QCM : Ensembles et bijections en L1 de maths

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Ce QCM bijections L1 reprend les fondements du langage mathématique : ensembles et parties, lois de De Morgan, fonctions indicatrices et graphes. Il vérifie ensuite le calcul d’une image directe et d’une image réciproque, les inclusions qui restent vraies en général et celles qui demandent une hypothèse. La fin du questionnaire porte sur la composition, la restriction d’une application, l’injectivité et la surjectivité, puis le calcul explicite d’une réciproque.

Pour bien t’en servir, réponds d’abord sans regarder le cours. Face à une affirmation générale, cherche systématiquement un petit contre-exemple, souvent avec la fonction carré ou des ensembles à deux éléments. Ensuite, lis chaque explication : elle prouve la bonne réponse et montre quelle confusion produit chacun des pièges proposés.

Les 12 questions

Question 1

Un ensemble \(E\) possède 4 éléments. Combien d’éléments possède l’ensemble \(\mathcal{P}(E)\) de ses parties ?

  1. \(8\)
  2. \(4\)
  3. \(24\)
  4. \(16\)

Réponse D.

Choisir une partie revient à décider, pour chacun des 4 éléments, s’il appartient ou non à la partie. On obtient donc \(2^4=16\) parties, y compris l’ensemble vide et \(E\) lui-même. Le piège \(8\) calcule \(2\times 4\) au lieu d’une puissance. La valeur \(4\) ne compte que les singletons. Enfin, \(24\) vaut \(4!\), c’est-à-dire le nombre de permutations de \(E\).

Question 2

Dans un ensemble \(E\), on note \(\overline{X}\) le complémentaire d’une partie \(X\). Que vaut \(\overline{A\cup(B\cap C)}\) ?

  1. \(\overline{A}\cap(\overline{B}\cup\overline{C})\)
  2. \(\overline{A}\cup(\overline{B}\cap\overline{C})\)
  3. \(\overline{A}\cap(\overline{B}\cap\overline{C})\)
  4. \(\overline{A}\cup(\overline{B}\cup\overline{C})\)

Réponse A.

Les lois de De Morgan échangent union et intersection lors du passage au complémentaire. On les applique deux fois : d’abord à l’union extérieure, ce qui donne \(\overline{A}\cap\overline{B\cap C}\), puis à l’intersection intérieure. Le piège \(\overline{A}\cup(\overline{B}\cap\overline{C})\) oublie d’échanger les deux symboles. Les deux autres n’en échangent qu’un seul. Ainsi, chaque symbole doit être transformé, à chaque niveau de parenthèses.

Question 3

On note \(X\,\Delta\,Y\) la différence symétrique de \(X\) et \(Y\). Quelle est sa fonction indicatrice ?

  1. \(\mathbf{1}_X+\mathbf{1}_Y-\mathbf{1}_X\mathbf{1}_Y\)
  2. \(\mathbf{1}_X-\mathbf{1}_Y\)
  3. \(\mathbf{1}_X\mathbf{1}_Y\)
  4. \(\mathbf{1}_X+\mathbf{1}_Y-2\,\mathbf{1}_X\mathbf{1}_Y\)

Réponse D.

La différence symétrique contient les éléments qui sont dans exactement une des deux parties. Or la somme des deux indicatrices vaut \(2\) sur l’intersection, qu’il faut ramener à \(0\) : on retire donc deux fois \(\mathbf{1}_X\mathbf{1}_Y\). Retirer une seule fois le produit donne l’indicatrice de l’union. La différence \(\mathbf{1}_X-\mathbf{1}_Y\) prend la valeur \(-1\), impossible pour une indicatrice. Enfin, le produit correspond à l’intersection.

Question 4

Laquelle de ces parties de \(\mathbb{R}^2\) est le graphe d’une application de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\) ?

