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Terminale Spé Maths / Chapitre 9 : Dénombrement

Dénombrement : exercices type bac

Trois exercices complets, dans le style de l'épreuve du bac :

  • une urne à trois couleurs avec tirage simultané puis successif et calculs de probabilités ;
  • l'étude d'un ensemble de parties avec l'identité k(nk)=n(n−1k−1)k\dbinom nk=n\dbinom{n-1}{k-1} et un dénombrement de « bureaux » ;
  • un code d'accès avec contraintes et un script Python de vérification.

Les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une excellente copie de bac :

  • Ω\Omega décrit ;
  • équiprobabilité justifiée ;
  • modèle précisé (ordre, remise) ;
  • chaque facteur expliqué ;
  • complémentaire utilisé pour « au moins un » ;
  • probabilités simplifiées.

Elles suivent le Guide de rédaction général et celui du chapitre. Durée conseillée : 30 minutes par exercice, sur papier, sans regarder la correction.

💡 Comment t'entraîner efficacement

  • Chronomètre-toi et rédige tout, comme le jour du bac.
  • Pour chaque dénombrement, écris d'abord le modèle : ordre ? répétition ? tirage simultané ou successif ?
  • Pour une probabilité, décris Ω\Omega et justifie l'équiprobabilité.
  • À la fin de chaque exercice, ouvre « Points clés attendus » : c'est la liste de ce que le correcteur cherche.

Exercice 1 : une urne à trois couleurs

Une urne contient 1212 boules indiscernables au toucher :

  • 44 rouges ;
  • 33 vertes ;
  • 55 jaunes.

On tire simultanément 44 boules de l'urne.

1. Combien y a-t-il de tirages possibles ?

2. Calculer la probabilité de l'événement AA : « obtenir exactement 22 boules rouges ».

3. Calculer la probabilité de l'événement BB : « obtenir au moins une boule jaune ».

4. Calculer la probabilité de l'événement CC : « obtenir exactement 22 boules jaunes ».

5. On tire maintenant successivement et sans remise 44 boules. Calculer la probabilité d'obtenir 44 boules rouges. Comparer avec le tirage simultané.

✏️ Correction de la question 1

Un tirage simultané de 44 boules parmi 1212 est une partie à 44 éléments d'un ensemble à 1212 éléments (sans ordre, sans répétition). (124)=12×11×10×924\dbinom{12}4=\dfrac{12\times11\times10\times9}{24}.

✅ Il y a 495495 tirages possibles.

✏️ Correction de la question 2

Les boules sont indiscernables au toucher : les 495495 tirages sont équiprobables.

Pour AA :

  • 22 boules rouges parmi 44 : (42)=6\dbinom42=6 façons ;
  • 22 boules parmi les 88 non rouges : (82)=28\dbinom82=28 façons.

∣A∣=6×28=168|A|=6\times28=168

✅ P(A)=168495=56165≈0,339P(A)=\dfrac{168}{495}=\dfrac{56}{165}\approx0{,}339

✏️ Correction de la question 3

On passe à l'événement contraire B‾\overline B : « aucune boule jaune ». Ce sont les tirages de 44 boules parmi les 77 non jaunes : (74)=35\dbinom74=35. P(B‾)=35495=799P(\overline B)=\dfrac{35}{495}=\dfrac7{99}.

✅ P(B)=1−799=9299≈0,929P(B)=1-\dfrac7{99}=\dfrac{92}{99}\approx0{,}929

✏️ Correction de la question 4

Pour CC :

  • 22 boules jaunes parmi 55 : (52)=10\dbinom52=10 façons ;
  • 22 boules parmi les 77 non jaunes : (72)=21\dbinom72=21 façons.

∣C∣=10×21=210|C|=10\times21=210

✅ P(C)=210495=1433≈0,424P(C)=\dfrac{210}{495}=\dfrac{14}{33}\approx0{,}424

✏️ Correction de la question 5

Le tirage est successif sans remise. Ω\Omega est l'ensemble des 44-uplets de boules distinctes. ∣Ω∣=12×11×10×9=11 880|\Omega|=12\times11\times10\times9=11\,880 (équiprobables).

