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Chapitre 3 — Les applications

Semestre 1

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Cours

Plan du chapitre. Activités préparatoires — 1. Image directe d’une partie — 2. Image réciproque d’une partie — 3. Égalité de deux applications — 4. Restriction et prolongement — 5. Application injective — 6. Application surjective — 7. Application bijective — 8. Bijection réciproque — 9. Composition des applications — Résumé.

Prérequis. Chapitre 02 (ensembles, inclusion, égalité par double inclusion) et chapitre 01 (quantificateurs, raisonnements). Les applications servent ensuite dans tout le programme (fonctions numériques, suites, barycentre, trigonométrie).

Activités préparatoires

Activité 1 — Qu’est-ce qu’une application ?

On pose E={1;2;3;4}E=\{1;2;3;4\} et F={a;b;c;d;e}F=\{a;b;c;d;e\}. Dans chaque cas, ff est une relation de EE vers FF (une flèche relie xx à l’élément qui lui est associé). Dire dans quel cas ff est une application, en justifiant.

Figure
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Cas 1 : l’élément 22 est associé à deux éléments (bb et cc) : ff n’est pas une application. Cas 2 : l’élément 33 n’est associé à aucun élément : ff n’est pas une application. Cas 3 : chaque élément de EE est associé à un et un seul élément de FF : ff est une application (peu importe que bb ait deux antécédents ou que cc et dd n’en aient pas).

Définition 1 : Application, image, antécédent

Soient EE et FF deux ensembles non vides.

  • Une application ff de EE vers FF est une relation qui associe à chaque élément xx de EE un unique élément yy de FF, noté y=f(x)y=f(x). On écrit f:E→F, x↦f(x)f:E\to F,\ x\mapsto f(x) ; EE est l’ensemble de départ, FF l’ensemble d’arrivée.
  • En langage logique : ff est une application de EE vers F  ⟺  (∀x∈E)(∃! y∈F)  y=f(x)F\iff(\forall x\in E)(\exists!\,y\in F)\ \ y=f(x).
  • Pour x∈Ex\in E, l’élément f(x)f(x) est l’image de xx par ff.
  • Pour y∈Fy\in F, tout x∈Ex\in E tel que f(x)=yf(x)=y est un antécédent de yy par ff ; un élément de FF peut avoir zéro, un ou plusieurs antécédents.

Activité 2 et 3 — Images et antécédents

On garde E={1;2;3;4}E=\{1;2;3;4\}, F={a;b;c;d;e}F=\{a;b;c;d;e\} et l’application f:E→Ff:E\to F représentée ci-dessous.

  1. Donner f(2)f(2), f(3)f(3), f(4)f(4) puis, pour A={1;3;4}A=\{1;3;4\}, l’ensemble {f(x) / x∈A}\{f(x)\ /\ x\in A\}.
  2. Donner l’ensemble des antécédents de aa, de bb et de cc. Pour C={a;b;c}C=\{a;b;c\}, donner l’ensemble des x∈Ex\in E tels que f(x)∈Cf(x)\in C.
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  1. f(2)=af(2)=a, f(3)=cf(3)=c, f(4)=ef(4)=e ; pour A={1;3;4}A=\{1;3;4\} : {f(1);f(3);f(4)}={c;e}\{f(1);f(3);f(4)\}=\{c;e\}. Cet ensemble s’appellera l’image directe de AA, notée f(A)f(A).
  2. Antécédents de aa : {2}\{2\} ; de bb : ∅\varnothing ; de cc : {1;3}\{1;3\}. Les xx tels que f(x)∈Cf(x)\in C forment {1;2;3}\{1;2;3\} : c’est l’image réciproque de CC, notée f−1(C)f^{-1}(C). On a bien : x∈f−1(C)  ⟺  f(x)∈Cx\in f^{-1}(C)\iff f(x)\in C.

Activité 4 — Au plus un antécédent

Avec E={1;2;3;4}E=\{1;2;3;4\} et F={a;b;c;d;e}F=\{a;b;c;d;e\} :

  1. Dans quelles situations ff est-elle une application de EE vers FF ?
  2. On note PP : « tout élément de FF a au plus un antécédent par ff ». Dans quelles situations (parmi les applications) PP est-elle vraie ?
  3. Écrire PP avec des quantificateurs.
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  1. Situations 1 et 2 (11 a deux images dans la situation 3).
  2. Situation 1 : aa a deux antécédents (11 et 33), PP est fausse. Situation 2 : chaque élément de FF a au plus un antécédent, PP est vraie.
  3. P: (∀(x;x′)∈E2)  (f(x)=f(x′)⟹x=x′)P:\ (\forall(x;x')\in E^2)\ \ \big(f(x)=f(x')\Longrightarrow x=x'\big).

Activité 5 — Au moins un antécédent

On pose E={1;2;3;4;5}E=\{1;2;3;4;5\}, F={a;b;c;d}F=\{a;b;c;d\} ; dans chaque situation ff est une application de EE vers FF. Soit PP : « tout élément de FF a au moins un antécédent par ff ». Dans quelles situations PP est-elle vraie ? Écrire PP avec des quantificateurs.

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PP est vraie dans les situations 1 et 3 ; elle est fausse dans la situation 2 (dd n’a aucun antécédent).  P: (∀y∈F)(∃x∈E)  y=f(x)\ P:\ (\forall y\in F)(\exists x\in E)\ \ y=f(x).

Activité 6 — Exactement un antécédent

Dans chaque situation, ff est une application de E={1;2;3;4}E=\{1;2;3;4\} vers FF (F={a;b;c;d}F=\{a;b;c;d\}, sauf dans la situation 3 où F={a;b;c;d;e}F=\{a;b;c;d;e\}). Soit PP : « tout élément de FF a exactement un antécédent par ff ». Dans quelles situations PP est-elle vraie ? Écrire PP avec des quantificateurs.

Figure
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PP est vraie dans les situations 1 et 4. Elle est fausse dans la situation 2 (aa a deux antécédents, bb aucun) et dans la situation 3 (ee n’a pas d’antécédent).  P: (∀y∈F)(∃! x∈E)  y=f(x)\ P:\ (\forall y\in F)(\exists!\,x\in E)\ \ y=f(x).

I. Image directe et image réciproque d’une partie

1. Image directe d’une partie

Définition 2 : Image directe

Soient f:E→Ff:E\to F une application et AA une partie de EE. L’image directe de AA par ff est la partie de FF : f(A)={f(x) / x∈A}.f(A)=\{f(x)\ /\ x\in A\}.

  • y∈f(A)  ⟺  (∃x∈A)  y=f(x)y\in f(A)\iff(\exists x\in A)\ \ y=f(x) ; en particulier : x∈A⟹f(x)∈f(A)x\in A\Longrightarrow f(x)\in f(A).
  • Pour une partie CC de FF :  f(A)⊂C  ⟺  (∀x∈A) f(x)∈C\ f(A)\subset C\iff(\forall x\in A)\ f(x)\in C ;  C⊂f(A)  ⟺  (∀y∈C)(∃x∈A) f(x)=y\ C\subset f(A)\iff(\forall y\in C)(\exists x\in A)\ f(x)=y.
  • Donc f(A)=C  ⟺  [(∀x∈A) f(x)∈C]f(A)=C\iff\big[(\forall x\in A)\ f(x)\in C\big] et [(∀y∈C)(∃x∈A) f(x)=y]\big[(\forall y\in C)(\exists x\in A)\ f(x)=y\big] (double inclusion).
  • On a toujours f(A)⊂f(E)⊂Ff(A)\subset f(E)\subset F.

Exemple 1

Soit f:R→R, x↦x2f:\R\to\R,\ x\mapsto x^2. Montrer que f({−3;−1;0;1;3})={0;1;9}f(\{-3;-1;0;1;3\})=\{0;1;9\}.

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f(−3)=f(3)=9f(-3)=f(3)=9, f(−1)=f(1)=1f(-1)=f(1)=1 et f(0)=0f(0)=0. Donc f({−3;−1;0;1;3})={9;1;0}={0;1;9}f(\{-3;-1;0;1;3\})=\{9;1;0\}=\{0;1;9\} (un élément n’est écrit qu’une fois).

Exemple 2

Soit f:R+→R, x↦(x−1)2+2f:\R_+\to\R,\ x\mapsto(\sqrt x-1)^2+2. Déterminer f([0;9])f([0;9]).

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Inclusion f([0;9])⊂[2;6]f([0;9])\subset[2;6]. Soit x∈[0;9]x\in[0;9]. Alors 0≤x≤30\le\sqrt x\le3, donc −1≤x−1≤2-1\le\sqrt x-1\le 2, d’où 0≤(x−1)2≤40\le(\sqrt x-1)^2\le4 (le carré d’un réel de [−1;2][-1;2] est dans [0;4][0;4]) et 2≤f(x)≤62\le f(x)\le 6.

Inclusion [2;6]⊂f([0;9])[2;6]\subset f([0;9]). Soit y∈[2;6]y\in[2;6]. Posons x=(1+y−2)2x=\big(1+\sqrt{y-2}\big)^2. Comme 0≤y−2≤20\le\sqrt{y-2}\le2, on a 1≤x=1+y−2≤31\le\sqrt x=1+\sqrt{y-2}\le3, donc x∈[1;9]⊂[0;9]x\in[1;9]\subset[0;9], et f(x)=(y−2)2+2=yf(x)=\big(\sqrt{y-2}\big)^2+2=y.

Conclusion : f([0;9])=[2;6]f([0;9])=[2;6].

Propriété

Soient f:E→Ff:E\to F une application et AA, BB deux parties de EE.

  • A=∅  ⟺  f(A)=∅A=\varnothing\iff f(A)=\varnothing ;
  • A⊂B⟹f(A)⊂f(B)A\subset B\Longrightarrow f(A)\subset f(B) ;
  • f(A∪B)=f(A)∪f(B)f(A\cup B)=f(A)\cup f(B) et f(A∩B)⊂f(A)∩f(B)f(A\cap B)\subset f(A)\cap f(B) (l’inclusion peut être stricte).

Démonstration : voir l’exercice 10 de la série du chapitre 03.

Remarque

L’inclusion f(A∩B)⊂f(A)∩f(B)f(A\cap B)\subset f(A)\cap f(B) peut être stricte : avec f(x)=x2f(x)=x^2, A={−2}A=\{-2\} et B={2}B=\{2\}, on a f(A∩B)=f(∅)=∅f(A\cap B)=f(\varnothing)=\varnothing alors que f(A)∩f(B)={4}f(A)\cap f(B)=\{4\}.

Exemple 3

Soit f:R→R, x↦1−3xf:\R\to\R,\ x\mapsto1-3x. Déterminer f([−2;−1]∪[0;1])f\big([-2;-1]\cup[0;1]\big).

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Soient x,x′∈Rx,x'\in\R : x≤x′  ⟺  −3x≥−3x′  ⟺  f(x)≥f(x′)x\le x'\iff-3x\ge-3x'\iff f(x)\ge f(x'). Pour x∈[−2;−1]x\in[-2;-1] : f(−1)≤f(x)≤f(−2)f(-1)\le f(x)\le f(-2), soit 4≤f(x)≤74\le f(x)\le 7 ; et tout y∈[4;7]y\in[4;7] est atteint par x=1−y3∈[−2;−1]x=\frac{1-y}{3}\in[-2;-1]. Donc f([−2;−1])=[4;7]f([-2;-1])=[4;7]. De même f([0;1])=[f(1);f(0)]=[−2;1]f([0;1])=[f(1);f(0)]=[-2;1]. Par la propriété : f([−2;−1]∪[0;1])=[−2;1]∪[4;7]f\big([-2;-1]\cup[0;1]\big)=[-2;1]\cup[4;7].

