Eclats de vers : Matemat : Ensembles
Table des matières
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\( \newenvironment{Eqts} { \begin{equation*} \begin{gathered} } { \end{gathered} \end{equation*} } \newenvironment{Matrix} {\left[ \begin{array}} {\end{array} \right]} \)
\label{chap:ensembles}
1. Dépendances
Vous êtes à la racine.
2. Définition explicite
Les ensembles sont des regroupements d'objets appelés éléments.
Il existe deux méthodes permettant de définir un ensemble. Lorsqu'il n'existe qu'un nombre fini d'éléments distincts, on peut les énumérer :
\[A = \{ a, b, c, ..., z \}\]
On dit alors que \(x\) appartient à \(A\), et on le note :
\[x \in A\]
si \(x\) fait partie de la liste \(a, b, c, ..., z\). Dans le cas contraire, \(x\) n'appartient pas à \(A\), ce que l'on note par :
\[x \notin A\]
3. Définition implicite
On peut aussi définir un ensemble en demandant que ses éléments respectent certaines conditions. On dit alors que \(x \in A\) si \(x\) vérifie toutes les conditions nécessaires pour appartenir à l'ensemble \(A\) ou que \(x \notin A\) si au moins une des conditions n'est pas remplie. Le schéma de ce type de définition s'écrit :
\[A = \{ x : \text{ une ou plusieurs conditions sur } x \}\]
Dans ce cas, le nombre d'éléments de l'ensemble peut être fini ou infini.
3.1. Variante
On ajoute souvent une condition sur les éléments de l'ensemble :
\[A = \{ x \in \Omega : \text{ conditions sur } x \}\]
Dans ce cas, tout candidat \(x\) doit en plus appartenir à l'ensemble \(\Omega\) s'il veut appartenir à l'ensemble \(A\). Cette définition est donc équivalente à :
\[A = \{ x : x \in \Omega, \text{ conditions sur } x \}\]
4. Notations
Le symbole \(\exists\) signifie « il existe » et le symbole \(\forall\) signifie « pour tout »
5. Ensemble vide
L'ensemble vide \(\emptyset = \{\}\) est un cas particulier ne contenant aucun élément :
\[x \notin \emptyset\]
quelle que soit la nature de \(x\).
6. Naturels
L'ensemble des nombres naturels se construit à partir d'un élément « racine » \(0\), auquel on ajoute indéfiniment des successeurs. Le successeur de \(0\) est noté \(0^+\) ou \(1\). On dit aussi que \(0\) est le prédécesseur de \(1\) et on le note \(1^- = 0\). Arrivé à l'élément \(i\), on ajoute le successeur de \(i\), noté :
\[j = i^+\]
On dit aussi que \(i\) est le prédécesseur de \(j\) et on le note :
\[i = j^-\]
On a donc :
\[i^{+-} = j^- = i\]
et :
\[j^{-+} = i^+ = j\]
L'ensemble des objets ainsi crée est appelé l'ensemble des nombres naturels et noté \(\setN\). En l'exprimant au moyen des symboles usuels, on a dans l'ordre de succession :
\[\setN = \{ 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,... \}\]
6.1. Notation
On note aussi :
\[i + 1 = i^+\]
et :
\[i - 1 = i^-\]
6.2. Element racine
L'élément \(0\) est le seul naturel à de pas posséder de prédécesseur. On l'appelle pour cette raison l'élément racine de \(\setN\).
On dit aussi qu'un élément \(n\) est nul pour signifier que \(n = 0\).
6.3. Ensemble discret ou dénombrable
Tout ensemble de la forme :
\[A = \{ a_k : k \in \setN \}\]
est dit discret ou dénombrable.
7. Inclusion
On dit que \(A\) est inclus dans \(B\) et on note :
\[A \subseteq B\]
si tous les éléments de \(A\) appartiennent aussi à \(B\) :
\[x \in A \ \Rightarrow \ x \in B\]
On dit alors que \(A\) est un sous-ensemble, ou une partie de \(B\).
7.1. Stricte
Il y a inclusion stricte :
\[A \subset B\]
lorsque $A \subseteq B $ et que les deux ensembles ne sont pas égaux, ce que l'on note par :
\[A \ne B\]
8. Egalité
Deux ensembles \(A\) et \(B\) sont dit égaux et on le note :
\[A = B\]
si tout élément de \(A\) appartient aussi à \(B\) et si tout élément de \(B\) appartient aussi à \(A\) :
\[x \in A \ \Leftrightarrow \ x \in B\]
ce qui revient à dire que l'on a inclusion mutuelle de \(A\) et \(B\) :
\[A = B \ \Leftrightarrow \ A \subseteq B \text{ et } B \subseteq A\]
8.1. Remarque
Dans le cadre des ensembles, on ne se soucie pas de l'ordre :
\[\{a,b\} = \{b,a\}\]
ni du nombre d'apparitions d'un élément :
\[\{a,a,b\} = \{a,b\}\]
9. Union
L'union de deux ensembles \(A \cup B\) est l'ensemble contenant les éléments de \(A\) et les éléments de \(B\). Un élément quelconque de \(A \cup B\) peut donc appartenir à \(A\), à \(B\) ou aux deux ensembles simultanément :
\[A \cup B = \{ x : x \in A \text{ ou/et } x \in B \}\]
9.1. Jargon
Le « ou » mathématique est non exclusif. La proposition \(a\) ou \(b\) signifie que soit \(a\), soit \(b\), soit (\(a\) et \(b\)) est vérifié.
