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07Partie 1 : Nombres et calcul★★ FréquentCycle 4 · BOEN 2020 · Thème B

Dénombrement et combinatoire élémentaire

Compter sans lister · principe additif · principe multiplicatif · arbre de choix · tableau à double entrée · arrangements · permutations (factorielle).

Sur cette page

Comprendre

Deux questions, deux outils

Situation 1 : un sachet cadeau contient un stylo (rouge, bleu ou vert) ET un carnet (grand ou petit). Combien de sachets différents ? Chaque stylo se combine avec chacun des 2 carnets : 3 × 2 = 6.

Situation 2 : cinq élèves, un prix à la 1re, 2e et 3e place. Combien de podiums ? 5 candidats pour la 1re place, 4 restants pour la 2e, 3 pour la 3e : 5 × 4 × 3 = 60.

Même réflexe : compter intelligemment sans tout lister. C'est le dénombrement, au programme du cycle 4, et il prépare directement les probabilités (N°12) : pour calculer une probabilité, il faut souvent commencer par compter. Lisez la fiche dans l'ordre, chaque notion en appelle une autre.

Trois mots à connaître : cardinal, ordinal, univers

Le cardinal d'un ensemble E est le nombre d'éléments qu'il contient, noté Card(E). Il répond à « combien ? ». Exemples : Card({rouge, bleu, vert}) = 3, Card({1, 2, 3, 4, 5, 6}) = 6, Card(∅) = 0.

Cardinal : « combien ? »
« Il y a 3 élèves dans l'équipe. »
Compte. Ne dit pas qui est où.
Ordinal : « à quelle place ? »
« Alice est 1re, Bob est 2e. »
Positionne. L'ordre porte du sens.
La question centrale du dénombrement : est-ce que l'ordre compte ? Pour un podium, les places sont ordinales (1re ≠ 2e, même avec les mêmes personnes). Pour une équipe sans hiérarchie, seul le cardinal compte.

Le vocabulaire des expériences : une issue est un résultat élémentaire (« obtenir la face 3 »), l'univers Ω est l'ensemble de toutes les issues (Ω = {1, 2, 3, 4, 5, 6} pour un dé, Card(Ω) = 6), et il y a équiprobabilité quand toutes les issues ont la même chance. Les outils de la fiche servent à compter Card(Ω) et Card(A) ; le calcul des probabilités vient en N°12.

Les deux principes : additif (OU) et multiplicatif (ET)

Principe additif« l'un OU l'autre »

8 romans et 5 BD, on emprunte un seul livre : 8 + 5 = 13 choix. Les possibilités s'additionnent parce qu'elles sont exclusives (choisir un roman exclut de choisir une BD).

Card(A ∪ B) = Card(A) + Card(B) si A et B sont disjoints
Si les cas se chevauchent :
Card(A ∪ B) = Card(A) + Card(B) − Card(A ∩ B)

16 élèves font du latin, 14 du théâtre, 5 les deux : 16 + 14 − 5 = 25 (les 5 ont été comptés deux fois).

Principe multiplicatif« l'un ET l'autre »

3 hauts ET 4 pantalons : chaque haut va avec chacun des 4 pantalons, soit 3 × 4 = 12 tenues. Les choix s'accumulent parce qu'ils sont successifs et indépendants : on fait les deux, l'un après l'autre.

Card(E₁ × E₂ × … × Eₙ) = Card(E₁) × Card(E₂) × … × Card(Eₙ)
Menu (4 entrées, 5 plats, 3 desserts) → 4 × 5 × 3 = 60
Code à 4 chiffres (0 à 9, répétitions permises) → 10⁴ = 10 000

Le réflexe de reconnaissance

Reformulez la question avec ET ou OU. « Je choisis un haut ET un pantalon » → multiplication. « Je choisis un roman OU une BD » → addition. Ce seul réflexe évite l'erreur la plus fréquente.

Visualiser avant de calculer : arbre et tableau

Sur de petits exemples, représenter toutes les issues est utile et valorisé au concours. Deux outils, au programme du cycle 4, pour une même situation : tirer une couleur dans {Rouge, Bleu, Vert} puis une forme dans {Rond, Carré}.