2. Image réciproque d’une partie

Définition 3 : Image réciproque

Soient f:E→Ff:E\to F une application et CC une partie de FF. L’image réciproque de CC par ff est la partie de EE : f−1(C)={x∈E / f(x)∈C};x∈f−1(C)  ⟺  f(x)∈C.f^{-1}(C)=\{x\in E\ /\ f(x)\in C\}\qquad;\qquad x\in f^{-1}(C)\iff f(x)\in C. Pour une partie AA de EE :  f−1(C)=A  ⟺  (∀x∈E) (f(x)∈C  ⟺  x∈A)\ f^{-1}(C)=A\iff(\forall x\in E)\ \big(f(x)\in C\iff x\in A\big).

Attention

La notation f−1(C)f^{-1}(C) a un sens pour toute application ff (même non bijective) : c’est l’ensemble des antécédents des éléments de CC. Elle ne suppose pas l’existence d’une bijection réciproque (partie III, paragraphe 4).

Exemple 4

Soit f:R→R, x↦x2f:\R\to\R,\ x\mapsto x^2. Déterminer f−1({0;9;16;5;−4})f^{-1}(\{0;9;16;5;-4\}).

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x2=0  ⟺  x=0x^2=0\iff x=0 ; x2=9  ⟺  x∈{−3;3}x^2=9\iff x\in\{-3;3\} ; x2=16  ⟺  x∈{−4;4}x^2=16\iff x\in\{-4;4\} ; x2=5  ⟺  x∈{−5;5}x^2=5\iff x\in\{-\sqrt5;\sqrt5\} ; x2=−4x^2=-4 n’a pas de solution réelle. Donc f−1({0;9;16;5;−4})={−4;−3;−5;0;5;3;4}f^{-1}(\{0;9;16;5;-4\})=\{-4;-3;-\sqrt5;0;\sqrt5;3;4\}.

Propriété

Soient f:E→Ff:E\to F une application et CC, DD deux parties de FF.

  • f−1(F)=Ef^{-1}(F)=E ;  f−1(∅)=∅\ f^{-1}(\varnothing)=\varnothing ;
  • C⊂D⟹f−1(C)⊂f−1(D)C\subset D\Longrightarrow f^{-1}(C)\subset f^{-1}(D) ;
  • f−1(C∪D)=f−1(C)∪f−1(D)f^{-1}(C\cup D)=f^{-1}(C)\cup f^{-1}(D) et f−1(C∩D)=f−1(C)∩f−1(D)f^{-1}(C\cap D)=f^{-1}(C)\cap f^{-1}(D).

Démonstration : voir l’exercice 10 de la série du chapitre 03. Attention : f−1(C)=∅f^{-1}(C)=\varnothing n’entraîne pas C=∅C=\varnothing (exemple 4 : f−1({−4})=∅f^{-1}(\{-4\})=\varnothing).

Exemple 5

Soit f:R→R, x↦x2−4xf:\R\to\R,\ x\mapsto x^2-4x.

  1. Déterminer f−1([−4;0])f^{-1}([-4;0]) et f−1([5;+∞[)f^{-1}([5;+\infty[).
  2. Déterminer f−1([−4;0]∩[5;+∞[)f^{-1}\big([-4;0]\cap[5;+\infty[\big) et vérifier la propriété sur l’intersection.
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  1. x∈f−1([−4;0])  ⟺  −4≤x2−4x≤0x\in f^{-1}([-4;0])\iff-4\le x^2-4x\le0. L’inégalité x2−4x≥−4x^2-4x\ge-4 équivaut à (x−2)2≥0(x-2)^2\ge0, toujours vraie ; et x2−4x=x(x−4)≤0  ⟺  0≤x≤4x^2-4x=x(x-4)\le0\iff0\le x\le4. Donc f−1([−4;0])=[0;4]f^{-1}([-4;0])=[0;4]. x∈f−1([5;+∞[)  ⟺  x2−4x−5≥0  ⟺  (x−5)(x+1)≥0  ⟺  x≤−1x\in f^{-1}([5;+\infty[)\iff x^2-4x-5\ge0\iff(x-5)(x+1)\ge0\iff x\le-1 ou x≥5x\ge5. Donc f−1([5;+∞[)= ]−∞;−1]∪[5;+∞[f^{-1}([5;+\infty[)=\,]-\infty;-1]\cup[5;+\infty[.
  2. [−4;0]∩[5;+∞[=∅[-4;0]\cap[5;+\infty[=\varnothing, donc f−1(∅)=∅f^{-1}(\varnothing)=\varnothing ; et [0;4]∩(]−∞;−1]∪[5;+∞[)=∅[0;4]\cap\big(]-\infty;-1]\cup[5;+\infty[\big)=\varnothing : les deux membres sont égaux.

II. Égalité, restriction et prolongement

1. Égalité de deux applications

Définition 4 : Applications égales

Deux applications f:E→Ff:E\to F et g:E′→F′g:E'\to F' sont égales (f=gf=g) si elles ont le même ensemble de départ, le même ensemble d’arrivée et les mêmes images : f=g  ⟺  {E=E′  et  F=F′,(∀x∈E)  f(x)=g(x).f=g\iff\begin{cases}E=E'\ \text{ et }\ F=F',\\(\forall x\in E)\ \ f(x)=g(x).\end{cases}

Exemple 6

Montrer que les applications f:]−π2;π2[→R, x↦cos⁡4x−sin⁡4xf:\left]-\frac\pi2;\frac\pi2\right[\to\R,\ x\mapsto\cos^4x-\sin^4x et g:]−π2;π2[→R, x↦1−tan⁡2x1+tan⁡2xg:\left]-\frac\pi2;\frac\pi2\right[\to\R,\ x\mapsto\dfrac{1-\tan^2x}{1+\tan^2x} sont égales.

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Elles ont le même départ et la même arrivée. Soit x∈]−π2;π2[x\in\left]-\frac\pi2;\frac\pi2\right[ ; alors cos⁡x≠0\cos x\neq0. f(x)=(cos⁡2x−sin⁡2x)(cos⁡2x+sin⁡2x)=cos⁡2x−sin⁡2xf(x)=(\cos^2x-\sin^2x)(\cos^2x+\sin^2x)=\cos^2x-\sin^2x. g(x)=1−sin⁡2xcos⁡2x1+sin⁡2xcos⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2xcos⁡2x+sin⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2xg(x)=\dfrac{1-\frac{\sin^2x}{\cos^2x}}{1+\frac{\sin^2x}{\cos^2x}}=\dfrac{\cos^2x-\sin^2x}{\cos^2x+\sin^2x}=\cos^2x-\sin^2x. Donc f=gf=g.

2. Restriction et prolongement

Définition 5 : Restriction

Soient f:E→Ff:E\to F une application et AA une partie de EE. La restriction de ff à AA est l’application g:A→F, x↦f(x)g:A\to F,\ x\mapsto f(x) ; on la note parfois f∣Af_{|A}. Ainsi g:A→Fg:A\to F est la restriction de ff à A  ⟺  A⊂EA\iff A\subset E et (∀x∈A) g(x)=f(x)(\forall x\in A)\ g(x)=f(x).

Exemple 7

Soit f:R→R, x↦3x+∣x−1∣f:\R\to\R,\ x\mapsto3x+|x-1|. Déterminer l’expression de la restriction gg de ff à ]−∞;1]]-\infty;1].

Voir la solution

Pour x≤1x\le1, x−1≤0x-1\le0 donc ∣x−1∣=1−x|x-1|=1-x et g(x)=3x+1−x=2x+1g(x)=3x+1-x=2x+1. Ainsi g: ]−∞;1]→R, x↦2x+1g:\,]-\infty;1]\to\R,\ x\mapsto2x+1.

Définition 6 : Prolongement

Soient f:E→Ff:E\to F une application et GG un ensemble tel que E⊂GE\subset G. Un prolongement de ff à GG est une application h:G→Fh:G\to F telle que (∀x∈E) h(x)=f(x)(\forall x\in E)\ h(x)=f(x) ; autrement dit, ff est la restriction de hh à EE.

Exemple 8

Soit f:R∗→R, x↦x3−2xxf:\R^*\to\R,\ x\mapsto\dfrac{x^3-2x}{x}. Déterminer un prolongement de ff à R\R.

Voir la solution

Pour x≠0x\neq0 : f(x)=x2−2f(x)=x^2-2. L’application h:R→R, x↦x2−2h:\R\to\R,\ x\mapsto x^2-2 vérifie h(x)=f(x)h(x)=f(x) pour tout x∈R∗x\in\R^* : c’est un prolongement de ff à R\R. Il n’est pas unique : toute application qui coïncide avec ff sur R∗\R^* et prend une valeur quelconque en 00 convient ; celui-ci est le plus « naturel ».

III. Applications injectives, surjectives, bijectives

1. Application injective

Définition 7 : Injection

Une application f:E→Ff:E\to F est injective (on dit aussi que ff est une injection) si tout élément de FF admet au plus un antécédent par ff : f injective  ⟺  (∀(x;x′)∈E2)  (f(x)=f(x′)⟹x=x′).f\text{ injective}\iff(\forall(x;x')\in E^2)\ \ \big(f(x)=f(x')\Longrightarrow x=x'\big). Par contraposée, cela équivaut à : (∀(x;x′)∈E2)  x≠x′⟹f(x)≠f(x′)(\forall(x;x')\in E^2)\ \ x\neq x'\Longrightarrow f(x)\neq f(x'). Par négation : f non injective  ⟺  (∃(x;x′)∈E2)  f(x)=f(x′)  et  x≠x′.f\text{ non injective}\iff(\exists(x;x')\in E^2)\ \ f(x)=f(x')\ \text{ et }\ x\neq x'.

Méthode

Pour montrer que ff est injective, on fixe x,x′∈Ex,x'\in E tels que f(x)=f(x′)f(x)=f(x') et on démontre x=x′x=x'. Pour montrer qu’elle ne l’est pas, on exhibe deux éléments distincts de même image.

Exemple 9

Soit f:[−2;+∞[→R, x↦x2+4x−1f:[-2;+\infty[\to\R,\ x\mapsto x^2+4x-1. Montrer que ff est injective.

Voir la solution

Soient x,x′∈[−2;+∞[x,x'\in[-2;+\infty[ tels que f(x)=f(x′)f(x)=f(x'). Alors x2−x′2+4(x−x′)=0x^2-x'^2+4(x-x')=0, soit (x−x′)(x+x′+4)=0(x-x')(x+x'+4)=0. Or x≥−2x\ge-2 et x′≥−2x'\ge-2 donnent x+x′+4≥0x+x'+4\ge0, avec égalité seulement si x=x′=−2x=x'=-2. Dans tous les cas x=x′x=x' : ff est injective.

Exemple 10

  1. Soit f:R∗→R, x↦3−4x2f:\R^*\to\R,\ x\mapsto3-\dfrac{4}{x^2}. a. Déterminer f−1({2})f^{-1}(\{2\}). b. En déduire que ff n’est pas injective.
  2. Soit gg la restriction de ff à ]0;+∞[]0;+\infty[. Montrer que gg est injective.
Voir la solution
  1. a. Pour x∈R∗x\in\R^* : f(x)=2  ⟺  4x2=1  ⟺  x2=4  ⟺  x∈{−2;2}f(x)=2\iff\dfrac4{x^2}=1\iff x^2=4\iff x\in\{-2;2\}. Donc f−1({2})={−2;2}f^{-1}(\{2\})=\{-2;2\}. b. f(−2)=f(2)f(-2)=f(2) avec −2≠2-2\neq2 : ff n’est pas injective.
  2. Soient x,x′>0x,x'>0 tels que g(x)=g(x′)g(x)=g(x') : 4x2=4x′2\dfrac4{x^2}=\dfrac4{x'^2}, donc x2=x′2x^2=x'^2, puis x=x′x=x' car xx et x′x' sont positifs. gg est injective.

