Raisonnement et ensembles — Polytechnique

Exercices corrigés de Polytechnique sur le thème « raisonnement et ensembles », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★) Borne inférieure ; Cardinal ; Inégalités
Pour {A\subset\mathbb{N}}, posons {d(A)=\inf_{n\ge1}|A\cap\left\{1,\ldots,n\right\}|/n}.
1) Si {0\in A} et {d(A)\ge1/2}, montrer que {A+A=\mathbb{N}}.
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2) Si {0\in A\cap B}, montrer que {1-d(A+B)\le(1-d(A))(1-d(B))}.
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3) Si {0\in A} et {d(A)>0}, montrer qu’une somme d’un nombre fini de copies de {A} est {\mathbb{N}}.
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Exercice 2. (★★) Cardinal ; Parties d'un ensemble fini ; Applications injectives
On note {p(n)} le nombre de partitions de l’entier {n\ge1}.

Montrer que {p(n)\le2^{n-1}}.

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Exercice 3. (★★★★) Parties d'un ensemble fini ; Sommes et produits ; Récurrence
Pour une partie finie non vide {X=\left\{x_1\lt \cdots\lt x_n\right\}} de {\mathbb{R}}, on pose {a_+(X)=\prod_{i=1}^{n-1}(x_{i+1}-x_i+1),\qquad a_-(X)=\prod_{i=1}^{n-1}(x_{i+1}-x_i-1).}On veut établir {\sum\limits_{\varnothing\ne B\subset A}a_-(B)=a_+(A)}. Soit {A=\left\{a_1\lt \cdots\lt a_n\right\}}.
1) En supposant le résultat acquis, exprimer {\alpha(A)=\sum\limits_{B\subset A,\ a_n\in B}a_-(B)}.
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2) Établir le résultat.
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3) Pour {A=\left\{1,\ldots,n\right\}}, calculer {\sum\limits_{\varnothing\ne B\subset A,\ B\cap(B+1)=\varnothing}a_-(B)}.
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Exercice 4. (★) Parties d'un ensemble ; Inclusion-exclusion ; Cardinal d'un produit
Soit {E} un ensemble fini.

Dénombrer les triplets de parties {(A,B,C)} tels que {A\subset B\subset C}.

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Exercice 5. (★★) Partitions en paires ; Permutations
Pour {r\ge1}, combien y a-t-il de façons d’apparier les entiers {1,\ldots,2r} ?
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Exercice 6. (★★) Parties à cardinal fixé ; Coefficients binomiaux
Soit {n\ge1}.
1) Dénombrer les écritures {n=n_1+\cdots+n_r} en entiers strictement positifs, avec {r\ge1} arbitraire.
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2) Même question pour {r\ge1} fixé.
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Exercice 7. (★★★) Cardinal d'un produit ; Bijections ; Coefficients binomiaux
1) Dénombrer les triplets de parties deux à deux disjointes de {\left\{1,\ldots,n\right\}}.
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2) Pour {N\ge1}, dénombrer les fonctions {f:\left\{0,\ldots,2N\right\}\to\left\{0,\ldots,2N\right\}} telles que {f(0)=f(2N)=0} et {|f(k+1)-f(k)|=1}.
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PC


Exercice 1. (★) Bijections ; Raisonnement par l'absurde
Peut-on partager le disque unité fermé en deux parties disjointes {A,B} reliées par une bijection {f:A\to B} conservant la norme ?
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Exercice 2. (★★★★) Sommes ; Récurrence ; Existence
Montrer que, pour tout {n\in\mathbb{N}^\star}, il existe {m\in\mathbb{N}^\star} et {\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_m\in\left\{-1,1\right\}} tels que {n=\sum\limits_{k=1}^m\varepsilon_k k^2}.
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Exercice 3. (★★★★) Cardinal ; Permutations ; Inclusion
Soient {E=\left\{1,\ldots,n\right\}} et {A_1,\ldots,A_N\subset E} tels que {A_i\not\subset A_j} pour {i\ne j}.

Poser {p_i=|A_i|}.

Montrer que {\sum\limits_{i=1}^N p_i!(n-p_i)!\le n!}.

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Exercice 4. (★★★) Injections ; Sommes d'entiers ; Applications
Trouver un polynôme {P(x,y)=ax^2+bxy+cy^2+dx+ey+f} injectif sur {\mathbb{N}\times\mathbb{N}}.
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Exercice 5. (★★★★★) Cardinal ; Polynômes d’endomorphismes et de matrices ; Injections
Soit {n\ge2}. Pour {A\in\mathcal M_n(\mathbb{C})} nilpotente, déterminer les valeurs possibles du cardinal de {\left\{B:B^2=A\right\}}.
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Exercice 6. (★★) cardinal ; combinaisons ; applications
Un graphe {G=(S,A)} a un ensemble fini de sommets {S} et un ensemble {A} de paires de sommets, appelées arêtes. Un morphisme {f:S\to S'} préserve les arêtes ; un isomorphisme préserve les arêtes dans les deux sens.

Donner une majoration du nombre de graphes à {n} sommets et {k} arêtes deux à deux non isomorphes.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.