En
linguistique, les mots
premier,
deuxième,
troisième,
quatrième, etc. s'appellent des
adjectifs numéraux ordinaux. En
Mathématiques, cette notion est étendue pour « mesurer l'étendue » d'un ensemble bien ordonné quelconque, et ce, d'une manière plus fine que de considérer seulement sa
cardinalité. Un ordinal peut être
fini ou bien
infini. Ce concept a été inventé par
Georg Cantor.
Introduction
Un entier naturel peut être utilisé dans deux buts : décrire la taille d'un ensemble, ou donner la position d'un élément dans une suite ordonnée. Dans le cas fini, ces notions correspondent respectivement aux adjectifs numéraux cardinaux (un, deux, trois,...) et ordinaux (premier, deuxième, troisième, ...) et sont très semblables. Cependant, dans le cas infini, on est amené à distinguer soigneusement
Nombre cardinal et
nombre ordinal.
Si la notion de cardinal est associée à un ensemble sans structure particulière, les ordinaux sont intimement liés à un ordre sur les éléments de cet ensemble, et plus particulièrement un bon ordre. Brièvement, un ensemble bien ordonné est un ensemble dans lequel toute partie non vide admet un plus petit élément. Le plus petit élément de l'ensemble est noté 0, le suivant 1, le suivant 2, mais dès que l'ensemble est infini une notation adaptée est nécessaire pour désigner dans l'ordre tous les éléments de l'ensemble.
Considérons par exemple l'ensemble des entiers strictement positifs ordonné selon une variante de l'ordre de Sarkovski. Disposons d'abord les entiers impairs, puis les impairs multipliés par 2, puis par 4, etc.
- 1 ◃ 3 ◃ 5 ◃ 7 ◃ … ◃ 2 ◃ 2 × 3 ◃ 2 × 5 ◃ 2 × 7 ◃ … ◃ 2 n ◃ 2 n × 3 ◃ 2 n × 5 ◃ 2 n × 7 ◃ …
1, 3, 5, 7, etc. occupent respectivement les positions 0, 1, 2, 3, etc.
2 est le plus petit élément se trouvant après une infinité d'éléments. Du point de vue ordinal, il occupe une position notée ω.
2 × 3 est l'élément qui suit ω et occupe la place notée ω+1, etc.
4 est le plus petit élément se trouvant après une double infinité d'éléments. Il occupe la place ω 2. Plus généralement 2 n occupe la place ω n. Si on disposait des éléments supplémentaires à la suite des éléments précédents, ils se trouveraient après une infinité d'infinis, donc occuperaient les positions ω 2 , ω 2 +1, et ainsi de suite.
Définition
On définit un nombre ordinal par l'une des deux manières qui suivent. La deuxième traduit le fait qu'un ordinal est défini par l'ensemble des ordinaux qui le précèdent :
- La première définition est basée sur les classes d'équivalence d'ensembles ordonnés. Un ordinal est un ensemble bien ordonné, considéré à un Isomorphisme d'ordre près (dans la catégorie des bons ordres où les morphismes sont les applications croissantes et les isomorphismes les bijections croissantes). Ainsi, si on change les noms des éléments d'un bon ordre, tant qu'on ne change pas la manière dont les éléments se comparent entre eux, on parle toujours du même ordinal.
- La seconde définition est due à John von Neumann. Un ordinal α est un ensemble vérifiant les deux propriétés suivantes :
- (i) Il est bien ordonné par la relation ∈. Autrement dit, toute partie de l'ordinal admet un plus petit élément pour la relation d'appartenance.
- (ii) Il est transitif, ce qui signifie que : ∀ x ( x ∈ α x ⊂ α ).
C'est cette dernière définition que nous adopterons dans la suite de l'article. Usuellement, les ordinaux sont désignés par des lettres grecques, les ensembles en général par des lettres latines.
En appliquant la définition précédente, les entiers naturels peuvent être construits de la façon suivante :
- 0 = {} (ensemble vide)
- n+1 = n U {n}
Un entier positif est ainsi identifié à l'ensemble de ses prédécesseurs sur N. Exemples :
- 1 = {0} = { {} }
- 2 = {0,1} = { {}, { {} } }
- 3 = {0,1,2} =
- 4 = {0,1,2,3} = { {} , { {} }, { {}, { {} } } , } etc.
