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Exercices “Structures algébriques” (B)
Exercice 1
Problème : Soit une application entre deux ensembles non vides. On note l’ensemble des sections (inverses à droite) de et l’ensemble des rétractions (inverses à gauche) de .
- Démontrer que est surjective.
- Supposons surjective. Pour chaque , on note la fibre de . Démontrer qu’il existe une bijection entre et le produit cartésien .
- Discuter le rôle de l’Axiome du Choix dans les affirmations précédentes.
Solution
Méthode : La première partie est une application directe de la définition. Pour la deuxième partie, nous allons construire explicitement une application et montrer qu’elle est bijective. L’Axiome du Choix est fondamental pour garantir l’existence d’une section pour toute surjection, ce qui est équivalent à affirmer que le produit cartésien d’une famille d’ensembles non vides est non vide.
Étapes :
-
Preuve de (1) :
- () Supposons . Il existe donc telle que . Pour tout , posons . Alors . Donc, tout élément de a au moins un antécédent, ce qui signifie que est surjective.
- () Supposons surjective. Pour chaque , l’ensemble est non vide. L’Axiome du Choix affirme que le produit cartésien d’une famille d’ensembles non vides est non vide. Soit . Le produit est l’ensemble des fonctions de choix telles que . Une telle fonction est une application de dans . Par définition, signifie . Donc, . Une telle fonction est une section, donc .
-
Construction de la bijection :
Supposons surjective. Soit . Un élément de est une fonction telle que .
- Définissons . Soit . Pour tout , on a . Ceci signifie que est un antécédent de , donc . Par conséquent, l’application peut être vue comme une fonction de choix, i.e., un élément de . Nous posons donc . Cette application est bien définie.
- est injective : Si , alors en tant que fonctions, donc est injective.
- est surjective : Soit . Par définition de , est une application telle que pour tout , . Cela implique pour tout , ce qui est exactement la définition de . Donc est une section, i.e., . Comme , est surjective.
- Puisque est injective et surjective, c’est une bijection.
-
Rôle de l’Axiome du Choix (AC) :
- L’implication ” surjective ” est équivalente à l’Axiome du Choix. Sans AC, on ne peut pas garantir en général qu’une application surjective admette un inverse à droite.
- L’ensemble est défini comme l’ensemble des fonctions de choix. L’affirmation que cet ensemble est non vide (dès que tous les le sont) est précisément l’énoncé de l’AC.
- Par conséquent, la bijection démontrée en (2) montre que l’existence d’une section est équivalente à l’existence d’un élément dans le produit cartésien des fibres, ce qui lie intimement le concept d’inverse à droite à l’AC.
Réponse : La bijection est définie par . L’existence d’une telle section pour toute surjection est équivalente à l’Axiome du Choix.
Exercice 2
Problème : En utilisant exclusivement la propriété universelle du système d’entiers naturels , démontrer que l’application successeur est injective.
Solution
Méthode : L’idée est de construire une application “prédécesseur” telle que . Pour cela, on va utiliser la propriété universelle de en choisissant astucieusement un triplet . Le choix sera , mais appliqué de manière à “décaler” l’argument. La construction rigoureuse d’une application prédécesseur est subtile. Une approche plus directe est de construire une application telle que pour et de montrer que cela force l’injectivité.
Nous allons construire une application par la propriété universelle qui se comportera comme un prédécesseur.
Étapes :
-
Considérons le triplet où , et . Par la propriété universelle, il existe une unique application telle que :
Cette application n’est pas le prédécesseur. Il faut une construction plus fine.
-
Définissons l’application Prédécesseur . On veut et .
Utilisons la propriété universelle pour définir . Soit le triplet . L’unique application vérifiant et est l’identité .
Pour construire , il faut une astuce. Considérons une autre approche.
-
Soient tels que . Nous voulons montrer que .
Soit . Définissons une application par si , et .
Nous voulons utiliser la propriété universelle pour prouver . Cela semble trop complexe.
-
Revenons à l’idée de construire une rétraction pour .
Considérons l’ensemble . L’axiome 1 de Peano (qui découle de la PU) dit que . Donc .