  1. \(\{(x,y)\,:\,x=y^2\}\)
  2. \(\{(x,y)\,:\,x^2+y^2=1\}\)
  3. \(\{(x,y)\,:\,y\geqslant x\}\)
  4. \(\{(x,y)\,:\,y=x^3\}\)

Réponse D.

Une partie de \(\mathbb{R}^2\) est le graphe d’une application lorsque chaque réel \(x\) possède exactement un \(y\) associé. C’est le cas de \(y=x^3\). En revanche, \(x=y^2\) associe deux valeurs \(\pm\sqrt{x}\) à tout \(x>0\), et aucune à \(x<0\). Le cercle n’est défini que pour \(|x|\leqslant 1\). Enfin, le demi-plan associe une infinité de \(y\) à chaque \(x\).

Question 5

Soit \(f\) la fonction carré, définie sur \(\mathbb{R}\). Quelle est l’image directe \(f([-1,2])\) ?

  1. \([1,4]\)
  2. \([-1,4]\)
  3. \([0,4]\)
  4. \([0,2]\)

Réponse C.

L’image directe rassemble les valeurs \(x^2\) pour \(x\in[-1,2]\). Comme \(0\) appartient à l’intervalle, le minimum vaut \(0\) ; le maximum, atteint en \(2\), vaut \(4\). Par continuité, toutes les valeurs intermédiaires sont atteintes. Le piège \([1,4]\) calcule seulement les images des bornes. La réponse \([-1,4]\) oublie qu’un carré est positif. Enfin, \([0,2]\) ne met pas la borne au carré.

Question 6

Avec la même fonction \(f(x)=x^2\), quelle est l’image réciproque \(f^{-1}([1,4])\) ?

  1. \([1,2]\)
  2. \([1,16]\)
  3. \([-2,-1]\cup[1,2]\)
  4. \([-2,2]\)

Réponse C.

On cherche les réels \(x\) tels que \(1\leqslant x^2\leqslant 4\), c’est-à-dire \(1\leqslant|x|\leqslant 2\). On obtient donc deux intervalles symétriques. La notation \(f^{-1}\) ne suppose pas que \(f\) soit bijective. Le piège \([1,2]\) oublie les antécédents négatifs. La réponse \([1,16]\) calcule l’image directe au lieu de l’image réciproque. Enfin, \([-2,2]\) inclut à tort les réels de \(]-1,1[\).

Question 7

Pour une application \(f:E\to F\) et deux parties \(X,Y\) de \(E\), quelle relation est toujours vraie ?

  1. \(f(X\cap Y)=f(X)\cap f(Y)\)
  2. \(f(X\cap Y)\subset f(X)\cap f(Y)\)
  3. \(f(X)\cap f(Y)\subset f(X\cap Y)\)
  4. \(f^{-1}(f(X))=X\)

Réponse B.

Si \(y=f(x)\) avec \(x\in X\cap Y\), alors \(y\) est image d’un élément de \(X\) et d’un élément de \(Y\) : l’inclusion est donc acquise. Cependant, l’inclusion réciproque échoue. Avec \(f(x)=x^2\), \(X=\{-1\}\) et \(Y=\{1\}\), on a \(X\cap Y=\varnothing\) alors que \(f(X)\cap f(Y)=\{1\}\). Enfin, \(f^{-1}(f(X))\) peut être plus gros que \(X\) : ici, il vaut \(\{-1,1\}\).

Question 8

Pour \(f:E\to F\), à quelle condition a-t-on \(f^{-1}(f(A))=A\) pour toute partie \(A\) de \(E\) ?

  1. Si et seulement si \(f\) est injective
  2. Si et seulement si \(f\) est surjective
  3. Si et seulement si \(f\) est bijective
  4. Toujours, sans condition sur \(f\)

Réponse A.

L’inclusion \(A\subset f^{-1}(f(A))\) est toujours vraie. L’inclusion inverse exige qu’aucun point hors de \(A\) n’ait la même image qu’un point de \(A\). En prenant des singletons, cela revient exactement à l’injectivité. Le piège de la surjectivité confond avec la relation \(f(f^{-1}(B))=B\). Par ailleurs, la bijectivité suffit mais n’est pas nécessaire : une injection non surjective convient aussi.

