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Parité d'un ensemble de cardinal transfini

Proposition Préliminaire ensembliste
Une bijection f de E sur F transforme une partition de E en paires, en une partition de F en paires.

Démonstration L'image par $f$ d'une paire d'éléments de $E$ est une paire d'éléments de $F$ vu que $f$ est injective.De plus 2 paires disjointes de $E$ auront pour images 2 paires disjointes de $F$ toujours à cause de l'injectivité de $f$. Alors une partition de $E$ en paires aura pour image par $f$ un ensemble de paires de $F$ disjointes deux à deux et de réunion $F$(vu la surjectivité de $f$)i.e.une partition de $F$ en paires .
Par conséquent si 2 ensembles sont équipotents et que l' un admet une partition en paires alors l'autre aussi admet une partition en paires.
Définition Un cardinal sera dit pair si et seulement si un ensemble qui le représente admet une partition en paires.Dans le cas contraire le cardinal sera dit impair.
Vu le préliminaire cette définition ne dépend pas de l'ensemble choisi pour représenter le cardinal et justifie ainsi la parité d' un cardinal.
Exemple:card $(\mathbb{N}) $est pair car les paires $\{2n,2n+1\} $ pour $n=0 $à $+\infty $forment bien une partition de $\mathbb{N}$.

Théorème 1 Quand on retire (ou ajoute) un élément à un ensemble infini on n'altère pas la parité de son cardinal.

Ce théorème est bien sûr faux si l'ensemble est fini.

Démonstration Soit $E$ un ensemble infini,il contient donc une partie dénombrable que l' on peut exprimer sous la forme d'une suite d'éléments distincts $(x_n)$.Posons $X=\bigcup_{n=0}^{\infty}\{x_n\} $et $f: E\longmapsto E\backslash \{x_0\} $définie par $f(x_k)=x_{k+1} $ pour tout $k\in\mathbb{N} $et $f(x)=x $pour tout $x\notin X$.
Montrons que $f$ est une bijection et le théorème sera prouvé car $E$ et $E\backslash
\{x_0\} $ seront alors équipotents donc ils auront des cardinaux de la même parité.
$f$ est bijective
En effet $\forall y\in E\backslash \{x_0\} $
si $y=x_1,x_2,x_3... $ il existe un antécédent unique: $x_0,x_1,x_2....$
et si $y\notin X $ y admet un antécedent unique:$y$

Théorème 2 tout cardinal transfini est pair

Soit $E$ un ensemble infini,on va montrer qu'il admet une partition en paires.
Notons $\mathcal{P}_a $ l'ensemble des paires de $E$ et $\mathcal{P}_{dis}(\mathcal{P}_a) $ l'ensemble des parties de $\mathcal{P}_a $ formées de paires disjointes.Ce dernier ensemble ordonné par la relation $\subset $ est inductif car toute chaîne(sous-ensemble totalement ordonné) de $\mathcal{P}_{dis}(\mathcal{P}_a) $ admet un majorant dans cet ensemble.
En effet soit $C$ une telle chaîne elle admet pour majorant $\bigcup_{m\in C}m$ (preuve un peu plus loin)
Pour y voir clair travaillons avec l'exemple $E=\mathbb{N}$
$\{5,11\}$ est un élément de $\mathcal{P}_a$
$\{\{2,3\},\{7,8\},\{4,5\}\} $est un élément de $\mathcal{P}_{dis}(\mathcal{P}_a) $ mais pas $\{\{2,3\},\{5,2\}\} $ car les 2 paires ne sont pas disjointes
$\{\quad\underline{\{\{2,3\},\{5,7\}\}};\underline{\{\{2,3\},\{5,7\},\{8,11\}\}};
\underline{\{\{2,3\},\{5,7\},\{8,11\},\{13,19\}\}}\quad \} $est une chaîne à 3 maillons (soulignés) de $\mathcal{P}_{dis}(\mathcal{P}_a) $ majorée par la réunion(dans $\mathcal{P}_{dis}(\mathcal{P}_a)) $ des 3 maillons qui est encore égal à l' ensemble de toutes les paires figurant dans les 3 maillons soit $\{\{2,3\},\{5,7\},\{8,11\},\{13,19\}\} $
Retour à la situation générale.
$\bigcup_{m\in C}m$ est bien formé de paires disjointes sinon on aurait 2 paires $\{a,b\};\{x,y\} $ ayant un élément commun.Or $\{a,b\} $appartient à un maillon $m$ $\in$C et $\{x,y\} $appartient à un maillon $m'\in C$.Comme $C$ est une chaîne $m$ et $m'$ sont comparables ,on a par exemple $m\subset m'$ mezalors les 2 paires appartiendraient à $m'$ qui par définition n'est formé que de paires disjointes d'où la contradiction.
Finalement $\bigcup_{m\in C}m \in \mathcal{P}_{dis}(\mathcal{P}_a)) $ et il est clair que c'est un majorant de la chaîne $C$.L'inductivité de $(\mathcal{P}_{dis}(\mathcal{P}_a),\subset) $est donc acquise.
En vertu de l'axiome( ou théorème si on admet l'axiome du choix)de ZORN on en déduit que $\mathcal{P}_{dis}(\mathcal{P}_a) $ admet un élément maximal $M$ alors $\bigcup_{m\in M}m$ est un ensemble maximal de paires de $E$ disjointes d'où si on considère la réunion $\mathcal{M} $ de toutes ces paires on obtient soit $E$ soit $E$ privé d'un élément sinon $E$ aurait au moins 2 éléments :a et b de plus que $\mathcal{M} $.On pourrait alors considérer une nouvelle paire $\{a,b\} $ disjointe de toutes celles de $M$ et ainsi $M\bigcup \{\{a,b\}\} $ contredirait la maximalité de $M$ dans $\mathcal{P}_{dis}(\mathcal{P}_a) $ dès lors
si $\mathcal{M}=E$ alors $M$ est une partition de $E$ en paires et card($E$) est pair.
et si $\mathcal{M }$ est égal à $E$ privé d'un élément $x$ alors $M$ est une partition en paires de $E\backslash \{x\}$ d'où card( $E\backslash \{x\})$ est pair mais d'après le théorème 1 card($E$)=card( $E\backslash \{x\})$ donc card($E$) est pair ce qui achève la preuve du théorème 2.

Autrement dit
Théorème Tout ensemble infini admet une partition en paires.
Ceci entraîne que tout ensemble infini admet une involution sans point fixe qui à tout élément x fait correspondre l'autre élément de l'unique paire de la partition qui contient x.
Quelques ensembles infinis avec preuves concrètes de leur parité:
card($\mathbb{R}$)est pair car card($\mathbb{R})=$card($\mathbb{R}^*)$(théorème 1) et l'ensemble des paires formées de 2 réels non nuls opposés est une partition en paires de $\mathbb{R}^*$

card( $\mathcal{P}(E))$est pair si $E$ est un ensemble infini car l'ensemble des paires formées par une partie de $E$ et sa complémentaire est une partition de $\mathcal{P}(E)$ en paires.
Si $E$ est fini c'est encore vrai car card( $\mathcal{P}(E))=2^n $ si card($E$)=n

Pour me contacter $\leadsto$guyphilippe@les-mathematiques.net
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©Emmanuel Vieillard Baron 01-01-2001
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