47-54 - Département de mathématiques et de statistique

6.4. La cardinalité de P(E).Nous voulons montrer par induction que |P(E]|= 2|E|pour un
ensemble fini E. Nous aurons besoin de quelques préparations.
Soit Eun ensemble non-vide et fixons un élément xE. Divisons P(E), la collection des
sous-ensembles de E, dans deux classes (sous-ensembles disjoints). Rappel A:= E\A=EA, le
complément de AE. On remarque que xAsi et seulement si x6∈ A.
Définissons
C1:= {AP(E)|xA};
C2:= {AP(E)|x6∈ A}
et les fonctions f1:C1C2et f2:C2C1par f1(A) = Aet f2(A) = A.
Lemme 6.4. Les fonctions f1et f2sont bijectives.
Démonstration. Vérifions que f2est une fonction : Si AC2, alors x6∈ Aet xA, donc f2(A) =
AC1, en effet. Similaire pour f1.
Par un résultat déjà montré il suffit de montrer que f1f2= 1C2et f2f1= 1C1.
Puis (f1f2)(A) = f1(A) = A=A= 1C2(A)et (f2f1)(A) = f2(A) = A=A= 1C1(A). Donc
en effet f1f2= 1C2et f2f1= 1C1.
Corollaire 6.1. Si Eest un ensemble fini, alors |C1|=|C2|et |P(E)|= 2|C1|.
Démonstration. On a C1C2=P(E)et C1C2=. Alors |P(E)|=|C1|+|C2|−|C1C2|=
|C1|+|C2|.
Nous avons montré que f2:C2C1est une fonction bijective ; donc si Eest fini, alors
|C2|=|C1|.
Lemme 6.5. La fonction
f3:P(E\{x})C2
définie par f3(A) := Aest bijective.
Démonstration. Si AP(U\{x})alors Aest un sous-ensemble de E\{x}), alors Aest un sous-
ensemble de Equi ne contient pas x, c.-à-d., un élément de C2. Et vice versa. Donc f3est une
fonction bijective.
Corollaire 6.2. Si Eest un ensemble fini, alors |P(E\{x})|=|C2|.
Conclusion des deux corollaires : Supposons Eun ensemble fini et xE. Alors
|P(E)|= 2 · |P(E\{x})|.
Ce résultat sera utilisé dans la preuve du théorème :
Théorème 6.5. Soit Eun ensemble de néléments. Alors |P(E)|= 2n.
Démonstration. Soit P(n) :="Pour chaque ensemble fini Ude néléments, l’ensemble P(U)a2n
éléments", avec univers du discours N.
Montrons P(n)pour chaque nNpar induction.
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Début (n= 0). E=est le seule ensemble avec 0éléments et P(E) = {∅} a20= 1 élément.
Donc en effet P(0) est vraie.
Étape d’induction : Soit nNet supposons P(n)vraie.
Soit Eun ensemble avec n+1 éléments. Choisissons un élément xE, alors E\{x}anéléments.
Par l’hypothèse d’induction |P(E\{x})|= 2n.
Par le résultat avant : |P(E)|= 2|P(E\{x})|. Donc |P(E)|= 2 ·2n= 2n+1. Nous avons montré
que P(n)implique P(n+ 1).
Par induction le théorème est vrai.
6.5. Exemple de preuve avec induction généreuse. Pour quels nombres naturel nexiste-t-il
deux nombres naturels ret ttels que n= 4r+ 5t.
Par inspection on voit que ça fonctionne au moins pour n= 0,4,5,8,9,10,12,13,14,15,16,17 et
pas pour n= 1,2,3,6,7,11 et on ne vois pas tout de suite autres contre-exemples.
Alors une conjecture se pose : Pour chaque nombre naturel n12 il existe deux nombres naturels
ret ttels que n= 4r+ 5t.
Maintenant il faut montrer la conjecture.
Brouillon : Comment ? Idée : on a un genre de récurrence : si n4 = 4r1+ 5t1alors n=
4(r1+ 1) + 5t1. Donc si on peut supposer que c’est vraie pour n4alors ce sera aussi vraie pour
n. Donc l’utilisation d’induction généreuse semble être appropriée.
On peut commencer par n= 12, car on sait que c’est vraie. Soit n12. Supposons vraie pour
12 mn. Est ce que nous pouvons utiliser la récurrence trouvée pour montrer que c’est aussi
vraie pour n+1 ? Est-ce que par notre hypothèse d’induction généreuse c’est vraie pour (n+1)4?
Seulement si 12 (n+ 1) 4n, ou seulement si 15 n! Il faut faire à la main les cas n= 13 et
n= 14 et n= 15. Après ça marche. Fin brouillon.
Maintenant la version propre !
Démonstration. Posons P(n) :=" il existe deux nombres naturels ret stels que n= 4r+ 5t." On
va montrer par induction que P(n)vraie pour n12.
