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Logique et Raisonnement · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

Relations d'équivalence et relations d'ordre

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

Soit $E$ un ensemble non vide. Une relation binaire $\mathcal{R}$ sur $E$ est une partie de $E \times E$. On note $x\mathcal{R}y$ pour $(x,y) \in \mathcal{R}$.

  1. Relation d'équivalence : $\mathcal{R}$ est une relation d'équivalence si elle est réflexive, symétrique et transitive.
    • Classe d'équivalence : $\bar{x} = {y \in E / x\mathcal{R}y}$.
    • Ensemble quotient : $E/\mathcal{R} = {\bar{x} / x \in E}$.
  2. Relation d'ordre : $\mathcal{R}$ est une relation d'ordre si elle est réflexive, antisymétrique et transitive.
    • Ordre total : $\forall x, y \in E, x\mathcal{R}y$ ou $y\mathcal{R}x$.

Méthodes à maîtriser

  • Prouver une équivalence : Vérifier les 3 propriétés (réflexivité, symétrie, transitivité).
  • Déterminer une classe : Résoudre l'équation $x\mathcal{R}y$ d'inconnue $y$ pour un $x$ fixé.
  • Prouver un ordre : Vérifier réflexivité, antisymétrie (souvent par $x\mathcal{R}y$ et $y\mathcal{R}x \implies x=y$) et transitivité.

Exemples corrigés

  • Sur $\mathbb{Z}$, la relation $x\mathcal{R}y \iff x \equiv y [n]$ est une relation d'équivalence. La classe de $x$ est $\bar{x} = {x + kn / k \in \mathbb{Z}}$.
  • Sur $\mathbb{R}$, la relation $\le$ est un ordre total.

Erreurs fréquentes

  • Confondre symétrie ($x\mathcal{R}y \implies y\mathcal{R}x$) et antisymétrie ($x\mathcal{R}y$ et $y\mathcal{R}x \implies x=y$).
  • Oublier de vérifier la réflexivité pour une relation d'ordre.
  • Penser que tout ordre est total (ex: l'inclusion $\subset$ sur les parties d'un ensemble n'est pas un ordre total).

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Relations d'équivalence et relations d'ordre

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Laquelle de ces relations est une relation d'ordre sur $\mathbb{R}$ ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce qu'une relation d'équivalence est toujours un ordre ?

Non, jamais. Une relation d'équivalence est symétrique, alors qu'une relation d'ordre est antisymétrique. Si une relation est à la fois d'équivalence et d'ordre, elle est nécessairement l'égalité ($x\mathcal{R}y \iff x=y$).

💡 À retenir : Les deux notions sont opposées sur la propriété de symétrie.

Kifach n7seb la classe d'équivalence dyal chi 3onsor?
  1. Fixe l'élément $x$ dont tu veux la classe.
  2. Écris la définition : $\bar{x} = {y \in E / x\mathcal{R}y}$.
  3. Remplace $\mathcal{R}$ par sa condition mathématique.
  4. Résous l'équation ou l'inéquation pour isoler $y$ en fonction de $x$.

💡 À retenir : La classe est l'ensemble de tous les $y$ qui "ressemblent" à $x$ selon la règle donnée.

C'est quoi la différence entre un élément maximal et le plus grand élément ?
  1. Un élément $m$ est maximal s'il n'existe aucun $x$ tel que $m < x$ (on ne peut pas aller plus haut).
  2. Un élément $M$ est le plus grand si pour tout $x$, $x \le M$ (il est au-dessus de tout le monde).

💡 À retenir : Le plus grand élément est toujours maximal, mais un élément maximal n'est pas forcément le plus grand (surtout si l'ordre n'est pas total).

Chno hiya l'antisymétrie exactement ?

C'est la propriété qui empêche deux éléments distincts d'être "liés" dans les deux sens. Si $x\mathcal{R}y$ et $y\mathcal{R}x$, alors obligatoirement $x=y$. Si tu trouves deux éléments différents $x \neq y$ tels que $x\mathcal{R}y$ et $y\mathcal{R}x$, alors la relation n'est pas antisymétrique.

