La Théorie des Ensembles selon les Shadoks

Documents pareils
Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

Nombre de marches Nombre de facons de les monter

Image d un intervalle par une fonction continue

Comparaison de fonctions Développements limités. Chapitre 10

Exo7. Calculs de déterminants. Fiche corrigée par Arnaud Bodin. Exercice 1 Calculer les déterminants des matrices suivantes : Exercice 2.

Calcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.

Utilisation des tableaux sémantiques dans les logiques de description

Logique. Plan du chapitre

Premiers exercices d Algèbre. Anne-Marie Simon

Dualité dans les espaces de Lebesgue et mesures de Radon finies

De même, le périmètre P d un cercle de rayon 1 vaut P = 2π (par définition de π). Mais, on peut démontrer (difficilement!) que

Calculabilité Cours 3 : Problèmes non-calculables.

Groupe symétrique. Chapitre II. 1 Définitions et généralités

L isomorphisme entre les tours de Lubin-Tate et de Drinfeld et applications cohomologiques par Laurent Fargues

Réalisabilité et extraction de programmes

Problèmes de Mathématiques Filtres et ultrafiltres

Calcul différentiel sur R n Première partie

Continuité en un point

Structures algébriques

Le produit semi-direct

Chapitre 2. Eléments pour comprendre un énoncé

Plan du cours : électricité 1

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

SOCLE COMMUN - La Compétence 3 Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique

Continuité et dérivabilité d une fonction

Développements limités. Notion de développement limité

Limites finies en un point

Marc HINDRY. Introduction et présentation. page 2. 1 Le langage mathématique page 4. 2 Ensembles et applications page 8

La mesure de Lebesgue sur la droite réelle

Continuité d une fonction de plusieurs variables

Calcul différentiel. Chapitre Différentiabilité

Développements limités, équivalents et calculs de limites

PLAN NOTATIONS UTILISÉES

Eteindre. les. lumières MATH EN JEAN Mme BACHOC. Elèves de seconde, première et terminale scientifiques :

1 Définition et premières propriétés des congruences

Un K-espace vectoriel est un ensemble non vide E muni : d une loi de composition interne, c est-à-dire d une application de E E dans E : E E E

Logique : ENSIIE 1A - contrôle final

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Examen optimisation Centrale Marseille (2008) et SupGalilee (2008)

Chapitre 6. Fonction réelle d une variable réelle

La Licence Mathématiques et Economie-MASS Université de Sciences Sociales de Toulouse 1

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Dérivation : Résumé de cours et méthodes

Texte Agrégation limitée par diffusion interne

Algèbre binaire et Circuits logiques ( )

AC AB. A B C x 1. x + 1. d où. Avec un calcul vu au lycée, on démontre que cette solution admet deux solutions dont une seule nous intéresse : x =

Tâche complexe produite par l académie de Clermont-Ferrand. Mai 2012 LE TIR A L ARC. (d après une idée du collège des Portes du Midi de Maurs)

Cours de Probabilités et de Statistique

Programmes des classes préparatoires aux Grandes Ecoles

Calculs de probabilités

Optimisation des fonctions de plusieurs variables

Cours Fonctions de deux variables

Chapitre 1 : Évolution COURS

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

Objets Combinatoires élementaires

CHOIX OPTIMAL DU CONSOMMATEUR. A - Propriétés et détermination du choix optimal

Polynômes à plusieurs variables. Résultant

La persistance des nombres

Le théorème de Thalès et sa réciproque

INTRODUCTION À L ANALYSE FACTORIELLE DES CORRESPONDANCES

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

Corps des nombres complexes, J Paul Tsasa

Probabilités sur un univers fini

PRIME D UNE OPTION D ACHAT OU DE VENTE

Différentiabilité ; Fonctions de plusieurs variables réelles

Rappels et compléments, première partie : Nombres complexes et applications à la géométrie

F411 - Courbes Paramétrées, Polaires

Consolidation de fondamentaux

Raisonnement par récurrence Suites numériques

Probabilités sur un univers fini

Les droites (d 1 ) et (d 2 ) sont sécantes en A Le point A est le point d intersection des 2 droites

CHAPITRE IV. L axiome du choix

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Fonctions de plusieurs variables

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours

Economie de l incertain et de l information Partie 1 : Décision en incertain probabilisé Chapitre 1 : Introduction à l incertitude et théorie de

6. Les différents types de démonstrations

O, i, ) ln x. (ln x)2

Vision industrielle et télédétection - Détection d ellipses. Guillaume Martinez 17 décembre 2007

Théorie de la Mesure et Intégration

Chapitre 2. Matrices

TOUT CE QU IL FAUT SAVOIR POUR LE BREVET

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé

Séminaires Paris le 14 et 15 mars 2007 Grenoble le 21 et 22 Mars 2007

Dérivées d ordres supérieurs. Application à l étude d extrema.