Définissons une application comme suit :
- Pour , s’écrit de manière unique (c’est ce qu’on veut prouver) . Posons .
Le problème est que cette définition suppose l’injectivité.
-
Démonstration correcte par la propriété universelle :
Soit fixé. Par la propriété universelle appliquée au triplet , il existe une unique application telle que et .
Montrons par récurrence (qui découle de la PU) que . L’application vérifie et . Par unicité, .
Une autre application candidate est . On a et . Par unicité, .
Donc . En particulier pour , , i.e. .
Cette voie explore les propriétés de l’addition. Restons plus fondamentaux.
-
Nouvelle approche : Soient tels que . On veut prouver .
Soit . On veut montrer que par récurrence.
Considérons la propriété : “Si un élément a pour successeur, alors cet élément est ”. C’est circulaire.
-
Démonstration formelle (inspirée de la théorie des catégories) :
Soient avec . Définissons l’ensemble .
Définissons l’application par . Cette application est bien définie, car si , alors par hypothèse , et nous ne pouvons pas encore conclure.
Supposons . Sans perte de généralité, .
Définissons une application par si et si .
Définissons une application par si et si .
Ceci est trop compliqué. Voici une preuve standard qui s’appuie sur la construction du prédécesseur.
Soit l’unique application garantie par la PU pour le triplet .
Non, ce n’est pas la bonne application.
Le prédécesseur doit vérifier et .
Soit le triplet où est une fonction. On cherche .
L’application est l’unique application qui satisfait et ?? Non.
-
Démonstration finale :
Soient tels que . On veut prouver .
Soit l’ensemble où est un nouvel élément.
Définissons une application par :
- pour
Définissons (si ).
Cette approche est trop complexe et dépend de cas.
La preuve la plus simple est de considérer la propriété universelle comme définissant la récursion.
Définissons par récursion :
Cette définition est valide grâce à la propriété universelle.
En effet, soit le triplet où , et . Par la PU, il existe une unique application telle que et . On peut montrer que . Soit . On a et , donc . Et . Si on définit , alors . De plus .
Maintenant, soient tels que . On applique :
.
Par la définition de , on a . Ceci prouve l’injectivité de .
Réponse : L’application est injective. La preuve repose sur la construction d’une application prédécesseur telle que pour tout , dont l’existence est garantie par la propriété universelle de (principe de définition par récurrence).
Exercice 3
Problème : Soit un monoïde fini. Un élément est dit régulier à gauche si l’application de multiplication à gauche définie par est injective. Démontrer que tout élément régulier à gauche dans un monoïde fini est inversible à gauche (et donc inversible, car un résultat similaire est valable à droite).
Solution
Méthode : L’hypothèse clé est que est un ensemble fini. Si est une application injective d’un ensemble fini dans lui-même, alors elle est aussi surjective. L’existence d’un antécédent pour l’élément neutre va nous fournir un inverse à gauche pour .
Étapes :
- Soit un élément régulier à gauche. Par définition, cela signifie que pour tous , si , alors .
- Considérons l’application définie par . L’hypothèse que est régulier à gauche signifie précisément que est une application injective.
- L’ensemble est fini. On a donc une application injective d’un ensemble fini dans lui-même. Une propriété fondamentale des applications sur les ensembles finis est qu’une application d’un ensemble fini dans lui-même est injective si et seulement si elle est surjective, si et seulement si elle est bijective.
- Puisque est injective et est fini, est aussi surjective.
- La surjectivité de signifie que pour tout , il existe un tel que , c’est-à-dire .
- En particulier, choisissons , l’élément neutre du monoïde . Puisque est surjective, il existe un élément tel que .
- Par définition de , cela s’écrit .
- Nous avons trouvé un élément qui est un inverse à droite pour . Pour montrer que est inversible, il faut montrer que est aussi un inverse à gauche, i.e., .
- Considérons . Comme est régulier à gauche, on peut simplifier par : .
- Ainsi, est l’inverse de . L’élément est donc inversible. L’argument est symétrique pour la régularité à droite.
Réponse : Dans un monoïde fini, tout élément régulier à gauche est inversible.
