AI - PROBLEMES DE DENOMBREMENT
Parties à péléments d’un ensemble à néléments
Un certain nombre de problèmes de dénombrement se résolvent facilement en établissant une bijection
entre l’ensemble dont on cherche le cardinal et l’ensemble Pp(A)des parties à péléments d’un ensemble
Aànéléments dont le cardinal vaut n
p. Les éléments de cet ensemble sont appelés combinaisons
de nobjets pris pàp.
Nous noterons Πl’application de Apdans Pp(A), qui à un puplet (xj1,...,xjp)associe l’ensemble
{xj1,...,xjp}.
Remarquons que si
A={x1,...,xn}
est un ensemble à néléments, l’ensemble P(A)est isomorphe à la partie de Apsuivante
e
Ap={(xj1,...,xjp)|j1< j2<···< jp},
car l’application Πest une bijection de e
Apsur Pp(A).
Il revient donc au même de considérer un ensemble à péléments, ou un puplet aux termes duquel un
ordre est imposé.
Nous noterons aussi {{xj1,...,xjp}} une combinaison avec répétition de nobjets pris pà
p: on prend péléments de A, mais chaque élément peut être pris plusieurs fois. Cela se définit
mathématiquement comme une classe d’équivalence sur l’ensemble An:
deux puplets sont équivalents, s’ils ont même image par Π, et si, pour tout xde A, l’élément xfigure
le même nombre de fois dans les deux puplets.
On peut choisir un représentant de la classe d’équivalence en ordonnant les termes, et l’ensemble
¯
Ap={(xj1,...,xjp)|j1j2≤ ··· ≤ jp},
possède le même cardinal que l’ensemble des combinaison avec répétition de nobjets pris pàp. Il
résulte de la proposition 2 que
card ¯
A=n+p1
p=n+p1
n1.
AI 2
Proposition 1 On suppose pn. Les nombres suivants sont égaux :
nombre de partitions à péléments d’un nuplet
nombre d’éléments de Npdont la somme des termes vaut n
nombre de façons d’écrire Encomme produits de pfacteurs non vides
nombre de monômes de degré nde K[x1,...,xp]contenant au moins une fois chaque lettre
n1
p1=n1
np
Par « partition du nuplet » on entend la chose suivante :
les parties de la partition sont formées d’éléments consécutifs du nuplet avec les propriétés usuelles
d’une partition. Par exemple pour (x1, x2, x3, x4, x5, x6)une partition en trois sous-ensembles sera
((x1, x2),(x3),(x4, x5, x6)) .
Choisir une telle partition revient à choisir p1séparations séparant les pparties, parmi les n1
séparations. Le cardinal cherché est donc
n1
p1=n1
np.
Si l’on considère le nuplet dont tous les termes sont égaux à 1, une partition de ce nuplet donnera,
en sommant les éléments de chaque partie, une façon d’écrire ncomme somme de pentiers. Par exemple
pour n= 6, on considère le quintuplet (1,1,1,1,1,1). La partition ((1,1),(1),(1,1,1)) donne l’élément
(2,1,3) de N6dont la somme des éléments vaut 6.
Directement, en écrivant
n= 1 + 1 + ···+ 1 ,
écrire ncomme somme de pentiers strictement positifs revient à choisir psignes +parmi les n1.
Ecrire Encomme produit de pfacteurs non vides revient alors à décomposer nen somme de pentiers.
Avec l’exemple précédent
E6=E2×E×E3.
De même écrire les monômes de degré nde K[x1,...,xp]contenant au moins une fois chaque lettre,
revient encore à décomposer nen somme de pentiers. Avec l’exemple précédent on a par exemple dans
K[x1, x2, x3]le monôme x2
1x2x3
3.
De manière plus formalisée, posons
A={1,2,...,n1}.
A tout élément {i1,...,ip1}de Pp1(A)on associe le monôme
xi1
1xi2i1
2···xnip1
p.
AI 3
On définit ainsi une bijection de Pp1(A)sur l’ensemble des monômes de degré nde K[x1,...,xp]
contenant au moins une fois chaque lettre.
Proposition 2 On suppose pn. Les nombres suivants sont égaux :
nombre de combinaisons de pobjets pris nànavec répétition
nombre d’éléments de Npdont la somme des termes vaut n
nombre de monômes de degré nde K[x1,...,xp]
n+p1
p1=n+p1
n
Le résultat se déduit rapidement de la proposition précédente. Notons C(n, p)le nombre de monômes
cherchés.
