Cardinal d’ensembles
Union disjointe
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On prend les éléments de \(A \cup B\) qui ne sont pas dans \(A\). \(B=\{1;2;8;14\}\).
Cardinaux d’union
- Si \(\mathrm{Card}(A)=18\), \(\mathrm{Card}(B)=23\), \(A\) et \(B\) étant disjoints, que vaut \(\mathrm{Card}(A \cup B)\) ?
- Si \(\mathrm{Card}(A)=12\), \(\mathrm{Card}(B)=47\) et \(\mathrm{Card}(A \cup B) = 58\), \(A\) et \(B\) sont-ils disjoints ?
- Si \(\mathrm{Card}(A)=14\) et \(\mathrm{Card}(A \cup B) = 27\), quel est le nombre minimal d’éléments dans \(B\) ?
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- Puisque \(A\) et \(B\) sont disjoints, \(\mathrm{Card}(A \cup B)=\mathrm{Card}(A) + \mathrm{Card}(B) = 18 + 23 = 41\).
- On a \(\mathrm{Card}(A)+\mathrm{Card}(B)=47+12=59 \neq \mathrm{Card}(A \cup B)\), \(A\) et \(B\) ne sont pas disjoints.
- \(B\) comporte au moins \(27-24=13\) éléments.
Solutions d’équations
Déterminer \(\mathrm{Card}(A_0 \cup A_1 \cup A_2 \cup \ldots \cup A_n)\).
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Pour tout entier naturel \(n\), on note \(A_n\) l’ensemble des solutions de l’équation \(x^2-n=0\). Ainsi, \(A_0=\{0\}\) et pour tout entier naturel non nul, \(A_n=\{-\sqrt{n} ; \sqrt{n}\}\). Ces ensembles sont disjoints et de cardinal 2.
Ainsi, \(\mathrm{Card}(A_0 \cup A_1 \cup \ldots \cup A_n)=\mathrm{Card}(A_0)+\mathrm{Card}(A_1)+\ldots + \mathrm{Card}(A_n)=1+2+2+\ldots + 2=2n+1\).
Produits cartésiens
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On a
- \(A\times B=\{(5;7), (5;9), (5;10), (7;7), (7;9), (7;10)\}\),
- \(B \times A = \{(7;5),(7;7), (9;5), (9;7), (10;5), (10;7)\}\),
- \(A^3 = \{(5;5;5),(5;5;7),(5;7;5), (5;7;7), (7;5;5),(7;5;7),(7;7;5),(7;7;7)\}\),
- \(B^2=\{(7;7),(7;9),(7;10),(9;7),(9;9),(9;10),(10;7),(10;9),(10;10)\}\).
Sont-ils disjoints ?
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Supposons que de tels ensembles existent. On a \(299 = 1 \times 299 = 13 \times 23\). Les seules possibilités pour les cardinaux de \(A\) et \(B\) sont donc 1, 13, 23 et 299
Or, \(13+23=36\) et \(1+299=300\), qui sont différents de 37. Ainsi, \(A\) et \(B\) ne sont pas disjoints.
Nombres s’écrivant avec un 9
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Comptons le nombre de nombres n’ayant aucun 9 dans leur écriture. Il y a 9 choix pour le premier chiffre, 9 pour le deuxième, 9 pour le troisième soit \(9^3=729\) possibilités. Ainsi, les nombres qui s’écrivent avec un 9 sont au nombre de \(1000-729=271\).
En informatique
- Combien d’octets différents existe-t-il ?
- Dans le système RGB, une couleur est codée à l’aide de 3 octets désignant respectivement les niveaux de rouge, de vert et de bleu. Combien de couleurs différentes est-il ainsi possible de coder ?
- Une adresse IPv4 est codée sur 4 octets. On considère un sous-réseau dont le masque est 255.255.0.0, c’est-à-dire que toutes les adresses IP des ordinateurs de ce sous-réseau commencent par les deux mêmes octets. Par ailleurs, les adresses se terminant par les octets 0.0 et 255.255 sont réservées respectivement au réseau et au broadcast. Combien de machines différentes peut-on brancher sur un tel réseau ?
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Il existe \(2^8\) soit 256 octets. Il est alors possible de coder \(256^3\) soit 16777216 couleurs dans le système RGB.
Pour établir une adresse IPv4 de ce sous-réseau, on a 256 possibilités pour le troisième octet et 256 pour le quatrième. Il faut alors retirer les deux adresses réservées. Il est alors possible de connecter \(256^2-2\) soit \(65534\) machines au réseau.
Menus dans un restaurant
- 12 entrées : 3 avec viande, 3 avec poisson et 6 végétariennes
- 20 plats : 10 avec viande, 6 avec poisson et 4 végétariens
Un client commande au hasard de manière uniforme et indépendante une entrée et un plat.
- Quelle est la probabilité que le menu de ce client soit végétarien ?
- Quelle est la probabilité que son menu soit composé d’une entrée et d’un plat tous deux sans poisson ?