Théorèmes de Point Fixe et Applications 1

FONDEMENTS DES MATHÉMATIQUES

Problème 1 : applications du plan affine

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

avec des nombres entiers

UNIVERSITE DE TOULON UFR FACULTE DE DROIT REGLEMENT D EXAMEN ANNEE 2012/2017 LICENCE DROIT MENTION DROIT GENERAL

Introduction à l étude des Corps Finis

Une forme générale de la conjecture abc

Cryptographie et fonctions à sens unique

«Une bonne thèse répond à une question très précise!» : comment l enseigner?

Construction d un cercle tangent à deux cercles donnés.

LA NOTATION STATISTIQUE DES EMPRUNTEURS OU «SCORING»

Fonctions homographiques

I. Ensemble de définition d'une fonction

Plan du cours : Zippers. Des fonctions sur les listes avec position. Des fonctions sur les listes avec position

Transcription:

La Théorie des Ensembles selon les Shadoks Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur les topos sans jamais oser le demander. Alain Prouté Université Denis Diderot et Institut Cosmique de Logique Shadok. (Assistant du Pr. Shadoko) Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 1

Ensemble ordinaire (patatoïde) Ensemble de Shadoks Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 2

Hé bien voilà! Ça devait arriver! Les shadoks ont décidé d avoir leur propre Théorie des Ensembles. Il ont décidé qu un ensemble contiendrait des... Shadoks! Cela ne change pas grand chose direz-vous. Détrompez-vous! Cela change tout car... les shadoks ont des œufs. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 3

Véritable ensemble de Shadoks Important : chaque œuf appartient à un unique shadok. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 4

Bien sûr, comme il n y a pas d éléments dans les ensembles de shadoks, il faut se rabattre sur autre chose. Par exemple, sur les applications entre ensembles. On supposera bien sûr qu on peut les composer (quand elles sont composables), que la composition est associative, et que chaque ensemble est muni d une application identique neutre pour la composition. Bref! On a une catégorie des ensembles de shadoks. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 5

Application entre ensembles de Shadoks Important : si l œuf a appartient au shadok b, alors l œuf f(a) appartient au shadok f(b). Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 6

L absence d éléments dans les ensembles de shadoks nous force à redéfinir les concepts usuels de la Théorie des Ensembles sans parler d éléments. L un de ces concepts est celui de bijection, qui se laisse très bien redéfinir, pour une application f, par la propriété d avoir une application inverse g, c est à dire vérifiant g f = 1 E et f g = 1 F. 1 E E f g F 1 F Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 7

Comment caractériser l ensemble vide sans parler d éléments? C est simple. L ensemble vide a la propriété que pour tout ensemble X il existe une et une seule application de l ensemble vide vers X. De même, un singleton (ensemble à un seul élément) est caractérisé par le fait que pour tout ensemble X il existe une et une seule application de X vers ce singleton. Ces propriétés permettent de dire ce qu est un ensemble vide et ce qu est un singleton dans la catégorie des ensembles de shadoks. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 8

L ensemble vide (0) et un singleton (1) 1/2 (un ensemble intermédiaire entre vide et singleton) Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 9

Très important! Il y a exactement autant de shadoks dans X qu il y a de fonctions de 1/2 vers X. Il y a exactement autant d œufs dans X qu il y a de fonctions de 1 vers X. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 10

Deux ensembles importants Pour connaître le shadok auquel l œuf f correspondant à 1 E appartient, il suffit de composer f avec l unique application de 1/2 vers 1. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 11