2. Application surjective

Définition 8 : Surjection

Une application f:E→Ff:E\to F est surjective (ou est une surjection) si tout élément de FF admet au moins un antécédent par ff : f surjective  ⟺  (∀y∈F)(∃x∈E)  y=f(x)  ⟺  f(E)=F.f\text{ surjective}\iff(\forall y\in F)(\exists x\in E)\ \ y=f(x)\iff f(E)=F. Par négation : ff n’est pas surjective   ⟺  \iff il existe y∈Fy\in F sans antécédent   ⟺  f(E)≠F\iff f(E)\neq F.

Méthode

Pour montrer que ff est surjective, on fixe y∈Fy\in F, on résout l’équation f(x)=yf(x)=y et on vérifie que la solution trouvée appartient à EE.

Exemple 11

Montrer que l’application f: ]2;+∞[ → ]1;+∞[, x↦x+1x−2f:\,]2;+\infty[\,\to\,]1;+\infty[,\ x\mapsto\dfrac{x+1}{x-2} est surjective.

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ff est bien à valeurs dans ]1;+∞[]1;+\infty[ : pour x>2x>2, f(x)=1+3x−2>1f(x)=1+\dfrac{3}{x-2}>1. Soit y∈ ]1;+∞[y\in\,]1;+\infty[. Pour x>2x>2 : f(x)=y  ⟺  x+1=y(x−2)  ⟺  x(y−1)=2y+1  ⟺  x=2y+1y−1f(x)=y\iff x+1=y(x-2)\iff x(y-1)=2y+1\iff x=\dfrac{2y+1}{y-1} (car y≠1y\neq1). Ce réel convient : x−2=3y−1>0x-2=\dfrac{3}{y-1}>0, donc x∈ ]2;+∞[x\in\,]2;+\infty[ et f(x)=yf(x)=y. Ainsi ff est surjective.

Exemple 12

  1. On reprend l’application gg de l’exemple 10 (g: ]0;+∞[ →R, x↦3−4x2g:\,]0;+\infty[\,\to\R,\ x\mapsto3-\frac4{x^2}). a. Résoudre dans ]0;+∞[]0;+\infty[ l’équation g(x)=3g(x)=3. b. En déduire que gg n’est pas surjective.
  2. Montrer que l’application h: ]0;+∞[ → ]−∞;3[, x↦3−4x2h:\,]0;+\infty[\,\to\,]-\infty;3[,\ x\mapsto3-\dfrac4{x^2} est surjective.
Voir la solution
  1. a. g(x)=3  ⟺  4x2=0g(x)=3\iff\dfrac4{x^2}=0, ce qui est impossible : l’ensemble des solutions est vide. b. Le réel 33 de l’ensemble d’arrivée R\R n’a pas d’antécédent : gg n’est pas surjective.
  2. Pour x>0x>0, 4x2>0\frac4{x^2}>0 donc h(x)<3h(x)<3 : hh est bien à valeurs dans ]−∞;3[]-\infty;3[. Soit y<3y<3. Pour x>0x>0 : h(x)=y  ⟺  x2=43−y  ⟺  x=23−yh(x)=y\iff x^2=\dfrac{4}{3-y}\iff x=\dfrac{2}{\sqrt{3-y}} (car 3−y>03-y>0 et x>0x>0). Ce réel est dans ]0;+∞[]0;+\infty[ : hh est surjective.

Remarque

Les applications gg et hh ont la même expression mais pas le même ensemble d’arrivée : elles ne sont pas égales, et la surjectivité dépend de l’ensemble d’arrivée.

3. Application bijective

Définition 9 : Bijection

Une application f:E→Ff:E\to F est bijective (ou est une bijection) si tout élément de FF admet exactement un antécédent par ff : f bijective  ⟺  (∀y∈F)(∃! x∈E)  y=f(x)  ⟺  f est injective et surjective.f\text{ bijective}\iff(\forall y\in F)(\exists!\,x\in E)\ \ y=f(x)\iff f\text{ est injective et surjective}. Par négation : ff n’est pas bijective   ⟺  \iff ff n’est pas injective ou n’est pas surjective.

Exemple 13

Montrer que l’application f:R+→[−2;1[, x↦x2−4x2+2f:\R_+\to[-2;1[,\ x\mapsto\dfrac{x^2-4}{x^2+2} est bijective.

Voir la solution

Valeurs. Pour x≥0x\ge0 : f(x)=1−6x2+2f(x)=1-\dfrac{6}{x^2+2} ; comme x2+2≥2x^2+2\ge2, on a 0<6x2+2≤30<\dfrac6{x^2+2}\le3, donc −2≤f(x)<1-2\le f(x)<1. Existence et unicité de l’antécédent. Soit y∈[−2;1[y\in[-2;1[. Pour x≥0x\ge0 : f(x)=y  ⟺  x2−4=y(x2+2)  ⟺  x2(1−y)=2y+4  ⟺  x2=2y+41−y  ⟺  x=2y+41−y,f(x)=y\iff x^2-4=y(x^2+2)\iff x^2(1-y)=2y+4\iff x^2=\frac{2y+4}{1-y}\iff x=\sqrt{\frac{2y+4}{1-y}}, la dernière équivalence venant de x≥0x\ge0 et de 2y+41−y≥0\frac{2y+4}{1-y}\ge0 (car 2y+4≥02y+4\ge0 et 1−y>01-y>0). Chaque y∈[−2;1[y\in[-2;1[ a donc exactement un antécédent dans R+\R_+ : ff est bijective.

4. Bijection réciproque

Définition 10 : Bijection réciproque

Soit f:E→Ff:E\to F une bijection. L’application qui à chaque y∈Fy\in F associe son unique antécédent par ff est une application de FF vers EE appelée bijection réciproque de ff, notée f−1:F→Ef^{-1}:F\to E. Elle est caractérisée par : {y=f(x)x∈E  ⟺  {x=f−1(y)y∈F\begin{cases}y=f(x)\\x\in E\end{cases}\iff\begin{cases}x=f^{-1}(y)\\y\in F\end{cases}

Méthode

Pour déterminer f−1f^{-1} : on fixe y∈Fy\in F, on résout l’équation f(x)=yf(x)=y d’inconnue x∈Ex\in E ; son unique solution est f−1(y)f^{-1}(y).

Exemple 14

Déterminer la bijection réciproque de l’application ff de l’exemple 13.

Voir la solution

D’après la résolution de l’exemple 13 : f−1:[−2;1[ →R+, y↦2y+41−yf^{-1}:[-2;1[\,\to\R_+,\ y\mapsto\sqrt{\dfrac{2y+4}{1-y}}. Vérification : f−1(−2)=0f^{-1}(-2)=0 et f(0)=−2f(0)=-2.

IV. Composition des applications

Définition 11 : Composée

Soient f:E→Ff:E\to F et g:F→Gg:F\to G deux applications. L’application h:E→Gh:E\to G définie par h(x)=g(f(x))h(x)=g\big(f(x)\big) est la composée de ff suivie de gg ; on la note g∘fg\circ f (« gg rond ff ») : on applique d’abord ff, puis gg. g∘f:E→Get(∀x∈E)  (g∘f)(x)=g(f(x)).g\circ f:E\to G\qquad\text{et}\qquad(\forall x\in E)\ \ (g\circ f)(x)=g\big(f(x)\big).

Exemple 15

On considère f:R→R+, x↦x2+1f:\R\to\R_+,\ x\mapsto x^2+1 et g:R+→R, x↦2x−1g:\R_+\to\R,\ x\mapsto2\sqrt x-1. Déterminer les expressions de g∘fg\circ f, f∘gf\circ g et f∘ff\circ f.

Voir la solution
  • g∘f:R→Rg\circ f:\R\to\R : (g∘f)(x)=g(x2+1)=2x2+1−1(g\circ f)(x)=g(x^2+1)=2\sqrt{x^2+1}-1.
  • f∘g:R+→R+f\circ g:\R_+\to\R_+ : (f∘g)(x)=(2x−1)2+1=4x−4x+2(f\circ g)(x)=(2\sqrt x-1)^2+1=4x-4\sqrt x+2.
  • f∘f:R→R+f\circ f:\R\to\R_+ (l’arrivée R+\R_+ de ff est contenue dans son départ R\R) : (f∘f)(x)=(x2+1)2+1=x4+2x2+2(f\circ f)(x)=(x^2+1)^2+1=x^4+2x^2+2.

On constate que g∘f≠f∘gg\circ f\neq f\circ g (ni même ensemble de départ, ni même expression).

Remarque

  • La composition n’est pas commutative en général : g∘f≠f∘gg\circ f\neq f\circ g.
  • Elle est associative : si h:D→Eh:D\to E, f:E→Ff:E\to F, g:F→Gg:F\to G, alors (g∘f)∘h=g∘(f∘h)(g\circ f)\circ h=g\circ(f\circ h), que l’on note g∘f∘hg\circ f\circ h.
  • L’identité de EE est IdE:E→E, x↦x\mathrm{Id}_E:E\to E,\ x\mapsto x ; pour toute f:E→Ff:E\to F, f∘IdE=ff\circ\mathrm{Id}_E=f et IdF∘f=f\mathrm{Id}_F\circ f=f.

Propriété

Soient f:E→Ff:E\to F et g:F→Gg:F\to G deux applications.

  • Si ff et gg sont injectives, alors g∘fg\circ f est injective.
  • Si ff et gg sont surjectives, alors g∘fg\circ f est surjective.
  • Si ff et gg sont bijectives, alors g∘fg\circ f est bijective et (g∘f)−1=f−1∘g−1(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}.
  • Si ff est bijective : (∀y∈F) (f∘f−1)(y)=y(\forall y\in F)\ (f\circ f^{-1})(y)=y et (∀x∈E) (f−1∘f)(x)=x(\forall x\in E)\ (f^{-1}\circ f)(x)=x, c’est-à-dire f∘f−1=IdFf\circ f^{-1}=\mathrm{Id}_F et f−1∘f=IdEf^{-1}\circ f=\mathrm{Id}_E.
Voir la solution

Démonstration. Injectivité. Soient x,x′∈Ex,x'\in E tels que g(f(x))=g(f(x′))g(f(x))=g(f(x')). Comme gg est injective, f(x)=f(x′)f(x)=f(x') ; comme ff est injective, x=x′x=x'. Surjectivité. Soit z∈Gz\in G. gg étant surjective, il existe y∈Fy\in F tel que g(y)=zg(y)=z ; ff étant surjective, il existe x∈Ex\in E tel que f(x)=yf(x)=y. Alors (g∘f)(x)=z(g\circ f)(x)=z. Bijectivité. Elle découle des deux points précédents. Soit z∈Gz\in G et x=f−1(g−1(z))x=f^{-1}(g^{-1}(z)) : alors g(f(x))=g(g−1(z))=zg(f(x))=g(g^{-1}(z))=z, donc xx est l’unique antécédent de zz par g∘fg\circ f, c’est-à-dire (g∘f)−1(z)=(f−1∘g−1)(z)(g\circ f)^{-1}(z)=(f^{-1}\circ g^{-1})(z). Identités. Pour y∈Fy\in F, f−1(y)f^{-1}(y) est un antécédent de yy, donc f(f−1(y))=yf(f^{-1}(y))=y. Pour x∈Ex\in E, xx est l’antécédent de f(x)f(x), donc f−1(f(x))=xf^{-1}(f(x))=x.

Application 1 : décomposer une application

Soit u:R→R, x↦2x+3u:\R\to\R,\ x\mapsto2x+3 et v:R→R, x↦x3v:\R\to\R,\ x\mapsto x^3. On pose w=v∘uw=v\circ u.