- Quelle est la probabilité que l’entrée et le plat soit de nature différente (par exemple une entrée avec viande et un plat végétarien) ?
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Il y a \(12 \times 20\) soit \(240\) menus au total. Il y a par ailleurs \(6 \times 4\) menus végétariens. La probabilité que le menu soit végétarien est de \(\dfrac{24}{240}\) soit \(\dfrac{1}{10}\).
Il y a 9 entrées sans poissons et 14 plats sans poissons, soit \(9\times 14\) menus sans poisson. La probabilité que le menu soit sans poisson est de \(\dfrac{9\times 14}{240}=\dfrac{21}{40}\).
Le nombres de menus ayant entrée et plat différents est \(3 \times 10+3 \times 14 +6 \times 16\) soit 168. La probabilité de l’événement recherché est donc \(\dfrac{168}{240}\) soit \(\dfrac{7}{10}\).
Arrangements et permutations
Tous les arrangements
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Les 2-arrangements de \(A\) sont (1;3), (1;7), (1;11), (3;1), (3;7); (3;11), (7;1), (7;3), (7;11), (11;1), (11;3), (11;7). Il y en a 12.
Toutes les permutations
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Les permutations de \(A\) sont (s;i;n), (s;n;i), (i;s;n), (i;n;s), (i;s;n), (i;n;s). Il y en a 6.
Arrangements et permutations
- Donner deux éléments de \(A^3\). Combien en existe-t-il ?
- Donner deux 3-arrangements d’éléments de \(A\). Combien en existe-t-il ?
- Donner deux permutations de \(A\). Combien en existe-t-il ?
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- \((1;3;3)\) et \((7;7;1)\) sont deux éléments de \(A^3\). Il en existe \(5^3\) soit 125.
- \((1;7;11)\) et \((7;9;1)\) sont deux 3-arrangements d’éléments de \(A\). Il en existe \(5 \times 4 \times 3 = 60\).
- \((1;7;3;11;9)\) et \((11;9;3;7;1)\) sont deux permutations de \(A\). Il en existe \(5!=120\).
Résultat des courses
- Combien y a-t-il de podiums possibles ?
- Combien y a-t-il de classements complets possibles ?
- Anne a participé à la course et a terminé sur le podium. Sachant cette information, combien de classements complets sont possibles ?
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Il y a \(8 \times 7 \times 6\) soit 336 podiums possibles. Il y a \(8!\) soit 40320 classements possibles.
Classons les 7 autres personnes : il y a 7! classement possibles. Il faut alors insérer Anne en première, deuxième ou troisième position. Le nombre de classements complets vaut alors \(3 \times 7!\) soit 15120.
Interrogation !
- Combien y a-t-il de configurations possibles si un même élève ne peut pas venir deux fois au tableau ?
- Même question si un élève peut être interrogé sur plusieurs exercices
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Si un élève ne peut pas venir deux fois au tableau, il y a 30 possibilités pour le premier élèves, 29 pour le deuxième et 28 pour le troisième, soit un total de \(30 \times 29 \times 28=24360\) configurations.
Si, en revanche, un élève peut passer plusieurs fois, il y a 30 choix pour chaque exercice, soit un total de \(30^3=27000\) configurations.
Au cinéma
- Combien de configurations différentes existe-t-il ?
- Les deux groupes ne veulent pas être séparés. Combien de configurations sont possibles ?
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Il existe \(10!=3628800\) configurations possibles.
Si les étudiants ne souhaitent pas se séparer, il y a deux situations possibles.
- On place le premier groupe puis le deuxième. Il y a \(6!\) manières de placer le premier groupe et \(4!\) pour le deuxième.
- On place le deuxième groupe puis le premier, on obtient le même nombre de placements.
- Le nombre de configurations possibles est donc de \(2 \times 6! \times 4! = 34560\).
Anagrammes
- Combien de mots de 4 lettres peut-on former si toutes les lettres peuvent être utilisées autant de fois que l’on veut ?
- Combien de mots de 4 lettres peut-on former si chaque lettre ne peut être utilisée qu’une seule fois ?
- Combien de mots de 6 lettres ne commençant pas par la lettre X peut-on former, chaque lettre pouvant être utilisée autant de fois que l’on veut ?
- Combien de mots de 4 lettres comportant la lettre I existe-t-il, chaque lettre ne pouvant être utilisée qu’une seule fois ?
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- On peut former \(7^4=2401\) mots.
- On peut former \(7 \times 6 \times 5 \times 4 = 840\) mots.
- Il y a 6 choix pour la première lettre, puis 7 pour la deuxième, 7 pour la troisième et ainsi de suite. Le nombre de mots est de \(6 \times 7^5 = 100842\).
- On divise les mots selon la position de la lettre I
- Si elle est en première position, on a alors 6 choix pour la deuxième lettre, 5 pour la troisième, 4 pour la quatrième, soit 120 possibilités
- Le même raisonnement vaut si le O est en position 2, 3 ou 4.