Pour définir le produit (cartésien) sans parler d éléments, on se basera sur le fait qu il est équivalent de se donner une application de X vers E F, ou de se donner deux applications, une de X vers E et l autre de X vers F. En conséquence, se donner une application de 1/2 vers E F est la même chose que se donner une application de 1/2 vers E et une application de 1/2 vers F. Il en résulte que les shadoks de E F sont des paires (a, b) où a est un shadok de E et b un shadok de F. Le même raisonnement avec 1 à la place de 1/2 nous montre qu un œuf de E F est une paire (u, v) faite d un œuf de E et d un œuf de F. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 12

f E X π 1 E F π 2 f,g g F Produit d ensembles (remplacer X successivement par 1/2 et 1, puis par E F pour obtenir π 1 et π 2 ). Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 13

Comment définir l ensemble fonctionnel F E sans parler d éléments? Cet ensemble est caractérisé à isomorphisme près par la propriété suivante. Pour tout ensemble X, se donner une application g de X vers F E est équivalent à se donner une application f de X E vers F. Le passage de la seconde application à la première s appelle curryfication. Ces deux applications se calculent l une à partir de l autre par la formule suivante : g(x)(y) = f(x, y) Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 14

Faire le produit de E par 1/2 revient à retirer tous les œufs de E. Faire le produit de E par 1 ne change pas fondamentalement E. En conséquence, les shadoks de F E sont les applications (ordinaires) entre l ensemble (ordinaire) des shadoks de E vers l ensemble (ordinaire) des shadoks de F, et les œufs de F E sont les applications (entre ensembles de shadoks) de E vers F. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 15

L ensemble E et l ensemble F. L ensemble F E. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 16

Attention piège! Si E et F ne contiennent pas d œufs, F E peut très bien en contenir. Ci-dessus l ensemble (1/2) (1/2) (isomorphe à 1). Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 17

Comment dire qu une application est injective (ou surjective) sans parler d éléments? C est un exercice élémentaire de montrer qu une application (ordinaire) f est injective si et seulement si elle est simplifiable à gauche, c est à dire si on a : f g = f h g = h quelles que soient g et h (composables avec f). De même une application (ordinaire) est surjective si et seulement si elle est simplifiable à droite. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 18

En fait, dans le cas des ensembles de shadoks, dire qu une application est injective revient à dire qu elle est injective sur les shadoks et injective sur les œufs. De même, dire qu elle est surjective revient à dire qu elle est surjective sur les shadoks et surjective sur les œufs. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 19

Comment définir la notion de sous-ensemble sans parler d éléments? On peut penser à remplacer le sous-ensemble par une injection. Malheureusement, deux injections distinctes f : X E et g : Y E peuvent avoir la même image. Toutefois, elle ont la même image si et seulement si il existe une bijection ϕ : X Y telle que g ϕ = f. Deux injections (monomorphismes) qui ont cette propriété sont dites équivalentes. Un sous-ensemble de E sera donc une classe d équivalence d injections de cible E. On l appelera sous-objet. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 20

Un sous-ensemble (sous-objet) de E. Les trois sous-ensembles du singleton : 0, 1/2 et 1. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 21

Est-il possible de définir la notion d image réciproque d un sous-ensemble sans parler d éléments? On y parvient comme ceci. Soit f : E F une application. Soit B un sous-ensemble de F représenté par une injection β : Y F. L image réciproque de B sera représentée par une injection α : X E, telle que toute application ϕ : Z E se relève le long de α si et seulement si le composé f ϕ se relève le long de β. Z ϕ X α Y E f F β En clair : Im(ϕ) f 1 (B) Im(f ϕ) B Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 22

Une image réciproque. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 23

Classiquement, on a une correspondance biunivoque entre les sous-ensembles de E et les fonctions de E vers un ensemble Ω à deux éléments. Une fonction f : E Ω étant donnée, le sous-ensemble de E correspondant est obtenu comme l image réciproque d un des deux éléments de Ω, c est à dire comme image réciproque du singleton formé par cet élément. Pour définir cette correspondance sans parler d éléments, il est bien évidemment nécessaire d oublier que Ω a deux éléments. Nous nous souviendrons donc seulement du fait qu il y a un sous-ensemble T de Ω tel que le sous-ensemble de E correspondant à f : E Ω soit f 1 (T ). On notera une injection de cible Ω représentant T. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 24

