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Combinatoire et dénombrement

Terminale · Maths · Algèbre et géométrie

Algèbre et géométrie

Compter sans énumérer : listes, arrangements, permutations

Dénombrer, c'est compter le nombre d'éléments d'un ensemble fini sans les écrire un par un. Tout le chapitre repose sur une seule question, à se poser avant chaque calcul : est-ce que l'ordre compte ? et est-ce qu'on peut répéter un élément ? Les quatre réponses possibles donnent les quatre formules du programme. Ce chapitre est aussi le socle de la loi binomiale : les coefficients binomiaux que tu vas manipuler ici réapparaîtront en probabilités.

Les k-uplets : l'ordre compte, les répétitions sont permises

Arrangements et permutations : l'ordre compte, plus de répétition

SituationL'ordre compte ?Répétitions ?FormuleExemple type
k-uplet (k-liste)OuiOuin^kCodes, tirages successifs AVEC remise
Arrangement de k élémentsOuiNonn × (n-1) × … × (n-k+1) = n!/(n-k)!Podium, tirages successifs SANS remise
Permutation (k = n)OuiNonn!Anagrammes de lettres distinctes, rangements
Combinaison de k élémentsNonNoncoefficient binomial (n parmi k)Mains de cartes, comités, tirages simultanés

Algèbre et géométrie

Combinaisons et coefficients binomiaux

Quand on tire des objets tous en même temps, l'ordre du tirage n'a plus aucune importance : la main {as de pique, roi de cœur} est la même que la main {roi de cœur, as de pique}. On compte alors des combinaisons, et les nombres obtenus s'appellent les coefficients binomiaux.

Les propriétés à connaître par cœur

  • Valeurs immédiates : (n parmi 0) = 1 (l'ensemble vide), (n parmi n) = 1, (n parmi 1) = n, (n parmi n-1) = n.
  • Symétrie : (n parmi k) = (n parmi n-k). Choisir les k qu'on prend revient à choisir les n-k qu'on laisse.
  • Relation de Pascal : (n parmi k) + (n parmi k+1) = (n+1 parmi k+1). C'est la règle de construction du triangle de Pascal : chaque case est la somme des deux cases au-dessus.
  • Somme d'une ligne : (n parmi 0) + (n parmi 1) + … + (n parmi n) = 2^n. Logique : en additionnant les parties de 0 élément, 1 élément, … on retrouve TOUTES les parties de l'ensemble.
nk=0k=1k=2k=3k=4k=5Somme = 2^n
011
1112
21214
313318
41464116
51510105132

Exercices corrigés

  1. Combien vaut 5! ?

    • A.720
    • B.120Bonne réponse
    • C.60
    • D.25

    Réponse : B — 120

    5! = 5 × 4 × 3 × 2 × 1. On calcule pas à pas : 5 × 4 = 20, 20 × 3 = 60, 60 × 2 = 120, 120 × 1 = 120. Donc 5! = 120. Attention : 720 c'est 6!, et 25 c'est 5², rien à voir avec une factorielle.

  2. Combien de parties (sous-ensembles) possède un ensemble E à 6 éléments ?

    • A.64Bonne réponse
    • B.12
    • C.36
    • D.720

    Réponse : A — 64

    Pour construire une partie de E, on décide pour chacun des 6 éléments s'il est dedans ou dehors : 2 possibilités pour chacun, donc 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 2^6 = 64 parties (l'ensemble vide et E lui-même compris). Le distracteur 36 vient de 6², et 720 de 6! : ni l'un ni l'autre ne compte des parties.

  3. Dans une classe de 30 élèves, on désigne un délégué puis un suppléant, forcément deux élèves différents. Combien de choix possibles ?

    • A.900
    • B.870Bonne réponse
    • C.435
    • D.60

    Réponse : B — 870

    Les deux rôles sont différents, donc l'ordre compte, et une même personne ne peut pas occuper les deux places : c'est un arrangement de 2 éléments parmi 30, soit 30 × 29 = 870. Le distracteur 900 = 30² oublie que le suppléant doit être différent du délégué, et 435 = 870/2 serait la réponse si les deux rôles étaient interchangeables (une combinaison).

  4. Un jury doit attribuer une médaille d'or, une d'argent et une de bronze à 3 athlètes différents parmi 8 finalistes. Combien de podiums possibles ?

    • A.24
    • B.336Bonne réponse
    • C.56
    • D.512

    Réponse : B — 336

    Les trois médailles sont différentes, donc l'ordre compte, et un athlète ne peut pas recevoir deux médailles : c'est un arrangement de 3 éléments parmi 8, soit 8 × 7 × 6 = 336. Le distracteur 56 est (8 parmi 3) : ce serait la réponse si on choisissait simplement 3 athlètes sans les classer. Et 512 = 8^3 supposerait qu'un athlète puisse rafler plusieurs médailles.

  5. En utilisant la relation de Pascal, à quoi est égale la somme (7 parmi 3) + (7 parmi 4) ?

    • A.(14 parmi 7) = 3432
    • B.(8 parmi 4) = 70Bonne réponse
    • C.(7 parmi 7) = 1
    • D.(8 parmi 3) = 56

    Réponse : B — (8 parmi 4) = 70

    La relation de Pascal s'écrit (n parmi k) + (n parmi k+1) = (n+1 parmi k+1). Ici n = 7 et k = 3, donc la somme vaut (8 parmi 4). Vérifions numériquement : (7 parmi 3) = 35 et (7 parmi 4) = 35 (par symétrie), donc la somme fait 70 ; et (8 parmi 4) = (8 × 7 × 6 × 5)/(4 × 3 × 2 × 1) = 1680/24 = 70. Le distracteur (8 parmi 3) = 56 vient d'une mauvaise mémorisation : c'est bien n+1 en haut ET k+1 en bas.