- Il y a donc 480 possibilités au total.
Bac S – Amérique du Sud, novembre 2009
On considère un questionnaire comportant cinq questions. Pour chacune des cinq questions posées, trois propositions de réponses sont faites (A, B et C), une seule d’entre elles étant exacte.
Un candidat répond à toutes les questions posées en écrivant un mot réponse
de cinq lettres.
Par exemple, le mot BBAAC signifie que le candidat a répondu B aux première et deuxième questions, A aux troisième et quatrième questions et C à la
cinquième question.
- Combien y-a-t’il de mots-réponses possible à ce questionnaire ?
- On suppose que le candidat répond au hasard à chacune des cinq questions de ce questionnaire. Calculer la probabilité des évènements suivants :
- E : » le candidat a exactement une réponse exacte « .
- F : » le candidat n’a aucune réponse exacte « .
- G : » le mot-réponse du candidat est un palindrome » (On précise qu’un
palindrome est un mot pouvant se lire indifféremment de gauche à droite
ou de droite à gauche : par exemple, BACAB est un palindrome).
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- Il y a à chaque fois 3 choix par question, soit \(3^5\) mots-réponses possibles.
- On distingue selon la position de la bonne réponse.
- S’il s’agit de la première réponse, il y a \(1 \times 2 \times 2 \times 2 \times 2 = 16\) mots-réponses possibles
- Le même raisonnement tient s’il s’agit de la deuxième, troisième, quatrième ou cinquième réponse.
- Au total 80 mots-réponses contiennent exactement une bonne réponse.
La probabilité d’avoir exactement une bonne réponse est donc de \(\dfrac{80}{243}\).
- Il y a deux mauvaises réponses par question. La probabilité de n’avoir aucune réponse exacte est donc \(\dfrac{2^5}{243}=\dfrac{32}{243}\)
- Il y a 3 choix pour la première lettre, 3 pour la deuxième et 3 pour la troisième. Il n’y a qu’un choix pour la quatrième qui doit être la même que la deuxième et un seul choix également pour la cinquième qui doit être la même que la première. \\La probabilité d’avoir un palindrome est donc de \(\dfrac{3^3}{3^5}=\dfrac{1}{3^2}=\dfrac{1}{9}\)
Encore des anagrammes
- Combien de mots de 3 lettres peut-on former si toutes les lettres peuvent être utilisées autant de fois que l’on veut ?
- Combien de mots de 4 lettres peut-on former si chaque lettre ne peut être utilisée qu’une seule fois ?
- Combien de mots de 4 lettres commençant par une voyelle peut-on former, chaque lettre pouvant être utilisée autant de fois que l’on veut ?
On écrit les lettres du mot PYTHAGORE sur des cartes qui sont ensuite mélangées. Une personne tire une carte uniformément au hasard, note la lettre ainsi piochée puis remet la carte dans le tas. L’opération est répétée à cinq reprises, formant ainsi un mot de cinq lettres.
Dans la suite de l’exercice et afin de préserver la vie de chatons innocents, les résultats seront présentées sous la forme d’une fraction irréductible.
- Quelle est la probabilité que le mot formé n’ait aucune lettre en double ?
- Quelle est la probabilité que le mot formé soit composé des quatre voyelles A, E, O, Y et d’une consonne ?
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- On a 9 choix pour la première lettre, 9 pour la deuxième et 9 pour la troisième, soit un total de \(9 \times 9 \times 9 = 9^3 = 729\) possibilités.
- On a 9 choix pour la première, 8 pour la deuxième, 7 pour la troisième, 6 pour la quatrième soit \(9 \times 8 \times 7 \times 6 = 3024\) possibilités.
- On a 4 choix pour la première lettre, 9 pour la deuxième, 9 pour la troisième et 9 pour la quatrième, soit \(4 \times 9^3 = 2916\) possibilités.
- Le nombre de mots qu’il est possible de formé est de \(9^5\). Le nombre de mots de 5 lettres sans lettre en double vaut \(9 \times 8 \times 7 \times 6 \times 5\). La probabilité recherchée est donc \(\dfrac{9 \times 8 \times 7 \times 6 \times 5}{9^5}=\dfrac{560}{2187}\).
- On décompose les possibilités selon la position de la consonne
- Si la consonne est en première position : \(5 \times 4 \times 3 \times 2 \times 1\) possibilités.
- Si la consonne est en deuxième position : \(4 \times 5 \times 3 \times 2 \times 1\) possibilités.
- Si la consonne est en troisième position : \(4\times 3 \times 5 \times 2 \times 1\) possibilités.
- Si la consonne est en quatrième position : \(4 \times 3 \times 2 \times 5 \times 1\) possibilités.
- Si la consonne est en dernière position : \(4 \times 3 \times 2 \times 1 \times 5\) possibilités.