Arbre de choix
Chaque branche = un choix, chaque chemin racine → feuille = une issue.
3 branches × 2 = 6 feuilles = 6 issues.
Idéal quand le 2e choix dépend du 1er (sans remise).
Tableau à double entrée
Lignes = couleurs, colonnes = formes, chaque case = une issue.
3 lignes × 2 colonnes = 6 cases = 6 issues.
Idéal pour deux séries de choix indépendants.

Conseil concours

Dessiner un arbre ou un tableau sur un exemple simple montre que vous comprenez la structure du problème, le recul que le jury valorise. Mais attention au temps : ne les dessinez que si l'énoncé le demande, ou si le nombre d'issues est petit (12 environ au maximum). Sur de grands nombres, calculez directement et mentionnez l'outil : « on peut représenter les issues dans un arbre, ce qui donne… ».

Arrangements et permutations : choisir et ordonner

Arrangement A(n, p)choisir et ordonner, sans remise

Reprenons le podium : 5 élèves, 3 places. On applique le principe multiplicatif, mais le nombre d'options diminue à chaque étape (5, puis 4, puis 3), car un élève déjà placé n'est plus disponible. C'est un arrangement : une liste ordonnée de p éléments distincts tirés parmi n, sans remise.

A(n, p) = n × (n−1) × … × (n−p+1) (p facteurs en partant de n)
A(5, 3) = 5 × 4 × 3 = 60
A(7, 2) = 7 × 6 = 42 · A(6, 4) = 6 × 5 × 4 × 3 = 360

Avec remise, on aurait 5 × 5 × 5 = 125 (comme si un élève pouvait être 1re et 3e place). Sans remise, c'est toujours moins.

Permutation n!ordonner TOUS les éléments

Un arrangement où p = n : on utilise tous les éléments et on les ordonne tous. Ranger 4 livres : 4 × 3 × 2 × 1 = 24 façons. Ce produit décroissant jusqu'à 1 est la factorielle de n, notée n!.

n! = n × (n−1) × … × 2 × 1
1! = 1 · 2! = 2 · 3! = 6 · 4! = 24 · 5! = 120 · 6! = 720
Anagrammes de CHAT (4 lettres distinctes) → 4! = 24

Une permutation est un arrangement où p = n : A(n, n) = n × (n−1) × … × 1 = n!.

Dénombrement et probabilités : la frontière

Les outils de cette fiche servent à compter : combien d'issues au total, combien vérifient une condition. Les probabilités elles-mêmes (P(A), arbres pondérés, événements contraires) font l'objet de la fiche N°12. Ici on compte, là-bas on probabilise.
Le piège de la ficheTrès fréquent

Piège n°1 : additionner quand il faut multiplier

On croit : « 3 hauts et 4 pantalons → 3 + 4 = 7 tenues. »

En réalité : On choisit un haut ET un pantalon (les deux ensemble) → 3 × 4 = 12 tenues.

ET (cumulatif) → multiplication ; OU (exclusif) → addition. Reformuler avant de choisir.

Le piège de la ficheTrès fréquent

Piège n°2 : confondre avec et sans remise

On croit : « Podium de 3 places parmi 5 élèves → 5 × 5 × 5 = 125. »

En réalité : Un élève ne peut pas occuper deux places (sans remise) → A(5, 3) = 5 × 4 × 3 = 60.

Se demander : peut-on reprendre le même élément ? Si non, le nombre d'options diminue à chaque étape.

Le piège de la ficheClassique

Piège n°3 : confondre arrangement et permutation

On croit : « 3 rôles à distribuer parmi 5 élèves → 5! = 120. »

En réalité : On prend p = 3 parmi n = 5, pas tous → A(5, 3) = 5 × 4 × 3 = 60.

Permutation = on ordonne TOUS les éléments. Arrangement = on en prend seulement p parmi n.

Le piège de la ficheSubtil

Piège n°4 : double comptage quand les ensembles se chevauchent

On croit : « 16 font du latin, 14 du théâtre → 30 élèves concernés. »

En réalité : Si 5 font les deux : 16 + 14 − 5 = 25 (on retire ceux comptés deux fois).

Le principe additif simple ne vaut que si les ensembles sont totalement disjoints.

Ce que ça donne à l'écolele regard du futur enseignant

On ne parle ni d'arrangements ni de factorielles à l'école : on construit l'intuition par des situations concrètes.

Cycle 2 : les élèves dénombrent intuitivement (« combien de façons de mettre 3 enfants en rang ? ») par manipulation et tri, sans formalisme.