Quels sont les shadoks de Ω? Ils sont en correspondance biunivoque avec les applications 1/2 Ω, donc avec les sous-objets de 1/2. De même, les œufs de Ω sont en correspondance biunivoque avec les applications 1 Ω, c est à dire avec les sous-objets de 1. Il y a donc 2 shadoks et 3 œufs dans Ω. Mais à quels shadoks appartiennent ces œufs? Mystère...??? Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 25

Pour le savoir on a besoin de préciser que la correspondance entre applications de E vers Ω et sous-objets de E doit être naturelle, ce qui peut s exprimer de la façon suivante : E f F g Ω f 1 (g 1 (T )) = (g f) 1 (T ) Par conséquent, un sous-ensemble f 1 (T ) de 1 étant donné, son image réciproque par i : 1/2 1 est (f i) 1 (T ). Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 26

Il y a donc trois situations possibles : 0 0 1/2 1 Ω i 1 (0) = 0 1/2 1/2 1/2 1 Ω i 1 (1/2) = 1/2 1/2 1 1/2 1 Ω i 1 (1) = 1/2 Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 27

D où il résulte que Ω est fait comme ceci : Exercice : identifier le sous-ensemble T de Ω, et en déduire que la source de est un singleton. Comme il y a trois applications de 1 vers Ω, la logique de la catégorie des ensembles de shadoks est dite trivaluée (celle de la catégorie des ensembles est bivaluée ). Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 28

Définition : Un topos élémentaire est une catégorie qui a (au moins) un singleton, des produits, des objets fonctionnels, des images réciproques, et un objet Ω classifiant les sous-objets. Note : Cette définition n entraine pas l existence d ensembles infinis. Aussi ajoute-t-on souvent l hypothèse que l on a un NNO (Natural Number Object). Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 29

Comme conséquence de la définition des produits, on a l application diagonale : X X X, qui est un monomorphisme puisque π 1 = 1 X. On a = eq 1 (T ) pour une certaine application eq qu on appellera égalité interne : X X eq Ω À partir de l égalité interne on construit la logique du topos. En particulier, on peut définir (par exemple dans cet ordre) le quantificateur universel, l énoncé ( faux ) (on connait déjà vrai qui est représenté par ), la conjonction, l implication, le quantificateur existentiel et la disjonction. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 30

Bien que les objets d un topos n aient a priori pas d éléments (ni même plusieurs sortes d éléments comme dans le topos des shadoks), le langage interne permet de faire comme s ils en avaient. Ce langage s interprète dans tout topos, et les énoncés de ce langage qu on démontre en se limitant aux principes intuitionnistes sont vrais dans tous les topos. On exhibe facilement des topos dans lesquels le principe du tiers exclu n est pas vérifié (par exemple le topos des shadoks, dans lequel on peut voir que le Théorème de Cantor-Bernstein n est pas vrai), ou dans lesquels l axiome du choix n est pas vérifié (encore le topos des shadoks qui contient des surjections qui n ont pas de section). Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 31

Pourquoi le Théorème de Cantor-Bernstein n est pas vrai chez les shadoks. Une injection dans chaque sens. Pas de bijection. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 32

Pourquoi l axiome du choix n est pas vrai chez les shadoks. Une surjection f qui n a pas de section (c est à dire qu il n existe pas d application s telle que f s = 1). Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 33

Note : En fait, il y a une petite arnaque dans ce qui vient d être dit sur Cantor-Bernstein et l axiome du choix, car il faut distinguer les versions internes des versions externes. Les exemples précédents contredisent les versions externes de ces énoncés. Toutefois, dans le cas du topos des shadoks, les deux versions sont équivalentes. Ceci tient au fait que l objet final est projectif dans ce topos. Dans le topos des G-ensembles et applications G-équivariantes (où G est un groupe non trivial), l objet final n est pas projectif et des phénomènes différents apparaîssent. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 34

Petite bibliographie. J.L. Bell Toposes and Local Set Theories. Dover Publications. R. Goldblatt Topoi. North-Holland Amsterdam. S. Mac Lane, I. Moerdijk Sheaves in Geometry and Logic. Universitext Springer-Verlag. C. McLarty Elementary Categories, Elementary Toposes. Oxford Science Publications. J. Rouxel Les Shadoks : ga bu zo meu. Circonflexe. Séminaire Général de Logique 17 mars 2008 35