erˆome Dubois “Alg`ebre et Analyse ´el´ementaires”
2EnsemblesetApplications
2.1 La notion d’ensemble
1. La notion d’ensemble
(a) Nous donnons une notion intuitive d’ensemble comme ´etant une collection
Ed’objets a, b, c, . . . appel´es ´el´ements de Emunie d’une relation d’´egalie
et d’une relation d’appartenance :
a=bexprime le fait que aet brepr´esentent le mˆeme objet de E,
a!=best une abr´eviation de la n´egation de l’assertion a=b”,
aEexprime que aest un objet ou ´el´ement de E,
a!∈ Eest une abr´eviation de la n´egation de l’assertion aE”.
(b) Exemples :
–Unebiblioth`equeestunensembledelivres;unlivre´etantluimˆemeun
ensemble de pages.
–Ilexisteunensemblenecontenantaucun´el´ement:cestlensemble vide,
on le note .
–OnparlevolontiersdelensembledespontsdeParis,ouencore de l’en-
semble des atomes de l’Univers, de l’ensemble des nombres entiers, de
celui des nombres entiers pairs etc... Mais attention, pour ´e v i t e r c e r t a i n s
paradoxes aberrants, un ensemble n’est jamais ´e l ´e m e n t d e l u i m ˆe m e ( p a -
radoxe de Russell, 1901). Une l’illustration el`ebre de ceparadoxeestle
paradoxe du barbier.
2. Inclusion et parties d’un ensemble
Soient E,F deux ensembles. On dit que Eest inclus dans F,etlonnoteE
F,lorsquetouel´ementdeEest ´el´ement de F.AutrementditEFsi, et
seulement si, pour tout x,sixE,alorsxF:
x, x ExF.
On dit encore que Eest une partie de F,ouqueEest un sous-ensemble de F.
Observons que l’ensemble vide est contenu dans tout ensemble.
2.2 Des axiomes de la th´eorie des ensembles
1. Axiome d’extension.
Deux ensembles Eet Fsont ´egaux si, et seulement si, Eest inclus dans Fet F
est inclus dans E:
E=Fsi, et seulement si, EFet FE.
2. Axiome des paires.
Soient a, b deux objets, {x|x=aou x=b}efinit un ensemble not´e {a, b}.
L’ensemble {a, a}est not´e {a}.
3. Axiome de s´election.
Soient Eun ensemble et P(x)uenonc´e(proposition)d´ependantdelavariable
x,alorslaproposition“xEet xerie l’´enone P(x)” d´efinit un ensemble
not´e {xE|P(x)}qui est une partie de E.
Exemples :
(a) si aE,ona{xE|x=a}={a}.Lensemblevidequant`aluipouvant
s’´ecrire : {xE|x!=x}.
22
erˆome Dubois “Alg`ebre et Analyse ´el´ementaires”
(b) soit P(x)lassertion:“xest pair” pour xN.Onpeutlatraduirepar:
P(x):qNx=2q.
L’ensemble {xN|P(x)}={xN|2|x}=2Nest l’ensemble des entiers
pairs.
4. Axiome de la r´eunion.
Si E,F sont deux ensembles, alors il existe un ensemble not´e EFdont tout
´e l ´e m e n t e s t s o i t u n ´e l ´e m e n t d e Esoit un ´el´ement de F.Cetensemblesappelle
la r´eunion de Eet F.
5. Axiome de l’ensemble des parties.
Si Eest un ensemble, alors {A|AE}enit un ensemble appel´e ensemble
des parties de Eet not´e P(E). Cet ensemble n’est jamais vide (mˆeme si El’est),
il contient toujours et E.
Attention : soit xun ´el´ement de E,oecritxE;deplus{x}est un sous-
ensemble de E,oecrit{x}E,{x}est donc un ´el´ement de l’ensemble des
parties de E:{x}P(E).
2.3 Op´erations sur les ensembles
1. R´eunion, intersection et compl´ementaire.
Soient Eun ensemble (non vide) et A, B deux sous-ensembles quelconques de
E.Ond´enit:
(a) le compementaire de Adans Econstitu´e par l’ensemble des ´el´ements de
Equi ne sont pas dans A:
E\A=Ac={xE|x/A}.
