QCM : Théorie des ensembles et structures algébriques (28 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Quelle condition caractérise une application injective f:A→Bf:A\to B ?

Deux éléments distincts de AA ont des images distinctes dans BB
Chaque élément de AA possède plusieurs antécédents dans BB
Chaque élément de BB possède au moins un antécédent dans AA
Tous les éléments de AA et de BB ont des images identiques

Deux éléments distincts de $$A$$ ont des images distinctes dans $$B$$

Explication

Une application injective envoie des éléments distincts de AA vers des images distinctes, ce qui revient à écrire f(a)=f(a′)⇒a=a′f(a)=f(a')\Rightarrow a=a'. La condition concernant l’existence d’un antécédent pour chaque élément de BB définit la surjectivité.

2. Pour qu’une application f:A→Bf:A\to B soit surjective, quelle condition doit être vérifiée ?

Chaque élément de BB possède au moins un antécédent dans AA
Chaque élément de AA possède exactement une image dans BB
Les ensembles AA et BB ont nécessairement le même nombre d’éléments
Deux éléments distincts de AA possèdent des images distinctes dans BB

Chaque élément de $$B$$ possède au moins un antécédent dans $$A$$

Explication

La surjectivité signifie que tout élément de l’ensemble d’arrivée BB est atteint par au moins un élément de AA. La distinction des images d’éléments distincts relève de l’injectivité, tandis que l’existence d’une image pour chaque élément de AA caractérise une application.

3. Dans quelle situation une application f:A→Bf:A\to B est-elle bijective ?

Lorsqu’elle est surjective et que AA contient plus d’éléments que BB
Lorsqu’elle associe plusieurs images à chaque élément de AA
Lorsqu’elle est injective et que certains éléments de BB ne sont pas atteints
Lorsqu’elle est à la fois injective et surjective

Lorsqu’elle est à la fois injective et surjective

Explication

Une bijection possède simultanément les deux propriétés : elle distingue les éléments de AA et atteint tous les éléments de BB. Une application surjective peut manquer d’injectivité, tandis qu’une application injective peut ne pas atteindre tout BB.

4. Si f:A→Bf:A\to B est bijective et f−1:B→Af^{-1}:B\to A est son inverse, quelles égalités sont vérifiées ?

f−1∘f=ff^{-1}\circ f=f et f∘f−1=f−1f\circ f^{-1}=f^{-1}
f−1∘f=∅f^{-1}\circ f=\varnothing et f∘f−1=∅f\circ f^{-1}=\varnothing
f−1∘f=Id⁡Af^{-1}\circ f=\operatorname{Id}_A et f∘f−1=Id⁡Bf\circ f^{-1}=\operatorname{Id}_B
f−1∘f=Id⁡Bf^{-1}\circ f=\operatorname{Id}_B et f∘f−1=Id⁡Af\circ f^{-1}=\operatorname{Id}_A

$$f^{-1}\circ f=\operatorname{Id}_A$$ et $$f\circ f^{-1}=\operatorname{Id}_B$$

Explication

L’inverse annule l’action de ff dans chaque sens : revenir de AA à BB puis revenir à AA donne Id⁡A\operatorname{Id}_A, et le parcours inverse donne Id⁡B\operatorname{Id}_B. Les identités doivent être associées à l’ensemble de départ correspondant à chaque composition.

5. Comment reconnaît-on qu’un ensemble AA est fini ?

Il existe un entier m∈Nm\in\mathbb{N} et une bijection entre AA et {1,…,m}\{1,\ldots,m\}
Il existe une application injective de AA vers un ensemble quelconque
Tous ses éléments possèdent une image dans un ensemble d’arrivée
Il existe une application surjective de AA vers un ensemble infini

Il existe un entier $$m\in\mathbb{N}$$ et une bijection entre $$A$$ et $$\{1,\ldots,m\}$$

Explication

Un ensemble est fini lorsqu’il peut être mis en bijection avec un ensemble d’entiers consécutifs {1,…,m}\{1,\ldots,m\} pour un certain entier naturel mm. Une simple application injective ou surjective ne suffit pas à établir cette caractérisation.

6. Que représente le cardinal ∣A∣|A| d’un ensemble fini AA ?

Le plus grand entier appartenant à AA lorsqu’il contient des nombres naturels
Le nombre d’applications injectives pouvant être définies entre AA et {1,…,m}\{1,\ldots,m\}
Le nombre d’éléments de l’ensemble d’arrivée d’une application définie sur AA
L’unique entier mm tel que AA soit en bijection avec {1,…,m}\{1,\ldots,m\}

L’unique entier $$m$$ tel que $$A$$ soit en bijection avec $$\{1,\ldots,m\}$$

Explication

Le cardinal ∣A∣|A| est l’unique entier mm qui permet d’établir une bijection entre AA et {1,…,m}\{1,\ldots,m\}. Il mesure donc la taille de AA, et ne désigne ni un élément maximal ni le nombre d’applications possibles.