Question 9

Soit \(f:E\to F\) et \(g:F\to G\) telles que \(g\circ f\) soit injective. Que peut-on affirmer ?

  1. \(g\) est injective
  2. \(f\) est injective
  3. \(f\) et \(g\) sont injectives
  4. \(g\) est surjective

Réponse B.

Si \(f(x)=f(x^{\prime})\), alors \(g(f(x))=g(f(x^{\prime}))\), et l’injectivité de \(g\circ f\) donne \(x=x^{\prime}\). Ainsi, \(f\) est injective. En revanche, \(g\) peut ne pas l’être : avec \(f:x\mapsto\sqrt{x}\) de \([0,+\infty[\) dans \(\mathbb{R}\) et \(g:y\mapsto y^2\), la composée est injective, alors que \(g\) ne l’est pas. De même, rien n’impose la surjectivité de \(g\).

Question 10

On considère la restriction de \(x\mapsto x^2\) au départ \([0,+\infty[\) et à l’arrivée \([0,+\infty[\). Que dire de cette application ?

  1. Injective mais pas surjective
  2. Surjective mais pas injective
  3. Bijective, de réciproque \(y\mapsto\sqrt{y}\)
  4. Bijective, de réciproque \(y\mapsto\frac{1}{y^2}\)

Réponse C.

Sur \([0,+\infty[\), la fonction carré est strictement croissante, donc injective. De plus, tout \(y\geqslant 0\) admet l’antécédent positif \(\sqrt{y}\) : elle est surjective. La restriction du départ et de l’arrivée rend donc bijective une application qui ne l’était pas sur \(\mathbb{R}\). Le piège du non injectif oublie qu’on a retiré les négatifs. Enfin, \(\frac{1}{y^2}\) confond réciproque et inverse pour la multiplication.

Question 11

L’application \(f\) qui envoie \(x\in\mathbb{R}\setminus\{1\}\) sur \(\frac{2x+1}{x-1}\) est une bijection vers \(\mathbb{R}\setminus\{2\}\). Quelle est sa réciproque ?

  1. \(y\mapsto\frac{y-1}{2y+1}\)
  2. \(y\mapsto\frac{y+1}{y-2}\)
  3. \(y\mapsto\frac{y-1}{y+2}\)
  4. \(y\mapsto\frac{y+1}{2-y}\)

Réponse B.

On résout \(y=\frac{2x+1}{x-1}\) : on obtient \(yx-y=2x+1\), puis \(x(y-2)=y+1\), donc \(x=\frac{y+1}{y-2}\). On vérifie que cette formule est définie sur \(\mathbb{R}\setminus\{2\}\) et ne prend jamais la valeur \(1\). Le piège \(\frac{y-1}{2y+1}\) calcule l’inverse \(\frac{1}{f}\) au lieu de la réciproque. Les deux autres proviennent d’erreurs de signe en regroupant les termes en \(x\).

Question 12

Deux parties \(A\) et \(B\) d’un ensemble vérifient \(A\cup B=A\cap B\). Que peut-on en conclure ?

  1. \(A=B\)
  2. \(A=B=\varnothing\)
  3. \(A\subset B\), sans égalité forcée
  4. \(A\) et \(B\) sont disjointes

Réponse A.

On raisonne par double inclusion. Tout élément de \(A\) est dans l’union, donc dans l’intersection, donc dans \(B\) : ainsi \(A\subset B\). Le même argument, en échangeant les rôles, donne \(B\subset A\). Par conséquent, \(A=B\). Le piège de l’ensemble vide ajoute une contrainte inutile, puisque toute partie convient si \(B=A\). L’inclusion seule ignore la symétrie. Enfin, deux parties disjointes et non vides auraient une intersection vide mais une union non vide.

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