Université · Section Mathématiques

L’Infini

Aleph-zéro, aleph-un, le continu… des infinis de tailles différentes

I

Philosophie de l’infini

L’infini (symbole ∞, introduit par Wallis en 1655) est l’un des concepts les plus anciens et les plus profonds de la pensée humaine. Il désigne ce qui n’a pas de fin, de limite, ou ce qui surpasse tout nombre fini. En mathématiques, l’infini n’est pas un nombre ordinaire — il suit ses propres règles.

« L’infini est nulle part davantage dans son domaine que dans les mathématiques. »
— David Hilbert

Infini potentiel

Aristote distinguait l’infini potentiel (on peut toujours ajouter 1) de l’infini actuel (un tout infini existant). Il n’acceptait que le premier.

Infini actuel

Cantor a brisé le tabou aristotélicien en traitant les ensembles infinis comme des objets mathématiques complets, aux propriétés rigoureusement établies.

Infini en physique

L’univers est-il fini ou infini ? La cosmologie moderne penche pour un univers fini mais sans bord. Les infinis en physique (singularités) signalent souvent une limite de la théorie.

II

Histoire du concept

Antiquité
Zénon d’Élée (~450 av. J.-C.) formule ses paradoxes (Achille et la tortue) pour montrer les absurdités de l’infini. Aristote répond en distinguant potentiel et actuel.
Antiquité
Archimède utilise une méthode exhaustive (précurseur de l’intégration) avec des sommes de séries infinies pour calculer des aires et volumes.
XVIIe
John Wallis (1655) introduit le symbole ∞ dans Arithmetica Infinitorum. Newton et Leibniz fondent le calcul infinitésimal, travaillant avec des « quantités infiniment petites ».
XIXe
Cauchy (1821) rigueurise l’analyse avec les limites, éliminant les infiniment petits. Weierstrass complète la formalisation (définition ε–δ).
1874–1891
Georg Cantor révolutionne la conception de l’infini en prouvant que certains infinis sont « plus grands » que d’autres. Il crée la théorie des ensembles et les nombres cardinaux transfinis.
1900
Hilbert présente son programme : fonder toutes les mathématiques sur des axiomes finis et démontrer leur cohérence. Il forge l’image de l’« Hôtel de Hilbert » pour illustrer l’infini dénombrable.
1931
Gödel démontre ses théorèmes d’incomplétude : tout système axiomatique suffisamment riche contient des énoncés vrais mais indémontrables. Le programme de Hilbert s’effondre.
1963
Paul Cohen démontre que l’hypothèse du continu est indépendante des axiomes ZFC : elle ne peut ni être prouvée ni réfutée dans ce cadre.
III

Nombres cardinaux infinis

Cantor a montré qu’il existe une hiérarchie d’infinis de « tailles » différentes, mesurées par les nombres cardinaux. Deux ensembles ont le même cardinal si on peut établir une bijection entre eux.

ℵ0
Aleph-zéro
Cardinal des entiers naturels ℕ. Dénombrable. Aussi le cardinal de ℤ (entiers), ℚ (rationnels).
<
2ℵ0
Cardinal du continu
Cardinal de ℝ (réels) = cardinal de l’ensemble des parties de ℕ. Non dénombrable (Cantor, 1874).
<
22ℵ0
Cardinal supérieur
Cardinal de l’ensemble des fonctions ℝ→ℝ. On monte indéfiniment la hiérarchie.

ℕ ~ ℤ ~ ℚ (même cardinal)

Les entiers naturels, relatifs et rationnels ont tous le même cardinal ℵ0. Il existe une bijection de ℕ vers ℚ : la diagonale de Cantor.

|ℝ| > |ℕ| (strictement plus grand)

Les réels ne sont pas dénombrables. La preuve par diagonale de Cantor (1891) : toute liste supposée exhaustive des réels peut être étendue par un réel non listé.

IV

L’argument diagonal de Cantor

En 1891, Cantor démontre que l’ensemble des parties d’un ensemble E est strictement plus grand que E, quel que soit E (fini ou infini). Appliqué à ℕ, il en découle que les réels sont non dénombrables.