Début : P(12),P(13),P(14) et P(15) sont toutes vraies, car 12 = 4 ·3 + 5 ·0,13 = 4 ·2 + 5 ·1,
14 = 4 ·1+5·2,15 = 4 ·0+5·3.
Étape d’induction : Supposons n15 et P(m)vraies pour tout 12 mn. On a 12 n3n
donc P(n3) est vraie par l’hypothèse généreuse, c.-à-d. il existe deux nombres naturels r0et s0
tels que n3=4r0+ 5t0. Alors n+ 1 = 4(r0+ 1) + 5t0. Donc P(n+ 1) est aussi vraie.
Par induction généreuse P(n)est vraie pour chaque entier n12.
6.6. Nombres de Fibonacci. Nous pouvons aussi utiliser l’induction pour des définitions. Posons
F(0) := 0,F(1) := 1. Il existe une unique fonction F:NNtelle que pour n2on a
F(n) = F(n1) + F(n2).
F(n)est appelé le n-ième nombre de Fibonacci.
Supposons n1et F(m)est définie pour 0mn. Alors on définit F(n+1) = F(n)+F(n1).
Ainsi F(n)est définie pour chaque nN.
F(1) = 1, F (2) = 1, F (3) = 2, F (4) = 3, F (5) = 5, F (6) = 8, F (7) = 13, F (8) = 21, F (9) = 34, . . .
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(Vous voyez une formule pour F?)
Cette définition est sans ambiguités : Supposons G:NNest une autre fonction aussi avec
G(0) = 0,G(1) = 1 et G(n) = G(n1) + G(n2). Alors F=G.
Démonstration. Posons P(n) := ”F(n) = G(n)”. Montrons nNP(n).
Début : P(0) et P(1) sont vraie.
Étape d’induction : Supposons n1et P(m)vraies pour 0mn. En particulier P(n)
et P(n1) sont vraies. Donc F(n) = G(n)et F(n1) = G(n1). Il suit que F(n+ 1) =
F(n) + F(n1) = G(n) + G(n1) = G(n+ 1) et donc P(n+ 1) vraie.
Par induction généreuse : P(n)vraie pour chaque nN, c.-à-d., F(n) = G(n)pour chaque
nN. D’où F=Gcomme fonctions.
Lemme 6.6. F(n)<2npour chaque nN.
Démonstration. Preuve par induction que P(n) := ”F(n)<2nest vraie pour chaque nN.
Début (n= 0 et n= 1) : F(0) = 0 et en effet 0<20= 1 et P(0) est vraie. Et F(1) = 1 et en
effet 1<21= 2 et P(1) est vraie.
Étape d’induction généreuse : Soit n1et P(m)vraie pour chaque 0mn. En particulier
F(n)<2net F(n1) <2n1. Donc F(n+1) = F(n)+ F(n1) <2n+2n1<2n+ 2n= 21·2n=
2n+1. Alors en effet P(n+ 1) est impliqué par l’hypothèse d’induction.
Par le principe d’induction : P(n)est vraie pour chaque nN.
7. Divisibilité dans Z
Dans Zil y une notion de et une notion de divisibilité 11. Au niveau de définition les deux sont
un peu similaires.
Définition 7.1. Soient n, m deux entiers. On écrit nm(ou mn) s’il existe un nombre
naturel rNtel que n+r=m.
Si nmon dit "nest plus petit que ou égal à m", ou "mest plus grand que ou égal à n".
Définition 7.2. Soient n, m deux entiers. On écrit n|ms’il existe un nombre entier rZtel que
nr =m.
Si n|mon dit que "ndivise m", ou "mest divisible par n", ou "mest un n-multiple".
Voici quelques propriétés élémentaires.
Théorème 7.1. Soient a, b, c trois nombres entiers.
(i) Si abet bcalors ac.
(ii) Si abalors a+cb+c.
(iii) Si abet baalors a=b
(iv) Si abet cNalors ac bc
(v) Si abalors b≤ −a.
11. Voir [R, §2.3]
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Théorème 7.2. Soient a, b, c trois nombres entiers.
(i) Si a|bet b|calors a|c.
(ii) Si a|balors ac|bc et a|bc.
(iii) Si a|bet b|aalors |a|=|b|.
(iv) Si a|bet a|calors a|(b+c).
Démonstration. (i) Si abet bcil existe r, s Ntels que a+r=bet b+s=c. Donc
a+ (r+s) = b+s=cet r+sNdonc ac.
Si a|bet b|cil existe r, s Ztels que ar =bet bs =c. Donc a(rs) = bs =cet rs Zdonc a|c.
(ii) Si abalors il existe rNtel que a+r=b. Donc (a+c) + r=b+cet a+cb+c.
Si a|balors il existe rZtel que ar =b. Donc (ac)r=bc et ac|bc. Aussi a|ac donc par (i) : a|bc.
(iii) Si abet ba, ils existent r, s Ntels que a+r=bet b+s=a. Donc a+r+s=b+s=a
et r=s. Mais r, s N, donc r=s= 0, ou a=b.
