Solutions entières de $x_1+x_2+\cdots+x_p=n$

Bonjour,
j'ai consulté cette vidéo du site @netprof concernant le dénombrement des solutions entières de la somme $x_1+x_2+x_3+\cdots+x_p=n$
https://www.youtube.com/watch?v=r8Rl7GPQoBk&list=PLGYKyocXgHJJyduCc-cbEPIwiyda4sGIK&index=91

La personne réalisant la correction de cet exercice affirme qu'il existe une bijection entre les p-uplets de solutions et leur écriture à l'aide des symboles "+" et "1".
Par exemple, si on cherche le nombre de triplets de solutions de l'équation $x_1+x_2+x_3=10$, il donne l'exemple suivant : il décompose et donne cette somme sous la forme 1+11+1111111 (il doit y avoir 10 fois le chiffre 1 dans cette écriture et le signe "+" y apparaît deux fois).
Il s'intéresse donc aux mots de 12 lettres que l'on peut former à l'aide de l'alphabet {+ , 1}. Et il les dénombre.
Le mieux est de visionner la vidéo, elle est courte.

Cependant, cette correspondance n'est pas bijective il me semble.
Car par exemple, le mot +111+11111111 n'a pas de sens en termes de somme de nombres entiers. Les mots ne peuvent ni commencer ni terminer par un "+".
Et les mots qui contiennent deux symboles "+" consécutifs ne conviennent pas non plus.
Sa méthode fonctionne si l'on cherchait tous les mots de 12 lettres que l'on puisse former dans cet alphabet. Or certains n'ont aucun sens.
Quelle est donc la bonne façon ou méthode pour dénombrer tous les cas possibles ?
Merci.

Réponses

  • En effet il faut fixer le nombre de $+$ à deux.
    L’écriture commençant par un $+$ est une solution qui commence par $0+...$.
    De même, le $0$ peut intervenir entre deux $+$ ou à la fin, derrière un $+$ qui termine le mot.
    Enfin, il faut que le nombre de $1$ soit égal à dix.

    De manière savante ça revient à écrire les termes en base « un », sauf les zéros qui sont, comme décrit plus haut, représentés par l’absence de symbole.

    J’espère n’avoir rien oublié.
  • Dans la vidéo, ce n'est pas très clair. Je pensais que l'intervenant ne considérait que des sommes de termes non nuls.

    A moins que je n'aie pas compris l'énoncé. Je suis parti du fait qu'il fallait trouver toutes les combinaisons non triviales permettant d'obtenir la somme n.
  • Je n’ai pas réussi à la regarder (connexion pourrie).

    Dans ce cas en effet il faut « cadrer » les sommes et les obliger de commencer et finir par $1$.
    Interdire aussi les $++$.
  • C'est le nombre d'applications croissantes de [1, n] dans [1, p] = Knp = Cp-1n+p-1, ce qu'on appelait dans ma jeunesse le nombre de combinaisons avec répétition de p objets pris n à n.
  • Vu ton explicatin, l'idée est juste. Si aucun $1$ précéde un $+$ alors c'est un zéro là $++=0+0+$. Les nombres sont dans $\mathbb{N}$.

    Edit, je n'ai pas vu les autres posts.
  • Bonjour GG, pourrais-tu développer ton idée sur les applications croissantes, s'il te plait ?
    Je n'arrive pas à faire le lien avec le problème proposé.
  • Remplacer les + par des 0 et considérez les mots formés de 0 et de 1. Ça vous évitera de vouloir faire des additions et donc de vous poser des questions qui vous créent plus de problèmes qu'elles n'en résolvent.
  • Exact !
    Et s’interdire les mots commençant par $0$, finissant par $0$, contenant $00$ et enfin n’autoriser que les mots qui contiennent deux $0$ (et dix $1$, bien entendu).

    On peut alors simplifier : puisque l’on a un $1$ en début et en fin, on les « oublie » et on cherche des mots contenant huit $1$ et deux $0$ non consécutifs.
  • Salut Rietveld,

    a) dénombrement des applications strictement croissantes de [1, p] dans [1, n] :
    ces applications sont en correspondance bijective avec leur image. Il y en a donc autant que de parties de [1, n] à p éléments, soit

    Cnp = n!/(p!(n-p)!)

    b) dénombrement des applications croissantes de [1, p] dans [1, n] :
    une telle application f est en correspondance bijective avec l'application strictement croissante g de [1, p] dans [1, n+p-1] définie par g(i) = f(i)+i-1.

    Il y en a donc Cpn+p-1

    c) dénombrement des combinaisons sans répétition de n objets pris p à p :
    ce sont les suites de p termes distincts d'éléments de [1, n] sans tenir compte de l'ordre, autrement dit les classes d'équivalence de A / ~, où A est l'ensemble des injections de [1, p] dans [1, n] et f ~ g la relation d'équivalence sur A définie par im f = im g. Ces classes s'identifient aux parties à p éléments de [1, n] et sont donc au nombre de

    Cnp.

    d) dénombrement des combinaisons avec répétition de n objets pris p à p :
    ce sont les suites de p termes d'éléments de [1, n] sans tenir compte de l'ordre, autrement dit les classes d'équivalence de F / ~, où F est l'ensemble des applications de [1, p] dans [1, n] et f ~ g la relation d'équivalence sur F définie par $\varphi$(f) = $\varphi$(g), avec $\varphi$(f) = ( card f -1(i) ) i pour i de 1 à n.
    On voit donc que ces classes s'identifient aux n-uples (x1, x2, .. xn) solutions en entiers naturels de l'équation x1+ .. +xn = p.
    On remarque aussi que chaque classe contient une unique application de F qui soit croissante, que l'on peut donc prendre comme représentant de la classe. Ainsi, il y a autant de combinaisons avec répétition de n objets pris p à p (et de solutions de l'équation précédente) que d'applications croissantes de [1, p] dans [1,n], soit

    Knp = Cpn+p-1

    Par exemple, la solution
    2 + 0 + 2 + 2 +1 = 7 (x1 à x5)
    correspond à la combinaison avec répétition des chiffres 1 à 5 :

    1133445

    Concernant l'équation, on peut aussi définir y1 = x1+1, y2 = x1 + x2+1, ... yn = p+1.
    Les x1, x2, .. xn sont en correspondance bijective avec les y1, y2, ... yn-1 croissants dans [1, p+1], et les solutions sont au nombre de

    Kp+1n-1

    et l'on retrouve bien le même nombre puisque

    Kp+1n-1 = Cn-1n+p-1 = Knp

    Finalement, on peut aussi choisir n-1 séparateurs parmi p+n-1 cases, et prendre comme valeurs des xi le nombre de cases entre deux séparateurs contigus et l'on obtient directement Cn-1p+n-1
  • On peut aussi donner une jolie preuve du résultat en utilisant des série génératices, si je note $N(p,n)$ le nombre de solution de l'équation $x_1+...+x_p = n$ alors en utilisant l'identité suivante, valable pour $A,B \subset \mathbb{N}$ et où $c_k$ est le nombre de façon d'écrire $k$ comme la somme d'un élément de $A$ et d'un élément de $B$ : $$

    \sum_{a \in A} x^a \times \sum_{b \in B} x^b = \sum_{k=0}^{+\infty} c_kx^k.

    $$ Alors, on a : $$

    f(x) := \sum_{n = 0}^{+\infty} N(p,n) x^n = \left( \sum_{k=0}^{+\infty} x^k \right)^p = \frac{1}{(1-x)^p}

    $$ et un calcul facile permet alors de déterminer $\frac{f^{(n)}(0)}{n!}$, ce qui donne le résultat.
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