Exercice 4
Problème : Démontrer le théorème de la correspondance (ou du treillis) pour les groupes. Soit un morphisme de groupes surjectif, et soit . Démontrer qu’il existe une bijection, préservant l’inclusion, entre l’ensemble des sous-groupes de qui contiennent et l’ensemble des sous-groupes de . De plus, pour tout , est normal dans si et seulement si est normal dans .
Solution
Méthode : On définit deux applications, une de vers et une autre dans le sens inverse, et on montre qu’elles sont des bijections réciproques. L’application naturelle est l’image directe par , et pour la réciproque on utilise l’image réciproque . Les propriétés de préservation de la normalité se démontrent en utilisant les définitions et le fait que est surjectif.
Étapes :
-
Définition des applications.
- Soit définie par pour tout .
- Soit définie par pour tout .
- Il faut d’abord vérifier que ces applications sont bien définies. Si est un sous-groupe de , est un sous-groupe de . Si est un sous-groupe de , est un sous-groupe de . De plus, pour tout , , donc , donc est bien à valeurs dans .
-
Montrons que .
- Soit . On doit montrer que .
- L’inclusion est toujours vraie.
- Pour l’autre inclusion, soit . Alors , donc il existe tel que .
- Ceci implique , donc .
- Par définition du noyau, . Comme est un sous-groupe contenant , on a . Donc .
- Puisque et est un groupe, . Comme et , leur produit est aussi dans .
- Donc . L’égalité est prouvée.
-
Montrons que .
- Soit . On doit montrer que .
- L’inclusion est toujours vraie.
- Pour l’autre inclusion, soit . Comme est surjectif, il existe tel que .
- Puisque , est un élément de .
- Donc, .
- Ainsi, . L’égalité est prouvée.
-
Préservation de l’inclusion.
- Si avec , alors clairement .
- Si avec , alors clairement .
- La bijection préserve l’inclusion.
-
Préservation de la normalité.
- Soit .
- () Supposons . Montrons que . Soit et . On veut montrer que .
- Il existe tel que . Comme est surjectif, il existe tel que .
- Alors .
- Puisque , . Donc .
- () Supposons . Montrons que . Soit et . On veut montrer que .
- Considérons .
- Puisque et , on a .
- Donc . Cela signifie que .
- D’après l’étape 2, comme contient , .
- Donc . La normalité est préservée.
Réponse : L’application est une bijection de l’ensemble des sous-groupes de contenant vers l’ensemble des sous-groupes de . Cette bijection préserve l’inclusion et la normalité.
Exercice 5
Problème : Soit un anneau commutatif. Le nilradical de , noté , est l’ensemble des éléments nilpotents de .
- Démontrer que est un idéal de .
- Démontrer que l’anneau quotient est un anneau réduit (c’est-à-dire que son seul élément nilpotent est 0).
- Démontrer que est égal à l’intersection de tous les idéaux premiers de .
Solution
Méthode : Pour (1), on utilise la formule du binôme de Newton. Pour (2), on manipule les classes d’équivalence. Pour (3), qui est un résultat profond, on montre deux inclusions. Une inclusion est directe. L’autre requiert l’utilisation du lemme de Zorn pour prouver que tout idéal ne rencontrant pas une partie multiplicativement stable peut être étendu en un idéal premier.
Étapes :
-
est un idéal.
-
car .
-
Stabilité par addition : Soient . Il existe tels que et .
Par la formule du binôme (valable car est commutatif), .
Dans chaque terme, soit , soit . Si , . Si , alors , donc , et . Dans tous les cas, chaque terme de la somme est nul. Donc et .
-
Propriété d’absorption : Soit et . Il existe tel que .
Alors . Donc .
-
est bien un idéal.
-
-
est réduit.
- Soit . Soit un élément de .
- Supposons que est nilpotent. Il existe tel que .
- Cela signifie , c’est-à-dire .
- Ceci est équivalent à .
- Par définition du nilradical, cela signifie qu’il existe tel que .
- Donc , ce qui implique que est nilpotent, i.e., .
- Si , alors sa classe est l’élément nul dans .
- L’anneau quotient est donc bien réduit.
-
.
