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Raisonnement logique · Prépa concours post-bac — CPGE (dossier & entretien)

Applications et fonctions

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

1. Définitions fondamentales

Une application $f$ d'un ensemble $E$ vers un ensemble $F$ est une relation qui, à chaque élément $x \in E$, associe un unique élément $y \in F$, noté $f(x)$.

  • Différence avec une fonction : Pour une application, le domaine de définition $D_f$ est égal à l'ensemble de départ $E$.

2. Injectivité, Surjectivité et Bijection

Soit $f: E \to F$ une application :

  • Injection : $f$ est injective si $\forall (x, x') \in E^2, f(x) = f(x') \implies x = x'$.
  • Surjection : $f$ est surjective si $\forall y \in F, \exists x \in E, f(x) = y$.
  • Bijection : $f$ est bijective si elle est à la fois injective et surjective. Cela signifie que chaque élément de $F$ possède un unique antécédent dans $E$.

3. Image directe et réciproque

Soit $A \subset E$ et $B \subset F$ :

  • Image directe : $f(A) = { f(x) \mid x \in A }$.
  • Image réciproque : $f^{-1}(B) = { x \in E \mid f(x) \in B }$.
  • Note : $f^{-1}(B)$ existe toujours, même si $f$ n'est pas bijective.

4. Composition et Réciproque

  • Composition : Si $f: E \to F$ et $g: F \to G$, alors $g \circ f: E \to G$ est définie par $(g \circ f)(x) = g(f(x))$.
  • Application réciproque : Si $f: E \to F$ est bijective, il existe une unique application $f^{-1}: F \to E$ telle que $f^{-1} \circ f = Id_E$ et $f \circ f^{-1} = Id_F$.

Méthodes à maîtriser

  • Montrer qu'une application est injective : Partir de $f(x)=f(x')$ et utiliser les calculs algébriques pour arriver à $x=x'$. On peut aussi utiliser la contraposée ($x \neq x' \implies f(x) \neq f(x')$).
  • Montrer qu'une application est surjective : Prendre un $y$ quelconque dans l'ensemble d'arrivée et résoudre l'équation $f(x)=y$ pour montrer qu'il existe au moins une solution $x$ dans l'ensemble de départ.
  • Déterminer $f^{-1}$ : Résoudre l'équation $y=f(x)$ en exprimant $x$ en fonction de $y$.
  • Montrer une égalité d'ensembles (ex: $f(A \cup B) = f(A) \cup f(B)$) : Utiliser la double inclusion ou les équivalences logiques.

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}, x \mapsto 2x+3$.
    • Injection : $2x+3 = 2x'+3 \implies 2x=2x' \implies x=x'$. (Vrai)
    • Surjection : $y=2x+3 \iff x = (y-3)/2$. Pour tout $y \in \mathbb{R}$, il existe $x \in \mathbb{R}$. (Vrai)
  • Exemple 2 : $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}, x \mapsto x^2$.
    • Non injective car $f(1)=f(-1)=1$.
    • Non surjective car $y=-1$ n'a pas d'antécédent dans $\mathbb{R}$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre la notation $f^{-1}$ de l'application réciproque (qui nécessite la bijectivité) avec l'image réciproque d'une partie $f^{-1}(B)$ (qui existe toujours).
  • Oublier de vérifier que l'antécédent trouvé lors de la preuve de surjectivité appartient bien à l'ensemble de départ $E$.
  • Affirmer que $f(A \cap B) = f(A) \cap f(B)$ (C'est faux en général, seule l'inclusion $\subset$ est vraie).
  • Confondre $g \circ f$ et $f \circ g$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Applications et fonctions

1/4

Soit $f: E \to F$. Quelle est la définition logique de l'injectivité ?

❓ Questions fréquentes

Quelle est la différence exacte entre une fonction et une application ?

Dans le programme marocain, la distinction est précise :

  1. Fonction : C'est une relation où chaque élément de l'ensemble de départ a au plus une image (0 ou 1). Son domaine de définition $D_f$ peut être un sous-ensemble de l'ensemble de départ.
  2. Application : C'est une fonction où chaque élément de l'ensemble de départ a exactement une image. Autrement dit, $D_f = E$.
  3. Toute application est une fonction, mais l'inverse n'est pas vrai.