Un monôme de degré ndont toutes les lettres x1,...,xpsont utilisées est de la forme
x1···xpxr1
1···xrp
p
(r1,...,rp)appartient à Npavec
r1+···+rp=np .
Cela revient à chercher les monômes de degré np, et donc
n1
p1=C(np, p).
On en déduit alors
C(n, p) = n+p1
p1=n+p1
n.
C’est aussi le nombre d’éléments de Npdont la somme des termes vaut n.
Enfin choisir un monôme revient à choisir néléments parmi les plettres x1,...,xnavec répétition.
Proposition 3 On suppose pn. Le nombre de façons de choisir péléments parmi les néléments
d’un ensemble totalement ordonné de telle sorte que deux d’entre eux ne soient jamais consécutifs
est np+ 1
p.
Si l’on a x1, < . . . , < xn, soit
A={1,...,np+ 1}et B={(xi1,...,xip)|j∈ {1,...,p1},1 + ij< ij+1}.
On établit une bijection de Pp(A)sur Ben associant à {i1,...,ip}le puplet (xi1, xi2+1,...,xip+p1).
AI 4
Proposition 4 On suppose rp n. Le nombre de façons de choisir p ruplets de points
consécutifs disjoints parmi npoints d’un ensemble totalement ordonné est
np(r1)
p.
Les p ruplets sont encadrés par p+ 1 séparations. Choisir p ruplets revient à choisir parmi ces
p+ 1 séparations, celles qui seront remplies par un des nrp éléments de l’ensemble non inclus dans
un des ruplets. Le nombre de choix possibles est donc le nombre de combinaisons de p+ 1 objets pris
nrp ànrp avec répétitions.
Exemple : Soit {x1,...,x8}un ensemble totalement ordonné (n= 8), et on prend 3couples de points
consécutifs disjoints de cet ensemble (p= 3 et r= 2). Il y a 10 choix possibles. Le symbole indique
les places des éléments manquants déterminées par la combinaison.
combinaison choix de trois couples
{{1,1}} • • (x3, x4)(x5, x6)(x7, x8)
{{1,2}} (x2, x3)(x5, x6)(x7, x8)
{{1,3}} (x2, x3)(x4, x5)(x7, x8)
{{1,4}} (x2, x3)(x4, x5)(x6, x7)
{{2,2}} (x1, x2)• •(x5, x6)(x7, x8)
{{2,3}} (x1, x2)(x4, x5)(x7, x8)
{{2,4}} (x1, x2)(x4, x5)(x6, x7)
{{3,3}} (x1, x2)(x3, x4)• •(x7, x8)
{{3,4}} (x1, x2)(x3, x4)(x6, x7)
{{4,4}} (x1, x2)(x3, x4)(x5, x6)• •
Proposition 5 On suppose rp n. Le nombre de façons de choisir p ruplets de points
consécutifs disjoints parmi npoints situés sur un cercle est
n
pnp(r1) 1
p1.
Si l’on choisit un ruplet, il reste p1ruplets à choisir parmi nrpoints d’un ensemble ordonné,
soit, d’après la proposition 4 np(r1) 1
p1.
En considérant le cercle comme orienté, choisir un ruplet revient à choisir son premier terme. Il y a
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donc nchoix possibles. Le produit
nnp(r1) 1
p1
est donc le nombre d’éléments de l’ensemble
{(Ri1,{Ri2,...,Rip})|Ri1,...,Ripétant p ruplets de points consécutifs, disjoints}.
L’application qui à un élément de cet ensemble associe {Ri1, Ri2,...,Rip}est surjective, et chaque
image est obtenue pfois. D’où le nombre cherché.
Proposition 6 On suppose 2pn. Le nombre de façons de choisir ppoints parmi npoints situés
sur un cercle de telle sorte que deux d’entre eux ne soient jamais consécutifs est
n
pnp1
p1.
On se ramène au cas précédent avec r= 2, en associant à chaque point le couple formé de lui-même
et de son successeur sur le cercle orienté.
Partition d’un ensemble fini
Proposition 7 Le nombre N(q, s)de partitions d’un ensemble de qs éléments en qparties à s
éléments est 1
q!
(sq)!
(s!)q.
Si l’on choisit une partie à séléments, il y a N(q1, s)partitions contenant cette partie. D’autre part
il y a sq
sfaçons de choisir une partie à séléments parmi les sq éléments. Parmi les N(q1, s)sq
s
partitions obtenues, chaque partition se retrouve qfois. On en déduit
N(q, s) = 1
qN(q1, s)sq
s.
Par ailleurs, on a bien sûr
N(1, s) = 1 .
On en déduit alors par récurrence la formule voulue.
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