7. Si ∣A∣=12|A|=12, ∣B∣=9|B|=9 et ∣A∩B∣=4|A\cap B|=4, quelle est la valeur de ∣A∪B∣|A\cup B| ?

2525
1717
88
2121

$$17$$

Explication

La formule d’inclusion-exclusion donne ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣=12+9−4=17|A\cup B|=|A|+|B|-|A\cap B|=12+9-4=17. Ajouter les deux cardinaux sans soustraire l’intersection compterait les éléments communs deux fois.

8. Si un ensemble fini A possède 3 éléments et un ensemble fini B en possède 2, combien d’applications de A vers B existe-t-il ?

23=82^3=8
3!=63!=6
32=93^2=9
2!=22!=2

$$2^3=8$$

Explication

Chaque élément de A peut être envoyé vers l’un des 2 éléments de B, ce qui donne ∣B∣∣A∣=23=8|B|^{|A|}=2^3=8 applications. Le nombre 323^2 inverse les rôles de la base et de l’exposant.

9. Si deux ensembles finis ont chacun 4 éléments, combien de bijections existe-t-il entre eux ?

24=162^4=16
4!=244!=24
44=2564^4=256
42=164^2=16

$$4!=24$$

Explication

Lorsque les deux ensembles ont le même cardinal nn, le nombre de bijections est n!n!, donc 4!=244!=24. Le nombre 444^4 compte toutes les applications, y compris celles qui ne sont pas bijectives.

10. Combien de sous-ensembles à 2 éléments possède un ensemble fini de 5 éléments ?

5!=1205!=120
25=322^5=32
(52)=10\binom{5}{2}=10
(25)=0\binom{2}{5}=0

$$\binom{5}{2}=10$$

Explication

Le nombre de sous-ensembles à kk éléments d’un ensemble de cardinal mm est (mk)\binom{m}{k}, donc ici (52)=10\binom{5}{2}=10. La quantité 252^5 compte tous les sous-ensembles, quelle que soit leur taille.

11. Un ensemble fini possède 6 éléments. Combien a-t-il de sous-ensembles au total ?

2×6=122\times6=12
(62)=15\binom{6}{2}=15
26=642^6=64
6!=7206!=720

$$2^6=64$$

Explication

Chaque élément peut être choisi ou non dans un sous-ensemble, ce qui donne 2∣A∣=26=642^{|A|}=2^6=64 sous-ensembles. La valeur (62)\binom{6}{2} ne compte que les sous-ensembles ayant précisément 2 éléments.

12. Laquelle de ces propriétés caractérise une relation d’équivalence sur un ensemble X ?

Elle est antisymétrique, totale et transitive.
Elle est réflexive, symétrique et transitive.
Elle est symétrique, totale et antisymétrique.
Elle est réflexive, antisymétrique et totale.

Elle est réflexive, symétrique et transitive.

Explication

Une relation d’équivalence doit satisfaire simultanément la réflexivité, la symétrie et la transitivité. L’antisymétrie et la totalité caractérisent d’autres types de relations et ne remplacent pas la symétrie.

13. Si une relation R vérifie xRy et yRz, quelle conclusion la transitivité permet-elle d’obtenir ?

yRx
zRx
xRx
xRz

xRz

Explication

La transitivité transforme les deux relations successives xRy et yRz en la relation xRz. La conclusion yRx relèverait de la symétrie, tandis que xRx relève de la réflexivité.

14. Pour une relation d’équivalence R sur X, que représente la classe [x]R[x]_R ?

L’ensemble des couples de X liés par R.
L’ensemble des éléments de X non équivalents à x.
L’ensemble des éléments de X équivalents à x.
L’ensemble des représentants distincts de X.

L’ensemble des éléments de X équivalents à x.

Explication

Par définition, [x]R={y∈X∣xRy}[x]_R=\{y\in X\mid xRy\} regroupe les éléments de X équivalents à x. Un représentant est un élément de cette classe, mais la classe elle-même est un ensemble d’éléments.

15. Que contient l’ensemble quotient X/RX/R associé à une relation d’équivalence sur X ?

Les couples ordonnés appartenant à la relation.
Les classes d’équivalence de la relation.
Les éléments originels de l’ensemble X.
Les sous-ensembles de X de cardinal fixé.

Les classes d’équivalence de la relation.

Explication

L’ensemble quotient X/RX/R est constitué des classes d’équivalence de R. L’ensemble X contient les éléments originels, tandis que le quotient rassemble ces éléments en classes.

