Les arrangements : définition et formule A(n,p)

Définition, méthode rigoureuse, exemples corrigés et exercice type BAC.

📚 Terminale Spécialité Maths ⏱ Lecture : 5 min ✅ Programme officiel BO 2019

Un arrangement de $p$ éléments parmi $n$ éléments distincts est une sélection ordonnée de $p$ éléments pris dans un ensemble de $n$ éléments. L'ordre des éléments est important et un élément ne peut être choisi qu'une seule fois. Le nombre d'arrangements de $p$ éléments parmi $n$ est noté $A_n^p$ ou $P(n,p)$ ou $ ext{Arr}(n,p)$ et est défini par la formule $A_n^p = \frac{n!}{(n-p)!}$ pour $0 \leq p \leq n$.

💡 Bon réflexe : Avant de calculer, posez-vous toujours la question : 'L'ordre est-il important ?' Si oui, pensez aux arrangements ou permutations ; sinon, pensez aux combinaisons.
ABCBCACABAⁿₚ = n!/(n−p)!Arrangementsordonnés
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Identifier $n$ et $p$

Déterminez le nombre total d'éléments disponibles, qui correspond à $n$. Ensuite, identifiez le nombre d'éléments à choisir et à ordonner, qui correspond à $p$. Assurez-vous que $0 \leq p \leq n$.

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Vérifier si l'ordre est important et s'il y a répétition

Les arrangements sont utilisés lorsque l'ordre des éléments choisis est crucial et que chaque élément ne peut être utilisé qu'une seule fois (pas de répétition). Si l'ordre n'est pas important, il s'agit de combinaisons. S'il y a répétition, il s'agit d'autres types de dénombrements.

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Appliquer la formule des arrangements

Une fois $n$ et $p$ identifiés et la pertinence des arrangements confirmée, utilisez la formule $A_n^p = \frac{n!}{(n-p)!}$. Rappelez-vous que $n! = n × (n-1) × \dots × 2 × 1$ et $0! = 1$.

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Calculer la valeur numérique

Effectuez les calculs factoriels et la division pour obtenir le nombre total d'arrangements. Il est souvent utile de simplifier la fraction avant de calculer les grands nombres, par exemple $A_n^p = n × (n-1) × \dots × (n-p+1)$.

Un club de tennis compte 10 membres. On souhaite élire un président, un vice-président et un trésorier. Combien de bureaux différents peut-on former ?

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Identifier $n$ et $p$
Le nombre total de membres du club est $n = 10$. Nous devons choisir 3 postes distincts (président, vice-président, trésorier), donc $p = 3$. On a bien $0 \leq 3 \leq 10$.
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Vérifier si l'ordre est important et s'il y a répétition
L'ordre est important car être président est différent d'être vice-président ou trésorier. Par exemple, si Alice est présidente et Bob vice-président, c'est un bureau différent de Bob président et Alice vice-présidente. De plus, une personne ne peut occuper qu'un seul poste à la fois (pas de répétition). Il s'agit donc bien d'un problème d'arrangements.
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Appliquer la formule des arrangements
Nous utilisons la formule $A_n^p = \frac{n!}{(n-p)!}$. Ici, $n=10$ et $p=3$. Donc, nous devons calculer $A_{10}^3 = \frac{10!}{(10-3)!} = \frac{10!}{7!}$.
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Calculer la valeur numérique
On calcule $A_{10}^3 = \frac{10!}{7!} = \frac{10 × 9 × 8 × 7 × 6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1}{7 × 6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1}$.
On peut simplifier en $A_{10}^3 = 10 × 9 × 8 = 720$.
Il y a 720 bureaux différents possibles.

Il est possible de former 720 bureaux différents avec les 10 membres du club.

  1. Ne pas distinguer si l'ordre des éléments choisis est important ou non. Si l'ordre est important, c'est un arrangement. Si l'ordre n'est pas important, c'est une combinaison.
  2. Oublier que les arrangements impliquent des éléments distincts et sans répétition. Si des répétitions sont possibles, la formule $n^p$ est souvent utilisée.
  3. Erreur de calcul des factorielles, surtout avec des nombres élevés. Simplifiez toujours la fraction $\frac{n!}{(n-p)!}$ avant de calculer.

Une entreprise souhaite attribuer trois prix distincts (Prix de l'Innovation, Prix de la Qualité, Prix du Meilleur Service Client) à trois de ses huit employés les plus méritants. Chaque employé ne peut recevoir qu'un seul prix.