Il y a donc 600 possibilités au total. La probabilité recherchée vaut \(\dfrac{600}{9^5}=\dfrac{200}{19683}\).
Combinaisons d’un ensemble fini
Toutes les combinaisons
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Les parties de \(A\) à deux éléments sont \(\{1;2\}\), \(\{1;3\}\), \(\{1;4\}\), \(\{2;3\}\), \(\{2;4\}\) et \(\{3;4\}\).
Coefficients binomiaux
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- \(\dbinom{6}{3}=\dfrac{6!}{3!3!}=\dfrac{6 \times 5 \times 4 \times 3!}{(3 \times 2 \times 1)3!}=5 \times 4 =20\)
- \(\dbinom{10}{7}=\dfrac{10!}{7!3!}=\dfrac{10 \times 9 \times 8 \times 7!}{(3 \times 2 \times 1)7!}=\dfrac{10 \times 9 \times 8}{3 \times 2} = 5 \times 3 \times 8 = 120\).
- \(\dbinom{14}{11}=\dfrac{14!}{11!3!}=\dfrac{14 \times 13 \times 12 \times 11!}{11! \times (3 \times 2 \times 1)}=14 \times 13 \times 2 = 364\).
- \(\dbinom{9}{4}=\dfrac{9!}{4!5!}=\dfrac{9 \times 8 \times 7 \times 6 \times 5!}{5!(4 \times 3 \times 2 \times 1)}=3 \times 7 \times 6 = 126\)
- \(\dbinom{9}{5}=\dfrac{9!}{5!4!}=126\) d’après le calcul précédent.
- \(\dbinom{8}{3}=\dfrac{8!}{3!5!}=\dfrac{8 \times 7 \times 6 \times 5!}{5!(1 \times 2 \times 3)}=8\times 7 = 56\)
Coefficients particuliers
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\(\dbinom{31}{2}=\dfrac{31 \times 30 }{2} = 465\), \(\dbinom{279}{279}=1\), \(\dbinom{1457}{0}=1\), \(\dbinom{4321}{4320}=4321\), \(\dbinom{101}{99}=\dfrac{101 \times 100}{2}=5050\).
Suite de coefficients
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Pour tout entier naturel \(n\), \(u_n>0\). Pour savoir si \(u_{n+1} \geqslant u_n\), on regarde donc si \(\dfrac{u_{n+1}}{u_n}\geqslant 1\).
\[ \dfrac{u_{n+1}}{u_n}=\dfrac{\dbinom{2n+2}{n+1}}{\dbinom{2n}{n}}=\dfrac{(2n+2)!}{(n+1)!(n+1)!} \times \dfrac{n! n!}{(2n)!}=\dfrac{(2n+2) \times (2n+1) \times (2n)!}{n! \times (n+1) \times n! \times (n+1)} \times \dfrac{n! n!}{(2n)!}\]
En simplifiant, on trouve alors
\[ \dfrac{u_{n+1}}{u_n}=\dfrac{(2n+2)(2n+1)}{(n+1)(n+1)}=\dfrac{2(n+1)(2n+1)}{(n+1)(n+1)}=\dfrac{2(2n+1)}{n+1}\]
Or, pour tout entier naturel \(n\), \(2n+1 \geqslant n+1\) et donc \(\dfrac{u_{n+1}}{u_n}\geqslant 1\). La suite \((u_n)\) est croissante.
Révisions
- Combien de combinaisons d’exercice pouvez-vous construire ?
- Le professeur insiste sur le fait que l’exercice 8 est à le travailler absolument. Il vous reste donc 4 exercices à choisir. Combien de combinaisons pouvez-vous construire ?
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Il faut choisir 5 exercices parmi 10 soit
\[ \dbinom{10}{5}=\dfrac{10!}{5!5!}=\dfrac{10 \times 9 \times 8 \times 7 \times 6 \times 5!}{5!\times 5!}= \dfrac{10 \times 9 \times 8 \times 7 \times 6 }{ 5!}=252\text{ possibilités.}\]
Si l’exercice 8 est imposé, il faut choisir 4 exercices parmi les 9 restants, soit
\[ \dbinom{9}{4}=\dfrac{9!}{4!5!}=\dfrac{9 \times 8 \times 7 \times 6 \times 5!}{4!\times 5!}=126 \text{ possibilités.}\]
Le loto
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On a donc \(\dbinom{49}{5} \times \dbinom{10}{1} = 19068840\) manières de remplir une grille de loto.
Jeu de cartes
- comportant exactement 3 coeurs ;
- comportant exactement un roi et exactement deux dames ;
- comportant au plus 2 roi.
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Pour obtenir une main comptant exactement 3 coeurs
- On choisit 3 coeurs parmi les 8 : \(\dbinom{8}{3}=56\)
- On choisit 2 cartes parmi les 24 restantes : \(\dbinom{24}{2}=276\).
- Le nombre total de mains ayant exactement 3 coeurs est donc de \(56 \times 276 = 15456\).