Les 44-uplets de 44 boules rouges sont au nombre de 4×3×2×1=244\times3\times2\times1=24.

✅ P=2411 880=1495P=\dfrac{24}{11\,880}=\dfrac1{495}

Comparaison. Pour le tirage simultané, il y a une seule partie formée des 44 boules rouges : (44)=1\dbinom44=1. P=1495P=\dfrac1{495}.

On obtient la même probabilité.

C'est cohérent : ordonner les tirages ne change pas la probabilité d'un événement qui ne dépend pas de l'ordre.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 1

• Q1 : le modèle est nommé (partie à 44 éléments), calcul de (124)\dbinom{12}4.

• Q2 : équiprobabilité justifiée, deux choix séparés multipliés, fraction simplifiée.

• Q3 : événement contraire correctement défini (aucune jaune), combinaison de 44 parmi 77, P(B)=1−P(B‾)P(B)=1-P(\overline B).

• Q4 : deux choix multipliés.

• Q5 : Ω\Omega décrit avec ordre (44-uplets), dénombrement avec le même modèle, comparaison justifiée.


Exercice 2 : parties d'un ensemble et bureaux

Soit nn un entier naturel non nul et EE un ensemble à nn éléments.

1. Combien EE a-t-il de parties ? Justifier.

2. Montrer que, pour tout n≥1n\ge1 : (n0)−(n1)+(n2)−⋯+(−1)n(nn)=0\dbinom n0-\dbinom n1+\dbinom n2-\dots+(-1)^n\dbinom nn=0. En déduire le nombre de parties de EE de cardinal pair, pour n=10n=10.

3. Démontrer que, pour 1≤k≤n1\le k\le n : k(nk)=n(n−1k−1)k\dbinom nk=n\dbinom{n-1}{k-1}.

4. En déduire que ∑k=0nk(nk)=n×2n−1\displaystyle\sum_{k=0}^nk\binom nk=n\times2^{n-1}.

5. Un club compte 1010 membres.

Un « bureau » est un groupe non vide de membres dont l'un est désigné président.

Combien y a-t-il de bureaux ?

Vérifier avec un script Python.

✏️ Correction de la question 1

Pour former une partie de EE, on décide pour chacun des nn éléments s'il appartient à la partie ou non. 22 choix pour chaque élément. D'après le principe multiplicatif :

✅ EE a 2n2^n parties.

✏️ Correction de la question 2

D'après la formule du binôme avec a=1a=1 et b=−1b=-1 :

0n=(1−1)n=∑(nk)1n−k(−1)k=∑(−1)k(nk)0^n=(1-1)^n=\sum\binom nk1^{n-k}(-1)^k=\sum(-1)^k\binom nk

Comme n≥1n\ge1, 0n=00^n=0.

✅ ∑(−1)k(nk)=0\displaystyle\sum(-1)^k\binom nk=0

Notons PP la somme des (nk)\dbinom nk pour kk pair, et II celle pour kk impair. On a P−I=0P-I=0 (ce qui précède). On a P+I=2nP+I=2^n (question 1). Donc P=I=2n−1P=I=2^{n-1}.

Pour n=10n=10 :

✅ 29=5122^9=512 parties de cardinal pair.

