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Compter. Organiser. Choisir

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COURS 16 • DÉNOMBREMENT & COMBINATOIRE

Compter.
Organiser. Choisir.

Le dénombrement consiste à compter efficacement sans énumérer. En CPGE, il faut savoir reconnaître immédiatement si l’ordre compte, si les répétitions sont autorisées et si l’on effectue un choix, un arrangement ou une permutation.

1. PRINCIPE ADDITIF

Additionner les possibilités exclusives.

Principe

Si une situation peut se produire selon plusieurs cas incompatibles, on additionne les nombres de possibilités.

N = N₁ + N₂ + … + Nₖ

Exemple

Un élève choisit soit un livre de mathématiques parmi 5, soit un livre de physique parmi 4.

5 + 4 possibilités
2. PRINCIPE MULTIPLICATIF

Multiplier les choix successifs.

Principe

Si une procédure comporte plusieurs étapes successives indépendantes, on multiplie le nombre de possibilités de chaque étape.

N = N₁ × N₂ × … × Nₖ

Exemple

3 chemises et 4 pantalons donnent :

3 × 4 = 12 tenues
3. FACTORIELLE

Le moteur des permutations.

Définition

n! = n(n-1)(n-2)…2×1

Convention

0! = 1

Exemple

5! = 5×4×3×2×1

Usage

La factorielle apparaît lorsque l’on ordonne tous les éléments d’un ensemble.

MZA COUNTING ENGINE

Six questions avant tout calcul.

01COMBIEN D’ÉLÉMENTS ?
02COMBIEN CHOISIS ?
03ORDRE ?
04RÉPÉTITION ?
05CAS EXCLUSIFS ?
06FORMULE
4. PERMUTATIONS

Ordonner tous les éléments.

Sans répétition

Le nombre de permutations de n éléments distincts est :

Pₙ = n!

Exemple

Le nombre d’ordres possibles de 6 candidats est :

6!

Avec répétitions

Si certains éléments sont identiques :

n! / (n₁!n₂!…nₖ!)

Exemple classique

Pour les lettres d’un mot comportant plusieurs lettres identiques, il faut corriger les permutations comptées plusieurs fois.

5. ARRANGEMENTS

Choisir puis ordonner.

Définition

On choisit p éléments parmi n et l’ordre compte.

Aₙᵖ = n! / (n-p)!

Exemple

Former un podium de 3 personnes parmi 10 candidats :

A₁₀³

Réflexe

Premier, deuxième et troisième sont des positions différentes : l’ordre compte donc.

Cas p=n

Aₙⁿ = n!
6. COMBINAISONS

Choisir sans tenir compte de l’ordre.

Définition

C(n,p) = n! / [p!(n-p)!]

Notation

C(n,p) = (n parmi p)

Exemple

Choisir 4 étudiants parmi 12 :

C(12,4)

Symétrie

C(n,p)=C(n,n-p)
7. IDENTITÉS BINOMIALES

Manipuler les coefficients binomiaux.

Pascal

C(n,p)=C(n-1,p)+C(n-1,p-1)

Somme d’une ligne

Σ C(n,p)=2ⁿ

Extrémités

C(n,0)=C(n,n)=1

Relation utile

pC(n,p)=nC(n-1,p-1)
8. BINÔME DE NEWTON

Développer une puissance efficacement.

(a+b)ⁿ = Σ C(n,k)aⁿ⁻ᵏbᵏ

La somme porte sur k allant de 0 à n.

Les coefficients du développement sont précisément les coefficients binomiaux.
9. AVEC OU SANS RÉPÉTITION

Le piège classique des concours.

Sans répétition

Un élément déjà choisi ne peut plus être repris.

Avec répétition

Un même élément peut être choisi plusieurs fois.

Exemple code PIN

Pour un code de 4 chiffres avec répétition autorisée :

10⁴

Sans répétition

Si les quatre chiffres doivent être distincts :

10×9×8×7
10. COMPLÉMENTAIRE

Compter ce que l’on ne veut pas.

Pour compter des objets satisfaisant une condition difficile, il est parfois plus simple de compter le total puis de retirer les cas interdits.

N(favorable)=N(total)-N(interdit)
Très utile pour les expressions « au moins un », « aucun », « pas tous », « au moins deux ».
11. EXERCICES PROGRESSIFS

Reconnaître la bonne structure.

NIVEAU 1

Exercice 1 — Permutations

De combien de façons peut-on ranger 7 livres distincts sur une étagère ?

Tous les livres sont utilisés et l’ordre compte.
NIVEAU 2

Exercice 2 — Combinaison

Une classe compte 20 élèves. Combien peut-on former de groupes de 4 élèves ?

Dans un groupe de 4, changer l’ordre des élèves ne crée pas un nouveau groupe.
NIVEAU 3

Exercice 3 — Arrangement

Parmi 12 coureurs, combien de podiums distincts peut-on obtenir ?

Trois coureurs sont choisis, mais les positions 1, 2 et 3 sont différentes.
NIVEAU PRÉPA

Exercice 4 — Contrainte

Combien de mots de 6 lettres peut-on former avec 6 lettres distinctes si deux lettres données doivent rester côte à côte ?

Regroupez d’abord les deux lettres imposées comme un seul bloc, puis pensez à leur ordre interne.
12. PROBLEM LAB

Mission : comité avec contraintes.

Mission CPGE

Une association compte 8 femmes et 7 hommes. On souhaite former un comité de 5 personnes.

Étudier successivement le nombre de comités :

  1. sans aucune contrainte ;
  2. comportant exactement 3 femmes ;
  3. comportant au moins une femme ;
  4. comportant au moins 2 hommes ;
  5. dans lequel deux personnes données ne peuvent pas siéger ensemble ;
  6. dans lequel une personne donnée doit obligatoirement être présente.
Pour « au moins une femme », utilisez le complémentaire : total moins comités composés uniquement d’hommes.
Pour chaque question, identifiez d’abord si l’ordre compte. Ici, un comité est un ensemble de personnes : l’ordre ne compte pas.
MZA COMBINATORICS LAB

Ne choisissez pas une formule avant d’avoir compris la situation.

La majorité des erreurs de dénombrement viennent d’un mauvais diagnostic : ordre, répétition, exclusion ou complémentaire.

AORDRE ?
BRÉPÉTITION ?
CTOUT OU PARTIE ?
DCONTRAINTE ?
ECOMPLÉMENT ?
FVÉRIFIER
13. QCM DE VALIDATION

Diagnostic Dénombrement CPGE.

Le score est affiché sans révéler les réponses correctes.

1. Le nombre de permutations de n objets distincts est :
2. Choisir p éléments parmi n sans tenir compte de l’ordre correspond à :
3. Dans un podium de 3 personnes :
4. La formule C(n,p)=C(n,n-p) exprime :
5. Pour compter « au moins un » événement favorable, il est souvent utile de :
6. Le principe multiplicatif s’applique lorsque :
C(n,p)

Le bon dénombrement commence avant le calcul.

Identifier si l’ordre compte, si les répétitions sont autorisées et si les cas doivent être additionnés ou multipliés permet de résoudre rapidement une grande partie des problèmes de combinatoire.

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