Pour obtenir une main ayant exactement un roi et deux dames
- On choisit un roi parmi 4 puis deux dames parmi 4 : \(\dbinom{4}{1} \dbinom{4}{2}=4 \times 6 = 24\)
- On choisit 2 cartes parmi les 24 restantes : \(\dbinom{24}{2}=276\).
- Le nombre total de mains comptant exactement un roi et deux dames est donc de \(4 \times 6 \times 276=6624\)
Pour obtenir une main contenant au plus deux rois, on compte les mains ayant exactement 0, 1 ou 2 roi et on ajoute les différents cas.
- Aucun roi : On choisit 5 cartes parmi les 28 qui ne sont pas des rois, soit \(\dbinom{28}{5}=98280\)
- Un roi : On choisit un roi parmi 4 puis 4 cartes parmi les 28 restantes, soit \(\dbinom{4}{1} \times \dbinom{28}{4}=81900\).
- Deux rois : On choisit deux rois parmi 4 puis 3 cartes parmi les 28 restantes, soit \(\dbinom{4}{2} \times \dbinom{28}{3}=19656\).
- Le nombre total de mains comportant au plus deux rois vaut donc \(98280+81900+19656=199836\).
Pièces de monnaie
- Combien de configurations avec 3 pièces tombant sur FACE existe-t-il ?
- Combien de configurations avec au plus 3 pièces tombant sur FACE existe-t-il ?
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Il existe \(\dbinom{10}{3}=120\) configurations avec 3 pièces tombant sur FACE.
Il existe \(\dbinom{10}{0}+\dbinom{10}{1}+\dbinom{10}{2}+\dbinom{10}{3}=1+10+45+120=176\) configurations avec au plus 3 pièces tombant sur FACE.
Equipe de football
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Le nombre d’équipes est de \(\dbinom{3}{1} \times \dbinom{8}{4} \times \dbinom{6}{3} \times \dbinom{6}{3} = 84000\).
Choix de spécialités
- Combien de choix différents pouviez-vous faire ?
- Un élève de seconde sait qu’il devra abandonner une spécialité en terminale. Il décide donc de choisir deux spécialités qu’il conservera et une qu’il abandonnera. Combien a-t-il de choix ?
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Il fallait choisir 3 spécialités parmi 12. Le nombre de choix est donc de \(\dbinom{12}{3}=\dfrac{12!}{3!9!}=\dfrac{12 \times 11 \times 10}{3!}=220\)
On choisit 3 spécialités parmi 12 puis une parmi les 3 qu’on abandonnera. Le nombre de choix est donc de \(\dbinom{12}{3} \times \dbinom{3}{1}=220 \times 3 = 660\)
Asie, juin 2021
Chaque participant génère sur son smartphone un ticket comportant une grille de taille \(3 \times 3\) sur laquelle sont placés trois cœurs répartis au hasard, comme par exemple ci-dessous.
Le ticket est gagnant si les trois cœurs sont positionnés côte à côte sur une même ligne, sur une
même colonne ou sur une même diagonale.
- Justifier qu’il y a exactement \(84\) façons différentes de positionner les trois cœurs sur une grille.
- Montrer que la probabilité qu’un ticket soit gagnant est égale à \(\dfrac{2}{21}\).
- Lorsqu’un joueur génère un ticket, la société prélève 1 euro sur son compte en banque. Si le ticket est gagnant, la société verse alors au joueur 5 euros. Le jeu est-il favorable au joueur?
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- On place 3 coeurs parmi neuf cases possibles. Le nombre de tickets différents est donc \(\dbinom{9}{3} = 84\).
- Il existe 84 cartes tickets différents, dont 8 sont gagnants (trois lignes, trois colonnes et les deux diagonales). La probabilité que le ticket soit gagnant est donc de \(\dfrac{8}{84}\) soit \(\dfrac{2}{21}\).
- Notons \(X\) la variable aléatoire qui donne le gain du joueur. \(X\) prend la valeur \(-1\) avec probabilité \(\dfrac{19}{21}\) et la valeur 4 avec probabilité \(\dfrac{2}{21}\). Lespérance de \(X\) vaut donc \( -1 \times \dfrac{19}{21} + 4 \times \dfrac{2}{21}=-\dfrac{11}{21} < 0\). Le jeu est donc défavorable pour le joueur.
Exercices de synthèse
Association sportive
- Si la préférence des activités n’entre pas en compte, combien de fiches d’inscription différentes peut-on former ?
- Face à l’affluence grandissante, l’association à ses adhérents de classer ces 3 disciplines au maximum selon les préférences de l’adhérent. Combien de fiches différentes peut-on alors former ?
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Si la préférence des activités n’entre pas en compte, chaque adhérent choisi 1, 2 ou 3 activités parmi 20. Il y a donc \(\dbinom{20}{1}+\dbinom{20}{2}+\dbinom{20}{3}=20+190+1140=1350\) fiches différentes.
