)+(y-z) est pair (somme de deux pairs). C'est donc une relation d'équivalence (ses classes sont les entiers pairs et les entiers impairs).

Exercice 8

Soit f:R[0,+[f : \mathbb{R} \to [0, +\infty[, f(x)=x2f(x) = x^2. Cette application est :

Corrigé

Surjective : pour tout y0y \geq 0, x=yx = \sqrt{y} vérifie f(x)=yf(x)=y. Non injective : f(1)=f(1)=1f(1) = f(-1) = 1 avec 111 \neq -1. Le changement d'ensemble d'arrivée (restreint à [0,+[[0,+\infty[) rend la fonction surjective, contrairement à l'exercice précédent sur RR\mathbb{R} \to \mathbb{R}.

Exercice 9

Vrai ou faux : si f:EFf : E \to F et g:FGg : F \to G sont toutes deux injectives, alors gfg \circ f est injective.

Corrigé

Vrai. Si (gf)(x1)=(gf)(x2)(g\circ f)(x_1) = (g\circ f)(x_2), alors g(f(x1))=g(f(x2))g(f(x_1))=g(f(x_2)). Comme gg est injective, f(x1)=f(x2)f(x_1)=f(x_2). Comme ff est injective, x1=x2x_1=x_2. Donc gfg\circ f est injective.

Exercice 10

Sur P(E)\mathcal{P}(E) avec E={1,2}E=\{1,2\}, l'inclusion \subset est-elle un ordre total ?

Corrigé

\subset est bien réflexive, antisymétrique et transitive (c'est un ordre), mais pas total dès que E2|E|\geq 2 : ici {1}⊄{2}\{1\} \not\subset \{2\} et {2}⊄{1}\{2\} \not\subset \{1\}, donc ces deux parties ne sont pas comparables.

Exercice 11

Montrer que f:R{2}R{1}f : \mathbb{R}\setminus\{2\} \to \mathbb{R}\setminus\{1\}, f(x)=x+1x2f(x) = \dfrac{x+1}{x-2} est bijective, et déterminer f1f^{-1}.

Corrigé

Méthode : pour montrer que ff est bijective, on résout l'équation f(x)=yf(x)=y et on vérifie qu'elle a une unique solution xx pour chaque yy dans l'ensemble d'arrivée.

Soit yR{1}y \in \mathbb{R}\setminus\{1\}. On résout :

y=x+1x2    y(x2)=x+1    yx2y=x+1    x(y1)=2y+1y = \frac{x+1}{x-2} \;\Longleftrightarrow\; y(x-2) = x+1 \;\Longleftrightarrow\; yx - 2y = x+1 \;\Longleftrightarrow\; x(y-1) = 2y+1

Comme y1y \neq 1, on peut diviser : x=2y+1y1x = \dfrac{2y+1}{y-1}. Cette valeur de xx est bien définie (le dénominateur y10y-1 \neq 0) et on vérifie qu'elle est différente de 22 : si x=2x=2, alors 2(y1)=2y+12(y-1)=2y+1 donnerait 2=1-2=1, absurde. Donc xR{2}x \in \mathbb{R}\setminus\{2\}.

Pour chaque yR{1}y \in \mathbb{R}\setminus\{1\}, il existe donc un unique xR{2}x \in \mathbb{R}\setminus\{2\} tel que f(x)=yf(x)=y : ff est bijective, et

f1(y)=2y+1y1f^{-1}(y) = \frac{2y+1}{y-1}
\square

Exercice 12

Soit R\mathcal{R} une relation d'équivalence sur EE. Vrai ou faux : deux classes d'équivalence distinctes sont nécessairement disjointes.

Corrigé

Vrai. Supposons xy\overline{x} \cap \overline{y} \neq \emptyset et soit zz dans cette intersection. Alors xRzx\mathcal{R}z et yRzy\mathcal{R}z, donc par symétrie et transitivité xRyx \mathcal{R} y, ce qui entraîne x=y\overline{x} = \overline{y} (les classes coïncident). Par contraposée, si les classes sont distinctes, elles sont disjointes.

Exercice 13

Démontrer que si gfg \circ f est injective, alors ff est injective (où f:EFf:E\to F, g:FGg:F\to G).

Corrigé

Démonstration directe. Supposons gfg \circ f injective. Soient x1,x2Ex_1, x_2 \in E tels que f(x1)=f(x2)f(x_1) = f(x_2).

En appliquant gg aux deux membres de cette égalité (ce qui est licite puisque gg est une fonction) :

g(f(x1))=g(f(x2))c’est-aˋ-dire(gf)(x1)=(gf)(x2)g(f(x_1)) = g(f(x_2)) \quad \text{c'est-à-dire} \quad (g\circ f)(x_1) = (g\circ f)(x_2)

Comme gfg \circ f est injective par hypothèse, cette égalité entraîne x1=x2x_1 = x_2.

On a montré : 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, c'est-à-dire que ff est injective. \square

Remarque : l'hypothèse ne permet pas de conclure que gg est injective (contre-exemple : E={1}E=\{1\}, F={1,2}F=\{1,2\}, G={1}G=\{1\}, f(1)=1f(1)=1, g(1)=g(2)=1g(1)=g(2)=1 : gfg\circ f est injective sur le singleton EE mais gg ne l'est pas).

Exercice 14

Soit EE un ensemble à 55 éléments et FF un ensemble à 33 éléments. Peut-il exister une application injective f:EFf : E \to F ?

Corrigé

C'est le principe des tiroirs : si E>F|E| > |F|, toute application f:EFf:E\to F envoie au moins deux éléments distincts de EE sur la même image dans FF (sinon ff établirait une correspondance entre 55 éléments et 55 images distinctes dans un ensemble qui n'en contient que 33, contradiction). Donc aucune injection de EE vers FF n'existe.

Exercice 15

Vrai ou faux : pour toute application f:EFf:E\to F et toutes parties A,BEA,B \subset E, on a f(AB)=f(A)f(B)f(A \cap B) = f(A) \cap f(B).

Corrigé

Faux en général (seule l'inclusion f(AB)f(A)f(B)f(A\cap B) \subset f(A)\cap f(B) est toujours vraie). Contre-exemple : f(x)=x2f(x)=x^2 sur R\mathbb{R}, A={1}A=\{1\}, B={1}B=\{-1\}. Alors AB=A\cap B=\emptyset donc f(AB)=f(A\cap B)=\emptyset, mais f(A)={1}f(A)=\{1\} et f(B)={1}f(B)=\{1\} donc f(A)f(B)={1}f(A)\cap f(B)=\{1\} \neq \emptyset.

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