  1. Combien de façons différentes y a-t-il d'attribuer ces trois prix ?
  2. Si l'employé Monsieur Dupont doit absolument recevoir le Prix de l'Innovation, combien de façons différentes y a-t-il d'attribuer les prix restants ?
  3. Supposons maintenant que l'entreprise décide d'attribuer les trois prix à trois employés choisis parmi les huit, mais que les prix sont identiques (par exemple, trois 'Prix d'Excellence'). Expliquer pourquoi la formule des arrangements ne serait pas adaptée dans ce cas.
  1. Nombre de façons d'attribuer les trois prix :

    Nous avons 8 employés ($n=8$) et nous devons choisir 3 d'entre eux pour attribuer 3 prix distincts ($p=3$). L'ordre est important car le Prix de l'Innovation est différent du Prix de la Qualité, et chaque employé ne peut recevoir qu'un seul prix (pas de répétition).

    Il s'agit donc d'un arrangement de 3 éléments parmi 8. On utilise la formule $A_n^p = \frac{n!}{(n-p)!}$.

    $A_8^3 = \frac{8!}{(8-3)!} = \frac{8!}{5!} = 8 × 7 × 6 = 336$.

    Il y a 336 façons différentes d'attribuer ces trois prix.

  2. Nombre de façons si Monsieur Dupont reçoit le Prix de l'Innovation :

    Si Monsieur Dupont reçoit le Prix de l'Innovation, il reste 2 prix à attribuer (Prix de la Qualité et Prix du Meilleur Service Client) et 7 employés restants (les 8 employés moins Monsieur Dupont).

    Nous devons donc choisir 2 employés parmi les 7 restants pour les 2 prix restants. L'ordre est toujours important (Prix de la Qualité est différent du Prix du Meilleur Service Client).

    Il s'agit d'un arrangement de 2 éléments parmi 7. On utilise la formule $A_n^p = \frac{n!}{(n-p)!}$.

    $A_7^2 = \frac{7!}{(7-2)!} = \frac{7!}{5!} = 7 × 6 = 42$.

    Il y a 42 façons différentes d'attribuer les prix restants si Monsieur Dupont reçoit le Prix de l'Innovation.

  3. Cas où les prix sont identiques :

    Si les trois prix sont identiques (par exemple, trois 'Prix d'Excellence'), l'ordre dans lequel les employés reçoivent les prix n'a plus d'importance. Choisir l'employé A, puis B, puis C pour les trois prix d'excellence est la même chose que choisir B, puis A, puis C.

    La formule des arrangements $A_n^p$ est utilisée lorsque l'ordre est important. Dans ce cas, où l'ordre n'est pas important, il faudrait utiliser la formule des combinaisons $C_n^p = \binom{n}{p} = \frac{n!}{p!(n-p)!}$.

    Par conséquent, la formule des arrangements ne serait pas adaptée car elle compterait chaque groupe de trois employés plusieurs fois (une fois pour chaque ordre possible), alors que ces ordres ne sont pas distincts si les prix sont identiques.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre un arrangement et une permutation ?
Une permutation est un cas particulier d'arrangement où $p=n$. C'est-à-dire que l'on arrange tous les $n$ éléments disponibles. Le nombre de permutations de $n$ éléments est $A_n^n = n!$. Un arrangement, quant à lui, sélectionne et ordonne seulement $p$ éléments parmi $n$ ($p \leq n$). Par exemple, les arrangements de 2 lettres parmi {A, B, C} sont AB, AC, BA, BC, CA, CB. Les permutations de {A, B, C} sont ABC, ACB, BAC, BCA, CAB, CBA.
Quand utiliser les arrangements et quand utiliser les combinaisons ?
Utilisez les arrangements ($A_n^p$) lorsque l'ordre des éléments choisis est important. Par exemple, pour élire un président et un vice-président. Utilisez les combinaisons ($C_n^p = \binom{n}{p}$) lorsque l'ordre des éléments choisis n'est pas important. Par exemple, pour choisir 2 personnes pour faire partie d'un comité, sans rôle spécifique.
Peut-on avoir des répétitions dans un arrangement ?
Non, la définition standard d'un arrangement implique que les éléments sont distincts et ne peuvent être choisis qu'une seule fois (sans répétition). Si les répétitions sont autorisées, on parle d'arrangements avec répétition, dont la formule est $n^p$. Ce n'est pas ce que couvre la formule $A_n^p$ du programme de Terminale Spécialité.
Comment calculer $A_n^p$ sans utiliser la formule factorielle complète ?
Vous pouvez calculer $A_n^p$ comme le produit des $p$ entiers consécutifs décroissants à partir de $n$. C'est-à-dire $A_n^p = n × (n-1) × (n-2) × \dots × (n-p+1)$. Par exemple, $A_5^3 = 5 × 4 × 3 = 60$. Cette méthode est souvent plus rapide et moins sujette aux erreurs de calcul pour de petites valeurs de $p$.

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