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classe d'ensembles pouvant être décrits entièrement en termes de sous-ensembles plus simples De Wikipédia, l'encyclopédie libre
En mathématiques et en théorie des ensembles, l'univers constructible, ou l'univers constructible de Gödel, noté L, est une classe d'ensembles qui peuvent entièrement être décrits en termes d'ensembles plus simples. Elle a été introduite en 1938 par Kurt Gödel dans son article sur « la cohérence de l'axiome du choix et de l'hypothèse généralisée du continu »[1]. Il y montrait que cette classe est un modèle intérieur (en) de la théorie ZF et que l'axiome du choix et l'hypothèse généralisée du continu sont vrais dans ce modèle. Ceci prouve que ces deux propositions sont cohérentes avec les axiomes de ZF, à condition que ZF soit déjà cohérente. De nombreux autres théorèmes (comme les résultats d’existence dépendant du lemme de Zorn) n'étant applicables que si on admet l’axiome du choix, sa cohérence est un résultat important.
L'univers constructible de Gödel L peut être construit par étapes, de manière similaire à la construction de l'univers de von Neumann, V. Les étapes sont indexées par des nombres ordinaux. Alors que dans l'univers de von Neumann, l'étape Vα+1 d'un successeur est l'ensemble de tous les sous-ensembles de l'étape Vα précédente, dans l'univers constructible de Gödel cet ensemble est l'ensemble des sous-ensembles qui sont définissables par une formule φ qui respecte les contraintes suivantes :
En construisant une étape uniquement à partir de ce qui a été construit aux étapes précédentes, on s'assure que l'ensemble qui en résulte soit indépendant des particularités du modèle de théorie des ensembles qui sert de base, et soit inclus dans n'importe lequel des modèles de cette théorie.
Soit
Alors, par les règles de récurrence transfinie, on définit :
Si z appartient à Lα, alors z = {y | y ∈ Lα et y ∈ z} ∈ Def(Lα) = Lα+1. Par conséquent Lα est inclus dans Lα+1, qui est un sous-ensemble de l'ensemble des parties de Lα. L est donc une tour d'ensembles transitifs emboîtés.
Les éléments de la classe L sont appelés ensembles constructibles ; L est appelé l'univers constructible. Def et L sont définissables[3]. L'axiome de constructibilité, qu'on peut écrire V = L, affirme que tout ensemble de V est constructible, c'est-à-dire qu'il est aussi dans L.
On peut également définir L par la formule Pour tout ordinal α,
Les ensembles Ln et Vn sont identiques pour n'importe quel ordinal n fini, qu'on accepte ou rejette l'axiome de constructibilité. Par conséquent Lω = Vω : leurs éléments sont exactement les ensembles héréditairement finis (en). Pour les ordinaux plus grands, l'égalité n'est plus valide. Même pour les modèles de ZFC dans lesquels V est égal à L, Lω+1 est un sous-ensemble strictement inclus dans Vω+1, ce qui entraîne que Lα+1 est un sous-ensemble strict de l'ensemble des parties de Lα pour tout α > ω.
Pour un ordinal infini α, Lα et α sont en bijection, par une bijection constructible. Ces ensembles sont donc équipotents dans n'importe quel modèle de théorie des ensembles les incluant.
Tel que défini au-dessus, Def(X) est l'ensemble des sous-ensembles de X définis par des formules de classe Δ0, les formules de la théorie des ensembles ne comprenant que des quantificateurs bornés (en) dont les paramètres sont X ou ses éléments.
Une définition équivalente de Gödel, sans référence à la définissabilité, caractérise chaque Lα+1 comme l'intersection de l'ensemble des parties de Lα et de la clôture de Lα∪{Lα} par une collection de neuf fonctions particulières.