Suppose qu’on puisse lister TOUS les réels de [0,1] en décimales...
r141592653...
r271828182...
r357721566...
r414142135...
r527182818...
La diagonale est 4,1,7,4,2,… — en changeant chaque chiffre, on construit un réel absent de la liste → contradiction

Ce théorème est la base de la hiérarchie cantorienne des infinis : il existe une infinité d’infinis de cardinalités différentes, ordonnés par les « alephs » ℵ0 < ℵ1 < ℵ2 <…

V

Nombres ordinaux transfinis

Les ordinaux généralisent la notion d’ordre : 0, 1, 2, … sont les ordinaux finis. Après tous les entiers vient ω (oméga), le premier ordinal transfini.

012… ω ω+1ω+2… ω·2 … ω2 … ωω … ε0

Les ordinaux transfinis ne sont pas seulement des tailles mais des ordres : ω+1 et ω+2 sont des ordinaux différents même si leur cardinal est le même (ℵ0). L’ordinal ε0 est le plus petit ordinal tel que ωε0 = ε0 — il joue un rôle crucial dans la théorie de Gentzen de la cohérence de l’arithmétique de Peano.

VI

L’hypothèse du continu

L’hypothèse du continu (HC) affirme qu’il n’existe pas de cardinal strict entre ℵ0 (entiers) et 2ℵ0 (réels). Autrement dit : ℵ1 = 2ℵ0.

Gödel (1940)

HC est cohérente avec ZFC : on ne peut pas réfuter HC à partir des axiomes ZFC.

Cohen (1963)

La négation de HC est aussi cohérente avec ZFC : on ne peut pas prouver HC non plus.

Statut actuel

HC est indécidable dans ZFC. Cohen a inventé le « forcing » pour le démontrer — une technique fondamentale de théorie des ensembles (Médaille Fields 1966).

Des axiomes forts supplémentaires (grands cardinaux, axiome de déterminabilité) peuvent résoudre HC dans un sens ou dans l’autre. La question de savoir quels axiomes « devraient » être adoptés reste ouverte et philosophiquement profonde.

VII

Paradoxes de l’infini

🏨 L’Hôtel de Hilbert

Un hôtel avec une infinité dénombrable de chambres, toutes occupées. Un nouveau client arrive : il suffit de déplacer chaque client de la chambre n à la n+1. La chambre 1 se libère. Même une infinité de nouveaux clients peut être logée.

🐢 Achille et la tortue

Zénon : Achille donne une avance à la tortue. Quand il atteint sa position initiale, elle a avancé. Et ainsi à l’infini. Donc Achille ne la rattrapera jamais. La résolution : une série géométrique infinie peut avoir une somme finie.

🛑 Paradoxe de Banach-Tarski

Théorème (1924) : il est théoriquement possible de découper une sphère en un nombre fini de morceaux et de les réassembler en deux sphères de même taille. Repose sur l’axiome du choix et des ensembles non-mesurables.

🍴 Paradoxe de Grandi

La série 1 − 1 + 1 − 1 + … Sommée par groupes de 2 : (1−1)+(1−1)+… = 0. Autrement : 1−(1−1+1−…) = 1−S, donc S = ½. La régularisation de Cesàro donne effectivement ½. La série diverge au sens classique.

VIII

Limites, suites et séries

En analyse classique, l’infini n’apparaît pas comme objet mais comme processus : une suite « tend vers l’infini », une série « converge » ou « diverge ».

Définition de la limite (ε–δ)
limx→a f(x) = L ⇔ ∀ε>0, ∃δ>0 : |x−a|<δ ⇒ |f(x)−L|<ε
Série géométrique
∑n=0∞ arn = a/(1−r) si |r| < 1
Série harmonique (diverge)
∑n=1∞ 1/n = 1 + 1/2 + 1/3 + … = +∞
Identité d’Euler
eiπ + 1 = 0
Développement de Taylor
f(x) = ∑n=0∞ f(n)(a)/n! · (x−a)n
Nombre e par série
e = ∑n=0∞ 1/n! = 1 + 1 + 1/2 + 1/6 + …

L’analyse non-standard (Abraham Robinson, 1961) formalise rigoureusement les infiniment petits et infiniment grands d’Archimède et Leibniz en étendant le corps des réels au corps des hyper-réels *ℝ. Elle offre une alternative logiquement équivalente à la formulation ε–δ.