Bolzano Weierstrass

Bonjour tout le monde, j'espère que vous avez passé une bonne journée. Sur ce, je vous demande de m'indiquer l'erreur dans ma démonstration.

Soit Un une suite de [large]C[/large]auchy, donc elle est bornée, donc on applique [large]B[/large]olzano sur cette suite, on a une sous-suite de Un convergente donc Un admet une valeur d'adhérence donc Un est convergente.
Alors toute suite de [large]C[/large]auchy est convergente et toute suite convergente est de [large]C[/large]auchy ?? Dans ce cas pourquoi ajouter cette notion de [large]C[/large]auchy si ce n'est autre que la convergence ? Merci de votre aide précieuse.

[Bernard Bolzano (1781-1848),
Augustin-Louis Cauchy (1789-1857) et
Karl Weierstrass (1815-1897) prennent tous trois, en toute occasion, une majuscule. AD]

Réponses

  • Essaie d’appliquer ta démonstration sur une suite d’éléments de $\Q$ qui converge vers $\sqrt{2}$. Si tu travailles dans $\Q$ au lieu du $\R$ habituel, il y a comme un problème…
    La différence est dans l’espace ambiant : $\Q$ n’est pas complet alors que $\R$ l’est.
    Algebraic symbols are used when you do not know what you are talking about.
            -- Schnoebelen, Philippe
  • Tu as raison, dans $\mathbb{R}$ les notions de suite de Cauchy et de suites convergentes sont les mêmes. C'est pour ça que $\mathbb{R}$ est dit complet.
    Mais comme le fait remarquer Nicolas, ce n'est pas le cas de tous les espaces métriques. En particulier $\mathbb{Q}$ n'est pas complet (il y a des tonnes de contrexemples, être complet n'est pas l'habitude, c'est plutôt l'exception).Là où ton raisonnement échoue en général c'est le passage où tu invoques le théorème de Bolzano Weierstrass, qui n'est que valable que parce que $\mathbb{R}$ est un espace propre, c'est-à-dire que toute boule fermée (de rayon fini) est compacte, c'est ce qui permet l'extraction d'une telle sous-suite.
    Tu as donc démontré : Si $(X,d)$ est un espace métrique propre, alors il est complet. Tu as des réciproques partielles à ce théorème, mais pas de réciproque (exercice: trouver un espace métrique complet non propre)
  • Ah, d'accord. Dans ce cas, c'est quoi le théorème de Bolzano ? La condition de l'appliquer est que l'espace soit complet ?

    [Bruce, veille à commencer tes phrases par une majuscule. Merci. AD]
  • J’ajoute que la construction de $\R$ à partir de $\Q$ utilise précisément les suites de Cauchy.
    $\R$ est l’ensemble des classes d’équivalences des suites de Cauchy d’éléments de $\Q$, la relation d’équivalence est déterminée par le fait que la différence de deux suites équivalentes a une limite nulle.
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            -- Schnoebelen, Philippe
  • Le théorème de Bolzano (celui que je connais) est le Théorème des valeurs intermédiaires, donc rien à voir :-D ici on parle du théorème de Bolzano-Weierstrass, qui énonce essentiellement que $\mathbb{R}$ est propre : c'est un théorème propre à $\mathbb{R}$ . Il dit qu'une suite de réels bornée admet une sous-suite convergente, autrement dit (dans ce cas) une valeur d'adhérence.

    @Nicolas : attention c'est *une* des constructions de $\mathbb{R}$ ;-)
  • Oui, je sais, mais qui voit encore celle des coupures ?
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            -- Schnoebelen, Philippe
  • nicolas.patrois a écrit:
    mais qui voit encore celle des coupures ?
    Moi par exemple :-) C'est même la première que j'ai vue. Même si je préfère celle de la complétude par suites de Cauchy car généralisable, celle des coupures a aussi ses avantages, entre autres la notion de nombre réel paraît plus intuitive qu'avec Cauchy en première approche, tout en ayant une construction formelle plus simple qu'avec les développements décimaux.
  • Il y en a aussi avec des ultrafiltres :-D
  • Ou celle de Conway avec les surréels.
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            -- Schnoebelen, Philippe
  • Là où on se mord un peu la queue, c'est que la démo habituelle de Bolzano-Weierstrass utilise le fait qu'une suite de Cauchy converge. :-D

    Il vaut mieux démontrer "à la main" le critère de Cauchy, à mon avis.
  • @Cyrano Je ne vois pas ce que tu veux dire. Où est le problème avec ce que tu cites et que veux-tu dire par démontrer à la main le critère de Cauchy ?
  • @Champ-Pot-Lion: le problème est de démontrer que $\mathbb{R}$ est complet en utilisant BW, alors que BW se montre (selon Cyrano) en utilisant la complétude de $\mathbb{R}$.

