Mathématiques : 1Bac SM

Séance 3-1 : Applications (Cours)

 

 

Professeur : Mr CHEDDADI Haitam

 

Sommaire

 

I- Application d'un ensemble vers un autre

1-1/ Applications

1-2/ Égalité de deux applications

1-3/ Image directe et image réciproque d’une partie

II- Restriction et prolongement d’une application

2-1/ Restriction d’une application

2-2/ Prolongement d'une application

III- Injectivité - Surjectivité - Bijectivité

3-1/ Application injective

3-2/ Application surjective

3-3/ Application bijective

3-4/ L'application réciproque d'une bijection

IV- Composition des applications

 


I- Application d'un ensemble vers un autre

 

1-1/ Applications

Définition

Soit E et F deux ensembles non vides.

On appelle application de E vers F toute relation f qui, à tout élément x de E associe un unique élément y de F.

On écrit alors : y=fx

L’application f est souvent notée de la manière suivante : f : EF    xfx

Remarque

On peut reformuler la définition d’une application comme suit :

(f est une application de E vers F)xE!yF ; y=fx

 

 

Définition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F.

L'ensemble E est appelé ensemble de départ de l'application f.

L'ensemble F est appelé ensemble d'arrivée de l'application f.

Pour tout xE, l'unique élément y de F tel que y=fx est appelé image de x par f.

Pour tout yF, tout élément x de E tel que y=fx (il peut ne pas exister, en exister un, en exister plus d'un) est appelé un antécédent de y par f.

On appelle graphe de l'application f l'ensemble des couples x;fx lorsque x décrit E.

On le note Gf. On a alors : Gf=x;yE×F/y=fx

 

 

Applications

On considère l'application f définie par : f : 2    x;yx+y

  1. Déterminer les antécédents de 0 par f.
  1. Déterminer l'ensemble des antécédents des éléments 2 et 3.
  1. L'implication suivante est-elle vraie : fa;b=fc;da;b=c;d ? Justifier la réponse.

On considère les ensembles E=-5;-2;-1;2;5 et F=1;2;5.

  1. Définir une application de E vers F.
  1. Définir une application de F vers E.

 

1-2/ Égalité de deux applications

Définition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F et g une application d'un ensemble E' vers un ensemble F'.

On dit que les applications f et g sont égales et on écrit f=g si elles ont le même ensemble de départ E=E', le même ensemble d'arrivée F=F' et si xE fx=gx.

 

 

Applications

Dans chacun des cas suivants, montrer que les applications / et g sont égales :

1er cas :

f :     x1-cos6x-sin6x  et  g :     x3cos2x.sin2x

2ème cas :

f : ]-π2;π2[    x1-cosx-sinx2  et  g : ]-π2;π2[    x2tanx1+tan2x

3ème cas :

f : ]0;π[    xsinx1+cosx  et  g : ]0;π[    x1-cosxsinx

 

 

1-3/ Image directe et image réciproque d’une partie

Définition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F.

Pour toute partie A de E, on définit l'image directe de A par f, notée fA par :

fA=fx/xA

On a donc : yfAxA ; y=fx

 

 

Applications

On considère l'application : f : +    xx-4x+1

  1. Déterminer f0;4.
  1. Montrer que : f]1;+[=[-3;+[

On considère l'application : g :     xcosx+sinx

  1. Justifier que pour tout x : cosx+sinx2=1+2sinx.cosx
  1. En déduire que : g-3;3

 

 

Proposition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F, et A et B deux parties de E.

Alors :

1 fAF2 A=fA=3 ABfAfB4 fAB=fAfB5 fABfAfB

 

 

Remarques

Attention, on n’a pas, en général fAB=fAfB.

On peut par exemple examiner :

f :     xx2 et A=-2;-1 et B=1;2

On trouve : fAB=f= et fAfB=1;41;4=1;4

 

 

Définition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F.

Pour toute partie B de F, on définit l'image réciproque de B par f, notée f-1B par :

f-1B=xE/fxB

On a donc : xf-1BfxB

 

 

Remarques

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F, et B une partie de F.