  1. Montrer que uu est bijective et déterminer u−1u^{-1}.
  2. Montrer que w(x)=(2x+3)3w(x)=(2x+3)^3 et que ww est injective.
Voir la solution
  1. Soit y∈Ry\in\R : 2x+3=y  ⟺  x=y−322x+3=y\iff x=\frac{y-3}{2}, unique solution réelle. Donc uu est bijective et u−1(y)=y−32u^{-1}(y)=\frac{y-3}{2}.
  2. w(x)=v(u(x))=(2x+3)3w(x)=v(u(x))=(2x+3)^3. vv est injective : si a3=b3a^3=b^3, alors (a−b)(a2+ab+b2)=0(a-b)(a^2+ab+b^2)=0 et a2+ab+b2=(a+b2)2+34b2a^2+ab+b^2=\left(a+\frac b2\right)^2+\frac34b^2 ne s’annule que pour a=b=0a=b=0 ; donc a=ba=b. uu et vv étant injectives, w=v∘uw=v\circ u est injective.

Résumé : les applications

NotionDéfinition / caractérisationMéthode
Application f:E→Ff:E\to F(∀x∈E)(∃! y∈F) y=f(x)(\forall x\in E)(\exists!\,y\in F)\ y=f(x)chaque xx a une et une seule image
Image directey∈f(A)  ⟺  (∃x∈A) y=f(x)y\in f(A)\iff(\exists x\in A)\ y=f(x)double inclusion
Image réciproquex∈f−1(C)  ⟺  f(x)∈Cx\in f^{-1}(C)\iff f(x)\in Crésoudre f(x)∈Cf(x)\in C
Injectivef(x)=f(x′)⇒x=x′f(x)=f(x')\Rightarrow x=x'au plus un antécédent
Surjective(∀y∈F)(∃x∈E) y=f(x)(\forall y\in F)(\exists x\in E)\ y=f(x), i.e. f(E)=Ff(E)=Frésoudre f(x)=yf(x)=y et vérifier x∈Ex\in E
Bijective(∀y∈F)(∃! x∈E) y=f(x)(\forall y\in F)(\exists!\,x\in E)\ y=f(x)injective et surjective
Réciproquey=f(x), x∈E  ⟺  x=f−1(y), y∈Fy=f(x),\,x\in E\iff x=f^{-1}(y),\,y\in Ff∘f−1=IdFf\circ f^{-1}=\mathrm{Id}_F, f−1∘f=IdEf^{-1}\circ f=\mathrm{Id}_E
Composée(g∘f)(x)=g(f(x))(g\circ f)(x)=g(f(x))(g∘f)−1=f−1∘g−1(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}

Série d’exercices

Remarque — méthodes utilisées

  • Injectivité : on suppose f(x)=f(x′)f(x)=f(x') et on démontre x=x′x=x' ; pour la nier, on exhibe x≠x′x\neq x' de même image.
  • Surjectivité : on fixe yy dans l’ensemble d’arrivée, on résout f(x)=yf(x)=y et on vérifie que la solution appartient à l’ensemble de départ. Si l’équation a exactement une solution dans le départ pour tout yy, ff est bijective et cette solution est f−1(y)f^{-1}(y).
  • Images : f(A)=Cf(A)=C se montre par double inclusion ; x∈f−1(C)  ⟺  f(x)∈Cx\in f^{-1}(C)\iff f(x)\in C.
  • Les résultats des exercices 10 à 14 ont été contrôlés par programme (test exhaustif sur de petits ensembles), et tous les calculs par sympy.

Consignes. Sauf mention contraire, EE, FF et GG désignent des ensembles non vides. Pour une partie AA de EE, on note A‾=E∖A\overline{A}=E\setminus A et A Δ B=(A∖B)∪(B∖A)A\,\Delta\,B=(A\setminus B)\cup(B\setminus A). Toute réponse doit être justifiée ; le symbole   ⟺  \iff n’est employé que si chaque étape est réversible. Difficulté : de ★\bigstar à ★★★★★\bigstar\bigstar\bigstar\bigstar\bigstar ; les exercices 10 à 13 sont des classiques à connaître, les exercices 16 à 18 sont de haut niveau.

Exercice 1 — Bijection, réciproque Facile ★☆☆☆☆

On considère l’application f: ]2;+∞[ → ]3;+∞[f:\,]2;+\infty[\,\to\,]3;+\infty[ définie par f(x)=3xx−2f(x)=\dfrac{3x}{x-2}.

  1. Montrer que ff est injective.
  2. Montrer que ff est surjective.
  3. En déduire que ff est bijective, puis déterminer sa bijection réciproque f−1f^{-1}.
Voir la solution

ff est à valeurs dans ]3;+∞[]3;+\infty[ : pour x>2x>2, f(x)=3+6x−2>3f(x)=3+\dfrac{6}{x-2}>3.

1) Soient x,x′>2x,x'>2 tels que f(x)=f(x′)f(x)=f(x'). Alors 3x(x′−2)=3x′(x−2)3x(x'-2)=3x'(x-2), soit −6x=−6x′-6x=-6x', donc x=x′x=x' : ff est injective.

2) Soit y>3y>3. Pour x>2x>2 : f(x)=y  ⟺  3x=y(x−2)  ⟺  x(y−3)=2y  ⟺  x=2yy−3f(x)=y\iff3x=y(x-2)\iff x(y-3)=2y\iff x=\dfrac{2y}{y-3} (car y≠3y\neq3). Ce réel vérifie x−2=6y−3>0x-2=\dfrac{6}{y-3}>0, donc x∈ ]2;+∞[x\in\,]2;+\infty[ : ff est surjective.

3) ff est injective et surjective, donc bijective, et d’après 2) :  f−1: ]3;+∞[ → ]2;+∞[,  y↦2yy−3\ f^{-1}:\,]3;+\infty[\,\to\,]2;+\infty[,\ \ y\mapsto\dfrac{2y}{y-3}.

Exercice 2 — Image réciproque, image directe Facile ★★☆☆☆

On considère l’application f:R+→Rf:\R_+\to\R définie par f(x)=3x−2x+1f(x)=\dfrac{3\sqrt x-2}{\sqrt x+1}.

  1. a. Déterminer f−1({3;1})f^{-1}(\{3;1\}). b. L’application ff est-elle surjective ? Justifier.
  2. Montrer que f(R+)=[−2;3[f(\R_+)=[-2;3[.
  3. Soit g:R+→[−2;3[g:\R_+\to[-2;3[ l’application définie par g(x)=f(x)g(x)=f(x). a. Montrer que gg est injective. b. En déduire que gg est bijective, puis déterminer g−1g^{-1}.
Voir la solution

Pour x≥0x\ge0, x+1≥1>0\sqrt x+1\ge1>0 : ff est bien définie sur R+\R_+, et f(x)=3−5x+1f(x)=3-\dfrac{5}{\sqrt x+1}.

1.a) Pour x≥0x\ge0 : f(x)=3  ⟺  3x−2=3x+3  ⟺  −2=3f(x)=3\iff3\sqrt x-2=3\sqrt x+3\iff-2=3 : impossible. f(x)=1  ⟺  3x−2=x+1  ⟺  x=32  ⟺  x=94f(x)=1\iff3\sqrt x-2=\sqrt x+1\iff\sqrt x=\frac32\iff x=\frac94. Donc f−1({3;1})={94}f^{-1}(\{3;1\})=\left\{\frac94\right\}.

1.b) Le réel 33 de l’ensemble d’arrivée R\R n’a pas d’antécédent : ff n’est pas surjective.

2) f(R+)⊂[−2;3[f(\R_+)\subset[-2;3[ : pour x≥0x\ge0, x+1≥1\sqrt x+1\ge1, donc 0<5x+1≤50<\dfrac5{\sqrt x+1}\le5 et −2≤f(x)<3-2\le f(x)<3. [−2;3[ ⊂f(R+)[-2;3[\,\subset f(\R_+) : soit y∈[−2;3[y\in[-2;3[. Pour x≥0x\ge0 : f(x)=y  ⟺  3x−2=yx+y  ⟺  x (3−y)=y+2  ⟺  x=y+23−y  ⟺  x=(y+23−y)2,f(x)=y\iff3\sqrt x-2=y\sqrt x+y\iff\sqrt x\,(3-y)=y+2\iff\sqrt x=\frac{y+2}{3-y}\iff x=\left(\frac{y+2}{3-y}\right)^2, car 3−y>03-y>0 et y+23−y≥0\frac{y+2}{3-y}\ge0. Ce réel est dans R+\R_+. Donc f(R+)=[−2;3[f(\R_+)=[-2;3[.

3.a) Soient x,x′≥0x,x'\ge0 avec g(x)=g(x′)g(x)=g(x') : 5x+1=5x′+1\dfrac5{\sqrt x+1}=\dfrac5{\sqrt{x'}+1}, donc x=x′\sqrt x=\sqrt{x'}, puis x=x′x=x' : gg est injective.

3.b) D’après 2), g(R+)=[−2;3[g(\R_+)=[-2;3[ : gg est surjective, donc bijective, et g−1:[−2;3[ →R+, y↦(y+23−y)2g^{-1}:[-2;3[\,\to\R_+,\ y\mapsto\left(\dfrac{y+2}{3-y}\right)^2. (Contrôle : g−1(1)=94g^{-1}(1)=\frac94, conforme à 1.a.)

Exercice 3 — Bijection, décomposition Facile ★★☆☆☆

On considère l’application f:[2;+∞[ →[4;+∞[f:[2;+\infty[\,\to[4;+\infty[ définie par f(x)=x+4xf(x)=x+\dfrac4x.

  1. a. Montrer que ff est injective. b. Montrer que ff est surjective. c. En déduire que ff est bijective, puis déterminer f−1f^{-1}.
  2. Soit g:[−1;+∞[ →[4;+∞[g:[-1;+\infty[\,\to[4;+\infty[ l’application définie par g(x)=x2+6x+13x+3g(x)=\dfrac{x^2+6x+13}{x+3}. a. On considère h:[−1;+∞[ →[2;+∞[h:[-1;+\infty[\,\to[2;+\infty[ définie par h(x)=x+3h(x)=x+3. Montrer que g=f∘hg=f\circ h et que hh est bijective. b. En déduire que gg est bijective, puis déterminer g−1g^{-1}.
Voir la solution

1.a) Pour x,x′≥2x,x'\ge2 : f(x)−f(x′)=(x−x′)+4(x′−x)xx′=(x−x′) xx′−4xx′f(x)-f(x')=(x-x')+\dfrac{4(x'-x)}{xx'}=(x-x')\,\dfrac{xx'-4}{xx'}. Supposons f(x)=f(x′)f(x)=f(x') et x≠x′x\neq x' : alors xx′=4xx'=4. Or x≥2x\ge2 et x′≥2x'\ge2 donnent xx′≥4xx'\ge4 avec égalité seulement si x=x′=2x=x'=2 : contradiction. Donc x=x′x=x' et ff est injective.

1.b) Valeurs : f(x)−4=x2−4x+4x=(x−2)2x≥0f(x)-4=\dfrac{x^2-4x+4}{x}=\dfrac{(x-2)^2}{x}\ge0. Soit y≥4y\ge4. Pour x≥2x\ge2 : f(x)=y  ⟺  x2−yx+4=0f(x)=y\iff x^2-yx+4=0. Le discriminant Δ=y2−16\Delta=y^2-16 est positif ou nul ; la solution x0=y+y2−162x_0=\dfrac{y+\sqrt{y^2-16}}{2} vérifie x0≥y2≥2x_0\ge\dfrac y2\ge2. Donc f(x0)=yf(x_0)=y avec x0∈[2;+∞[x_0\in[2;+\infty[ : ff est surjective.

1.c) ff est injective et surjective, donc bijective. L’unique antécédent de yy est x0x_0 (l’autre racine vaut 4x0≤2\frac4{x_0}\le2 et n’est égale à 22 que si x0=2x_0=2) :  f−1:[4;+∞[ →[2;+∞[, y↦y+y2−162\ f^{-1}:[4;+\infty[\,\to[2;+\infty[,\ y\mapsto\dfrac{y+\sqrt{y^2-16}}{2}.