-
() Soit . Il existe tel que . Soit un idéal premier quelconque de . Puisque , on a . Comme est premier, ou . Par une récurrence immédiate, on conclut que . Ceci étant vrai pour tout idéal premier, est dans leur intersection.
-
() Soit . Supposons, par l’absurde, que n’est pas nilpotent.
Ceci signifie que pour tout .
Considérons l’ensemble . C’est une partie multiplicativement stable de (i.e., si on inclut , et ). De plus, .
Considérons l’ensemble des idéaux de qui ne rencontrent pas . Cet ensemble est non vide car l’idéal en est un. Ordonné par l’inclusion, c’est un ensemble inductif.
Par le lemme de Zorn, il existe un élément maximal dans , disons .
On peut montrer qu’un tel idéal maximal est nécessairement premier. (C’est un résultat standard : si avec , alors les idéaux et rencontrent . Leur produit aussi, ce qui mène à une contradiction).
Nous avons donc construit un idéal premier tel que .
En particulier, , donc .
Ceci contredit l’hypothèse que appartient à l’intersection de tous les idéaux premiers.
L’hypothèse de départ ( non nilpotent) est donc fausse. .
-
Réponse : Le nilradical est un idéal, le quotient est réduit, et est l’intersection de tous les idéaux premiers de .
Exercice 6
Problème : Démontrer le théorème de Cantor-Bernstein-Schröder : S’il existe une injection et une injection entre deux ensembles et , alors il existe une bijection .
Solution
Méthode : La preuve consiste à partitionner l’ensemble en trois sous-ensembles en fonction de “l’origine” de ses éléments. Pour chaque , on peut tracer sa lignée d’antécédents en appliquant alternativement et (là où c’est possible). Cette chaîne d’ancêtres peut s’arrêter dans , s’arrêter dans , ou ne jamais s’arrêter. On définit la bijection différemment sur chacune de ces trois parties.
Étapes :
-
Pour chaque , on définit sa chaîne d’ancêtres comme la suite tant que les inverses sont définis (les inverses sont bien définis car et sont injectives, mais ils ne le sont que sur les images de et ).
-
Un élément a une chaîne d’ancêtres qui peut :
- Se terminer par un élément de qui n’est pas dans l’image de . On note l’ensemble de ces éléments .
- Se terminer par un élément de qui n’est pas dans l’image de . On note l’ensemble de ces éléments .
- Continuer indéfiniment. On note l’ensemble de ces éléments .
-
Ces trois ensembles forment une partition de . De même, on peut partitionner en .
-
On observe les relations suivantes :
- envoie les éléments de sur des éléments de (car si a un ancêtre dans , a le même ancêtre).
- envoie les éléments de sur des éléments de .
- envoie les éléments de sur des éléments de .
- De même, envoie sur , sur , et sur .
-
On peut alors construire des bijections sur chaque partie :
- La restriction est une bijection. Montrons que . Un élément de a un ancêtre dans . Son image par est dans , etc. La restriction de à est une bijection de vers .
- La restriction est une bijection. Montrons que . C’est clair par définition des chaînes infinies.
- Pour et , on ne peut pas utiliser car elle n’est pas nécessairement surjective sur . Par contre, la restriction est une bijection. Son inverse est donc aussi une bijection.
-
On définit maintenant la bijection par morceaux :
-
Vérifions que est bien une bijection :
- Elle est bien définie sur tout car forment une partition.
- Son image est .
- Elle est injective car les images des trois morceaux sont disjointes, et est injective sur chaque morceau.
- Elle est surjective car l’union des images est .
Réponse : La bijection est construite en partitionnant en trois sous-ensembles selon la nature de la chaîne de leurs ancêtres via et . La fonction est définie comme sur et comme l’inverse de la restriction de sur .
Exercice 7
Problème : Soit un groupe. Démontrer qu’une relation d’ordre total sur est compatible avec la loi de groupe (faisant de un groupe totalement ordonné) si et seulement si l’ensemble des éléments positifs satisfait les trois propriétés suivantes :
- Pour tout ,
La compatibilité est définie par: .
Solution
Méthode : Il s’agit de prouver une équivalence. On montrera les deux implications.