- On a f-1= et f-1F=E.

- Pour tout yF : f-1y=xE/fx=y

- L'égalité f-1B= ne signifie pas que B=.

 

Proposition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F, et A et B une partie de F.

Alors :

1 f-1AE2 ABf-1Af-1B3 f-1AB=f-1Af-1B4 f-1AB=f-1Af-1B

 

 

Applications

On considère l'application : f :     xx2+2x

  1. Déterminer f-1-1;0 et f-1[3;+[.

On considère l'application : g : +*    x1+1x

  1. Déterminer g-1]1;2][5;+[

II- Restriction et prolongement d’une application

 

2-1/ Restriction d’une application

Définition

Soit f : EF une application et A une partie de E.

On appelle restriction de f à la partie , l'application g définie par : g : AF    xfx

On a alors AE et gx=fx  pour tout xA.

 

 

Applications

On considère l'application g définie de  vers par : g(x)=2x-x+3

  1. Déterminer la restriction de l'application g à l'intervalle ]-;0].

Soit f l'application définie de  vers par : f(x)= x2-2x

  1. A-t-on l'implication a;b2: fa=fba=b ? Justifier votre réponse.
  1. Montrer que la restriction de  à l'intervalle [1;+[ vérifie l'implication précédente.

 

 

2-2/ Prolongement d'une application

Définition

Soit f : EF une application et G un ensemble tel que EG.

On appelle prolongement de f à la partie G, toute application g définie de G vers F telle que :

xG : gx=fx

Remarque

La restriction d'une application à une partie est unique mais on a en général plusieurs prolongements possibles d'une application à un même ensemble.

 

III- Injectivité - Surjectivité - Bijectivité

 

3-1/ Application injective

Définition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F.

On dit que l'application f est injective (on dit aussi que c'est une injection) si tout élément de F a au plus un antécédent dans E par l'application f.

Autrement dit, pour tout yF, l'équation y=f(x) admet au plus une solution x dans E.

Cela s'écrit : x;xE2 : fx=fx'x=x'

 

 

Applications
  1. Dans chacun des cas suivants, montrer que l'application f est injective :

1 f :          xx2018+x2 f :          xxx2+13 f : ]-;1]         xx2-x

 

 

3-2/ Application surjective

Définition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F.

On dit que l'application f est surjective (on dit aussi que c'est une surjection) si tout élément de F a au moins un antécédent dans E par l'application f.

Autrement dit, pour tout yF, l'équation y=f(x) admet au moins une solution x dans E.

Cela s'écrit : yFxE : y=fx

 

 

Proposition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F. Alors :

(f est surjective)fE=F

 

 

Applications
  1. Dans chacun des cas suivants, montrer que l'application f est surjective :

1 f : ]-;3[ ]-;2[         x2x+1x-32 f : [1;+[+         xx2-x3 f : ]]-1;2]         xx+1x2+1

Soit g l'application : g :*    nn3-n

  1. Montrer que g est injective.
  1. Montrer que pour tout n*gn est paire.
  1. En déduire que g n'est pas surjective.

Soit h l'application : h :F    xx2-6x+5

  1. Déterminer F pour que h soit surjective.

 

 

3-3/ Application bijective

Définition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F.

On dit que l'application f est bijective (on dit aussi que c'est une bijection) si tout élément de F admet exactement un antécédent dans E par l'application f.

Autrement dit, pour tout yF, l'équation y=f(x) admet une solution unique x dans E.

Cela peut s'écrire : yF!xE : y=fx

 

 

Remarque

Si on veut être précis en termes de vocabulaire, on doit dire :

  • f est une application de E vers F.
  • f est une injection de E vers F.
  • f est une surjection de E vers F.
  • f est une bijective de E vers F.

Néanmoins, dans la pratique, on n'est pas aussi méticuleux et on dit que f est une application, une injection, une surjection, une bijection de E vers F ou de E dans F.