2.a) Pour x≥−1x\ge-1, h(x)=x+3≥2h(x)=x+3\ge2 : hh va bien de [−1;+∞[[-1;+\infty[ dans [2;+∞[[2;+\infty[, et f∘h:[−1;+∞[ →[4;+∞[f\circ h:[-1;+\infty[\,\to[4;+\infty[ vérifie (f∘h)(x)=x+3+4x+3=(x+3)2+4x+3=x2+6x+13x+3=g(x).(f\circ h)(x)=x+3+\frac{4}{x+3}=\frac{(x+3)^2+4}{x+3}=\frac{x^2+6x+13}{x+3}=g(x). Même départ, même arrivée, mêmes images : g=f∘hg=f\circ h. Pour y≥2y\ge2, l’équation x+3=yx+3=y a l’unique solution x=y−3≥−1x=y-3\ge-1 : hh est bijective, h−1(y)=y−3h^{-1}(y)=y-3.

2.b) g=f∘hg=f\circ h est la composée de deux bijections, donc une bijection, et g−1=h−1∘f−1g^{-1}=h^{-1}\circ f^{-1} :  g−1:[4;+∞[ →[−1;+∞[, y↦y+y2−162−3\ g^{-1}:[4;+\infty[\,\to[-1;+\infty[,\ y\mapsto\dfrac{y+\sqrt{y^2-16}}{2}-3.

Exercice 4 — Injectivité, surjectivité Facile ★★☆☆☆

Soit f:R→Rf:\R\to\R l’application définie par f(x)=2x2x2+2x+2f(x)=\dfrac{2x^2}{x^2+2x+2}.

  1. a. Résoudre dans R\R l’équation f(x)=1f(x)=1. b. L’application ff est-elle injective ?
  2. a. Montrer que f(R)⊂[0;4]f(\R)\subset[0;4]. b. L’application ff est-elle surjective ?
  3. Soit g: ]0;+∞[ → ]0;2[g:\,]0;+\infty[\,\to\,]0;2[ l’application définie par g(x)=f(x)g(x)=f(x). Montrer que gg est bijective, puis déterminer g−1g^{-1}.
Voir la solution

Pour tout réel xx, x2+2x+2=(x+1)2+1>0x^2+2x+2=(x+1)^2+1>0 : ff est définie sur R\R.

1.a) f(x)=1  ⟺  2x2=x2+2x+2  ⟺  x2−2x−2=0  ⟺  x∈{1−3;1+3}f(x)=1\iff2x^2=x^2+2x+2\iff x^2-2x-2=0\iff x\in\{1-\sqrt3;1+\sqrt3\}.

1.b) f(1−3)=f(1+3)=1f(1-\sqrt3)=f(1+\sqrt3)=1 avec 1−3≠1+31-\sqrt3\neq1+\sqrt3 : ff n’est pas injective.

2.a) f(x)≥0f(x)\ge0 (quotient d’un carré par un réel strictement positif) et 4−f(x)=2x2+8x+8x2+2x+2=2(x+2)2x2+2x+2≥04-f(x)=\dfrac{2x^2+8x+8}{x^2+2x+2}=\dfrac{2(x+2)^2}{x^2+2x+2}\ge0. Donc f(R)⊂[0;4]f(\R)\subset[0;4].

2.b) −1∉[0;4]-1\notin[0;4] n’a pas d’antécédent : ff n’est pas surjective.

3) Valeurs : pour x>0x>0, g(x)>0g(x)>0 et 2−g(x)=4x+4x2+2x+2>02-g(x)=\dfrac{4x+4}{x^2+2x+2}>0, donc g(x)∈ ]0;2[g(x)\in\,]0;2[. Soit y∈ ]0;2[y\in\,]0;2[. Pour x>0x>0 : g(x)=y  ⟺  (2−y)x2−2yx−2y=0g(x)=y\iff(2-y)x^2-2yx-2y=0. Le discriminant réduit vaut Δ′=y2+2y(2−y)=y(4−y)>0\Delta'=y^2+2y(2-y)=y(4-y)>0 : deux racines, de produit −2y2−y<0\dfrac{-2y}{2-y}<0, donc une seule racine strictement positive : x=y+4y−y22−y.x=\frac{y+\sqrt{4y-y^2}}{2-y}. Chaque y∈ ]0;2[y\in\,]0;2[ a exactement un antécédent dans ]0;+∞[]0;+\infty[ : gg est bijective et g−1: ]0;2[ → ]0;+∞[, y↦y+4y−y22−yg^{-1}:\,]0;2[\,\to\,]0;+\infty[,\ y\mapsto\dfrac{y+\sqrt{4y-y^2}}{2-y}.

Exercice 5 — Application de deux variables Facile ★★☆☆☆

On pose I=R+∗I=\R_+^*. Soit f:I2→I2f:I^2\to I^2 l’application définie par f(x;y)=(xy;4xy)f(x;y)=\left(xy;\dfrac{4x}{y}\right).

  1. Montrer que ff est injective.
  2. Montrer que ff est bijective, puis déterminer f−1f^{-1}.
Voir la solution

1) Soient (x;y),(x′;y′)∈I2(x;y),(x';y')\in I^2 tels que f(x;y)=f(x′;y′)f(x;y)=f(x';y') : xy=x′y′xy=x'y' et 4xy=4x′y′\frac{4x}{y}=\frac{4x'}{y'}. En multipliant membre à membre : 4x2=4x′24x^2=4x'^2, donc x=x′x=x' (réels positifs), puis y=xyx=y′y=\frac{xy}{x}=y'. ff est injective.

2) Soit (u;v)∈I2(u;v)\in I^2. On cherche (x;y)∈I2(x;y)\in I^2 tel que xy=uxy=u et 4xy=v\frac{4x}y=v. Nécessairement 4x2=uv4x^2=uv, d’où x=uv2x=\frac{\sqrt{uv}}{2} et y=ux=2uvy=\frac ux=2\sqrt{\frac uv}. Réciproquement, ces réels sont strictement positifs, xy=uvuv=uxy=\sqrt{uv}\sqrt{\frac uv}=u et 4xy=2uv2u/v=v\frac{4x}{y}=\frac{2\sqrt{uv}}{2\sqrt{u/v}}=v. Donc ff est surjective ; étant injective, elle est bijective et f−1:I2→I2,(u;v)↦(uv2; 2uv).f^{-1}:I^2\to I^2,\quad(u;v)\mapsto\left(\frac{\sqrt{uv}}{2};\ 2\sqrt{\frac uv}\right).

Exercice 6 — Restriction bijective Facile ★★☆☆☆

On considère l’application f:R→Rf:\R\to\R définie par f(x)=x2+4x−1f(x)=x^2+4x-1.

  1. a. Résoudre dans R\R l’équation f(x)=−1f(x)=-1. b. En déduire que ff n’est pas injective.
  2. Montrer que f(R)=[−5;+∞[f(\R)=[-5;+\infty[.
  3. Soit g:[−2;+∞[ →[−5;+∞[g:[-2;+\infty[\,\to[-5;+\infty[ l’application définie par g(x)=f(x)g(x)=f(x). a. Montrer que gg est bijective. b. Déterminer sa bijection réciproque g−1g^{-1}.
Voir la solution

1.a) x2+4x−1=−1  ⟺  x(x+4)=0  ⟺  x∈{−4;0}x^2+4x-1=-1\iff x(x+4)=0\iff x\in\{-4;0\}.

1.b) f(−4)=f(0)f(-4)=f(0) avec −4≠0-4\neq0 : ff n’est pas injective.

2) f(x)=(x+2)2−5≥−5f(x)=(x+2)^2-5\ge-5, donc f(R)⊂[−5;+∞[f(\R)\subset[-5;+\infty[. Pour y≥−5y\ge-5, x=−2+y+5x=-2+\sqrt{y+5} vérifie f(x)=(y+5)2−5=yf(x)=(\sqrt{y+5})^2-5=y : [−5;+∞[ ⊂f(R)[-5;+\infty[\,\subset f(\R). Donc f(R)=[−5;+∞[f(\R)=[-5;+\infty[.

3.a) Soit y≥−5y\ge-5. Pour x≥−2x\ge-2 : g(x)=y  ⟺  (x+2)2=y+5  ⟺  x+2=y+5g(x)=y\iff(x+2)^2=y+5\iff x+2=\sqrt{y+5} (car x+2≥0x+2\ge0)   ⟺  x=−2+y+5\iff x=-2+\sqrt{y+5}. Chaque yy a exactement un antécédent dans [−2;+∞[[-2;+\infty[ : gg est bijective.

3.b) g−1:[−5;+∞[ →[−2;+∞[, y↦−2+y+5g^{-1}:[-5;+\infty[\,\to[-2;+\infty[,\ y\mapsto-2+\sqrt{y+5}.

Exercice 7 — Racines, bijection Moyen ★★★☆☆

Soit f:R→Rf:\R\to\R l’application définie par f(x)=x2+4+xf(x)=\sqrt{x^2+4}+x.

  1. a. Montrer que, pour tout x∈Rx\in\R, −x<x2+4-x<\sqrt{x^2+4}. b. En déduire que, pour tous x,y∈Rx,y\in\R : x+yx2+4+y2+4>−1\dfrac{x+y}{\sqrt{x^2+4}+\sqrt{y^2+4}}>-1.
  2. a. Montrer que, pour tous x,y∈Rx,y\in\R : f(x)−f(y)=(x−y)(x+yx2+4+y2+4+1)f(x)-f(y)=(x-y)\left(\dfrac{x+y}{\sqrt{x^2+4}+\sqrt{y^2+4}}+1\right). b. En déduire que ff est injective.
  3. L’application ff est-elle surjective de R\R sur R\R ? Justifier.
  4. Montrer que ff définit une bijection de R\R sur R+∗\R_+^*, puis déterminer sa bijection réciproque.
Voir la solution

1.a) x2<x2+4x^2<x^2+4 et la racine carrée est strictement croissante sur R+\R_+, donc ∣x∣<x2+4|x|<\sqrt{x^2+4} ; comme −x≤∣x∣-x\le|x|, on obtient −x<x2+4-x<\sqrt{x^2+4}.

1.b) Posons S=x2+4+y2+4>0S=\sqrt{x^2+4}+\sqrt{y^2+4}>0. D’après 1.a, −x<x2+4-x<\sqrt{x^2+4} et −y<y2+4-y<\sqrt{y^2+4} ; en ajoutant : −(x+y)<S-(x+y)<S, d’où, en divisant par S>0S>0 : x+yS>−1\dfrac{x+y}{S}>-1.

2.a) f(x)−f(y)=x2+4−y2+4+(x−y)=x2−y2S+(x−y)=(x−y)(x+yS+1)f(x)-f(y)=\sqrt{x^2+4}-\sqrt{y^2+4}+(x-y)=\dfrac{x^2-y^2}{S}+(x-y)=(x-y)\left(\dfrac{x+y}{S}+1\right) (expression conjuguée).

2.b) Si f(x)=f(y)f(x)=f(y), alors (x−y)(x+yS+1)=0(x-y)\left(\frac{x+y}S+1\right)=0 ; or x+yS+1>0\frac{x+y}S+1>0 d’après 1.b, donc x=yx=y : ff est injective.

3) D’après 1.a, f(x)>0f(x)>0 pour tout xx : le réel −1-1 n’a pas d’antécédent, ff n’est pas surjective de R\R sur R\R.