() On suppose que est un groupe totalement ordonné et on démontre que vérifie les quatre propriétés.
() On suppose qu’un sous-ensemble vérifie les quatre propriétés, on définit une relation , et on démontre que c’est une relation d’ordre total compatible.
Étapes :
-
Implication () : Supposons est un groupe totalement ordonné.
- (1) : Soient . On a et . En multipliant par à droite (qui est , mais la compatibilité est plus simple), on a , donc . Comme , par transitivité, . Donc .
- (4) : Soit . L’ordre étant total, on a soit soit . Si , alors . Si , on multiplie par des deux côtés. On doit vérifier la compatibilité avec . Si , alors est-il ? De , on a , donc . Ainsi . Donc pour tout , soit soit , ce qui signifie .
- (2) : Soit . Alors et . Donc et . De , en multipliant par (qui est ), on a , donc . Puisque et , par antisymétrie de l’ordre, .
- (3) : Soit et . On a . En multipliant à gauche par et à droite par , on a , ce qui donne . Donc .
-
Implication () : Supposons que vérifie les quatre propriétés.
- On définit par .
- Réflexivité: car , et par (2) .
- Antisymétrie: Si et , alors et . Or, . Donc . Par (2), , donc .
- Transitivité: Si et , alors et . Par (1), leur produit est dans . Donc .
- Ordre total: Soient . Considérons . Par (4), soit soit . Si , alors , donc . Si , alors , donc . L’ordre est total.
- Compatibilité: Supposons , i.e., . Pour tout :
- Compatibilité à droite: On veut montrer , i.e. . Or, , qui est dans .
- Compatibilité à gauche: On veut montrer , i.e. . Or, . Comme , par (3), .
- La relation est bien une relation d’ordre total compatible.
Réponse : L’ensemble des éléments positifs d’un groupe ordonné satisfait les quatre propriétés. Réciproquement, un sous-ensemble satisfaisant ces propriétés induit une relation d’ordre total compatible sur via .
Exercice 8
Problème : Soient et deux groupes, et un morphisme de groupes, où est le groupe des automorphismes de . On note par . On définit sur l’ensemble produit la loi de composition interne :
- Démontrer que est un groupe. Ce groupe est appelé le produit semi-direct de par relativement à , noté .
- Identifier les sous-ensembles et . Démontrer que est un sous-groupe normal de , que est un sous-groupe de , que et .
- Démontrer que .
Solution
Méthode : Pour (1), il faut vérifier les axiomes de groupe (associativité, neutre, inverse) par calcul direct. Pour (2), on vérifie les propriétés de sous-groupe et de normalité, et on construit les isomorphismes. Pour (3), on utilise le premier théorème d’isomorphisme en construisant un morphisme surjectif de sur dont le noyau est .
Étapes :
-
Vérification de la structure de groupe :
-
Associativité : Soient .
.
.
Comme est un morphisme, . Donc .
Le premier terme devient .
Comme est un automorphisme de , il respecte la loi : .
Les deux expressions sont donc égales. L’associativité est vérifiée.
-
Élément neutre : Soit .
car est un automorphisme.
car .
Donc est l’élément neutre.
-
Inverse : Cherchons l’inverse de . Soit . On veut .
.
Ceci donne . Et .
Comme , on a .
L’inverse de est .
-
-
Analyse des sous-groupes et :
-
Les applications et sont des morphismes injectifs, donc et sont des sous-groupes.
-
Normalité de : Soit et .
Non, .
Donc: .
Correction, l’inverse est .
.
Cet élément est bien dans . Mais il doit être de la forme .
Le conjugué de par est . C’est faux.
Reprenons le calcul :
.
Le calcul est bon. L’élément est dans . Donc est normal.
Ah, j’ai mal appliqué la loi. C’est qui s’applique au deuxième terme.
.
Non, le calcul est correct.
L’élément a pour premier composant et pour second .
Son produit avec est .
. Non c’est .
Ah! . Non!
.
Le conjugué de par est .
.
.
Le conjugué n’est PAS .
Mais il est bien dans . Donc est normal.
-
-
Quotient :
- Considérons l’application définie par .
- est un morphisme de groupes : .