Tout sous-ensemble de ω ou relation sur ω qui est arithmétique appartient à Lω+1, la définition arithmétique en fournissant une dans Lω+1. Inversement, tout sous-ensemble de ω appartenant à Lω+1 est arithmétique, car les éléments de Lω sont codables par des entiers naturels de manière que l'appartenance ∈ soit définissable, donc arithmétique. Cependant, Lω+2 contient déjà certains sous-ensembles non arithmétiques de ω, comme l'ensemble des (entiers codant des) énoncés arithmétiques vrais : en effet, il est définissable à partir de Lω+1 ; il appartient donc à Lω+2.
Tous les sous-ensembles de ω et les relations sur ω qui sont hyperarithmétiques (en) appartiennent à , où désigne l'ordinal de Church-Kleene (en) et, inversement, les sous-ensembles de ω appartenant à sont hyperarithmétiques[4].
L est un modèle « standard », au sens où c'est une classe transitive dont la relation d'appartenance est celle de V. Par conséquent, toute formule Δ0 est absolue (en) pour L. On en déduit que L est un modèle intérieur, c'est-à-dire une sous-classe de V qui contient tous les ordinaux de V. En effet, on montre par induction transfinie, que α ∈ Lα+1[5]. L est un modèle de ZFC[6], c'est-à-dire qu'il satisfait les axiomes suivants :
Tout l'intérêt de L est que la preuve que c'est un modèle de ZFC nécessite uniquement que V soit un modèle de ZF, c'est-à-dire qu'elle ne dépend pas de la validité de l'axiome du choix dans V.
Soit W un modèle standard de ZF qui possède les mêmes ordinaux que V. L'univers L défini dans W est alors le même que celui défini dans V. En particulier Lα est le même dans V et W pour n'importe quel ordinal α, et les mêmes formules et paramètres dans Def(Lα) produisent les mêmes ensembles constructibles dans Lα+1.
De plus, comme L est une sous-classe de V et de W, L est la plus petite classe qui à la fois contient tous les ordinaux et est un modèle standard de ZF. En effet L est l'intersection de toutes ces classes.
S'il existe un ensemble W dans V qui est un modèle intérieur de ZF et si l'ordinal κ est l'ensemble des ordinaux appartenant à W, alors Lκ est le L de W. S'il existe un modèle standard (en) de ZF, alors le plus petit de ces ensembles est un tel Lκ. Cet ensemble est appelé le modèle minimal (en) de ZFC. En utilisant le théorème de Löwenheim-Skolem descendant, on peut montrer que le modèle minimal, s'il existe, est nécessairement dénombrable.
Bien sûr, n'importe quelle théorie cohérente doit avoir un modèle, donc il existe des modèles de ZF y compris à l'intérieur de ce modèle minimal (en supposant que ZF soit cohérente). Cependant, ces modèles des ensembles ne sont pas standards. En particulier, ils n'utilisent pas la relation normale d'appartenance et ils ne sont pas bien fondés.
On déduit que V = L est vrai dans L et dans tout Lκ qui est un modèle de ZF, des faits que le L de L et le V de L sont tous deux le vrai L et que le L de Lκ et le V de Lκ sont le vrai Lκ. Ce sont cependant les seuls modèles standard de ZF dans lesquels V = L soit valide.
Comme On ⊂ L ⊆ V, les propriétés des ordinaux qui dépendent de l'absence d'une fonction ou d'une autre structure (i.e. les formules Π1ZF) sont préservées de V à L. Les ordinaux initiaux (en) de V sont donc aussi initiaux dans L. Les ordinaux réguliers (en) le restent dans L. Les cardinaux limites faibles deviennent des limites fortes dans L parce que l'hypothèse généralisée du continu est vérifiée dans L. Les cardinaux faiblement inaccessibles deviennent fortement inaccessibles. Plus généralement, n'importe quelle propriété de grand cardinal plus faible que 0# (en) (voir la liste de propriétés de grands cardinaux (en)) sera vérifiée également dans L.
Cependant 0# n'est pas vérifiée dans L, même si elle l'est dans V. Tous les grands cardinaux dont l'existence implique 0# ne conservent donc que leurs propriétés plus faibles que 0#. Par exemple les cardinaux mesurables ne sont plus mesurables dans L mais restent de Mahlo (en).