✏️ Correction de la question 3

Pour 1≤k≤n1\le k\le n :

k(nk)=k×n!k! (n−k)!=n!(k−1)! (n−k)!k\binom nk=k\times\frac{n!}{k!\,(n-k)!}=\frac{n!}{(k-1)!\,(n-k)!}

Or n!=n×(n−1)!n!=n\times(n-1)! et n−k=(n−1)−(k−1)n-k=(n-1)-(k-1). Donc :

n!(k−1)! (n−k)!=n×(n−1)!(k−1)! ((n−1)−(k−1))!=n(n−1k−1)\frac{n!}{(k-1)!\,(n-k)!}=n\times\frac{(n-1)!}{(k-1)!\,\big((n-1)-(k-1)\big)!}=n\binom{n-1}{k-1}

✅ k(nk)=n(n−1k−1)k\dbinom nk=n\dbinom{n-1}{k-1} ∎

✏️ Correction de la question 4

Le terme k=0k=0 est nul. D'après la question 3 :

∑k=1nk(nk)=n∑k=1n(n−1k−1)\sum_{k=1}^nk\binom nk=n\sum_{k=1}^n\binom{n-1}{k-1}

On pose j=k−1j=k-1. Cette somme vaut :

n∑j=0n−1(n−1j)=n×2n−1n\sum_{j=0}^{n-1}\binom{n-1}j=n\times2^{n-1}

d'après la somme des coefficients (question 1 appliquée à un ensemble de n−1n-1 éléments).

✅ ∑k(nk)=n×2n−1\displaystyle\sum k\binom nk=n\times2^{n-1} ∎

✏️ Correction de la question 5

Un bureau est :

  • une partie non vide de kk membres : (10k)\dbinom{10}k choix ;
  • munie d'un président choisi parmi ses kk membres : kk choix.

Le nombre de bureaux est donc ∑k=110k(10k)=10×29\displaystyle\sum_{k=1}^{10}k\binom{10}k=10\times2^9.

✅ Il y a 5 1205\,120 bureaux.

Autre dénombrement. On choisit d'abord le président : 1010 façons. Puis on décide pour chacun des 99 autres membres s'il fait partie du bureau ou non : 29=5122^9=512 façons. 10×512=5 12010\times512=5\,120 ✓

Script :

from math import comb

print(sum(k * comb(10, k) for k in range(1, 11)))

Le script affiche 5120. Cela confirme le résultat.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 2

• Q1 : choix « dedans » ou « dehors » pour chaque élément, principe multiplicatif.

• Q2 : formule du binôme citée avec a=1a=1 et b=−1b=-1, système P+IP+I et P−IP-I, valeur pour n=10n=10.

• Q3 : calcul factoriel détaillé, conditions sur kk mentionnées.

• Q4 : terme k=0k=0 traité, changement d'indice j=k−1j=k-1 explicite, utilisation de la somme des coefficients.

• Q5 : modèle « partie + président » décrit, deux dénombrements concordants, script cohérent avec le résultat.


Exercice 3 : un code d'accès

Un code d'accès est formé de :

  • 22 lettres majuscules (parmi 2626) ;
  • suivies de 33 chiffres (parmi 00 à 99).

Par exemple : QX-407.

1. Combien y a-t-il de codes ?

2. Combien de codes ont leurs 22 lettres distinctes et leurs 33 chiffres distincts ?

3. Combien de codes contiennent au moins un chiffre 00 ?

4. Combien de codes ont leurs 33 chiffres strictement croissants (dans l'ordre de lecture) ?

5. On choisit un code au hasard.

Calculer la probabilité que ses 33 chiffres soient distincts.

Puis la probabilité qu'ils soient strictement croissants.

6. Écrire un script Python qui compte : les triplets de chiffres distincts ; les triplets strictement croissants ; ceux contenant au moins un 00. Comparer avec les résultats précédents.

✏️ Correction de la question 1

Un code est un couple de lettres suivi de 33 chiffres, avec répétitions possibles. 26×26×10×10×10=262×103=676×1 00026\times26\times10\times10\times10=26^2\times10^3=676\times1\,000.

✅ Il y a 676 000676\,000 codes.

✏️ Correction de la question 2

On choisit successivement :

  • la première lettre : 2626 choix ;
  • la seconde, différente : 2525 choix ;
  • le premier chiffre : 1010 choix ;
  • le deuxième, différent : 99 choix ;
  • le troisième, différent des deux premiers : 88 choix.

26×25×10×9×8=650×72026\times25\times10\times9\times8=650\times720

✅ Il y a 468 000468\,000 codes.