Supposons que l’ordre compte : si l’adhérent choisit une seule discipline, il a 20 choix. S’il en choisit deux, il a 20 choix pour la première et 19 pour la deuxième soit \(20 \times 19 = 380\) choix au total. S’il en choisit trois, il a \(20 \times 19 \times 18=6840\) choix. Au total, il y a 7240 fiches possibles.
Somme des chiffres
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Notons d’abord que \(10^9\) n’est pas une solution. On regarde donc tous les nombres composés de 9 chiffres (quitte à compléter avec des 0 devant les nombres). Pour avoir un nombre dont la somme des chiffres vaut 3, il y a trois possibilités :
- Il est composé de huit 0 et d’un 3 : il y a alors 9 possibilités pour placer le chiffre 3 dans ce nombre
- Il est composé de sept 0, d’un 1 et d’un 2 : il y a alors 9 possibilités pour placer le chiffre 1 et 8 possibilités pour placer le chiffre 2, soit 72 possibilités au total.
- Il est composé de six 0 et de trois 1 : il faut placer trois fois le chiffre 1 parmi neuf emplacements. Cela donne \(\dbinom{9}{3}\) possibilités, soit 84.
Au total, il y a 165 nombres entres 1 et \(10^9\) dont la somme des chiffres vaut 2.
Elections !
- Combien de délégations peut-on ainsi désigner ?
- Alice et Bob ne se supportent pas et ne souhaitent pas faire tous deux partie de la délégation. Combien de possibilités reste-t-il ?
- Alice et Bob acceptent finalement de mettre leur différend de côté. Cependant, les inséparables Camille et Dominique imposent que si l’un d’entre eux fait partie de la délégation, alors l’autre doit en être également. Combien de possibilités reste-t-il ?
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- On peut désigner \(\dbinom{30}{4}=27405\) délégations différentes.
- On distingue les cas :
- Aucun ne fait partie de la délégation. On choisit donc 4 personnes parmi 28 : \(\dbinom{28}{4}=20475\)
- Alice fait partie de la délégation et pas Bob. \\ Il reste à choisir 3 personnes parmi 28, soit \(\dbinom{28}{3}=3276\) possibilités
- Bop fait partie de la délégation et pas Alice. On a de nouveau 3276 possibilités.
- Au total, il y a \(20475+3276+3276=27027\) délégations possibles.
Une autre technique consiste à compter les délégations où Alice et Bob font tous deux parties de la délégation et de retrancher ce nombre au total. Si les deux font partie de la délégation, on doit encore choisir 2 membres parmi les 28 restants, soit \(\dbinom{28}{2}=378\) possibilités. Il y a donc \(27405-378=27027\) délégations convenables.
- On distingue les cas
- Camille et Dominique font tous deux partie de la délégation. Il faut encore choisir deux membres parmi les 28 restants, soit \(\dbinom{28}{2}=378\)
- Camille et Dominique n’en font pas partie. On choisit donc 4 membres parmi les 28 restants, soit \(\dbinom{28}{4}=20475\) possibilités
- En tout, on a donc \(20475+378=20853\) possibilités.
Des compotes pour le devoir
- Combien de purées comportant une viande et un légume peut-il préparer ?
- Combien de purées comportant une viande et 3 légumes peut-il préparer ?
- M. Lapeyronnie se rappelle alors qu’il faut également préparer des compotes. Celui-ci dispose de 6 fruits. Une compote peut être composée d’un ou deux fruits. Combien peut-on faire de compotes différentes ?
- Un repas pour bébé se compose alors d’une purée et d’une compote. La purée comporte 0 ou 1 viande ainsi qu’1, 2 ou 3 légumes. La compote comporte 1 ou 2 fruits. Combien de menus pour bébé M. Lapeyronnie peut-il composer ?
- M. Lapeyronnie a préparé 7 repas pour la semaine. Il établit alors un menu sur la semaine avec ces 7 repas : il désigne pour chaque jour le repas qui lui sera associé. Combien de menus différents peut-il établir ?
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- Il y a \(\dbinom{5}{1}\dbinom{3}{1}=15\) recettes de purées comportant une viande et un légume.
- Il y a \(\dbinom{5}{3}\dbinom{3}{1}=30\) recettes de purées comportant une viande et 3 légumes.
- Il y a \(\dbinom{6}{1} + \dbinom{6}{2} = 21\) compotes différentes possibles. On choisit 1 OU 2 ingrédients, cela se traduit par une addition.
- Le nombres de menus est de \[\left(\dbinom{3}{0}+\dbinom{3}{1}\right) \times \left( \dbinom{5}{1} + \dbinom{5}{2} + \dbinom{5}{3} \right) \times \left(\dbinom{6}{1}+\dbinom{6}{2} \right)=2100\] (on traite d’abord la viande, puis les légumes, et enfin les fruits !)
- Le nombre de menus possibles pour la semaine est donc de \(2100^7\), soit 180 108 854 100 000 000 000 000. Bon appétit !