💡 À retenir : Pour une application, on ne se pose pas la question du domaine de définition, il est déjà donné par l'ensemble de départ.

Kifach n-beyyen belli wa7ed l-application surjection?

Pour montrer qu'une application $f: E \to F$ est surjective, suis ces étapes :

  1. Prends un élément quelconque $y$ dans l'ensemble d'arrivée $F$.
  2. Cherche s'il existe un élément $x$ dans l'ensemble de départ $E$ tel que $f(x) = y$.
  3. Concrètement, tu résous l'équation $f(x) = y$ où l'inconnue est $x$.
  4. Si tu trouves au moins une solution $x$ qui appartient bien à $E$ pour n'importe quel $y$, alors $f$ est surjective.

💡 À retenir : Surjection veut dire que l'équation $f(x)=y$ a toujours au moins une solution dans $E$.

Est-ce que f^{-1}(B) existe si f n'est pas bijective ?

Oui, absolument. Il ne faut pas confondre deux notions :

  1. L'application réciproque $f^{-1}$ : Elle n'existe que si $f$ est bijective. C'est une fonction qui va de $F$ vers $E$.
  2. L'image réciproque d'une partie $B$ : Notée $f^{-1}(B)$, elle représente l'ensemble des éléments de $E$ dont l'image est dans $B$. Elle est définie pour n'importe quelle application, même si elle n'est pas injective ou surjective.

💡 À retenir : $f^{-1}(\text{ensemble})$ est un ensemble, alors que $f^{-1}(\text{élément})$ n'existe que pour les bijections.

Chno hiya l-farq bin f(A) u f^{-1}(B)?
  1. $f(A)$ (Image directe) : Tu as un morceau $A$ de l'ensemble de départ, et tu regardes où arrivent tous ses points dans l'ensemble de l'arrivée. C'est un sous-ensemble de $F$.
  2. $f^{-1}(B)$ (Image réciproque) : Tu as un morceau $B$ de l'ensemble d'arrivée, et tu cherches tous les points de départ qui "atterrissent" dans $B$. C'est un sous-ensemble de $E$.

💡 À retenir : $f(A) \subset \text{Arrivée}$ et $f^{-1}(B) \subset \text{Départ}$.

Comment prouver l'injectivité avec la contraposée ?

Parfois, manipuler $f(x)=f(x')$ est difficile. On utilise alors la contraposée de la définition :

  1. La définition est : $f(x)=f(x') \implies x=x'$.
  2. La contraposée est : $x \neq x' \implies f(x) \neq f(x')$.
  3. Tu supposes que tu as deux éléments différents $x$ et $x'$, et tu démontres par le calcul que leurs images ne peuvent pas être égales.

💡 À retenir : La contraposée est très utile pour les fonctions définies par morceaux ou avec des valeurs absolues.

Kifach n-7seb l-tarkib dyal juj d l-functions g circ f?

Pour calculer $(g \circ f)(x)$ :

  1. Tu commences par l'intérieur : calcule d'abord $f(x)$.
  2. Ensuite, tu prends ce résultat et tu l'utilises comme "entrée" pour la fonction $g$.
  3. Exemple : si $f(x) = x+1$ et $g(x) = x^2$, alors $(g \circ f)(x) = g(f(x)) = g(x+1) = (x+1)^2$.
  4. Attention : l'ordre est important ! En général, $g \circ f \neq f \circ g$.

💡 À retenir : $g \circ f$ se lit "$g$ rond $f$" et signifie "$g$ après $f$".

Si f et g sont injectives, est-ce que g circ f l'est aussi ?

Oui, la composition de deux injections est une injection.

  1. Supposons $(g \circ f)(x) = (g \circ f)(x')$.
  2. Cela signifie $g(f(x)) = g(f(x'))$.
  3. Comme $g$ est injective, on en déduit $f(x) = f(x')$.
  4. Comme $f$ est injective, on en déduit $x = x'$.
  5. La propriété est donc démontrée. C'est aussi vrai pour la surjectivité et la bijectivité.