4) ff est à valeurs dans R+∗\R_+^*. Soit y>0y>0. Pour x∈Rx\in\R : f(x)=y  ⟺  x2+4=y−x  ⟺  {y−x≥0x2+4=y2−2xy+x2  ⟺  {x≤yx=y2−42yf(x)=y\iff\sqrt{x^2+4}=y-x\iff\begin{cases}y-x\ge0\\x^2+4=y^2-2xy+x^2\end{cases}\iff\begin{cases}x\le y\\x=\dfrac{y^2-4}{2y}\end{cases} Or y−y2−42y=y2+42y>0y-\dfrac{y^2-4}{2y}=\dfrac{y^2+4}{2y}>0 : la condition x≤yx\le y est satisfaite. Chaque y>0y>0 a exactement un antécédent : ff réalise une bijection de R\R sur R+∗\R_+^* et f−1:R+∗→R, y↦y2−42yf^{-1}:\R_+^*\to\R,\ y\mapsto\dfrac{y^2-4}{2y}.

Exercice 8 — Non-injectivité Facile ★★☆☆☆

Soit f:R→Rf:\R\to\R la fonction définie par f(x)=xx2+x+1f(x)=\dfrac{x}{x^2+x+1}.

  1. Vérifier que ff est bien définie sur R\R, puis montrer que, pour tout x∈R∗x\in\R^*, f(1x)=f(x)f\left(\dfrac1x\right)=f(x).
  2. L’application ff est-elle injective ?
Voir la solution

1) x2+x+1=(x+12)2+34>0x^2+x+1=\left(x+\frac12\right)^2+\frac34>0 : ff est définie sur R\R. Pour x≠0x\neq0, en multipliant numérateur et dénominateur par x2x^2 : f(1x)=1x1x2+1x+1=x1+x+x2=f(x).f\left(\frac1x\right)=\frac{\frac1x}{\frac1{x^2}+\frac1x+1}=\frac{x}{1+x+x^2}=f(x).

2) f(2)=27f(2)=\frac27 et f(12)=f(2)=27f\left(\frac12\right)=f(2)=\frac27 avec 2≠122\neq\frac12 : ff n’est pas injective.

Exercice 9 — Application de R+2\R_+^2 Difficile ★★★★☆

Soit f:R+×R+→R×R+f:\R_+\times\R_+\to\R\times\R_+ l’application définie par f(x;y)=(x2−4y2; xy)f(x;y)=(x^2-4y^2;\ xy).

  1. a. Soit (a;b)∈R×R+∗(a;b)\in\R\times\R_+^*. Montrer, sans les calculer, que l’équation X2−aX−4b2=0X^2-aX-4b^2=0 d’inconnue X∈RX\in\R admet deux solutions de signes contraires. b. En déduire que ff est surjective, en étudiant aussi le cas b=0b=0.
  2. L’application ff est-elle injective ?
Voir la solution

1.a) Le discriminant de X2−aX−4b2X^2-aX-4b^2 est a2+16b2>0a^2+16b^2>0 (car b≠0b\neq0) : deux racines distinctes, dont le produit vaut −4b2<0-4b^2<0 ; elles sont donc de signes contraires.

1.b) Soit (a;b)∈R×R+(a;b)\in\R\times\R_+. Cas b>0b>0. Soit X0>0X_0>0 la racine positive de 1.a. Posons x=X0>0x=\sqrt{X_0}>0 et y=bx>0y=\frac bx>0. Alors xy=bxy=b et x2−4y2=X0−4b2X0=X02−4b2X0=aX0X0=ax^2-4y^2=X_0-\dfrac{4b^2}{X_0}=\dfrac{X_0^2-4b^2}{X_0}=\dfrac{aX_0}{X_0}=a (car X02=aX0+4b2X_0^2=aX_0+4b^2). Cas b=0b=0. Si a≥0a\ge0 : f(a;0)=(a;0)f(\sqrt a;0)=(a;0). Si a<0a<0 : f(0;−a2)=(a;0)f\left(0;\frac{\sqrt{-a}}2\right)=(a;0). Tout couple de R×R+\R\times\R_+ a un antécédent : ff est surjective.

2) Oui. Supposons f(x;y)=f(x′;y′)=(a;b)f(x;y)=f(x';y')=(a;b). Si b>0b>0 : x,y,x′,y′>0x,y,x',y'>0, et X=x2X=x^2 vérifie X2−aX−4b2=0X^2-aX-4b^2=0 (car y=bxy=\frac bx) ; XX est donc la racine positive X0X_0, de même pour x′2x'^2. Ainsi x=x′=X0x=x'=\sqrt{X_0} et y=y′=bxy=y'=\frac b{x}. Si b=0b=0 : xy=0xy=0. Si a>0a>0, alors y=0y=0 (sinon x=0x=0 et −4y2=a>0-4y^2=a>0, impossible) et x=ax=\sqrt a ; si a<0a<0, alors x=0x=0 et y=−a2y=\frac{\sqrt{-a}}2 ; si a=0a=0, x2=4y2x^2=4y^2 et xy=0xy=0 donnent x=y=0x=y=0. Dans chaque cas le couple est unique. Donc ff est injective (et finalement bijective).

Exercice 10 — Classique — images directes et réciproques Moyen ★★★☆☆

Soient f:E→Ff:E\to F une application, MM et NN deux parties de EE, PP et QQ deux parties de FF. Démontrer que :

  1. M=∅  ⟺  f(M)=∅M=\varnothing\iff f(M)=\varnothing
  2. M⊂N⟹f(M)⊂f(N)M\subset N\Longrightarrow f(M)\subset f(N)
  3. f(M∪N)=f(M)∪f(N)f(M\cup N)=f(M)\cup f(N)
  4. f(M∩N)⊂f(M)∩f(N)f(M\cap N)\subset f(M)\cap f(N)
  5. f−1(F)=Ef^{-1}(F)=E
  6. P=∅⟹f−1(P)=∅P=\varnothing\Longrightarrow f^{-1}(P)=\varnothing
  7. P⊂Q⟹f−1(P)⊂f−1(Q)P\subset Q\Longrightarrow f^{-1}(P)\subset f^{-1}(Q)
  8. f−1(P∪Q)=f−1(P)∪f−1(Q)f^{-1}(P\cup Q)=f^{-1}(P)\cup f^{-1}(Q)
  9. f−1(P∩Q)=f−1(P)∩f−1(Q)f^{-1}(P\cap Q)=f^{-1}(P)\cap f^{-1}(Q)
  10. M⊂f−1(f(M))M\subset f^{-1}\big(f(M)\big)
  11. f(f−1(P))⊂Pf\big(f^{-1}(P)\big)\subset P
  12. f(M)∖f(N)⊂f(M∖N)f(M)\setminus f(N)\subset f(M\setminus N)
  13. f−1(P)∖f−1(Q)=f−1(P∖Q)f^{-1}(P)\setminus f^{-1}(Q)=f^{-1}(P\setminus Q)
Voir la solution

1) Si M=∅M=\varnothing, f(M)f(M) ne contient aucun élément. Si M≠∅M\neq\varnothing, soit x∈Mx\in M : f(x)∈f(M)f(x)\in f(M), donc f(M)≠∅f(M)\neq\varnothing (contraposée).

2) Soit y∈f(M)y\in f(M) : y=f(x)y=f(x) avec x∈M⊂Nx\in M\subset N, donc y∈f(N)y\in f(N).

3) M⊂M∪NM\subset M\cup N et N⊂M∪NN\subset M\cup N donnent (par 2) f(M)∪f(N)⊂f(M∪N)f(M)\cup f(N)\subset f(M\cup N). Réciproquement, si y=f(x)y=f(x) avec x∈M∪Nx\in M\cup N, alors x∈Mx\in M (et y∈f(M)y\in f(M)) ou x∈Nx\in N (et y∈f(N)y\in f(N)).

4) M∩N⊂MM\cap N\subset M et M∩N⊂NM\cap N\subset N, donc par 2) : f(M∩N)⊂f(M)∩f(N)f(M\cap N)\subset f(M)\cap f(N).

5) f−1(F)={x∈E / f(x)∈F}=Ef^{-1}(F)=\{x\in E\ /\ f(x)\in F\}=E, car f(x)∈Ff(x)\in F pour tout x∈Ex\in E.

6) f−1(∅)={x∈E / f(x)∈∅}=∅f^{-1}(\varnothing)=\{x\in E\ /\ f(x)\in\varnothing\}=\varnothing.

7) x∈f−1(P)⟹f(x)∈P⊂Q⟹x∈f−1(Q)x\in f^{-1}(P)\Longrightarrow f(x)\in P\subset Q\Longrightarrow x\in f^{-1}(Q).

8) x∈f−1(P∪Q)  ⟺  (f(x)∈Px\in f^{-1}(P\cup Q)\iff\big(f(x)\in P ou f(x)∈Q)  ⟺  x∈f−1(P)∪f−1(Q)f(x)\in Q\big)\iff x\in f^{-1}(P)\cup f^{-1}(Q).

9) Même raisonnement avec « et » : x∈f−1(P∩Q)  ⟺  x∈f−1(P)∩f−1(Q)x\in f^{-1}(P\cap Q)\iff x\in f^{-1}(P)\cap f^{-1}(Q).

10) x∈M⟹f(x)∈f(M)⟹x∈f−1(f(M))x\in M\Longrightarrow f(x)\in f(M)\Longrightarrow x\in f^{-1}\big(f(M)\big).

11) Soit y∈f(f−1(P))y\in f\big(f^{-1}(P)\big) : y=f(x)y=f(x) avec x∈f−1(P)x\in f^{-1}(P), c’est-à-dire f(x)∈Pf(x)\in P ; donc y∈Py\in P.

12) Soit y∈f(M)∖f(N)y\in f(M)\setminus f(N) : y=f(x)y=f(x) avec x∈Mx\in M, et x∉Nx\notin N (sinon y∈f(N)y\in f(N)). Donc x∈M∖Nx\in M\setminus N et y∈f(M∖N)y\in f(M\setminus N).

13) x∈f−1(P)∖f−1(Q)  ⟺  (f(x)∈Px\in f^{-1}(P)\setminus f^{-1}(Q)\iff\big(f(x)\in P et f(x)∉Q)  ⟺  f(x)∈P∖Q  ⟺  x∈f−1(P∖Q)f(x)\notin Q\big)\iff f(x)\in P\setminus Q\iff x\in f^{-1}(P\setminus Q).

Remarque

Les inclusions 4, 10, 11 et 12 peuvent être strictes. Exemple avec f:R→R, x↦x2f:\R\to\R,\ x\mapsto x^2 : M={1}M=\{1\} donne f−1(f(M))={−1;1}≠Mf^{-1}(f(M))=\{-1;1\}\neq M ; P={−1;1}P=\{-1;1\} donne f(f−1(P))={1}≠Pf(f^{-1}(P))=\{1\}\neq P. L’exercice 11 caractérise les cas d’égalité.

Exercice 11 — Classique — caractérisations Difficile ★★★★☆

Soit f:E→Ff:E\to F une application. Démontrer les équivalences suivantes :

  1. ff est injective   ⟺  \iff pour toutes parties M,NM,N de EE : f(M∩N)=f(M)∩f(N)f(M\cap N)=f(M)\cap f(N).
  2. ff est injective   ⟺  \iff pour toute partie MM de EE : f−1(f(M))=Mf^{-1}\big(f(M)\big)=M.
  3. ff est surjective   ⟺  \iff pour toute partie PP de FF : f(f−1(P))=Pf\big(f^{-1}(P)\big)=P.
  4. ff est injective   ⟺  \iff pour toutes parties M,NM,N de EE : f(M∖N)=f(M)∖f(N)f(M\setminus N)=f(M)\setminus f(N).
  5. ff est bijective   ⟺  \iff pour toute partie MM de EE : f(E∖M)=F∖f(M)f(E\setminus M)=F\setminus f(M).
Voir la solution

1) (⇒\Rightarrow) L’inclusion ⊂\subset est toujours vraie (ex. 10.4). Soit y∈f(M)∩f(N)y\in f(M)\cap f(N) : y=f(x)=f(x′)y=f(x)=f(x') avec x∈Mx\in M, x′∈Nx'\in N ; ff injective donne x=x′∈M∩Nx=x'\in M\cap N, donc y∈f(M∩N)y\in f(M\cap N). (⇐\Leftarrow) Soient x,x′x,x' tels que f(x)=f(x′)f(x)=f(x'). Avec M={x}M=\{x\}, N={x′}N=\{x'\} : f(M∩N)=f(M)∩f(N)={f(x)}≠∅f(M\cap N)=f(M)\cap f(N)=\{f(x)\}\neq\varnothing, donc M∩N≠∅M\cap N\neq\varnothing (ex. 10.1), c’est-à-dire x=x′x=x'.