✏️ Correction de la question 3

On passe au complémentaire. Les codes sans aucun 00 utilisent 99 chiffres possibles pour chacune des 33 positions : 262×93=676×729=492 80426^2\times9^3=676\times729=492\,804.

Le nombre de codes contenant au moins un 00 est donc 676 000−492 804676\,000-492\,804.

✅ Il y a 183 196183\,196 codes.

On peut aussi écrire : 262×(103−93)=676×27126^2\times\left(10^3-9^3\right)=676\times271.

✏️ Correction de la question 4

Trois chiffres strictement croissants sont trois chiffres distincts rangés dans l'ordre croissant. Il suffit donc de choisir l'ensemble des 33 chiffres : son ordre est alors imposé.

Choix des chiffres : (103)=120\dbinom{10}3=120. Lettres quelconques : 262=67626^2=676. 676×120676\times120.

✅ Il y a 81 12081\,120 codes.

✏️ Correction de la question 5

Les 676 000676\,000 codes sont équiprobables (choix au hasard).

Chiffres distincts : 262×10×9×8=676×72026^2\times10\times9\times8=676\times720 codes.

✅ P=676×720676×1 000=7201 000=0,72P=\dfrac{676\times720}{676\times1\,000}=\dfrac{720}{1\,000}=0{,}72

Chiffres strictement croissants : 676×120676\times120 codes.

✅ P=1201 000=0,12P=\dfrac{120}{1\,000}=0{,}12

Les lettres ne jouent aucun rôle dans ces deux probabilités : elles se simplifient.

✏️ Correction de la question 6
from itertools import product

distincts = 0
croissants = 0
avec_zero = 0
for c in product(range(10), repeat=3):
    if len(set(c)) == 3:
        distincts = distincts + 1
    if c[0] < c[1] and c[1] < c[2]:
        croissants = croissants + 1
    if 0 in c:
        avec_zero = avec_zero + 1

Le script parcourt les 103=1 00010^3=1\,000 triplets de chiffres.

✅ Il donne 720720, 120120 et 271271.

On retrouve :

  • 10×9×8=72010\times9\times8=720 (question 2) ;
  • (103)=120\dbinom{10}3=120 (question 4) ;
  • 103−93=27110^3-9^3=271 (question 3).

Multipliés par 26226^2 pour les lettres : 183 196=676×271183\,196=676\times271 et 81 120=676×12081\,120=676\times120.

✏️ Points clés attendus pour l'exercice 3

• Q1 : choix successifs avec répétitions, principe multiplicatif.

• Q2 : les cinq choix successifs sont justifiés (2525, 99, 88 par « distinct »).

• Q3 : complémentaire correctement défini (« aucun 00 »), résultat en 262×(103−93)26^2\times\left(10^3-9^3\right).

• Q4 : idée « choisir l'ensemble, l'ordre est imposé » expliquée, (103)\dbinom{10}3 utilisé.

• Q5 : équiprobabilité justifiée, simplification par les lettres, valeurs 0,720{,}72 et 0,120{,}12.

• Q6 : le script est correct et ses résultats sont reliés aux formules.


🎯 Les réflexes à retenir

  • Écris toujours le modèle (avec ou sans ordre, avec ou sans remise) avant de calculer.
  • Pour une composition imposée : choisis séparément chaque groupe, puis multiplie.
  • Pour « au moins un » : complémentaire.
  • Pour une probabilité : décris Ω\Omega, justifie l'équiprobabilité, garde le même modèle partout.
  • Pour une identité : calcul factoriel ou double comptage, en définissant l'ensemble compté.
  • Vérifie avec Python sur de petits cas.

Aller plus loin avec les vrais sujets

Quand tu es à l'aise avec ce chapitre, entraîne-toi sur les exercices de dénombrement et de probabilités des sujets officiels des années précédentes.

Ils sont disponibles sur le site de l'APMEP.

Chronomètre-toi et rédige comme le jour du bac.

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