💡 À retenir : L'antisymétrie est la clé pour prouver un ordre.

Est-ce qu'une relation peut ne pas être réflexive ?

Oui, tout à fait. Si une relation n'est pas réflexive, elle ne peut être ni une relation d'équivalence, ni une relation d'ordre. Par exemple, la relation $<$ sur $\mathbb{R}$ n'est pas réflexive car $x < x$ est faux.

💡 À retenir : La réflexivité est une condition nécessaire pour les deux types de relations étudiés.

Kifach nbiyen bli wahed l'ensemble quotient E/mathcal{R} 3ndo 3anasir m3roufin ?

Tu dois identifier les classes distinctes. Souvent, tu cherches un représentant pour chaque classe (par exemple, les restes de la division euclidienne). Si $E/\mathcal{R} = {\bar{0}, \bar{1}, \dots, \overline{n-1}}$, alors l'ensemble quotient contient exactement ces $n$ éléments.

💡 À retenir : Les classes d'équivalence forment une partition de $E$.

Peut-on avoir une relation d'ordre sans élément minimal ?

Oui. Par exemple, sur $\mathbb{Z}$ avec l'ordre usuel $\le$, il n'y a pas de plus petit élément car pour tout $n$, $n-1 < n$.

💡 À retenir : L'existence d'un élément minimal n'est pas garantie dans un ensemble ordonné.

Comment prouver la transitivité ?
  1. Suppose $x\mathcal{R}y$ et $y\mathcal{R}z$.
  2. Utilise les définitions pour écrire les conditions correspondantes.
  3. Combine ces conditions pour montrer que $x\mathcal{R}z$ est vérifiée.

💡 À retenir : La transitivité est souvent l'étape la plus longue mais la plus mécanique.

Est-ce que l'ordre total est obligatoire pour parler d'élément maximal ?

Non, on peut parler d'élément maximal dans n'importe quel ensemble ordonné. Cependant, dans un ordre total, s'il existe un élément maximal, c'est forcément le plus grand élément.

💡 À retenir : Dans un ordre total, maximal = plus grand.

Chno lfar9 bin l'ensemble quotient o l'ensemble E nit ?

$E$ est l'ensemble des éléments individuels. $E/\mathcal{R}$ est l'ensemble des "groupes" (classes). Chaque élément de $E/\mathcal{R}$ est lui-même un sous-ensemble de $E$.

💡 À retenir : $E/\mathcal{R}$ est un ensemble de sous-ensembles.

Si une relation est symétrique et transitive, est-elle réflexive ?

Pas forcément. Elle n'est réflexive que pour les éléments qui sont en relation avec au moins un autre élément. Si un élément est "isolé" (n'est en relation avec personne, pas même lui-même), la réflexivité échoue.

💡 À retenir : Il faut toujours vérifier la réflexivité séparément.

Pourquoi on demande souvent de montrer qu'une relation est d'ordre ?

Pour pouvoir comparer des éléments et chercher des bornes (max, min, sup, inf). C'est fondamental pour l'analyse et l'optimisation.

💡 À retenir : La structure d'ordre permet de donner un sens à la notion de "plus grand" ou "plus petit".

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit $\mathcal{R}$ la relation sur $\mathbb{R}^2$ définie par : $(x,y) \mathcal{R} (x',y') \iff x+y = x'+y'$.

  1. Montrer que $\mathcal{R}$ est une relation d'équivalence.
  2. Déterminer la classe d'équivalence de $(x,y)$.
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Exercice 2

Soit $E = \mathcal{P}({1,2})$. On définit la relation $\mathcal{R}$ sur $E$ par $A \mathcal{R} B \iff A \subset B$.

  1. Montrer que c'est une relation d'ordre.
  2. Est-ce un ordre total ?
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Exercice 3

Soit $f: E \to F$ une application. On définit sur $E$ la relation $\mathcal{R}$ par : $x \mathcal{R} y \iff f(x) = f(y)$.

  1. Montrer que $\mathcal{R}$ est une relation d'équivalence.
  2. Si $f$ est injective, que devient $\mathcal{R}$ ?
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