Théorie des ensembles

§ 1 Les axiomes de Zermelo–Fraenkel (ZFC)

La théorie ZFC (Zermelo-Fraenkel avec l'axiome du Choix) constitue le cadre axiomatique standard des mathématiques. Tout objet mathématique est un ensemble.

Les 9 axiomes de ZFC
  1. Extensionnalité : $\forall x\,\forall y\,(\forall z\,(z\in x\leftrightarrow z\in y)\rightarrow x=y)$
  2. Fondation (régularité) : tout ensemble non vide contient un élément disjoint de lui-même
  3. Schéma de compréhension : $\{x\in A : P(x)\}$ est un ensemble pour toute propriété $P$
  4. Paire : $\{a,b\}$ est un ensemble
  5. Réunion : $\bigcup A$ est un ensemble
  6. Schéma de remplacement : l'image d'un ensemble par une fonction (définissable) est un ensemble
  7. Infini : il existe un ensemble infini (contenant $\emptyset$ et stable par $x\mapsto x\cup\{x\}$)
  8. Parties : $\mathcal{P}(A)$ est un ensemble
  9. Choix (C) : voir §5
Construction de $\mathbb{N}$ dans ZFC

$0 = \emptyset$, $1=\{\emptyset\}$, $2=\{\emptyset,\{\emptyset\}\}$, plus généralement $n+1 = n\cup\{n\}$. $\mathbb{N}$ est le plus petit ensemble contenant $0$ et stable par successeur (axiome de l'infini).

§ 2 Opérations ensemblistes

Opérations de base
  • $A\cap B = \{x : x\in A \text{ et } x\in B\}$ (intersection)
  • $A\cup B = \{x : x\in A \text{ ou } x\in B\}$ (union)
  • $A\setminus B = \{x\in A : x\notin B\}$ (différence)
  • $A\triangle B = (A\setminus B)\cup(B\setminus A)$ (différence symétrique)
  • $\overline{A} = E\setminus A$ (complémentaire dans $E$)
Lois de De Morgan
$$\overline{A\cup B} = \overline{A}\cap\overline{B}, \qquad \overline{A\cap B} = \overline{A}\cup\overline{B}$$
$$\overline{\bigcup_{i\in I} A_i} = \bigcap_{i\in I}\overline{A_i}, \qquad \overline{\bigcap_{i\in I} A_i} = \bigcup_{i\in I}\overline{A_i}$$
Produit cartésien et parties

$A\times B = \{(a,b) : a\in A, b\in B\}$. Dans ZFC, $(a,b) = \{\{a\},\{a,b\}\}$ (définition de Kuratowski).

$\mathcal{P}(A) = \{B : B\subset A\}$ : l'ensemble de toutes les parties de $A$. Si $|A|=n$, alors $|\mathcal{P}(A)|=2^n$.

Algèbre booléenne des ensembles

$(\mathcal{P}(E), \cup, \cap, \overline{\cdot}, \emptyset, E)$ est une algèbre de Boole : commutativité, associativité, distributivité, idempotence ($A\cup A=A$), complémentation ($A\cup\overline{A}=E$, $A\cap\overline{A}=\emptyset$).

§ 3 Relations et fonctions

Relation binaire

Une relation sur $A$ est un sous-ensemble $R\subset A\times A$. On note $aRb$ pour $(a,b)\in R$. Types : réflexive ($aRa$), symétrique ($aRb\Rightarrow bRa$), antisymétrique, transitive.

  • Relation d'équivalence : réflexive + symétrique + transitive. Partitionne $A$ en classes $[a]_R$.
  • Relation d'ordre : réflexive + antisymétrique + transitive. Ordre total si tout couple est comparable.
Fonctions (applications)

Une fonction $f:A\to B$ est une relation $f\subset A\times B$ telle que $\forall a\in A, \exists!b\in B : (a,b)\in f$. Propriétés :

  • Injective : $f(a)=f(b)\Rightarrow a=b$
  • Surjective : $\forall b\in B, \exists a\in A : f(a)=b$
  • Bijective : injective et surjective $\Leftrightarrow$ inversible
Schröder–Bernstein

Si $|A|\leq|B|$ et $|B|\leq|A|$ (i.e. il existe des injections $A\hookrightarrow B$ et $B\hookrightarrow A$), alors $|A|=|B|$ (il existe une bijection).