Somme des coefficients binomiaux
- Rappeler le cardinal de \(P_k\).
- Que vaut l’union des \(P_k\) pour \(k\) allant de 0 à \(n\) ? Cette union est-elle disjointe ?
- En déduire que \(\dbinom{n}{0} + \dbinom{n}{1} + \ldots + \dbinom{n}{n} =\displaystyle\sum_{k=0}^{n} \dbinom{n}{k} = 2^n\).
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Le cardinal de \(P_k\) vaut \(\dbinom{n}{k}\). Or, l’union des \(P_k\) vaut \(\mathcal{P}(A)\) et cette union est disjointe.
Ainsi, \(\mathrm{Card}(\mathcal{P}(A))=\mathrm{Card}(P_0 \cup P_1 \cup \dots \cup P_n)=\mathrm{Card}(P_0)+\mathrm{Card}(P_1) + \dots + \mathrm{Card}(P_n)\) et donc \(2^n = \dbinom{n}{0} + \dbinom{n}{1} + \ldots + \dbinom{n}{n}\).
Une formule particulière
- Combien de commissions avec son président peut-on ainsi constituer ?
- On procède différemment : on choisit d’abord le président de la commission puis on choisit les autres membres parmi les personnes restantes. De combien de manières peut-on procéder ?
- En déduire l’égalité suivante :
\[ n \dbinom{n-1}{k-1} = k \dbinom{n}{k} \] - Retrouver cette égalité à l’aide de la formule sur les coefficients binomiaux.
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On choisit \(k\) personnes parmi les \(n\) personnes. Puis, parmi ces \(k\) personnes, on en choisit une qui sera la présidente. Le nombre de choix est \(\dbinom{n}{k} \times \dbinom{k}{1}\) soit \(k \dbinom{n}{k}\).
On choisit 1 personne pour présider l’assemblée parmi les \(n\) personnes. Pour la suite, on choisit alors \(k-1\) personnes sur les \(n-1\) présentes pour constituer la commission.\\ Le nombre de choix est donc \(\dbinom{n}{1} \times \dbinom{n-1}{k-1}=n \dbinom{n-1}{k-1}\).
On a déterminé le nombre de manières d’élire un comité et un président de deux manières différentes, ces deux quantités sont donc égales. On a donc bien \) n \dbinom{n-1}{k-1} = k \dbinom{n}{k}\).
Pour tout entier naturel non nul \(n\) et pour tout entier naturel \(k\) compris entre 1 et \(n\),
\[ n \dbinom{n-1}{k-1} = \dfrac{n \times (n-1)!}{(k-1)!(n-1-(k-1))!}=\dfrac{n!}{(k-1)!(n-k)!}\]
On multiplie en haut et en bas par \(k\)
\[ n \dbinom{n-1}{k-1}=k\times \dfrac{n!}{k\times (k-1)!(n-k)!}=k\times \dfrac{n!}{k!(n-k)!}= k \dbinom{n}{k} \]
Somme des carrés des coefficients binomiaux
- Combien de tels mots peut-on construire ?
-
- Combien de tels mots contenant 0 fois la lettre \(A\) parmi les \(n\) premières lettres peut-on construire ?
- Combien de tels mots contenant 1 fois la lettre \(A\) parmi les \(n\) premières lettres peut-on construire ?
- Soit \(k\geqslant n\). Combien de tels mots contenant \(k\) fois la lettre \(A\) parmi les \(n\) premières lettres peut-on construire ?
- A l’aide des question précédentes, simplifier l’expression \(\dbinom{n}{0}^2+\dbinom{n}{1}^2+\dots+\dbinom{n}{n}^2\).
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Parmi les \(2n\) emplacements pour les lettres, on en choisit \(n\) pour placer les A : les autres recevront la lettre B. Il y a donc \(\dbinom{2n}{n}\) tels mots.
- Il n’y a qu’un seul mot qui comporte 0 fois la lettre A parmi les \(n\) premières
- On choisit 1 lettre parmi les \(n\) premières pour placer la lettre A puis \(n-1\) lettres parmi les \(n\) dernières pour placer la lettre A. On aura bien au total \(n\) fois la lettre A. Il y a \(\dbinom{n}{1}\dbinom{n}{n-1}\) mots de ce type.
- On choisit \(k\) lettres parmi les \(n\) premières pour placer la lettre A puis \(n-k\) lettres parmi les \(n\) dernières pour placer la lettre A. On aura bien au total \(n\) fois la lettre A. Il y a \(\dbinom{n}{k}\dbinom{n}{n-k}\) mots de ce type.
On note \(E\) l’ensemble des mots recherchés et \(E_k\) l’ensemble des mots contenant \(k\) fois la lettre \(A\) parmi les \(n\) premières lettres. Les ensembles \(E_k\) sont disjoints et leur union fait \(E\). Ainsi, \(\mathrm{Card}(E)=\mathrm{Card}(E_0)+\mathrm{Card}(E_1)+\dots + \mathrm{Card}(E_n)\). \\Or, pour tout entier naturel \(k\), \(\mathrm{Card}(E_k)=\dbinom{n}{k}\dbinom{n}{n-k}\), mais \(\dbinom{n}{k}=\dbinom{n}{n-k}\).