On peut remarquer que si 0# est vraie dans V, alors il existe une classe close et non bornée d'ordinaux indiscernables dans L. Bien que certains d'entre eux ne soient même pas des ordinaux initiaux de V, ils ont les propriétés plus faibles que 0# dans L. De plus, n'importe quelle fonction sur les classes strictement croissante de la classe des indiscernables vers elle-même, peut être étendue d'une manière unique en un plongement élémentaire (en) de L dans L. Cette propriété confère à L une structure de segments se répétant.
Il y a plusieurs manières de faire de L un bon ordre. Certaines partent de l'élégante structure (traduction de « fine structure) ») décrite par Ronald Bjorn Jense[7] de L. Dans son article, il donne un aperçu d'une construction de bon ordre pour L utilisant seulement les définitions données jusqu'ici, plutôt que d'expliquer cette structure.
Supposons que x et y soient deux ensembles différents appartenant à L, et que nous souhaitons déterminer si x<y ou si x>y. Si x apparaît à l’étape Lα+1 et y apparaît dans Lβ+1, et β différent de α, alors définissons x<y si et seulement si α<β. À partir de ce point nous supposerons que β=α.
Rappelons que Lα+1 = Def (Lα), c'est-à-dire que Lα+1 est défini grâce à des formules paramétrées par des ensembles de <Lα. Si on oublie temporairement les paramètres, les formules peuvent être énumérées par un codage de Gödel standard. Si Φ et Ψ sont les formules de plus petits nombres de Gödel permettant de définir respectivement x et y, et si ces formules sont différentes, nous définissons x<y si et seulement si le nombre de Φ est strictement inférieur au nombre de Ψ. Nous avons supposé β=α, donc nous supposerons Φ=Ψ.
Continuons la définition en supposant que Φ possède n paramètres de Lα. Supponsons que la séquence de paramètre z1, ..., zn soit la séquence de paramètres de Φ utilisée pour définir x, et que de même w1, ..., wn soit celle de y. Choisissons alors x<y si et seulement si
C'est-à-dire l'ordre lexicographique inverse. S'il existe plusieurs séquences définissant le même ensemble, nous choisissons la plus petite par cette définition. Nous devons remarquer que les valeurs possibles pour un paramètre sont ordonnées d'après l'ordre sur L restreint à Lα, cette définition est donc une définition par récurrence transfinie.
Le bon ordre des valeurs sur chaque paramètre est donné par l'hypothèse d'induction de cette récurrence. Les valeurs des n-uplets de paramètres sont bien ordonnées par leur ordre produit. Les formules paramétrées sont bien ordonnées par somme ordonnée par les nombres de Gödel de bons ordres. Enfin L est bien ordonné par somme ordonnée par α des ordres sur Lα+1.
Notons que ce bon ordre peut être défini dans L lui-même par une formule sans paramètre de la théorie des ensembles, seulement avec les variables libres x et y. Cette formule a la même valeur de vérité quelle que soit la manière dont on l'évalue dans L, V, ou W (un autre modèle standard de ZF muni des mêmes ordinaux) et nous pouvons supposer qu'elle sera fausse si soit x soit y ne sont pas dans L.
Il est bien établi que l'axiome du choix est équivalent à la possibilité de donner un bon ordre sur n'importe quel ensemble. Bien ordonner la classe propre V (comme nous venons de le faire avec L) est équivalent à Axiome du choix global qui couvre les classes propres d'ensembles non vides; il est donc plus puissant que l'axiome du choix habituel.
Faire la démonstration que L vérifie l'axiome de séparation, l’axiome de remplacement, et l’axiome du choix nécessite (au moins dans la démonstration précédente) l'utilisation d'un principe de réflexion (en) pour L, en voici un: Par induction mathématique sur n<ω, nous utilisons ZF dans V pour démontrer que pour n’importe quel nombre ordinal α, il existe un ordinal β>α pour lequel n’importe quelle formule P(z1, ..., zk) avec z1, ..., zk appartenant à Lβ constituée de moins de n symboles (les constantes contenues dans Lβ comptent pour un symbole), nous obtenons que P(z1, ..., zk) est vérifiée dans Lβ si et seulement si elle est vérifiée dans L.
