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Licence 1 · Logique, ensembles et raisonnement
Ensembles, relations et applications
Ensembles, relations et applications
### 1. Appartenance, inclusion, égalité
Soit un ensemble. Pour un objet et des sous-ensembles (parties) de :
- : " appartient à " ; : " n'appartient pas à ".
- (inclusion) : .
- : et (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 parties de :
| Opération | Notation | Définition |
|---|---|---|
| Union | | |
| Intersection | | |
| Complémentaire | ou | |
| Différence | | |
Lois de De Morgan pour les ensembles :
Produit cartésien : (couples ordonnés).
Ensemble des parties : est l'ensemble de toutes les parties de (y compris et lui-même). Si a éléments, a éléments.
Exemple : . , soit éléments.
### 3. Relations binaires
Une relation binaire sur un ensemble est une partie de : on note si appartient à cette partie. On dit que est :
- réflexive si ;
- symétrique si ;
- antisymétrique si ;
- transitive si .
### 4. Relations d'équivalence
est une relation d'équivalence si elle est réflexive, symétrique et transitive.
Pour , la classe d'équivalence de est . Les classes d'équivalence forment une partition de : elles sont non vides, deux à deux disjointes (ou confondues), et leur union vaut .
Exemple classique : sur , la relation "" (i.e. ) est une relation d'équivalence. Ses classes d'équivalence sont les classes de congruence modulo .
### 5. Relations d'ordre
est une relation d'ordre si elle est réflexive, antisymétrique et transitive. L'ordre est total si (deux éléments sont toujours comparables) ; sinon il est partiel.
Exemples : est un ordre total. est un ordre partiel dès que a au moins éléments (deux parties disjointes non vides ne sont pas comparables par inclusion).
### 6. Applications : définitions de base
Une application associe à chaque élément un unique élément . On définit :
- image directe d'une partie : ;
- image réciproque d'une partie : (définie même si n'est pas bijective).
### 7. Injection, surjection, bijection
- est injective si (équivalent à la contraposée : ). Deux éléments distincts ont des images distinctes.
- est surjective si . Tout élément de est atteint.
- est bijective si elle est injective et surjective : (existence et unicité).
Méthode pratique pour l'injectivité : on suppose et on montre par calcul direct.
Exemple : , . Injective : . Surjective : pour , on résout , soit . Donc est bijective.
Contre-exemple : , n'est ni injective () ni surjective (aucun ne donne ).
### 8. Composition et bijection réciproque
Si et , on définit par .
Propriétés de composition :
- Si et sont injectives, est injective.
- Si et sont surjectives, est surjective.
- Si et sont bijectives, est bijective.
Si est bijective, il existe une unique application , la bijection réciproque, caractérisée par :
Exemple : pour ci-dessus, . Vérification : .
Exercices de la leçon
Exercice 1
Soit . Combien d'éléments possède ?
Corrigé
a éléments pour . Ici , donc .
Exercice 2
Vrai ou faux : .
Corrigé
Vrai. .
Exercice 3
Quelle propriété caractérise une fonction injective ?
Corrigé
L'injectivité signifie que deux antécédents distincts ne peuvent avoir la même image, ce qui se traduit par la contraposée : . 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 "" sur est :
Corrigé
"" est réflexive (), antisymétrique ( et ) et transitive : c'est une relation d'ordre. De plus deux réels sont toujours comparables : l'ordre est total.
Exercice 5
Vrai ou faux : définie de vers est injective.
Corrigé
Faux. On a alors que : deux antécédents distincts ont la même image, donc n'est pas injective sur .
Exercice 6
Soient . Que vaut ?
Corrigé
C'est la première loi de De Morgan pour les ensembles : . Intuitivement, ne pas être dans ou équivaut à n'être ni dans ni dans .
Exercice 7
Sur , on définit est pair. Cette relation est :
Corrigé
Réflexive : est pair. Symétrique : si est pair, l'est aussi. Transitive : si et sont pairs, 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 , . Cette application est :
Corrigé
Surjective : pour tout , vérifie . Non injective : avec . Le changement d'ensemble d'arrivée (restreint à ) rend la fonction surjective, contrairement à l'exercice précédent sur .
Exercice 9
Vrai ou faux : si et sont toutes deux injectives, alors est injective.
Corrigé
Vrai. Si , alors . Comme est injective, . Comme est injective, . Donc est injective.
Exercice 10
Sur avec , l'inclusion est-elle un ordre total ?
Corrigé
est bien réflexive, antisymétrique et transitive (c'est un ordre), mais pas total dès que : ici et , donc ces deux parties ne sont pas comparables.
Exercice 11
Montrer que , est bijective, et déterminer .
Corrigé
Méthode : pour montrer que est bijective, on résout l'équation et on vérifie qu'elle a une unique solution pour chaque dans l'ensemble d'arrivée.
Soit . On résout :
Comme , on peut diviser : . Cette valeur de est bien définie (le dénominateur ) et on vérifie qu'elle est différente de : si , alors donnerait , absurde. Donc .
Pour chaque , il existe donc un unique tel que : est bijective, et
Exercice 12
Soit une relation d'équivalence sur . Vrai ou faux : deux classes d'équivalence distinctes sont nécessairement disjointes.
Corrigé
Vrai. Supposons et soit dans cette intersection. Alors et , donc par symétrie et transitivité , ce qui entraîne (les classes coïncident). Par contraposée, si les classes sont distinctes, elles sont disjointes.
Exercice 13
Démontrer que si est injective, alors est injective (où , ).
Corrigé
Démonstration directe. Supposons injective. Soient tels que .
En appliquant aux deux membres de cette égalité (ce qui est licite puisque est une fonction) :
Comme est injective par hypothèse, cette égalité entraîne .
On a montré : , c'est-à-dire que est injective.
Remarque : l'hypothèse ne permet pas de conclure que est injective (contre-exemple : , , , , : est injective sur le singleton mais ne l'est pas).
Exercice 14
Soit un ensemble à éléments et un ensemble à éléments. Peut-il exister une application injective ?
Corrigé
C'est le principe des tiroirs : si , toute application envoie au moins deux éléments distincts de sur la même image dans (sinon établirait une correspondance entre éléments et images distinctes dans un ensemble qui n'en contient que , contradiction). Donc aucune injection de vers n'existe.
Exercice 15
Vrai ou faux : pour toute application et toutes parties , on a .
Corrigé
Faux en général (seule l'inclusion est toujours vraie). Contre-exemple : sur , , . Alors donc , mais et donc .
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