  6. Un club compte 5 filles et 4 garçons. Combien de comités de 3 personnes comportant exactement 2 filles peut-on former ?

    • A.40Bonne réponse
    • B.30
    • C.60
    • D.84

    Réponse : A — 40

    Un comité n'est pas ordonné : ce sont des combinaisons. On choisit 2 filles parmi 5 : (5 parmi 2) = (5 × 4)/2 = 10. Puis 1 garçon parmi 4 : (4 parmi 1) = 4. Les deux choix se font l'un ET l'autre, donc on multiplie : 10 × 4 = 40. Le distracteur 84 = (9 parmi 3) est le nombre TOTAL de comités de 3 personnes, sans la contrainte sur les filles.

  7. Combien existe-t-il de nombres entiers à 5 chiffres dont tous les chiffres sont différents (le premier chiffre ne peut pas être 0) ?

    • A.30240
    • B.15120
    • C.27216Bonne réponse
    • D.90000

    Réponse : C — 27216

    On commence par la contrainte la plus forte : le chiffre des dizaines de mille est non nul, donc 9 possibilités (1 à 9). Il reste ensuite à placer 4 chiffres distincts parmi les 9 chiffres encore disponibles (les 10 chiffres moins celui déjà utilisé, le 0 étant maintenant autorisé) : 9 × 8 × 7 × 6 = 3024. Total : 9 × 3024 = 27 216. Le distracteur 30 240 = 10 × 9 × 8 × 7 × 6 oublie d'interdire le 0 en tête, et 90 000 est le nombre total de nombres à 5 chiffres sans contrainte de distinction.

  8. Toujours dans un jeu de 52 cartes (4 rois), on tire 5 cartes simultanément. On donne (52 parmi 5) = 2 598 960, (48 parmi 5) = 1 712 304 et (48 parmi 4) = 194 580. Combien de mains contiennent au moins 2 rois ?

    • A.108336Bonne réponse
    • B.778320
    • C.886656
    • D.103776

    Réponse : A — 108336

    Le contraire de « au moins 2 rois » est « 0 ou 1 roi », deux cas disjoints qu'on additionne. Zéro roi : (48 parmi 5) = 1 712 304. Exactement un roi : on choisit le roi de (4 parmi 1) = 4 façons, puis 4 cartes parmi les 48 non-rois, soit 4 × 194 580 = 778 320. Le contraire pèse donc 1 712 304 + 778 320 = 2 490 624 mains. Réponse : 2 598 960 - 2 490 624 = 108 336. Le distracteur 886 656 correspond à « au moins un roi », qui inclut les mains à un seul roi.

  9. Un comité de 4 personnes est formé dans un groupe de 6 femmes et 5 hommes. Combien de comités comportent au moins une femme ET au moins un homme ?

    • A.300
    • B.330
    • C.315
    • D.310Bonne réponse

    Réponse : D — 310

    On part du total et on retire les deux cas interdits, qui sont disjoints. Total : (11 parmi 4) = (11 × 10 × 9 × 8)/(4 × 3 × 2 × 1) = 7920/24 = 330. Comités 100 % féminins : (6 parmi 4) = (6 parmi 2) = 15. Comités 100 % masculins : (5 parmi 4) = 5. Donc 330 - 15 - 5 = 310. L'erreur classique est de n'enlever qu'un seul des deux cas (on obtient alors 315 ou 325), ou d'oublier que « au moins une femme et au moins un homme » exclut LES DEUX extrêmes.

  10. A est un ensemble à 4 éléments et B un ensemble à 5 éléments. Combien d'éléments compte le produit cartésien A × B ?

    • A.9
    • B.45
    • C.20Bonne réponse
    • D.54

    Réponse : C — 20

    Un élément de A × B est un couple (a ; b) avec a dans A et b dans B. On choisit a de 4 façons, puis b de 5 façons : d'après le principe multiplicatif, card(A × B) = 4 × 5 = 20. Le piège est de répondre 9 en additionnant : on additionne les cardinaux pour une RÉUNION d'ensembles disjoints, pas pour un produit cartésien.

  11. Combien de codes à 4 chiffres peut-on former avec les chiffres de 0 à 9, les répétitions étant autorisées ?

    • A.40
    • B.210
    • C.5040
    • D.10000Bonne réponse

    Réponse : D — 10000

    Un code est une liste ORDONNÉE de 4 chiffres, avec répétitions possibles : c'est un 4-uplet d'un ensemble à n = 10 éléments. Il y en a n^k = 10^4 = 10 000. Le distracteur 5040 correspond à 10 × 9 × 8 × 7, c'est-à-dire au cas où les 4 chiffres devraient être tous différents.

  12. Combien d'anagrammes (mots ayant un sens ou non) peut-on former avec les 4 lettres du mot MOTS, toutes différentes ?

    • A.24Bonne réponse
    • B.16
    • C.12
    • D.4

    Réponse : A — 24

    Une anagramme est un rangement complet des 4 lettres distinctes dans un certain ordre : c'est une permutation de 4 éléments. Il y en a 4! = 4 × 3 × 2 × 1 = 24. Le distracteur 16 correspond à 4^2 et 12 à 4 × 3 : ce sont des formules d'arrangements incomplets.

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Ce chapitre compte 36 exercices corrigés dans l'application, avec le suivi de ta progression.

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