Si a|bet b|a, ils existent deux entiers r, s tels que ar =bet bs =a. Donc ars =bs =aet
a(rs 1) = 0. Si a= 0, alors b=ar = 0 aussi. Si a6= 0 alors rs = 1 donc r=s= 1 ou r=s=1.
Donc a=bou a=b.
(iv Si abil existe rNtel que a+r=b. Si aussi cNalors rc Net ac +rc = (a+r)c=bc,
donc ac bc.
Si a|bet a|calors il existe r, s Ztels que ar =bet as =c. Donc a(r+s) = ar +as =b+cet
a|(b+c).
(v) Si ab, il existe rNtel que a+r=b. Donc b+r=aet b≤ −a.
Exemple 7.1.Soit nZ.
(i) On a nNsi et seulement si 0n.
(ii) Toujours : 1|net n|0.
(iii) Si n|aet n|balors pour tous les entiers ret son a
n|(ra +sb).
7.1. Modulo m.Rappelons que nous avons défini pour des entiers a, b, m (m6= 0) :
ambsi m|(ab).
Voici la preuve promise du fait que mest une relation d’équivalence.
Lemme 7.1. mest une relation d’équivalence sur Z.
Démonstration. (i) nmnparce que nn= 0 et m|0.
(ii) Supposons n1mn2, c.-à-d., m|(n1n2): il existe rZtel que rm =n1n2. Alors
(r)m=n2n1et rZ, donc par définition m|(n2n1)et n2mn1.
(iii) Supposons n1mn2et n2mn3, c.-à-d., m|(n1n2)et m|(n2n3): il existe r1, r2Z
tel que r1m=n1n2et r2m=n2n3. Alors (r1+r2)m= (n1n2)+(n2n3) = n1n3. Donc
m|(n1n3)et n1mn3.
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Nous avons défini +et ·sur l’ensemble des classes d’équivalences modulo m,Z/mZ. Que ces
définitions ne dépendent pas des choix est vérifié dans le théorème suivant 12.
Théorème 7.3. Soient a, b, c, d, m des nombres entiers.
(i) Si amcet bmd, alors (a+b)m(c+d)et (ab)m(cd).
(ii) Si C`m(a) = C`m(c)et C`m(b) = C`m(d), alors C`m(a+b) = C`m(c+d)et C`m(ab) =
C`m(cd).
Démonstration. Si amcet bmdalors il existe des entiers r, s tels que mr = (ac)et
ms = (bd). Donc m(r+s)=(ac)+(bd)=(a+b)(c+d)et (a+b)m(c+d).
Et aussi a=c+mr et b=d+ms. Donc
ab cd = (c+mr)(d+ms)cd =m(rd +cs +mrs),
ce qui implique que (ab)m(cd).
7.2. Division avec reste. On ne peut pas diviser dans Zmais on a un alternatif fiable. C’est
essentiellement la longue division de l’école primaire, une divison partielle avec un petit reste à la
fin.
Théorème 7.4 (Division-avec-reste).Soit m > 0un nombre naturel non-zéro fixé.
Pour chaque nZil existe deux uniques nombres entiers q, r tels que simultanément :
(i) n=qm +r
(ii) 0r < m.
On dit : rest le reste et qle quotient de la division partielle de npar m.
Remarque. Soient net m > 0deux nombres naturels. Considérons la fraction n
m. Alors il y un
unique nombre naturel qtel que qn
m< q + 1. C’est le qdu théorème. Ce qest donc presque n
m.
Démonstration. La preuve se déroule en plusieurs étapes.
(a) Pour nZdéfinissons la fonction propositionnelle
P(n) := qZrZ([n=qm +r][0 r < m]).
Montrons d’abord P(n)vraie pour chaque nN, par induction généreuse.
Début : Pour 0n < m, prenons q= 0 et r=n, dans ce cas en effet n=qm +r= 0m+net
0r < m sont vraies.
Étape d’induction : Supposons nm1et P(a)vraie pour chaque 0an. Prenons
a=n+ 1 m, alors 0anen effet. Donc par l’hypothèse généreuse P(a)est vraie. C.-à-d.,
il existe des nombres entiers q0et r0tels que n+ 1 m=a=q0m+r0et 0r0< m. Donc
n+ 1 = (q0+ 1)m+r0. En prenant q=q0+ 1 et r=r0on obtient n+ 1 = qm +ret 0r < m.
Alors P(n+ 1) est aussi vraie.
Par induction on conclut P(n)vraie pour chaque nN.
(b) Maintenant on veut montrer P(n)si n < 0. Nous savons que n > 0et que P(n)est vraie.
Il existe des entiers q0et r0telles que n=q0m+r0et 0r0< m. Deux cas : r0= 0 et r06= 0.
Dans le premier cas n= (q0)m+ 0 est la décomposition voulu et P(n)est vraie.
12. Voir [R, p.112]
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