2) (⇒\Rightarrow) M⊂f−1(f(M))M\subset f^{-1}(f(M)) toujours (ex. 10.10). Si x∈f−1(f(M))x\in f^{-1}(f(M)), alors f(x)=f(x′)f(x)=f(x') avec x′∈Mx'\in M, d’où x=x′∈Mx=x'\in M. (⇐\Leftarrow) Si f(x)=f(x′)f(x)=f(x'), alors x∈f−1(f({x′}))={x′}x\in f^{-1}\big(f(\{x'\})\big)=\{x'\}, donc x=x′x=x'.

3) (⇒\Rightarrow) f(f−1(P))⊂Pf(f^{-1}(P))\subset P toujours (ex. 10.11). Soit y∈Py\in P ; ff surjective donne xx tel que f(x)=y∈Pf(x)=y\in P, donc x∈f−1(P)x\in f^{-1}(P) et y∈f(f−1(P))y\in f(f^{-1}(P)). (⇐\Leftarrow) Avec P=FP=F : F=f(f−1(F))=f(E)F=f\big(f^{-1}(F)\big)=f(E), donc ff est surjective.

4) (⇒\Rightarrow) f(M)∖f(N)⊂f(M∖N)f(M)\setminus f(N)\subset f(M\setminus N) toujours (ex. 10.12). Soit y=f(x)y=f(x) avec x∈Mx\in M, x∉Nx\notin N. Si l’on avait y∈f(N)y\in f(N), y=f(x′)y=f(x') avec x′∈Nx'\in N, et l’injectivité donnerait x=x′∈Nx=x'\in N : absurde. Donc y∈f(M)∖f(N)y\in f(M)\setminus f(N). (⇐\Leftarrow) Par l’absurde : si f(x)=f(x′)f(x)=f(x') avec x≠x′x\neq x', prenons M={x}M=\{x\}, N={x′}N=\{x'\} : f(M∖N)={f(x)}f(M\setminus N)=\{f(x)\} alors que f(M)∖f(N)=∅f(M)\setminus f(N)=\varnothing. Contradiction.

5) (⇒\Rightarrow) Soit y∈f(E∖M)y\in f(E\setminus M) : y=f(x)y=f(x), x∉Mx\notin M ; si y∈f(M)y\in f(M), y=f(x′)y=f(x'), x′∈Mx'\in M, et l’injectivité donne x=x′x=x' : absurde ; donc y∈F∖f(M)y\in F\setminus f(M). Soit y∈F∖f(M)y\in F\setminus f(M) ; par surjectivité y=f(x)y=f(x), et x∉Mx\notin M (sinon y∈f(M)y\in f(M)) : y∈f(E∖M)y\in f(E\setminus M). (⇐\Leftarrow) Avec M=∅M=\varnothing : f(E)=F∖∅=Ff(E)=F\setminus\varnothing=F, donc ff est surjective. Si f(x)=f(x′)f(x)=f(x') avec x′≠xx'\neq x, prenons M={x}M=\{x\} : x′∈E∖Mx'\in E\setminus M donc f(x′)∈F∖{f(x)}f(x')\in F\setminus\{f(x)\}, ce qui contredit f(x′)=f(x)f(x')=f(x). Donc ff est injective, et bijective.

Exercice 12 — Classique — fonction indicatrice Difficile ★★★★☆

Soit EE un ensemble non vide. Pour toute partie AA de EE, on appelle indicatrice de AA l’application χA:E→R\chi_A:E\to\R définie par χA(x)=1\chi_A(x)=1 si x∈Ax\in A et χA(x)=0\chi_A(x)=0 si x∉Ax\notin A.

  1. Montrer que, pour toutes parties A,BA,B de EE : A=B  ⟺  χA=χBA=B\iff\chi_A=\chi_B.
  2. Montrer que χA‾=1−χA\chi_{\overline A}=1-\chi_A.
  3. Montrer que, pour toutes parties A,BA,B de EE : a. χA∩B=χA χB\chi_{A\cap B}=\chi_A\,\chi_B ; b. χA∖B=χA−χA χB\chi_{A\setminus B}=\chi_A-\chi_A\,\chi_B ; c. χA∪B=χA+χB−χA χB\chi_{A\cup B}=\chi_A+\chi_B-\chi_A\,\chi_B ; d. χAΔB=χA+χB−2χA χB=(χA−χB)2\chi_{A\Delta B}=\chi_A+\chi_B-2\chi_A\,\chi_B=(\chi_A-\chi_B)^2.
  4. En déduire que, pour toutes parties A,B,CA,B,C de EE : a. A‾ Δ B=A Δ B‾\overline A\,\Delta\,B=A\,\Delta\,\overline B ; b. B Δ A=C Δ A  ⟺  B=CB\,\Delta\,A=C\,\Delta\,A\iff B=C ; c. (A Δ B) Δ C=A Δ (B Δ C)(A\,\Delta\,B)\,\Delta\,C=A\,\Delta\,(B\,\Delta\,C) ; d. (A Δ B)∩C=(A∩C) Δ (B∩C)(A\,\Delta\,B)\cap C=(A\cap C)\,\Delta\,(B\cap C).
Voir la solution

Pour tout x∈Ex\in E, χA(x)∈{0;1}\chi_A(x)\in\{0;1\}, donc χA2=χA\chi_A^2=\chi_A.

1) (⇒\Rightarrow) évident. (⇐\Leftarrow) x∈A  ⟺  χA(x)=1  ⟺  χB(x)=1  ⟺  x∈Bx\in A\iff\chi_A(x)=1\iff\chi_B(x)=1\iff x\in B.

2) Si x∈A‾x\in\overline A : χA‾(x)=1=1−χA(x)\chi_{\overline A}(x)=1=1-\chi_A(x). Si x∈Ax\in A : χA‾(x)=0=1−1\chi_{\overline A}(x)=0=1-1.

3.a) χA(x)χB(x)=1  ⟺  χA(x)=χB(x)=1  ⟺  x∈A∩B\chi_A(x)\chi_B(x)=1\iff\chi_A(x)=\chi_B(x)=1\iff x\in A\cap B ; sinon le produit vaut 00.

3.b) A∖B=A∩B‾A\setminus B=A\cap\overline B, donc χA∖B=χA(1−χB)=χA−χAχB\chi_{A\setminus B}=\chi_A(1-\chi_B)=\chi_A-\chi_A\chi_B.

3.c) A∪B=A‾∩B‾‾A\cup B=\overline{\overline A\cap\overline B} (Morgan), donc χA∪B=1−(1−χA)(1−χB)=χA+χB−χAχB\chi_{A\cup B}=1-(1-\chi_A)(1-\chi_B)=\chi_A+\chi_B-\chi_A\chi_B.

3.d) A Δ B=(A∖B)∪(B∖A)A\,\Delta\,B=(A\setminus B)\cup(B\setminus A) avec (A∖B)∩(B∖A)=∅(A\setminus B)\cap(B\setminus A)=\varnothing ; par 3.c et 3.a le terme produit est nul, donc χAΔB=(χA−χAχB)+(χB−χAχB)=χA+χB−2χAχB\chi_{A\Delta B}=(\chi_A-\chi_A\chi_B)+(\chi_B-\chi_A\chi_B)=\chi_A+\chi_B-2\chi_A\chi_B. Enfin (χA−χB)2=χA2−2χAχB+χB2=χA+χB−2χAχB(\chi_A-\chi_B)^2=\chi_A^2-2\chi_A\chi_B+\chi_B^2=\chi_A+\chi_B-2\chi_A\chi_B.

4.a) χA‾ΔB=(1−χA−χB)2\chi_{\overline A\Delta B}=(1-\chi_A-\chi_B)^2 et χAΔB‾=(χA−1+χB)2\chi_{A\Delta\overline B}=(\chi_A-1+\chi_B)^2 : ces deux fonctions sont égales, d’où l’égalité par 1).

4.b) χBΔA=χCΔA  ⟺  χB+χA−2χAχB=χC+χA−2χAχC  ⟺  χB(1−2χA)=χC(1−2χA)\chi_{B\Delta A}=\chi_{C\Delta A}\iff\chi_B+\chi_A-2\chi_A\chi_B=\chi_C+\chi_A-2\chi_A\chi_C\iff\chi_B(1-2\chi_A)=\chi_C(1-2\chi_A). Or 1−2χA(x)∈{−1;1}1-2\chi_A(x)\in\{-1;1\} ne s’annule jamais, donc cela équivaut à χB=χC\chi_B=\chi_C, c’est-à-dire B=CB=C (par 1).

4.c) Notons α=χA\alpha=\chi_A, β=χB\beta=\chi_B, γ=χC\gamma=\chi_C. χ(AΔB)ΔC=(α+β−2αβ)+γ−2(α+β−2αβ)γ=α+β+γ−2(αβ+βγ+γα)+4αβγ\chi_{(A\Delta B)\Delta C}=(\alpha+\beta-2\alpha\beta)+\gamma-2(\alpha+\beta-2\alpha\beta)\gamma=\alpha+\beta+\gamma-2(\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha)+4\alpha\beta\gamma. Cette expression est symétrique en α,β,γ\alpha,\beta,\gamma ; le même calcul pour A Δ (B Δ C)A\,\Delta\,(B\,\Delta\,C) donne la même expression, d’où l’égalité.

4.d) χ(AΔB)∩C=(α+β−2αβ)γ\chi_{(A\Delta B)\cap C}=(\alpha+\beta-2\alpha\beta)\gamma et χ(A∩C)Δ(B∩C)=αγ+βγ−2αγβγ=αγ+βγ−2αβγ\chi_{(A\cap C)\Delta(B\cap C)}=\alpha\gamma+\beta\gamma-2\alpha\gamma\beta\gamma=\alpha\gamma+\beta\gamma-2\alpha\beta\gamma (car γ2=γ\gamma^2=\gamma) : égalité.

Exercice 13 — Classique — composée Moyen ★★★☆☆

Soient u:E→Fu:E\to F et v:F→Gv:F\to G deux applications. Démontrer que :

  1. si v∘uv\circ u est injective, alors uu est injective ;
  2. si v∘uv\circ u est injective et uu surjective, alors vv est injective ;
  3. si v∘uv\circ u est surjective, alors vv est surjective ;
  4. si v∘uv\circ u est surjective et vv injective, alors uu est surjective.
Voir la solution

1) u(x)=u(x′)⟹v(u(x))=v(u(x′))⟹x=x′u(x)=u(x')\Longrightarrow v(u(x))=v(u(x'))\Longrightarrow x=x' (car v∘uv\circ u est injective).

2) Soient y,y′∈Fy,y'\in F avec v(y)=v(y′)v(y)=v(y'). uu étant surjective : y=u(x)y=u(x), y′=u(x′)y'=u(x'). Alors (v∘u)(x)=(v∘u)(x′)(v\circ u)(x)=(v\circ u)(x'), donc x=x′x=x' et y=y′y=y'.

3) Soit z∈Gz\in G : il existe x∈Ex\in E tel que z=v(u(x))z=v(u(x)) ; ainsi z=v(y)z=v(y) avec y=u(x)∈Fy=u(x)\in F.