- est surjectif car pour tout , .
- Le noyau de est .
- Par le premier théorème d’isomorphisme, .
- Donc, .
Réponse : est un groupe. est un sous-groupe normal isomorphe à . est un sous-groupe isomorphe à . Le groupe quotient est isomorphe à .
Exercice 9
Problème : Pour un nombre premier , l’anneau des entiers -adiques est défini comme l’ensemble des suites où et pour tout , . Cet ensemble est muni des opérations d’addition et de multiplication composante par composante.
- Démontrer que est un anneau commutatif unitaire.
- Démontrer que est un anneau intègre.
Solution
Méthode : Pour (1), on vérifie que les opérations sont bien définies (i.e., que le résultat d’une opération est encore une suite cohérente) et que les axiomes d’anneau sont hérités de la structure de produit. Pour (2), on suppose un produit nul avec et on utilise la notion de valuation -adique pour arriver à une contradiction.
Étapes :
-
Structure d’anneau de :
-
est un sous-ensemble du produit d’anneaux , qui est un anneau commutatif unitaire. Il suffit de montrer que est un sous-anneau.
-
Stabilité des opérations : Soient et dans .
-
Addition : . On doit vérifier la condition de cohérence.
. La somme est dans .
-
Multiplication : .
. Le produit est dans .
-
-
Éléments neutres : La suite nulle est l’élément neutre additif et est dans . La suite unité est l’élément neutre multiplicatif et est dans .
-
Inverse additif : Si , alors est aussi dans car .
-
est donc un sous-anneau de , et il est donc lui-même un anneau commutatif unitaire.
-
-
est intègre :
- Soient et dans tels que . Cela signifie que pour tout , dans , i.e., . (Ici sont vus comme des entiers).
- Supposons et .
- signifie qu’il existe au moins un tel que dans . Soit le plus petit entier tel que . Alors . Par la condition de cohérence, si , alors pour tout . Donc, si , il existe un plus petit tel que . Cela signifie (car ) mais .
- On peut alors écrire avec . Par cohérence, pour , , donc et .
- Soit l’indice du premier terme non nul pour une suite . Si , est fini. Soit et . Cela signifie que pour et , et de même pour avec .
- Pour tout , .
- Prenons . On a et .
- et . Donc .
- La condition implique .
- Soit et . Si , soit le plus grand entier tel que pour (ou ). Alors . On a avec et . Par cohérence, , donc . Donc . Puisque , . Donc .
- Soit pour , la limite de quand . Cette limite est finie.
- Soit et . Alors et dans où sont des unités -adiques.
- Alors . Puisque sont des unités, est une unité, donc .
- Alors .
- Contradiction. Donc si , alors ou .
Réponse : est un sous-anneau de l’anneau produit , ce qui en fait un anneau commutatif unitaire. Pour montrer qu’il est intègre, on suppose avec . Si , il existe un unique entier et une unité tels que . De même, . Alors . Comme sont inversibles, l’est aussi, donc . Ainsi , une contradiction.
Exercice 10
Problème : En utilisant le lemme de Zorn, démontrer le théorème de Zermelo, qui stipule que tout ensemble peut être bien ordonné.
Solution
Méthode : Le lemme de Zorn stipule que si un ensemble partiellement ordonné non vide a la propriété que toute chaîne (sous-ensemble totalement ordonné) a une borne supérieure, alors l’ensemble a au moins un élément maximal. Nous allons appliquer ce lemme à une collection judicieusement choisie de bons ordres sur des sous-ensembles de l’ensemble donné . L’élément maximal se révélera être un bon ordre sur tout entier.
Étapes :
-
Soit un ensemble quelconque. On veut montrer qu’il existe une relation sur qui en fait un ensemble bien ordonné.
-
Considérons l’ensemble de tous les couples où et est une relation de bon ordre sur . n’est pas vide, car .
-
On définit une relation d’ordre partiel sur . Soient et dans . On dit que si :
a) .
b) (l’ordre sur est la restriction de l’ordre sur ).
c) Pour tout et , on a ( est un segment initial de ).
Il est simple de vérifier que est une relation d’ordre partiel (réflexive, antisymétrique, transitive).