 

Proposition

Soit f une application d'un ensemble E vers un ensemble F. Alors :

f est bijective si, et seulement si, f est injective et surjective

 

 

Applications

Soit f l'application définie de  dans ]-1;1[ par : fx=x1+x

  1. Montrer que f est injective.
  1. Montrer que f est surjective.
  1. En déduire que f est bijective.

Soit g l'application définie de + dans par : gx=x2-1x2+1

  1. Montrer que g est injective et surjective.
  1. Que peut-en conclure de l'application g ?

 

 

3-4/ L'application réciproque d'une bijection

Définition

Soit f une application bijective d'un ensemble E vers un ensemble F.

En associant à tout élément yF son unique antécédent par f, on définit une application de F dans E.

Cette application est appelée application réciproque de l'application f (ou simplement la réciproque de f) et notée f-1.

Elle est caractérisée par l'équivalence suivante :

y=fxxEx=f-1yyF

 

 

Applications

On considère l'application : g : [1;+[[2;+[    xx2+x

  1. Montrer que l'application g est bijective.
  1. Déterminer son application réciproque g-1.

 

IV- Composition des applications

 

Définition

Soit f une application de E vers F, et g une application de Fdans G.

L’application h définie de E dans G par hx=gfx est appelée composée des applications f et g dans cet ordre

Elle est notée gf (se lit : g rond f).
 
On a alors : xE gfx=gfx

 

 

Remarque

Attention ! il se peut que l'on puisse définir l'application gf mais que l'on ne puisse pas définir l'application fg.

Si l'on peut définir fg et gf, ces deux applications ne sont pas forcément égales, donc la composition des applications n'est pas une opération commutative.

Par contre, la composition des applications est une opération associative, c'est-à-dire : pour trois applications f : EFg : FG et h : GH, on a : hgf=hgf

 

 

Applications

On considère les applications f :     xx2+4x2+1 et g :     x13x+2

  1. Déterminer fg, gfff et gg.

On considère les applications f : +    xx2+2 et g : +    x3+x

  1. Déterminer fg, gf et ff.

On considère les translations du plan tu et tv.

  1. Déterminer l'application tutv (On rappelle que tuM=M'MM'=u).

 

 

Proposition

Soit f une application de E vers F, et g une application de Fdans G.

1- Si les applications f et g sont injectives, alors l'application gf est injective de E dans G.

2- Si les applications f et g sont surjectives, alors l'application gf est surjective de E dans G.

3- Si les applications f et g sont bijectives, alors l'application gf est bijective de E dans G, et on a :

gf-1=f-1g-1

4- Si l'application f est bijective, alors :

xE  f-1fx=x et xF  ff-1x=x

 

 

Remarque

Si f est une application bijective de E vers F et f-1 son application réciproque, alors :

f-1f=IdE et ff-1=IdF

IdE est l'application identique de E et IdF est l'application identique de F définies par :

IdE : EE     xx et IdF : FF     xx

 

 

Applications

Soit E un ensemble non vide.

On considère l'application f définie de PE dans PE par : fA=A¯

  1. Montrer que l'application f est injective.
  1. Montrer que l'application f est surjective
  1. En déduire que l'application f est bijective, puis déterminer sa bijection réciproque.

On considère l'application g définie de 0;14 dans 0;14 par : gx=x-x

  1. Montrer que l'application g est bijective et déterminer sa bijection réciproque.

On considère l'application : f : [1;+[    xx-1-2x-1

  1. Déterminer f-1-12.
  1. L'application f est-elle injective ? Justifier votre réponse.
  1. Montrer que f[1;+[=[0;+[.
  1. L'application f est-elle surjective ? Justifier votre réponse.

On considère l'application : g : [0;+[]-1;+[    xx2-2x

  1. Déterminer une application h telle que f=gh.
  1. Montrer que les applications g et h sont surjectives et en déduire que f est surjective.

Soit h l'application définie de ]1;+[ dans ]1;3[ par : hx=x2+x+1x2-x+1

  1. Montrer que l'application h est bijective et donner sa bijection réciproque.