4) Soit y∈Fy\in F. v(y)∈Gv(y)\in G et v∘uv\circ u est surjective : v(y)=v(u(x))v(y)=v(u(x)) pour un x∈Ex\in E ; vv étant injective, y=u(x)y=u(x).

Exercice 14 — Involution, translations Facile ★★☆☆☆

  1. Soient EE un ensemble non vide et BB une partie fixée de EE. Montrer que l’application φ:P(E)→P(E)\varphi:\mathcal P(E)\to\mathcal P(E) définie par φ(X)=X Δ B\varphi(X)=X\,\Delta\,B vérifie φ∘φ=IdP(E)\varphi\circ\varphi=\mathrm{Id}_{\mathcal P(E)} ; en déduire qu’elle est injective et surjective, donc bijective. (On admet que Δ\Delta est associative et que B Δ B=∅B\,\Delta\,B=\varnothing.)
  2. Soient u⃗\vec u et v⃗\vec v deux vecteurs du plan et tu⃗t_{\vec u}, tv⃗t_{\vec v} les translations de vecteurs u⃗\vec u et v⃗\vec v. Déterminer tu⃗∘tv⃗t_{\vec u}\circ t_{\vec v} et tv⃗∘tu⃗t_{\vec v}\circ t_{\vec u} ; ces deux applications sont-elles égales ?
Voir la solution

1) Pour X∈P(E)X\in\mathcal P(E) : (φ∘φ)(X)=(X Δ B) Δ B=X Δ (B Δ B)=X Δ ∅=X(\varphi\circ\varphi)(X)=(X\,\Delta\,B)\,\Delta\,B=X\,\Delta\,(B\,\Delta\,B)=X\,\Delta\,\varnothing=X. Injective : φ(X)=φ(Y)⇒φ(φ(X))=φ(φ(Y))⇒X=Y\varphi(X)=\varphi(Y)\Rightarrow\varphi(\varphi(X))=\varphi(\varphi(Y))\Rightarrow X=Y. Surjective : tout YY s’écrit Y=φ(φ(Y))Y=\varphi\big(\varphi(Y)\big). Donc φ\varphi est bijective et φ−1=φ\varphi^{-1}=\varphi.

2) Soit MM un point, M′=tv⃗(M)M'=t_{\vec v}(M) et M′′=tu⃗(M′)M''=t_{\vec u}(M') : MM′′→=MM′→+M′M′′→=v⃗+u⃗\overrightarrow{MM''}=\overrightarrow{MM'}+\overrightarrow{M'M''}=\vec v+\vec u. Donc tu⃗∘tv⃗=tu⃗+v⃗t_{\vec u}\circ t_{\vec v}=t_{\vec u+\vec v} ; de même tv⃗∘tu⃗=tv⃗+u⃗=tu⃗+v⃗t_{\vec v}\circ t_{\vec u}=t_{\vec v+\vec u}=t_{\vec u+\vec v}. Ces deux applications du plan dans le plan sont égales (ici la composition est commutative).

Exercice 15 — Monotonie et injectivité Facile ★★☆☆☆

Soit II un intervalle de R\R. Montrer que toute fonction ff strictement décroissante sur II est injective sur II. La réciproque est-elle vraie ? (On pourra étudier x↦1xx\mapsto\dfrac1x sur R∗\R^*.)

Voir la solution

Soient x,y∈Ix,y\in I avec x≠yx\neq y ; par exemple x<yx<y : alors f(x)>f(y)f(x)>f(y), donc f(x)≠f(y)f(x)\neq f(y) (de même si y<xy<x). Ainsi x≠y⇒f(x)≠f(y)x\neq y\Rightarrow f(x)\neq f(y) : par contraposée, ff est injective. La réciproque est fausse : x↦1xx\mapsto\frac1x est injective sur R∗\R^* (1x=1x′⇒x=x′\frac1x=\frac1{x'}\Rightarrow x=x') mais n’est pas monotone sur R∗\R^* (−1<1-1<1 et f(−1)<f(1)f(-1)<f(1), alors que 1<21<2 et f(1)>f(2)f(1)>f(2)). Même sur un intervalle : ff définie sur [0;2][0;2] par f(x)=xf(x)=x si x<1x<1 et f(x)=3−xf(x)=3-x si x≥1x\ge1 est injective (valeurs [0;1[[0;1[ puis [1;2][1;2], sans répétition) mais non monotone.

Exercice 16 — Équation fonctionnelle Difficile ★★★★☆

On pose I=R∖{0;1}I=\R\setminus\{0;1\} et g(x)=11−xg(x)=\dfrac{1}{1-x} pour x∈Ix\in I. Soit f:I→Rf:I\to\R une application telle que, pour tout x∈Ix\in I :  f(x)+f(g(x))=2x\ f(x)+f\big(g(x)\big)=2x.

  1. Vérifier que, pour tout x∈Ix\in I, g(x)∈Ig(x)\in I.
  2. Calculer (g∘g)(x)(g\circ g)(x) et (g∘g∘g)(x)(g\circ g\circ g)(x) pour tout x∈Ix\in I.
  3. Montrer que, pour tout x∈Ix\in I :  f(x)+f((g∘g)(x))=2x−2x\ f(x)+f\big((g\circ g)(x)\big)=\dfrac{2x-2}{x}.
  4. Exprimer f(g(x))+f((g∘g)(x))f\big(g(x)\big)+f\big((g\circ g)(x)\big) en fonction de xx.
  5. En déduire l’expression de f(x)f(x) en fonction de xx.
Voir la solution

1) Pour x∈Ix\in I, 1−x≠01-x\neq0 : g(x)g(x) existe ; g(x)≠0g(x)\neq0 (numérateur 11) et g(x)=1  ⟺  1−x=1  ⟺  x=0∉Ig(x)=1\iff1-x=1\iff x=0\notin I. Donc g(x)∈Ig(x)\in I.

2) (g∘g)(x)=11−11−x=1−x−x=x−1x(g\circ g)(x)=\dfrac{1}{1-\frac1{1-x}}=\dfrac{1-x}{-x}=\dfrac{x-1}{x} ;  (g∘g∘g)(x)=11−x−1x=11x=x\ (g\circ g\circ g)(x)=\dfrac{1}{1-\frac{x-1}{x}}=\dfrac{1}{\frac1x}=x.

3) On applique la relation au point (g∘g)(x)∈I(g\circ g)(x)\in I : f((g∘g)(x))+f((g∘g∘g)(x))=2(g∘g)(x)f\big((g\circ g)(x)\big)+f\big((g\circ g\circ g)(x)\big)=2(g\circ g)(x), c’est-à-dire f(x)+f((g∘g)(x))=2x−2xf(x)+f\big((g\circ g)(x)\big)=\dfrac{2x-2}{x}.

4) On applique la relation au point g(x)∈Ig(x)\in I : f(g(x))+f((g∘g)(x))=2g(x)=21−xf\big(g(x)\big)+f\big((g\circ g)(x)\big)=2g(x)=\dfrac{2}{1-x}.

5) Notons (R) la relation de départ. (R) ++ (3) −- (4) donne 2f(x)=2x+2x−2x−21−x2f(x)=2x+\dfrac{2x-2}{x}-\dfrac{2}{1-x}, donc f(x)=x+x−1x+1x−1=x3−x+1x(x−1).f(x)=x+\frac{x-1}{x}+\frac{1}{x-1}=\frac{x^3-x+1}{x(x-1)}. Réciproquement, cette fonction vérifie (R) (calcul direct, contrôlé par sympy) : c’est l’unique solution.

Exercice 17 — Équation fonctionnelle Difficile ★★★★☆

On reprend I=R∖{0;1}I=\R\setminus\{0;1\} et g(x)=11−xg(x)=\dfrac{1}{1-x}. Soit f:I→Rf:I\to\R une application telle que, pour tout x∈Ix\in I :  f(x)+f(g(x))=2x+2+21−x\ f(x)+f\big(g(x)\big)=2x+2+\dfrac{2}{1-x}.

  1. Vérifier que, pour tout x∈Ix\in I, g(x)∈Ig(x)\in I.
  2. Calculer (g∘g)(x)(g\circ g)(x) et (g∘g∘g)(x)(g\circ g\circ g)(x) pour tout x∈Ix\in I.
  3. Montrer que, pour tout x∈Ix\in I :  f(x)+f((g∘g)(x))=2(g∘g)(x)+2+2x\ f(x)+f\big((g\circ g)(x)\big)=2(g\circ g)(x)+2+2x.
  4. En déduire que, pour tout x∈Ix\in I, f(x)=2x+1f(x)=2x+1.
Voir la solution

1) et 2) Comme à l’exercice 16 : g(x)∈Ig(x)\in I, (g∘g)(x)=x−1x(g\circ g)(x)=\dfrac{x-1}x et (g∘g∘g)(x)=x(g\circ g\circ g)(x)=x.

3) On applique la relation au point (g∘g)(x)(g\circ g)(x) : f((g∘g)(x))+f(x)=2(g∘g)(x)+2+21−(g∘g)(x)f\big((g\circ g)(x)\big)+f(x)=2(g\circ g)(x)+2+\dfrac{2}{1-(g\circ g)(x)}. Or 11−(g∘g)(x)=g((g∘g)(x))=x\dfrac{1}{1-(g\circ g)(x)}=g\big((g\circ g)(x)\big)=x ; d’où f(x)+f((g∘g)(x))=2(g∘g)(x)+2+2xf(x)+f\big((g\circ g)(x)\big)=2(g\circ g)(x)+2+2x.

4) Au point g(x)g(x), et puisque 21−x=2g(x)\frac{2}{1-x}=2g(x), 21−g(x)=2(g∘g)(x)\frac{2}{1-g(x)}=2(g\circ g)(x) : f(x)+f(g(x))=2x+2+2g(x)f(x)+f(g(x))=2x+2+2g(x) ;  f(g(x))+f(g∘g(x))=2g(x)+2+2(g∘g)(x)\ f(g(x))+f(g\circ g(x))=2g(x)+2+2(g\circ g)(x) ;  f(x)+f(g∘g(x))=2(g∘g)(x)+2+2x\ f(x)+f(g\circ g(x))=2(g\circ g)(x)+2+2x. En ajoutant la première et la troisième puis en retranchant la deuxième : 2f(x)=4x+22f(x)=4x+2, donc f(x)=2x+1f(x)=2x+1 pour tout x∈Ix\in I.

Exercice 18 — Injectivité sur N2\N^2 Difficile ★★★★★

Soit f:N2→Nf:\N^2\to\N l’application définie par f(n;m)=m+(n+m)(n+m+2)f(n;m)=m+(n+m)(n+m+2). Montrer que ff est injective.

Voir la solution

Posons s=n+ms=n+m ; alors 0≤m≤s0\le m\le s et f(n;m)=m+s(s+2)f(n;m)=m+s(s+2), donc s(s+2)≤f(n;m)≤s(s+2)+ss(s+2)\le f(n;m)\le s(s+2)+s. Supposons f(n;m)=f(n′;m′)f(n;m)=f(n';m') et notons s=n+ms=n+m, s′=n′+m′s'=n'+m'. Si l’on avait s<s′s<s', alors s′≥s+1s'\ge s+1 et f(n′;m′)≥s′(s′+2)≥(s+1)(s+3)=s2+4s+3>s2+3s≥f(n;m),f(n';m')\ge s'(s'+2)\ge(s+1)(s+3)=s^2+4s+3>s^2+3s\ge f(n;m), ce qui est absurde ; de même s′<ss'<s est impossible. Donc s=s′s=s', puis m=f(n;m)−s(s+2)=m′m=f(n;m)-s(s+2)=m' et n=s−m=n′n=s-m=n'. ff est injective.

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