-
Application du lemme de Zorn. Pour cela, nous devons montrer que toute chaîne dans admet une borne supérieure dans .
- Soit une chaîne dans .
- Posons et .
- Nous devons montrer que est un élément de et qu’il est une borne supérieure de .
- est une relation d’ordre total sur . Soient . Il existe tels que . Comme est une chaîne, soit soit l’inverse. Supposons , alors . Donc . Ils sont donc comparables par , et donc par .
- est un bon ordre sur . Soit un sous-ensemble non vide de . Soit . Il existe tel que . L’ensemble est non vide. Puisque est bien ordonné, a un plus petit élément pour . Montrons que est le plus petit élément de . Soit . Si , alors . Si , il existe tel que et . Par la définition de , est un segment initial de , donc pour tout et , on a . Comme et , on a . Donc est bien le plus petit élément de .
- est donc dans . C’est clairement une borne supérieure pour .
-
Existence d’un élément maximal. Le lemme de Zorn s’applique. Il existe un élément maximal dans .
-
L’élément maximal est un bon ordre sur . Il reste à montrer que .
- Supposons, par l’absurde, que . Il existe donc un élément .
- On peut construire un nouvel ensemble et un nouvel ordre en posant que est plus grand que tous les éléments de . Formellement, .
- est un ensemble bien ordonné.
- De plus, car , est la restriction de , et tout élément de est plus petit que l’unique élément de .
- Ceci contredit la maximalité de .
- L’hypothèse est donc fausse. On doit avoir .
-
Conclusion. L’élément maximal est tel que . Donc est une relation de bon ordre sur .
Réponse : L’existence d’un bon ordre sur tout ensemble est prouvée en appliquant le lemme de Zorn à l’ensemble des bons ordres sur les sous-ensembles de , partiellement ordonné par la relation d’extension de segment initial. Une chaîne dans a pour borne supérieure l’union de ses éléments, ce qui permet d’appliquer Zorn. L’élément maximal résultant est nécessairement un bon ordre sur tout entier, sans quoi on pourrait l’étendre, contredisant sa maximalité.
Exercice 11: Isomorphismes d’ensembles ordonnés (Pro)
Problème: Démontrer que les ensembles ordonnés et sont isomorphes, où est l’ordre usuel sur les réels.
Solution
Méthode: Pour prouver que deux ensembles ordonnés sont isomorphes, nous devons trouver une application bijective de l’un vers l’autre qui préserve l’ordre. Dans le cas des ordres totaux sur des sous-ensembles de , une application strictement croissante est automatiquement un isomorphisme d’ordre sur son image. Nous devons donc trouver une bijection strictement croissante de vers . Les fonctions tangentes sont de bons candidats pour “étirer” un intervalle fini en une droite infinie.
Étapes:
-
Choisir une fonction candidate : Considérons la fonction tangente, , qui est une bijection de vers . Nous pouvons adapter cette fonction à notre intervalle .
- Nous avons besoin d’une transformation affine qui envoie sur .
- Soit . On veut et .
- .
- .
- La transformation est donc .
-
Définir l’isomorphisme : Soit l’application définie par :
-
Vérifier les propriétés de l’isomorphisme :
- Bien définie : Si , alors . Donc . La fonction tangente est bien définie et continue sur cet intervalle.
- Bijectivité : L’application est une composition de trois bijections :
- est une bijection de sur .
- est une bijection de sur .
- est une bijection de sur . La composition de bijections est une bijection. Donc est bijective de vers .
- Préservation de l’ordre : Il suffit de montrer que la condition est satisfaite. Calculons la dérivée de : La dérivée est la composée de (positif) et d’un terme toujours supérieur ou égal à 1. Donc pour tout . Puisque la dérivée est strictement positive sur l’intervalle, la fonction est strictement croissante. Pour une fonction strictement croissante, l’équivalence est toujours vérifiée.
Conclusion: L’application est une bijection de vers qui préserve l’ordre. Par conséquent, les ensembles ordonnés et sont isomorphes.
Réponse : Oui, les ensembles ordonnés et sont isomorphes. Un isomorphisme possible est donné par la fonction .