Combinaison

Une combinaison est une façon de choisir un certain nombre d’éléments parmi un ensemble plus grand; autrement dit, une combinaison est un sous-ensemble d’un ensemble fini. Le mot combinaison est souvent préféré à sous-ensemble dans les contextes (par exemple, en combinatoire ou en probabilités) où l’on s’intéresse à compter le nombre de combinaisons différentes.

Définition et notation

Soit $A$ un ensemble de cardinalité $n$ et soit $k$ un entier naturel. Une $k$-combinaison est un sous-ensemble de $A$ de cardinalité $k$.

Le nombre de $k$-combinaisons d’un ensemble $n$ est noté $\binom{n}{k}$, ou $C_n^k$, ce qui se lit $k$ parmi $n$. La valeur $\binom{n}{k}$ est appelée le $(n,k)$-ième coefficient binomial.

Récurrence fondamentale

Il y a une unique $0$-combinaison et une unique $n$-combinaison, constituée respectivement par l’ensemble vide et $A$ tout entier. On en déduit

$$\binom{n}{0} = \binom{n}{n} = 1$$

pour tout entier naturel $n$. Par convention on étend $\binom{n}{k}$ à des valeurs de $k$ négatives ou supérieures à $n$ en posant

$$\binom{n}{k} = 0 \qquad$$

si $k < 0$ ou $k > n$.

Pour toutes les autres valeurs du coefficient binomial, on prouve aisément la récurrence suivante:

$$\binom{n}{k} = \binom{n-1}{k-1} + \binom{n-1}{k}.$$

Preuve: Soit $a\in A$ un élément quelconque, on compte d’abord les $k$-combinaisons contenant $a$. Si une $k$-combinaison contient $a$, ses autres $k-1$ éléments appartiennent à la différence $A\setminus a$ et forment donc une $(k-1)$-combinaison de $A\setminus a$. Comme à chaque $(k-1)$-combinaison de $A\setminus a$ correspond une unique $k$-combinaison de $A$ contenant $a$, ces combinaisons sont en nombre $\binom{n-1}{k-1}$.

On compte maintenant les combinaisons ne contenant pas $a$. Une telle $k$-combinaison contient $k$ éléments appartenant à $A\setminus a$, il y a donc $\binom{n-1}{k}$ de telles combinaisons. Puisque toute $k$ combinaison de $A$ doit nécessairement tomber dans l’une de ces deux catégories, on déduit l’égalité. CQFD

Triangle de Pascal

La récurrence fondamentale met en rapport les coefficients binomiaux avec le triangle de Pascal. Le triangle de Pascal est un tableau de nombres triangulaire et infini: par convention ses cases sont numérotées en partant de $0$ du haut vers le bas et de la gauche vers la droite. Le contenu des cases est défini ainsi:

• La case en (0,0) vaut 1;
• Toute autre case est obtenue en faisant la somme des deux cases immédiatement au dessus à gauche et droite. S’il n’y a pas de case à gauche ou à droite, sa valeur est considérée égale à 0.

L’animation suivante montre la procédure pour obtenir une case du triangle de Pascal.

Auteur: Hersfold. Source: Wikimedia Commons

De cette définition il est immédiat que les cases du triangle de Pascal obéissent la même récurrence que les coefficients binomiaux. En effet, la valeur de la case $(n,k)$ est exactement le coefficient binomial $\binom{n}{k}$.

Il est bien connu que la $n$-ième ligne du triangle de Pascal donne les coefficients qui apparaissent dans l’expansion de la formule $(a+b)^n$. En effet, on peut prouver l’égalité suivante (appelée théorème binomial):

$$(a+b)^n = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k}a^n b^{n-k}.$$

Exercice: prouver cette égalité par récurrence.

Autres égalités remarquables

Une formule souvent utilisée pour calculer avec les coefficients binomiaux est la suivante:

$$\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!(n-k)!}.$$

D’autres formules utiles sont

• $\binom{n}{k} = \binom{n}{n-k}$,
• $\binom{n}{k} = \frac{n}{k}\binom{n-1}{k-1}$,
• $\sum_{k=0}^n \binom{n}{k} = 2^n$.

La dernière est une conséquence immédiate du théorème binomial, mais elle peut aussi être déduite de la façon suivante: la réunion des $k$-combinaisons pour tout $k$ forme l’ensemble des parties de $A$.

Exercice: montrer par récurrence les égalités précédentes.

Combinaisons ordonnées

Un autre objet d’intérêt en combinatoire sont les combinaisons ordonnées. Une $k$-combinaison ordonnée est une liste ordonnée d’éléments d’un ensemble de $n$ éléments. Contrairement aux combinaisons définies précédemment, ici l’ordre des éléments compte, ainsi si on se donne l’ensemble $1,2,\dots,n$, les combinaisons ordonnées

$$(3,5,2)\quad\text{et}\quad(5,2,3)$$

ne sont plus égales.

Le nombre de $k$-combinaison ordonnées d’un ensemble de $n$ éléments est parfois noté avec le symbole de Pochammer $(n)_k$.

Récurrence

Comme pour les combinaisons, il y a une seule $0$-combinaison ordonnée:

$$(n)_0 = 1.$$

Il est facile de voir qu’une $n$-combinaison est simplement une anagramme du mot composé de tous les éléments de l’ensemble. Par conséquent

$$(n)_n = n!$$

Dans le cas général, si on fixe le premier élément d’une combinaison ordonnée, il restent $k-1$ éléments à choisir (de façon ordonnée) parmi $n-1$, on a donc la récurrence

$$(n)_k = n\cdot(n-1)_{k-1},$$

D’où on déduit immédiatement que $(n)_k$ est égal à la factorielle descendante

$$(n)_k = n(n-1)(n-2)\cdots(n-k+1) = \frac{n!}{(n-k)!}.$$

La formule pour le coefficient binomial peut alors être déduite immédiatement de l’équation ci-dessus. En effet, Pour chaque $k$-combinaison non ordonnée, il y a $k!$ combinaisons ordonnées, correspondantes à ses $k!$ anagrammes. Par conséquent

$$\binom{n}{k} = \frac{(n)_k}{k!} = \frac{n!}{(n-k)!k!}.$$