(b) l’intersection de Aet Bconstitu´ee par l’ensemble des ´el´ements de Equi
sont `a la fois des ´el´ements de Aet de B:
AB={xE|xAet xB}.
Observons que ABAet ABB.
(c) la r´eunion de Aet Bconstitu´ee par l’ensemble des ´el´ements de Equi sont
des ´el´ements de Aou des ´el´ements de B:
AB={xE|xAou xB}.
Observons que AABet BAB.OnnoteraaussiqueABAB.
Propri´et´es :Soient A, B, C trois sous-ensembles d’un ensemble (non vide) E.
(a) Propri´et´es du compl´ementaire :
E\E=Ec=,E\=c=E,
E\(E\A)=(Ac)c=A,
si BAalors E\AE\B,
E\(AB)=(E\A)(E\B),
E\(AB)=(E\A)(E\B).
23
erˆome Dubois “Alg`ebre et Analyse ´el´ementaires”
(b) Propri´et´es de la r´eunion :
commutativit´e : AB=BA
associativit´e : A(BC)=(AB)C
idempotence : AA=A
A∪∅=A
AE=E
(c) Propri´et´es de l’intersection :
commutativit´e : AB=BA
associativit´e : A(BC)=(AB)C
idempotence : AA=A
A∩∅=
AE=A
(d) Distributivit´e :
(AB)C=(AC)(BC)
(AB)C=(AC)(BC)
2. Produit cart´esien.
(a) La notion de couple. Soient a,bdeux ´el´ements d’un ensemble E.Lensemble
{{a},{a, b}} est appel´e couple de a, b.Onlenote(a, b).
Observation : deux couples (a, b)et(a!,b
!)sont´egauxsi,etseulementsi,
a=a!et b=b!.
(b) Axiome du produit cart´esien. Soient E, F deux ensembles, il existe un en-
semble, not´e E×F,appel´eproduitcart´esiendeEet F,form´eparles
couples (a, b)avecaEet bF.LorsqueF=E,onnoteE×E=E2.
(c) Propri´et´es :
E×F=si, et seulement si, E=ou F=
si AEet BFalors A×BE×F
(d) La diagonale de E2est l’ensemble
DE={(x, y)E2|x=y}={(x, x)E2|x=x}.
2.4 La notion d’application
1. Application d’un ensemble vers un autre.
(a) efinitions. On appelle application d’un ensemble Edans un ensemble
F,unecorrespondancefqui associe `a un ´el´ement xEun, et un seul,
´e l ´e m e n t yF.Ceel´ementserad´esormaisnot´ef(x). L’application sera
not´ee f:EF,x,→ f(x).
Le graphe G(f)defest le sous-ensemble de E×Fconstitu´e par les couples
(x, f(x)) pour xE.
La restriction de l’application f:EF`a l a p a r t i e AEest l’application
f|A:AFefinie par f|A(x)=f(x), pour tout xA.
(b) Exemples.
24
erˆome Dubois “Alg`ebre et Analyse ´el´ementaires”
i. l’application identique 1Ed’un ensemble Edans lui mˆeme est d´efinie
par 1E(x)=xpour tout xE.LegrapheG(1E)={(x, x)|xE}
est la diagonale de E2.
ii. si AEest une partie de E,alorslarestrictionde1E`a Aest
l’inclusion canonique de Adans E.
iii. l’application pr1:E×FEefinie par pr1(x, y)=xs’appelle la
premi`ere projection de E×Fsur E.
iv. soit aFun ´el´ement, l’application σa:EE×F,d´eniepar
σa(x)=(x, a)estappel´eesection.
v. l’application [·]:RZqui au r´eel xassocie le plus grand entier
inf´erieur ou ´egal `a xest appel´ee fonction partie enti`ere.Lapartie
enti`ere [x]dexest l’unique entier ntel que n!x<1+n.
(c) L’ensemble des applications. Les applications de Edans Fforment un
ensemble not´e F(E, F). On le note aussi parfois FE.