Cycle 3 : les arbres de possibilités apparaissent dans le cadre des probabilités. C'est le premier contact avec le principe multiplicatif, sans que le terme soit employé.

Cycle 4 : le BOEN 2020 mentionne explicitement les tableaux à double entrée, les arbres de choix, le principe multiplicatif et les arrangements, en pont vers les probabilités.

Ce qu'il faut savoir dire au jury : « On construit l'intuition par des situations concrètes (tenues, menus, tirages) et on représente avec des arbres ou des tableaux. L'objectif est que l'élève comprenne pourquoi on multiplie : parce que chaque branche de l'arbre se subdivise de façon indépendante. »

Méthode

Trois questions à se poser, dans l'ordre

Avant toute formule : 1) les choix sont-ils cumulatifs (ET) ou exclusifs (OU) ? → multiplication ou addition. 2) L'ordre compte-t-il ? → arrangement ou non. 3) Peut-on reprendre le même élément ? → avec ou sans remise. Chaque savoir-faire ci-dessous se termine par une vérification.
MéthodeAppliquer le principe multiplicatif
Question type : « 4 entrées, 5 plats, 3 desserts. Combien de menus (une entrée + un plat + un dessert) ? »
1
Identifier les étapes et compter les options de chacune.
Entrée : 4 · Plat : 5 · Dessert : 3
2
Vérifier que les choix sont indépendants (ET).
Le choix du plat ne dépend pas de l'entrée : oui.
3
Multiplier et rédiger la justification.
« Par le principe multiplicatif, 4 × 5 × 3 = 60 menus. »
Toujours écrire « par le principe multiplicatif » : le jury valorise la justification, pas seulement le résultat.
Checkpointà vous de jouer
30 secondes

Un code à 3 chiffres, chacun de 0 à 9, répétitions permises. Combien de codes possibles ?

MéthodeConstruire un arbre de choix
Question type : « Une urne contient R, B, V. On tire 2 boules sans remise. Lister les issues. »
1
Dessiner le 1er niveau : une branche par option.
1er tirage → R, B, V (3 branches)
2
Ajouter le 2e niveau en retirant l'élément déjà pris.
R → B, V · B → R, V · V → R, B
3
Lire les feuilles : chaque chemin est une issue.
(R,B) (R,V) (B,R) (B,V) (V,R) (V,B)
6 issues = 3 × 2 ✓
Avec remise, l'arbre aurait 3 × 3 = 9 feuilles, et (R,R), (B,B), (V,V) seraient possibles.
Checkpointà vous de jouer
30 secondes

On lance une pièce (Pile/Face) puis un dé à 4 faces. Combien d'issues ? Combien de feuilles aurait l'arbre ?

MéthodeCalculer un arrangement
Question type : « 7 élèves candidats pour 4 rôles distincts. Combien de distributions ? »
1
Vérifier : l'ordre compte ? Sans remise ? Combien de places ?
Rôles distincts → ordre compte ; un élève par rôle → sans remise ; p = 4 parmi n = 7
2
Raisonner étape par étape : partir de n, décrémenter, écrire p facteurs.
7 → 6 → 5 → 4
A(7, 4) = 7 × 6 × 5 × 4 = 840
3
Cas permutation : si on ordonnait tous les 7 élèves.
P(7) = 7! = 5 040
Checkpointà vous de jouer
30 secondes

6 élèves, 2 rôles distincts (un meneur, un porte-drapeau). Combien de façons de les désigner ?

MéthodeDistinguer un groupe d'un classement
Question type : « Combien d'équipes de 2 élèves parmi 5 (sans rôle distinct) ? » Idée : si l'ordre ne compte pas, on corrige l'arrangement.
1
Compter d'abord comme si l'ordre comptait (arrangement).
A(5, 2) = 5 × 4 = 20 paires ordonnées
2
Repérer le double comptage : (Alice, Bob) = (Bob, Alice).
Chaque équipe est comptée 2! = 2 fois
3
Diviser par le nombre d'ordres des éléments choisis.
20 ÷ 2 = 10 équipes
Rôles distincts → arrangement (l'ordre compte). Groupe sans hiérarchie → diviser par les permutations des éléments choisis.
Checkpointà vous de jouer
30 secondes

Combien de binômes de 2 élèves (sans rôle) peut-on former dans un groupe de 4 ?

Méthode bien en tête ? Entraînez-vous.