16. Que fait l’application quotient π:X→X/R\pi:X\to X/R à un élément x de X ?

Elle associe x à tous les éléments qui ne lui sont pas équivalents.
Elle associe x à sa classe [x]R[x]_R.
Elle associe x à un représentant choisi de chaque classe.
Elle associe x à l’ensemble des classes distinctes de X.

Elle associe x à sa classe $$[x]_R$$.

Explication

L’application quotient envoie chaque élément x sur sa classe d’équivalence [x]R[x]_R. Elle ne sélectionne pas un représentant particulier et ne renvoie pas l’ensemble entier des classes.

17. Dans quel cas une application f:X→Tf:X\to T se factorise-t-elle par l’application quotient π:X→X/R\pi:X\to X/R ?

Lorsque xRy implique f(x)≠f(y)f(x)\ne f(y).
Lorsque f est injective sur chaque classe d’équivalence.
Lorsque chaque classe contient un seul élément.
Lorsque xRy implique f(x)=f(y)f(x)=f(y).

Lorsque xRy implique $$f(x)=f(y)$$.

Explication

La factorisation est possible exactement lorsque f prend la même valeur sur deux éléments équivalents, c’est-à-dire lorsque xRy implique f(x)=f(y)f(x)=f(y). L’injectivité sur les classes ne garantit pas cette constance et la condition f(x)≠f(y)f(x)\ne f(y) lui est contraire.

18. Laquelle des propriétés caractérise une partition d’un ensemble XX ?

Elle est formée de sous-ensembles éventuellement vides, dont les intersections sont toutes non vides.
Elle rassemble des sous-ensembles de XX ayant la même cardinalité, sans condition sur leur réunion.
Elle est formée de sous-ensembles non vides, disjoints deux à deux, dont la réunion vaut XX.
Elle contient des sous-ensembles disjoints deux à deux, même si certains éléments de XX ne sont pas couverts.

Elle est formée de sous-ensembles non vides, disjoints deux à deux, dont la réunion vaut $$X$$.

Explication

Une partition découpe XX en blocs non vides, sans recouvrement, et chaque élément de XX appartient à un bloc. Une simple famille de sous-ensembles peut se recouper ou laisser des éléments non couverts, ce qui ne suffit pas pour former une partition.

19. Quelle construction permet d’obtenir exactement les partitions d’un ensemble XX ?

Les familles de classes associées à une relation antisymétrique sur XX.
Les familles de classes d’équivalence d’une relation d’équivalence sur XX.
Les familles de sous-ensembles obtenues à partir d’une relation réflexive sur XX.
Les familles de sous-ensembles définies par une relation quelconque sur XX.

Les familles de classes d’équivalence d’une relation d’équivalence sur $$X$$.

Explication

Les classes d’équivalence regroupent les éléments selon une relation réflexive, symétrique et transitive, et forment précisément une partition de XX. Une relation possédant seulement certaines de ces propriétés ne garantit pas ce découpage en classes disjointes couvrant XX.

20. Si un ensemble fini FF possède davantage d’éléments qu’un ensemble fini EE, quelle conclusion s’impose pour une application de FF vers EE ?

Aucune application de FF vers EE ne peut être injective.
Il existe une application bijective de FF vers EE.
Toute application de FF vers EE est nécessairement surjective.
Toute application de FF vers EE associe des images distinctes aux éléments de FF.

Aucune application de $$F$$ vers $$E$$ ne peut être injective.

Explication

Le principe des tiroirs affirme qu’une application injective de FF vers EE est impossible lorsque ∣F∣>∣E∣|F|>|E|. La surjectivité n’est pas imposée par cette inégalité et peut même être réalisée dans certains cas.

21. Quelle condition supplémentaire transforme un monoïde en groupe ?

L’ensemble devient fini et possède un élément neutre.
La loi devient commutative pour tous les couples d’éléments.
La loi cesse d’être associative dès qu’un inverse apparaît.
Chaque élément possède un inverse pour la loi considérée.

Chaque élément possède un inverse pour la loi considérée.

Explication

Un groupe est un monoïde dans lequel chaque élément admet un inverse. La commutativité et la finitude ne sont pas requises, tandis que l’associativité et l’existence d’un neutre appartiennent déjà à la définition d’un monoïde.

22. Quelles propriétés définissent un monoïde sur un ensemble muni d’une loi ?

La loi possède un neutre, mais elle n’a pas besoin d’être associative.
La loi est associative et chaque élément possède un inverse.
La loi est associative et possède un élément neutre.
La loi est commutative et chaque élément possède un inverse.

La loi est associative et possède un élément neutre.

Explication

Un monoïde combine l’associativité de la loi et l’existence d’un élément neutre. La présence d’un inverse pour chaque élément caractérise plutôt un groupe, et la commutativité n’est pas exigée.