Soient $f:A\to B$ et $g:B\to A$ injectives. Partitionner $A$ en chaînes qui remontent alternativement dans $A$ et $B$. La bijection est $f$ sur les chaînes "A-infinies" et $g^{-1}$ sur les autres. □

§ 4 Cardinaux finis et infinis

Cardinal

Le cardinal $|A|$ (ou $\#A$, ou $\mathrm{card}(A)$) de $A$ est sa "taille". Deux ensembles ont même cardinal ssi il existe une bijection entre eux (équipotents).

  • $\aleph_0 = |\mathbb{N}|$ : cardinal des ensembles dénombrables infinis
  • $\mathfrak{c} = 2^{\aleph_0} = |\mathbb{R}|$ : cardinal du continu
Ensembles dénombrables
  • $|\mathbb{Z}|=|\mathbb{N}|=\aleph_0$ (bijection : $0,1,-1,2,-2,3,-3,\ldots$)
  • $|\mathbb{N}\times\mathbb{N}|=\aleph_0$ (diagonale de Cantor)
  • $|\mathbb{Q}|=\aleph_0$ (fractions irréductibles, diagonale)
  • Réunion dénombrable de dénombrables est dénombrable
$|\mathbb{R}| = 2^{\aleph_0}$

$\mathbb{R}$ n'est pas dénombrable. De plus $|\mathbb{R}|=|(0,1)|=|\mathcal{P}(\mathbb{N})|=2^{\aleph_0}$. Autres égaux : $|\mathbb{R}^n|=|\mathbb{R}|$, $|\mathcal{C}[0,1]|=\mathfrak{c}$.

Si $(r_n)$ est une énumération de $(0,1)$, construire $d$ dont le $n$-ième décimal diffère du $n$-ième décimal de $r_n$. Alors $d\in(0,1)$ n'est dans aucun $r_n$. Contradiction. □

§ 5 Axiome du choix et équivalents

Axiome du choix (AC)

Pour toute famille non vide d'ensembles non vides $(A_i)_{i\in I}$, il existe une fonction de choix $f:I\to\bigcup A_i$ telle que $f(i)\in A_i$ pour tout $i$.

$$\prod_{i\in I} A_i \neq \emptyset \quad \text{pour toute famille non vide d'ensembles non vides}$$
Équivalences de l'axiome du choix

Dans ZF, les assertions suivantes sont toutes équivalentes à AC :

  • Lemme de Zorn : Tout ensemble ordonné inductif (toute chaîne est majorée) admet un élément maximal
  • Théorème de Zermelo : Tout ensemble peut être bien ordonné
  • Théorème de Tychonoff : Tout produit de compacts est compact
  • Tout espace vectoriel a une base
  • Tout surjectif admet une section droite
  • $|A|\leq|B|$ ou $|B|\leq|A|$ (comparabilité des cardinaux)
Paradoxe de Banach–Tarski

AC implique : une boule $B^3$ peut être décomposée en 5 parties (non mesurables) et réassemblée en deux boules de même taille que l'originale. Ce "paradoxe" illustre le caractère non constructif de AC.

§ 6 Nombres ordinaux

Ordinal

Un ordinal est un ensemble bien ordonné par $\in$, transitif ($x\in\alpha\Rightarrow x\subset\alpha$). Les ordinaux forment une classe bien ordonnée : $0=\emptyset$, $1=\{0\}$, $2=\{0,1\}$, ..., $\omega=\mathbb{N}$, $\omega+1$, ..., $\omega\cdot 2$, ..., $\omega^2$, ..., $\omega^\omega$, ..., $\varepsilon_0$, ...