Finalement, \(\mathrm{Card}(E_k)=\dbinom{n}{k}^2\) et on en déduit que \(\dbinom{n}{0}^2+\dbinom{n}{1}^2+\dots+\dbinom{n}{n}^2=\dbinom{2n}{n}\).
La machine Enigma
Le chiffrement d’Enigma était réputé inviolable, la machine nécessitant de nombreux réglages. Pour déchiffrer les messages interceptés, il fallait retrouver tous les réglages utilisés par les Allemands pour l’envoyer. Pour ne rien arranger aux affaires des Alliés, ces réglages étaient modifiés chaque jour.
- Le premier élément de la machine est une série de trois rotors qui permettent de réaliser les premières connexions électriques. Ces rotors sont choisis parmi cinq modèles et l’ordre de positionnement des rotors dans la machine est important. Combien de configurations différentes ces rotors permettent-ils ?
- Chaque rotor peut alors être placé sur 26 positions différentes, correspondant aux 26 lettres de l’alphabet. La position d’un rotor n’influence pas la position des autres, ceux-ci sont totalement indépendants. Les trois rotors étant choisis, combien de positions différentes peut-on donner au mécanisme formé par ces trois rotors ?
- La dernière étape consiste à réaliser un câblage sur un tableau de connexion. Six lettres resteront inchangées. Les vingt restantes seront reliées par paire à l’aide de câbles.
- Combien de manières a-t-on de choisir les six lettres inchangées ?
- Parmi les vingt lettres restantes, on en choisit deux que l’on relie à l’aide du câble numéro 1. Combien a-t-on de choix différents ?
- Parmi les dix-huit lettres restantes, on en choisit de nouveau 2 qui seront reliées par le câble numéro 2. Combien a-t-on de choix différents ?
- On poursuit ainsi jusqu’à ce que les vingt lettres soient toutes reliées. En remarquant que l’ordre de câblage n’a pas d’importance (inverser le câble 1 et le câble 2 donnera le même résultat), donner le nombre de câblages de la machine Enigma.
- En déduire un ordre de grandeur du nombre de configurations de la machine Enigma.
- En supposant qu’un ordinateur soit capable de tester un milliard de configurations par seconde, combien d’années faudrait-il pour passer en revue toutes les configurations d’Enigma ?
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- Il y a donc 5 possibilités pour le premier rotor, 4 pour le deuxième, 3 pour le troisième, soit \(5\times 4 \times 3 = 60\) possibilités pour les rotors.
- Cela donne 26 placements pour le premier rotor, 26 pour le deuxième et 26 pour le troisième, soit un total de \(26 \times 26 \times 26 = 17576\) possibilités
-
- Il y a \(\binom{26}{6}\) manières de choisir 6 lettres parmi 26, soit \(\dfrac{26!}{6! 20!}\), c’est-à-dire 230230 possibilités.
- Il y a \(\binom{20}{2}\) choix possibles
- Il y a alors \(\binom{18}{2}\) possibilités.
-
On a alors \(\binom{20}{2} \times \binom{18}{2} \times \binom{16}{2}\times \binom{14}{2}\times \binom{12}{2}\times \binom{10}{2}\times \binom{8}{2}\times \binom{6}{2}\times \binom{4}{2}\times \binom{16}{2}\) possibilités.
Cette écriture est simplifiable, puisque ce nombre vaut
\[\dfrac{20 \times 19}{2} \times \dfrac{18 \times 17}{2} \times \dfrac{16 \times 15}{2} \times \dfrac{14 \times 13}{2} \times \dfrac{12 \times 11}{2} \times \dfrac{10 \times 9}{2} \times \dfrac{8 \times 7}{2} \times \dfrac{6 \times 5}{2} \times \dfrac{4 \times 3}{2} \times \dfrac{2 \times 1}{2} = \dfrac{20!}{2^{10}}\]Or, l’ordre des câbles n’a pas d’importance : les lettres reliées par le câble 1 auraient pu l’être par le câble 2. Au total, on peut permuter les 10 cables de \(10!\) façons différentes. Le nombre de câblages d’Enigma vaut donc \(\dfrac{20!}{2^{10} \times 10!}\) soit 654729075.
- Le nombre de configurations de la machine Enigma vaut donc \(60 \times 17576 \times 230230 \times 654729075\) soit environ \(1.59 \times 10^{20}\) configurations possibles !
- En supposant qu’un ordinateur soit capable de tester un milliard de configurations par seconde, il faudrait environ \(\dfrac{1.59 \times 10^{20}}{10^9 \times 60 \times 60 \times 24 \times 365}\) soit 5040 années !