    Mais sa remarque me surprend car dans mon esprit j'avais démontré en cours BW avant la complétude de $\mathbb{R}$... Si on prend l'extraction classique en $\frac{1}{2^n}$, alors le lemme d'encadrement et les suites adjacentes ne permettent-elles pas de conclure ?
    Sachant que le lemme d'encadrement se montre "sans rien", et les suites adjacentes se montrent avec la propriété de la borne supérieure (qui est équivalente à la complétude, mais qui est souvent prise comme définition).

    Enfin en dernière analyse, l'ordre dans lequel on fait les choses dépend totalement de la définition de $\mathbb{R}$. Si on prend la construction de Cauchy, il est clair que la première étape est de montrer la complétude, d'en déduire la propriété de la borne supérieure; puis d'en déduire (à l'aide du lemme du soleil levant) BW; mais si on construit $\mathbb{R}$ à l'aide des coupes de Dedekind (ce qui est en un sens plus "naturel" car les suites de Cauchy reposent sur la notion de distance qui est relativement reliée aux réels; même si bien sûr on peut se passer de parler de réels) ou des ultrafiltres comme je l'ai mentionné avant, la première propriété qu'on démontre est celle de la borne supérieure, de laquelle on déduit BW (même schéma qu'avant: lemme du soleil levant et convergence des suites monotones bornées) et alors on peut en déduire la complétude.

    Je ne pense pas que, sans regarder la définition utilisée pour $\mathbb{R}$, on puisse dire qui de BW ou de Cauchy est plus "fondamental" et devrait se montrer avant.
  • @Maxtimax D'accord, j'avais oublié de quoi il était question.
    Maxtimax a écrit:
    ce qui est en un sens plus "naturel" car les suites de Cauchy reposent sur la notion de distance qui est relativement reliée aux réels; même si bien sûr on peut se passer de parler de réels

    On peut voir la construction par suites de Cauchy dans le contexte des espaces uniformes, qui sont eux indépendants de $\R$.
  • Champ-Pot-Lion : oui les espaces uniformes ça marche, je pense qu'on peut le faire de plein de manières; c'était une remarque en passant
  • Quand j'étais "petit", on m'a démontré le théorème de Bolzano-Weierstrass en utilisant le lemme qui dit que toute suite admet une sous-suite monotone, et la propriété de la borne supérieure. Quel est le problème soulevé par Cyrano ?
    Je me rappelle aussi qu'un prof nous avait dit que "la" construction de $\mathbb{R}$ par les suites de Cauchy était de la triche, parce qu'on ne peut pas définir ce qu'est un espace métrique sans $\mathbb{R}$. C'est de ça dont tu parles ?

    [EDIT : AD, on ne peut pas faire de Eszett ?]
  • Il n'y a aucune triche dans la construction de $\R$ par les suites de Cauchy, quand c'est fait correctement : https://fr.wikipedia.org/wiki/Construction_des_nombres_réels#Construction_via_les_suites_de_Cauchy

    Sinon pour Bolzano-Weierstrass j'ai vu la même façon que Georges Abitbol.
  • Je parle de ça, oui : ce n'est pas de la triche comme skyffer le rappelle, mais c'est moins "naturel" (en un sens philosophico non mathématique) en ce sens que la construction par les coupures de Dedekind.
    Simplement Cyrano avait l'impression que BW se montrait uniquement avec la complétude de $\mathbb{R}$, ce qui a sûrement été son cas même si on peut s'en passer (comme nos messages le montrent)
  • Dans mon cours, j'utilisais la démonstration de B-W par dichotomie (avec au début du cours une présentation axiomatique de $\R$ avec l'axiome des segments emboîtés).
  • Il me semble instructif de prouver l'équivalence entre les trois théorèmes suivants, indépendamment de la construction de $\R$ choisie :
    1. théorème de la borne supérieure (variante : toute suite croissante majorée converge) ;
    2. théorème des segments emboîtés (variante : deux suites adjacentes convergent vers la même limite) ;
    3. théorème de Bolzano-Weierstrass.
    La dichotomie permet de faire une grosse partie du travail.
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