23. Une application f:H→Gf:H\to G est-elle un morphisme de groupes lorsque, pour tous h,h′∈Hh,h'\in H, elle vérifie quelle relation ?

f(hh′)=f(h)f(h′)f(hh')=f(h)f(h')
f(hh′)=f(h)+f(h′)f(hh')=f(h)+f(h')
f(hh′)=f(h′)f(h)f(hh')=f(h')f(h)
f(hh′)=f(h)f(h′)−1f(hh')=f(h)f(h')^{-1}

$$f(hh')=f(h)f(h')$$

Explication

Un morphisme de groupes respecte la loi de groupe en envoyant le produit de deux éléments sur le produit de leurs images. Les autres relations introduisent une loi additive, inversent l’ordre ou remplacent l’image du second facteur par son inverse, sans correspondre à la définition générale.

24. Comment définit-on le groupe symétrique SnS_n, et combien d’éléments possède-t-il ?

Il regroupe les bijections de 1,…,n{1,\ldots,n} vers lui-même et possède nnn^n éléments.
Il regroupe les bijections de 1,…,n{1,\ldots,n} vers lui-même et possède n!n! éléments.
Il regroupe les applications injectives de 1,…,n{1,\ldots,n} vers lui-même et possède n!+nn!+n éléments.
Il regroupe toutes les applications de 1,…,n{1,\ldots,n} vers lui-même et possède nnn^n éléments.

Il regroupe les bijections de $${1,\ldots,n}$$ vers lui-même et possède $$n!$$ éléments.

Explication

Le groupe symétrique est constitué des bijections de l’ensemble à nn éléments sur lui-même, et leur nombre est n!n!. L’ensemble de toutes les applications contient aussi des applications non bijectives et possède nnn^n éléments.

25. Quelle propriété possède toute permutation d’un ensemble fini ?

Elle se décompose en cycles qui partagent tous au moins un élément.
Elle s’écrit comme un cycle unique contenant chaque élément de l’ensemble.
Elle se décompose en somme de transpositions deux à deux disjointes.
Elle se décompose en produit de cycles deux à deux disjoints.

Elle se décompose en produit de cycles deux à deux disjoints.

Explication

Toute permutation admet une décomposition en cycles disjoints, obtenue en regroupant les éléments qui se parcourent mutuellement sous l’action de la permutation. Une permutation peut comporter plusieurs cycles, et ces cycles ne partagent aucun élément.

26. Quelle propriété caractérise un anneau unitaire ?

Son addition forme un groupe abélien et chaque élément possède un inverse multiplicatif
Sa multiplication forme un groupe abélien et l’addition est associative avec une unité
Son addition forme un groupe abélien et sa multiplication est associative, distributive et possède une unité
Son addition est associative et sa multiplication est commutative, distributive et dépourvue d’unité

Son addition forme un groupe abélien et sa multiplication est associative, distributive et possède une unité

Explication

Un anneau unitaire combine une addition formant un groupe abélien avec une multiplication associative et distributive qui admet un élément neutre. La présence d’un inverse multiplicatif pour chaque élément relève plutôt de la structure de corps.

27. Quelle condition supplémentaire distingue un corps d’un anneau commutatif ?

Chaque élément possède un inverse additif distinct de lui-même
La multiplication est associative et distributive par rapport à l’addition
L’addition forme un groupe abélien contenant un élément neutre
Chaque élément non nul possède un inverse multiplicatif

Chaque élément non nul possède un inverse multiplicatif

Explication

Dans un corps, tout élément non nul est inversible pour la multiplication, en plus des propriétés d’un anneau commutatif. Un anneau commutatif peut contenir des éléments non nuls dépourvus d’inverse multiplicatif.

28. Comment décrit-on un polynôme à coefficients dans un anneau commutatif A ?

Comme un ensemble de fonctions de A vers A, noté A[X]
Comme une suite presque nulle d’éléments de A, notée A[X]
Comme une suite infinie d’éléments non nuls de A, notée A[X]
Comme une famille finie de nombres inversibles de A, notée A[X]

Comme une suite presque nulle d’éléments de A, notée A[X]

Explication

Un polynôme à coefficients dans A est une suite d’éléments de A dont presque tous sont nuls, et l’ensemble de ces polynômes est noté A[X]. Une suite infinie d’éléments non nuls ne correspond pas à cette définition.

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Qu'impose la définition d'une application injective f:A→B ?

Deux éléments distincts de A ont des images distinctes.

Quelle condition exprime l'injectivité avec f(a)=f(a') ?

Cela implique qu'a = a'.

Qu'impose la définition d'une application surjective f:A→B ?

Tout élément b de B a au moins un antécédent a dans A avec f(a)=b.

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