10. Intersection
L'intersection \(A \cap B\) est l'ensemble des éléments qui appartiennent à la fois à \(A\) et à \(B\) :
\[A \cap B = \{ x : x \in A \text{ et } x \in B \}\]
10.1. Nomenclature
Lorsque l'intersection de deux ensembles est vide, on dit qu'ils sont disjoints.
11. Association
Soit les ensembles \(A,B,C\). On définit :
\[A \cup B \cup C = A \cup (B \cup C)\]
Comme les éléments de \(A \cup B \cup C\) sont les éléments qui appartiennent à au moins un des ensembles \(A,B,C\), on voit que :
\[A \cup B \cup C = (A \cup B) \cup C\]
On en conclut que :
\[A \cup B \cup C = A \cup (B \cup C) = (A \cup B) \cup C\]
On définit aussi :
\[A \cap B \cap C = A \cap (B \cap C)\]
Comme les éléments de \(A \cap B \cap C\) sont les éléments qui appartiennent simultanément à \(A,B,C\), on voit que :
\[A \cap B \cap C = (A \cap B) \cap C\]
On en conclut que :
\[A \cap B \cap C = A \cap (B \cap C) = (A \cap B) \cap C\]
12. Commutation
On a clairement :
\( A \cup B = B \cup A \)
\( A \cap B = B \cap A \)
13. Distribution
Soit les ensembles \(A,B,C\). Lorsque \(x\) appartient à la fois à \(A\) et à au moins un des deux ensembles \(B\) et \(C\), on sait que \(x\) appartient à \(A\) et \(B\) ou qu'il appartient à \(A\) et \(C\), et inversément. On a donc :
\[A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)\]
On dit que l'intersection se distribue sur l'union. On a également la relation :
\[A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C)\]
On dit que l'union se distribue sur l'intersection.
14. Différence
La différence \(A \setminus B\) est l'ensemble des éléments qui appartiennent à \(A\) mais pas à \(B\) :
\[A \setminus B = \{ x : x \in A \text{ et } x \notin B \}\]
15. Décomposition
Soit les ensembles \(A,B\). Les éléments de \(A\) sont de deux types :
- ceux qui appartiennent également à \(B\)
- ceux qui n'appartiennent pas à \(B\)
On en conclut que :
\[A = (A \cap B) \cup (A \setminus B)\]
On voit que les deux sous-ensembles de \(A\) sont disjoints :
\[(A \cap B) \cap (A \setminus B) = \emptyset\]
15.1. Union
Les éléments de \(A \cup B\) sont de deux types :
- ceux qui appartiennent seulement à \(A\)
- ceux qui appartiennent à \(B\)
On en conclut que :
\[A \cup B = (A \setminus B) \cup B\]
On voit que les deux sous-ensembles de \(A \cup B\) sont disjoints :
\[(A \setminus B) \cap B = \emptyset\]
16. Complémentaire
Si \(A \subseteq \Omega\), on dit que \(C = \Omega \setminus A\) est le complémentaire de \(A\) dans \(\Omega\), ou simplement que \(C\) est le complémentaire de \(A\) lorsque l'ensemble \(\Omega\) est évident d'après le contexte.
16.1. Complémentaire du complémentaire
Soit \(A \subseteq \Omega\). Un élément de \(\Omega\) qui n'appartient pas à \(\Omega \setminus A\) appartient à \(A\), et réciproquement. On a donc :
\[\Omega \setminus (\Omega \setminus A) = A\]
16.2. Réciprocité
Soit \(A \subseteq \Omega\) et son complémentaire :
\[B = \Omega \setminus A\]
En prenant le complémentaire de cette équation, on obtient :
\[\Omega \setminus B = \Omega \setminus (\Omega \setminus A) = A\]
Soit à présent \(B \subseteq \Omega\) et son complémentaire :
\[A = \Omega \setminus B\]
En prenant le complémentaire de cette équation, on obtient :
\[\Omega \setminus A = \Omega \setminus (\Omega \setminus B) = B\]
On en conclut l'équivalence :
\[A = \Omega \setminus B \ \Leftrightarrow \ B = \Omega \setminus A\]
16.3. Complémentaire d'une union
Soit un ensemble \(\Omega\) et les sous-ensembles \(A,B \subseteq \Omega\). Un élément de \(\Omega\) qui n'appartient pas à \(A \cup B\) n'appartient ni à \(A\) ni à \(B\). Il appartient donc à \(\Omega \setminus A\) et à \(\Omega \setminus B\). Inversément, un élément qui appartient à \(\Omega \setminus A\) et à \(\Omega \setminus B\) n'appartient ni à \(A\) ni à \(B\). On a donc :
\[\Omega \setminus (A \cup B) = (\Omega \setminus A) \cap (\Omega \setminus B)\]
Le complémentaire d'une union est l'intersection des complémentaires.
16.4. Complémentaire d'une intersection
Soit \(A,B \in \Omega\). Posons :
\( C = \Omega \setminus A \subseteq \Omega \)
\( D = \Omega \setminus B \subseteq \Omega \)
L'expression du complémentaire de \(A \cup B\) devient :
\[\Omega \setminus \big[(\Omega \setminus C) \cup (\Omega \setminus D)\big] = C \cap D\]
En prenant le complémentaire des deux membres par rapport à \(\Omega\), on obtient :
\[(\Omega \setminus C) \cup (\Omega \setminus D) = \Omega \setminus (C \cap D)\]
Le complémentaire d'une intersection est l'union des complémentaires.