💡 À retenir : La composition préserve l'injectivité, la surjectivité et la bijectivité.

Peut-on parler de f^{-1} pour une fonction de mathbb{R} vers mathbb{R} non monotone ?

Pas globalement. Pour qu'une application de $\mathbb{R}$ vers $\mathbb{R}$ soit bijective (et donc admette une réciproque), elle doit être strictement monotone (et continue, à vérifier par le professeur). Si une fonction n'est pas monotone, comme $f(x)=x^2$, elle n'est pas injective sur $\mathbb{R}$. On doit alors restreindre son domaine (ex: sur $\mathbb{R}^+$) pour pouvoir définir une réciproque (ici $\sqrt{x}$).

💡 À retenir : La bijectivité est la condition sine qua non pour l'existence de l'application réciproque.

Comment déterminer l'image directe d'un intervalle par une fonction continue ?

Pour une application continue $f$ sur un intervalle $I = [a, b]$ :

  1. Si $f$ est croissante, $f([a, b]) = [f(a), f(b)]$.
  2. Si $f$ est décroissante, $f([a, b]) = [f(b), f(a)]$.
  3. Si elle n'est pas monotone, l'image est l'intervalle $[m, M]$ où $m$ est le minimum et $M$ le maximum de $f$ sur $I$.

💡 À retenir : L'image d'un intervalle par une application continue est un intervalle.

Que signifie la notation IdE ?

$Id_E$ est l'application "Identité" de l'ensemble $E$.

  1. Elle est définie de $E$ vers $E$ par $Id_E(x) = x$ pour tout $x \in E$.
  2. Elle ne change rien à l'élément.
  3. Elle est fondamentale pour définir la réciproque : $f \circ f^{-1} = Id_F$ et $f^{-1} \circ f = Id_E$.

💡 À retenir : L'identité est l'élément neutre pour la composition des applications.

Est-ce que f(f^{-1}(B)) = B est toujours vrai ?

Non, ce n'est pas toujours vrai.

  1. On a toujours $f(f^{-1}(B)) \subset B$.
  2. L'égalité $f(f^{-1}(B)) = B$ est vraie si et seulement si $f$ est surjective (ou au moins si $B$ est inclus dans l'image de $f$).
  3. Par contre, $f^{-1}(f(A)) = A$ est vrai si et seulement si $f$ est injective.

💡 À retenir : Ces égalités dépendent des propriétés d'injectivité et de surjectivité de $f$.

Pourquoi étudie-t-on les applications en logique ?

En préparation aux concours (CPGE), les applications sont le langage de base des mathématiques. Elles permettent de :

  1. Comparer la taille des ensembles (dénombrement).
  2. Formaliser les transformations géométriques ou algébriques.
  3. Structurer le raisonnement (si on prouve qu'une relation est une bijection, on prouve l'existence et l'unicité d'une solution).

💡 À retenir : Maîtriser les applications, c'est maîtriser la structure des raisonnements mathématiques avancés.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit l'application $f: \mathbb{R} \setminus {1} \to \mathbb{R} \setminus {2}$ définie par : $$f(x) = \frac{2x+1}{x-1}$$

  1. Montrer que $f$ est injective.
  2. Montrer que $f$ est surjective.
  3. En déduire que $f$ est bijective et déterminer sa réciproque $f^{-1}$.
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Exercice 2

Soit $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ définie par $f(x) = x^2 - 4x + 3$.

  1. Déterminer l'image directe de l'intervalle $A = [0, 3]$.
  2. Déterminer l'image réciproque de l'ensemble $B = {0}$.
  3. $f$ est-elle injective ? Justifier.
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Exercice 3

Soit $f: \mathbb{R} \to ]-1, 1[$ l'application définie par : $$f(x) = \frac{x}{1+|x|}$$ Montrer que $f$ est une bijection et déterminer sa réciproque.

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