(d) Composition des applications. Soient E,F, G trois ensembles, fune appli-
cation de Edans Fet gune application de Fdans G,onnote:
gf:EG, x ,→ (gf)(x)=g(f(x))
l’application compos´ee de fet g.
Propri´et´e :lacompositiondesapplicationsestassociative:
(fg)h=f(gh).
Exemples.
i. Observons que pr1σa=1E.
ii. Soit f:NNefinie par n,→ 2n.Consid´eronsg:NQefinie par
g(m)= m
2.Larestrictiondegau sous-ensemble des entiers pairs 2N
est telle que g|2N(2k)=k,pourtoutkN.Ainsig|2Nf=1N.De
eme, on a fg|2N=12N.
2. Image directe et image r´eciproque.
(a) efinition de limage directe. Soient fune application de Edans Fet
AEun sous-ensemble. L’image directe de Apar fest l’ensemble
f(A)={yF|aAf(a)=y}={f(a)|aA}F.
C’est le sous-ensemble de Fconstitu´e par les images par fdes ´el´ements
de A.
(b) Propri´et´es
i. f()=
ii. si AB,alorsf(A)f(B)
iii. f(AB)f(A)f(B)
iv. f(AB)=f(A)f(B)
v. (gf)(A)=g(f(A))
(c) Exemples
i. sin(R)=[1,1], cos([0,π]) = [1,1]
ii. si f:x,→ x2,f(R)=R+
25
erˆome Dubois “Alg`ebre et Analyse ´el´ementaires”
(d) efinition de limage r´eciproque. Soient fune application de Edans Fet
BFun sous-ensemble. L’image r´eciproque de Bpar fest l’ensemble
f1(B)={xE|f(x)B}E.
C’est le sous-ensemble de Econstitu´e par les ´el´ements de Edont l’image
par fest dans B.
(e) Propri´et´es
i. f1()=
ii. f1(F)=E
iii. si AB,alorsf1(A)f1(B)
iv. f1(F\B)=E\f1(B)
v. f1(AB)=f1(A)f1(B)
vi. f1(AB)=f1(A)f1(B)
vii. (gf)1(A)=f1(g1(A))
viii. Af1(f(A)) et f(f1(B)) B
(f) Exemples
i. sin1([1,1]) = R,sin
1({0})={kπ|kZ}
ii. si f:x,→ x2,f1([0,1]) = [1,1], f1({1})={1,1}
iii. cos1([0,1]) = !kZ"π
2+2kπ,π
2+2kπ#
(g) Remarque : observons que si a, b sont deux ´el´ements distincts de F,alors
(par d´efinition mˆeme d’une application) f1({a})f1({b})=.Ainsi,
les ensembles f1({a}), lorsque aecrit F,formentunepartition de E:
E=!aFf1({a}).
3. Injection, surjection et bijection.
(a) efinitions. Soit fune application de Edans F:
i. fest une injection de Edans Fsi elle v´erifie l’une des deux propri´et´es
´e q u i v a l e n t e s ( c o n t r a p o s ´e e l ’ u n e d e l ’ a u t r e ) s u i v a n t e s :
pour tous a, b E, si f(a)=f(b)alorsa=b
pour tous a, b E, si a!=balors f(a)!=f(b)
ii. fest une surjection de Esur Fsi elle erifie :
pour tout yF, il existe xEtel que f(x)=y
iii. fest une bijection de Esur Fsi elle est `a la fois injective et surjective,
c’est-`a-dire si
pour tout yF, il existe un unique xEtel que f(x)=y
(b) Exemples.
i. si AEest une partie de E,alorslinclusioncanoniqueiA=(1E)|A
de Adans Eest une injection.
ii. la premi`ere projection de E×Fsur E,pr
1:E×FEefinie par
pr1(x, y)=x,estunesurjectiondeE×Fsur E.
iii. l’application identique 1Eest une bijection de Esur E
iv. l’application f:RR+,x,→ x2est surjective sans ˆetre injective ;
par contre sa restriction `a R+ealise une bijection de R+sur lui mˆeme.
26
1 / 11 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !