🔢Dénombrement et combinatoire

Cours de mathématiques · Terminale

Compter sans énumérer ! Le dénombrement donne des outils pour compter le nombre de façons de choisir, d'ordonner ou de tirer des objets : principe multiplicatif, permutations (n!n!), arrangements et combinaisons (nk)\binom{n}{k}. C'est la base indispensable des probabilités.

Ce que tu vas savoir faire

  • Utiliser le principe multiplicatif pour compter des choix successifs
  • Distinguer pp-uplet, permutation, arrangement et combinaison
  • Calculer n!n! et reconnaître une permutation de nn objets
  • Calculer une combinaison (nk)=n!k!(nk)!\binom{n}{k}=\dfrac{n!}{k!\,(n-k)!}
  • Utiliser la symétrie et le triangle de Pascal

Principe multiplicatif et p-uplets

Règle

Principe multiplicatif. Si une expérience se décompose en kk étapes successives, et si l'étape 11 offre n1n_1 possibilités, l'étape 22 en offre n2n_2, …, l'étape kk en offre nkn_k (chaque nombre étant indépendant des choix précédents), alors le nombre total de résultats est :

n1×n2××nk.n_1\times n_2\times\cdots\times n_k.

Un pp-uplet (ou pp-liste) d'un ensemble EE à nn éléments est une liste ordonnée de pp éléments de EE, avec répétitions autorisées. Le nombre de pp-uplets est :

np.n^{\,p}.

C'est le cas typique d'un tirage successif avec remise, ou d'un code à pp caractères choisis parmi nn symboles.

Méthode

Pour compter avec le principe multiplicatif :

  1. Découpe le choix en étapes successives.
  2. Compte le nombre de possibilités à chaque étape.
  3. Multiplie tous ces nombres.
  4. Demande-toi si l'ordre compte (oui ici) et s'il y a remise (répétitions autorisées ⇒ pp-uplet, donc npn^{\,p}).
Exemple

Combien de codes de 33 chiffres (de 00 à 99) peut-on former ?

Chaque position offre 1010 choix indépendants (avec remise), donc : 10×10×10=103=1000 codes.10\times 10\times 10 = 10^{3} = 1000 \text{ codes.}

Astuce

⚠️ « Avec remise » et « l'ordre compte » ⇒ pp-uplet (npn^p). Si l'ordre ne compte pas ou s'il n'y a pas de remise, ce n'est PLUS npn^p : c'est un arrangement ou une combinaison.

Permutations et factorielle

Règle

Factorielle. Pour un entier n1n\ge 1, on note :

n!=n×(n1)××2×1,n! = n\times(n-1)\times\cdots\times 2\times 1,

et par convention 0!=10!=1. Ainsi 1!=11!=1, 2!=22!=2, 3!=63!=6, 4!=244!=24, 5!=1205!=120, 6!=7206!=720.

Permutation. Une permutation d'un ensemble à nn éléments est une façon d'ordonner ces nn éléments (les ranger les uns à la suite des autres, sans répétition). Le nombre de permutations de nn objets est :

n!.n!.

Intuition : on a nn choix pour la première place, puis n1n-1 pour la deuxième, …, 11 pour la dernière, d'où le produit.

Méthode

Pour reconnaître une permutation :

  1. Vérifie qu'on utilise tous les nn éléments.
  2. Vérifie que l'ordre compte et qu'il n'y a pas de répétition.
  3. Le résultat est alors n!n!.
Exemple

De combien de façons peut-on ranger 55 livres distincts sur une étagère ?

On ordonne les 55 livres, donc c'est une permutation : 5!=5×4×3×2×1=120.5! = 5\times 4\times 3\times 2\times 1 = 120.

Astuce

🧠 Retiens 0!=10!=1 (ce n'est pas 00 !). Cette convention rend les formules d'arrangements et de combinaisons cohérentes.

Arrangements

Règle

Un arrangement de pp éléments parmi nn (avec 0pn0\le p\le n) est une liste ordonnée de pp éléments deux à deux distincts choisis dans un ensemble à nn éléments : c'est un tirage successif sans remise. Leur nombre est :

Anp=n×(n1)××(np+1)=n!(np)!.A_n^{\,p}=n\times(n-1)\times\cdots\times(n-p+1)=\dfrac{n!}{(n-p)!}.

Il y a exactement pp facteurs au numérateur, qui descendent de nn jusqu'à np+1n-p+1. Le mot-clé est : ordre + sans remise.

Méthode

Pour calculer un arrangement AnpA_n^{\,p} :

  1. Vérifie que l'ordre compte et qu'il n'y a pas de remise.
  2. Pars de nn et multiplie en descendant, en t'arrêtant après pp facteurs (le dernier est np+1n-p+1).
  3. (Ou bien applique Anp=n!(np)!A_n^{\,p}=\dfrac{n!}{(n-p)!}.)
Exemple

Dans une course de 88 chevaux, combien de podiums (1er, 2e, 3e) sont possibles ?

L'ordre compte, sans remise, p=3p=3 parmi n=8n=8 : A83=8×7×6=336.A_8^{\,3}=8\times 7\times 6 = 336.

Astuce

🔎 Une permutation est un arrangement particulier : Ann=n!0!=n!A_n^{\,n}=\dfrac{n!}{0!}=n!. Et An1=nA_n^{\,1}=n.

Combinaisons

Règle

Une combinaison de kk éléments parmi nn est un sous-ensemble (une partie) à kk éléments d'un ensemble à nn éléments : ici l'ordre ne compte pas et il n'y a pas de répétition. Leur nombre, noté (nk)\binom{n}{k} (lire « kk parmi nn »), vaut :

(nk)=n!k!(nk)!.\binom{n}{k}=\dfrac{n!}{k!\,(n-k)!}.

On passe de l'arrangement à la combinaison en divisant par k!k!, car chaque sous-ensemble de kk éléments peut être ordonné de k!k! façons :

(nk)=Ankk!.\binom{n}{k}=\dfrac{A_n^{\,k}}{k!}.

Cas particuliers : (n0)=1\binom{n}{0}=1, (nn)=1\binom{n}{n}=1, (n1)=n\binom{n}{1}=n.

Méthode

Pour calculer (nk)\binom{n}{k} :

  1. Choisis le plus petit entre kk et nkn-k (symétrie).
  2. Écris Ank=n(n1)(nk+1)A_n^{\,k}=n(n-1)\cdots(n-k+1) au numérateur (kk facteurs).
  3. Divise par k!k!.
  4. Simplifie avant de multiplier pour éviter les gros nombres.
Exemple

Combien de mains de 22 cartes parmi 55 ?

L'ordre ne compte pas, donc c'est une combinaison : (52)=5×42×1=202=10.\binom{5}{2}=\dfrac{5\times 4}{2\times 1}=\dfrac{20}{2}=10.

Autre exemple : (53)=5×4×33×2×1=606=10\binom{5}{3}=\dfrac{5\times 4\times 3}{3\times 2\times 1}=\dfrac{60}{6}=10 (on retrouve (52)\binom{5}{2} par symétrie).

Astuce

⚠️ Ne confonds pas arrangement et combinaison : « podium, classement, code » ⇒ ordre ⇒ arrangement ; « équipe, comité, main de cartes » ⇒ pas d'ordre ⇒ combinaison.

Propriétés : symétrie et triangle de Pascal

Règle

Les combinaisons vérifient deux propriétés essentielles.

Symétrie. Pour 0kn0\le k\le n : (nk)=(nnk).\binom{n}{k}=\binom{n}{n-k}. Choisir les kk éléments qu'on prend revient à choisir les nkn-k qu'on laisse.

Relation de Pascal. Pour 1kn1\le k\le n : (n1k1)+(n1k)=(nk).\binom{n-1}{k-1}+\binom{n-1}{k}=\binom{n}{k}. Elle permet de construire le triangle de Pascal, où chaque terme est la somme des deux situés juste au-dessus :

11112113311464115101051\begin{array}{cccccc}1\\ 1 & 1\\ 1 & 2 & 1\\ 1 & 3 & 3 & 1\\ 1 & 4 & 6 & 4 & 1\\ 1 & 5 & 10 & 10 & 5 & 1\end{array}

La ligne nn donne les (n0),(n1),,(nn)\binom{n}{0},\binom{n}{1},\dots,\binom{n}{n}. Enfin, la somme d'une ligne vaut k=0n(nk)=2n\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}=2^{\,n} : c'est le nombre total de parties d'un ensemble à nn éléments.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? La relation de Pascal se voit d'un coup. Pour choisir kk éléments parmi nn, fixons un élément témoin, disons Tom. Soit on prend Tom : il reste alors k1k-1 éléments à choisir parmi les n1n-1 autres, soit (n1k1)\binom{n-1}{k-1} façons. Soit on laisse Tom : on choisit les kk éléments parmi les n1n-1 autres, soit (n1k)\binom{n-1}{k} façons. Ces deux cas n'ont aucun chevauchement et couvrent tout, donc on les additionne : (n1k1)+(n1k)=(nk)\binom{n-1}{k-1}+\binom{n-1}{k}=\binom{n}{k}. Quant à k=0n(nk)=2n\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}=2^{\,n}, c'est encore plus parlant : pour fabriquer une partie, on passe les nn éléments en revue et pour chacun on dit « dedans » ou « dehors », soit 2×2××2=2n2\times 2\times\cdots\times 2=2^{\,n} choix — et trier ces parties selon leur taille kk redonne la somme des (nk)\binom{n}{k}.

Méthode

Pour utiliser le triangle de Pascal :

  1. Démarre chaque ligne et chaque fin de ligne par 11.
  2. Chaque case = somme des deux cases au-dessus (relation de Pascal).
  3. Lis (nk)\binom{n}{k} à la ligne nn, position kk (en comptant à partir de k=0k=0).
Exemple

Vérifions (41)+(42)=(52)\binom{4}{1}+\binom{4}{2}=\binom{5}{2} : (41)+(42)=4+6=10=(52).  \binom{4}{1}+\binom{4}{2}=4+6=10=\binom{5}{2}.\;✓

Et la symétrie : (52)=(53)=10\binom{5}{2}=\binom{5}{3}=10. ✓

Astuce

💡 La symétrie fait gagner du temps : pour (108)\binom{10}{8}, calcule plutôt (102)=10×92=45\binom{10}{2}=\dfrac{10\times 9}{2}=45.

Choisir le bon modèle de dénombrement

Règle

Pour compter, il faut d'abord identifier la situation en se posant deux questions :

  1. L'ordre compte-t-il ? (« podium, code, classement » ⇒ oui ; « comité, main, équipe » ⇒ non).
  2. Y a-t-il répétition / remise ? (un même élément peut-il apparaître plusieurs fois ?).

Le tableau de synthèse :

\bullet Ordre oui, répétition ouipp-uplet : npn^{\,p}.

\bullet Ordre oui, répétition nonarrangement : Anp=n!(np)!A_n^{\,p}=\dfrac{n!}{(n-p)!}.

\bullet Ordre non, répétition noncombinaison : (nk)=n!k!(nk)!\binom{n}{k}=\dfrac{n!}{k!\,(n-k)!}.

\bullet Cas particulier : on ordonne tout (p=np=n, sans répétition) ⇒ permutation : n!n!.

Méthode

Pour choisir le bon outil :

  1. Demande-toi si l'ordre compte.
  2. Demande-toi s'il y a répétition possible.
  3. Croise les deux réponses dans le tableau pour obtenir la formule à appliquer.
Exemple

« Combien de podiums (1er, 2e, 3e) parmi 88 ? » : ordre oui, répétition non ⇒ arrangement A83=336A_8^{\,3}=336.

« Combien d'équipes de 33 parmi 88 ? » : ordre non, répétition non ⇒ combinaison (83)=56\binom{8}{3}=56.

Astuce

🧭 Une même donnée (33 parmi 88) donne A83=336A_8^3=336 ou (83)=56\binom{8}{3}=56 selon que l'ordre compte ou non : c'est la question de l'ordre qui tranche.

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