Soit , et T n'importe quel sous-ensemble constructible de S. Il existe alors un ordinal β pour lequel , donc , pour une formule Φ et un choisis dans . Par le théorème de Löwenheim-Skolem inversé, il existe nécessairement un ensemble transitif K contenant et un , qui possède une théorie du premier ordre identique à dont le serait substitué par ; ce K aura le même cardinal que . comme est vérifiée dans , il est aussi vrai dans K, par conséquent pour un γ qui a le même cardinal qu'α. Donc parce que et ont la même théorie. T est donc dans .
Tous les sous-ensembles constructibles d'un ensemble infini S ont des rangs κ (au maximum) identiques au rang de S; il suit que si α est l’ordinal initial de κ+, alors peut servir d'"ensemble des parties" de S à l’intérieur de L. Cette étape montre que le simili ensemble des parties de S à un cardinal d'au plus . En supposant que S a κ pour cardinal, cet ensemble des parties doit avoir un cardinal d'exactement κ+. Ce qui est exactement l'hypothèse généralisée du continu rapportée à L.
Il existe une formule de la théorie des ensembles qui énonce quelque chose de similaire à X=Lα. Elle n’est composée que de variables libres pour X et α. En l’utilisant, nous pouvons étendre la définition pour n’importe quel ensemble constructible. Si s∈Lα+1, alors s = {y|y∈Lα et Φ(y,z1,...,zn) sont vérifiées dans (Lα,∈)} pour une formule Φ et un z1, ..., zn de Lα. C'est la même chose de dire : pour tout y, y∈s si et seulement si [il existe un X tel que X=Lα et y∈X et Ψ(X, y, z1, ..., zn)] dans laquelle Ψ(X, ...) est le résultat de la restriction de tous les quantificateurs aux ensembles de X dans Φ(...). Notons que chaque zk∈Lβ+1 pour un β<α. Combinons alors les formules destinées aux z avec la formule affectée à s. Si nous appliquons une quantification existentielle aux z de l’extérieur, nous obtenons une formule définissant l’ensemble s en utilisant uniquement les ordinaux α apparaissant comme paramètre dans les expressions similaires à X=Lα.
L'ensemble {5,ω} est constructible. S'il est l’unique ensemble s, qui vérifie la formule ,
(avec une notation pour )
Nous avons en fait encore dans cet exemple une version simplifiée de la formule résultant de l’exécution des instructions données ici, mais le résultat est quand même là : il existe une formule de la théorie des ensembles vérifiée seulement pour les ensembles s que nous désirions, paramétrées seulement par des valeurs ordinales.
Un modèle de la théorie des ensembles aussi petit que L, mais incluant ou étant lié à un ensemble constructible est parfois recherché. On dispose dans ces cas de deux versions d'une constructibilité relative notées L(A) et L[A].
La classe L(A) d'un ensemble non constructible est définie comme l’intersection de toutes les classes modèles standards de la théorie des ensembles qui incluent A et de tous les ordinaux.
L'axiome du choix est utilisable si L(A) contient un bon ordre pour la fermeture transitive de {A}. Cet axiome du choix peut être extensible à L(A). Dans le cas contraire, l'axiome n’est pas valable.
Un exemple classique en est L(R), le plus petit modèle incluant les réels, très utilisé en théorie descriptive des ensembles.
Cette classe est systématiquement modèle de l’axiome du choix. Même si A est un ensemble, il n’appartient pas nécessairement à L[A], à l'exception des A constitués uniquement d'ordinaux.
Les ensembles de L(A) et de L[A] ne sont cependant, rappelons le, souvent pas constructibles, et leurs propriétés peuvent être très différentes de celles de L.
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