Arithmétique ordinale
  • $\omega + 1 \neq 1 + \omega = \omega$ (non commutative)
  • $\omega \cdot 2 = \omega + \omega \neq 2\cdot\omega = \omega$
  • $\omega^\omega$ : premier ordinal $\varepsilon$ tel que $\omega^\varepsilon=\varepsilon$ est $\varepsilon_0$
Théorème de récursion transfinie

Pour tout ordinal $\alpha$ et toute "règle de construction" $G$, il existe une unique fonction $f$ définie sur $\alpha+1$ telle que $f(\beta)=G(f|\beta)$ pour tout $\beta\leq\alpha$. Généralise la récurrence ordinaire à tous les ordinaux.

§ 7 Théorèmes de Cantor sur l'infini

Théorème de Cantor

Pour tout ensemble $A$, $|A| < |\mathcal{P}(A)|$ : l'ensemble des parties est strictement plus grand. En particulier, $\aleph_0 < 2^{\aleph_0} < 2^{2^{\aleph_0}} < \cdots$

Il est clair que $|A|\leq|\mathcal{P}(A)|$ (injection $a\mapsto\{a\}$). Supposons $f:A\to\mathcal{P}(A)$ surjective. Posons $D=\{a\in A : a\notin f(a)\}$. Alors $D\in\mathcal{P}(A)$, donc $\exists d : f(d)=D$. Si $d\in D$ : $d\notin f(d)=D$. Si $d\notin D$ : $d\in f(d)=D$. Contradiction. □
Hypothèse du continu (HC)

$\mathrm{HC}$ : $2^{\aleph_0} = \aleph_1$ (il n'existe pas de cardinal strictement entre $\aleph_0$ et $\mathfrak{c}$). Cohen (1963) a montré que HC est indépendante de ZFC : elle ne peut ni être prouvée ni réfutée dans ZFC (Gödel 1940 : consistent avec ZFC ; Cohen 1963 : sa négation aussi).

CardinalNotationExemple
$\aleph_0$Aleph zéro$|\mathbb{N}|=|\mathbb{Z}|=|\mathbb{Q}|$
$\aleph_1$Premier cardinal non dénombrable$=|\omega_1|$ (premier ordinal non dénombrable)
$\mathfrak{c} = 2^{\aleph_0}$Cardinal du continu$|\mathbb{R}|=|\mathcal{P}(\mathbb{N})|$
$\beth_1$Beth un$= 2^{\aleph_0} = \mathfrak{c}$
$\beth_2$Beth deux$= 2^\mathfrak{c} = |\mathcal{P}(\mathbb{R})|$

§ 8 Paradoxes et fondements

Paradoxe de Russell (1901)

L'ensemble $R = \{x : x\notin x\}$ (ensemble de tous les ensembles n'appartenant pas à eux-mêmes) conduit à une contradiction : $R\in R \Leftrightarrow R\notin R$. Cela a montré que la "théorie naïve des ensembles" (Cantor, Frege) est incohérente. ZFC résout cela par le schéma de compréhension restreint : on ne peut former $\{x\in A : P(x)\}$ que si $A$ est déjà un ensemble.

Paradoxe de Burali-Forti

L'ensemble de tous les ordinaux serait lui-même un ordinal, donc il s'appartiendrait, contredisant la fondation. Solution ZFC : la collection de tous les ordinaux est une classe propre, pas un ensemble.

Théorèmes d'incomplétude de Gödel (1931)
  • 1er théorème : Toute théorie formelle cohérente suffisamment expressive (comme ZFC) contient des énoncés vrais qu'elle ne peut pas prouver.
  • 2e théorème : Une telle théorie ne peut pas prouver sa propre cohérence.

Conséquence : ZFC ne peut pas prouver "ZFC est cohérente" (si elle l'est !).

Alternatives à ZFC
  • NBG (von Neumann–Bernays–Gödel) : distingue ensembles et classes, conservative sur ZFC
  • MK (Morse–Kelley) : version plus forte de NBG
  • NF (New Foundations, Quine) : axiomatique différente, encore peu explorée
  • Théorie des types (Russell, puis Martin-Löf) : alternative fondée sur les types