De cette manière, tout entier naturel est un ensemble bien ordonné par la relation d'appartenance
∈, et l'inclusion des ensembles se traduit par un ordre sur les entiers naturels.
L'existence des ordinaux infinis est assuré par l'Axiome de l'infini. Le premier nombre ordinal transfini est noté ω. Il correspond à l'ensemble des nombres entiers naturels N = {0,1,2,3, …} .
L'ordinal qui suit est ω ∪ { ω } , noté ω+1.
Pour définir une notation adaptée aux ordinaux suivants, nous aurons besoin de définir des opérations arithmétiques sur les ordinaux.
Les ordinaux sont totalement ordonnés au sens large par l'inclusion ou au sens strict par l'appartenance, mais ne forment pas un ensemble au sens des axiomes ZFC (la théorie axiomatique des ensembles habituelle), mais une classe propre. Ceci peut-être mis en évidence grâce au paradoxe de Burali-Forti : l'ensemble des ordinaux serait par définition un ordinal ... mais qui serait strictement plus grand (aussi par définition) que tous les ordinaux. Et donc que lui-même, ce qui est contradictoire.
Propriétés
On montre que :
- Si deux ordinaux α et β sont donnés, alors ou bien α ∈ β, ce qu'on note également α < β, ou bien α = β, ou bien β ∈ α. On a l'équivalence entre α ⊂ β et ( α ∈ β ou α = β), ce qu'on note α ≤ β.
- Tous les éléments d'un ordinal sont des ordinaux.
- Si (E, ≤ ) est un ensemble bien ordonné, il existe un unique ordinal α et un unique isomorphisme d'ordre entre E et α ; en particulier si α et β sont deux ordinaux isomorphes alors α = β et l'isomorphisme est l'identité.
- L'intersection de deux ordinaux est un ordinal, égal au plus petit des deux ordinaux.
- La réunion de deux ordinaux est un ordinal, égal au plus grand des deux ordinaux.
- Si α est un ordinal, α ∪ { α } aussi. Ce dernier ordinal est noté α + 1. Si α < β, alors α +1 ≤ β. Il n'existe donc aucun ordinal entre α et α +1, qu'on peut donc qualifier d'ordinal successeur de α.
- Si A est un ensemble dont les éléments sont des ordinaux, alors ∪(A) est un ordinal, borne supérieure de A pour la relation d'appartenance. (On note ∪(A) la réunion des ordinaux éléments de A).
- Si α est un ordinal non vide, alors :
- ou bien α possède un élément maximal β. Alors ∪( α) = β ∈ α, mais β + 1 ∉ α (puisque β est maximal), donc β+1 = α.
- ou bien α ne possède pas d'élément maximal. Alors ∪( α) ∉ α et on montre alors que ∪( α) = α. Dans ce dernier cas, on dit que α est un ordinal limite. Un exemple d'un tel ordinal est donné par ω, plus petit ordinal infini.
- On dit que l'ordinal α est fini si α n'est pas un ordinal limite et ne contient aucun ordinal limite ; autrement dit α est infini s'il existe un ordinal limite β ≤ α.
- Récurrence transfinie. Cette récurrence généralise le principe de récurrence qu'on applique sur les entiers à tous les ordinaux. Si ϕ est une propriété portant sur les ordinaux, telle que, pour tout ordinal α, l'implication suivante soit vraie :
- ( ∀ β < α, ϕ( β)) ϕ( α)
alors
ϕ( α) est vraie pour tous les ordinaux. Dans le cas contraire, il suffirait de considérer le plus petit ordinal
α tel que
ϕ( α) soit fausse pour obtenir une contradiction.
Opérations arithmétiques sur les ordinaux
On peut aussi définir des opérations arithmétiques sur les ordinaux. Ces opérations sont définies par récurrence transfinie.
Addition
Pour définir la somme de deux ordinaux
α et
β, on procède comme suit. En premier lieu on renomme les éléments de
β de façon à ce qu'ils soient distincts de ceux de
α, ensuite, les éléments de l'ordinal
α dans l'ordre sont écrits à gauche des éléments de
β, de sorte qu'on définit un ordre sur
α ∪ β dans lequel tout élément de
α est strictement plus petit que tout élément de
β. Les ordinaux
α et
β conservent leur ordre initial.
Plus précisément on considère l'union disjointe α ⊎ β de α et β, c'est à dire l'ensemble ( {0} × α) ∪( {1} × β) que l'on ordonne lexicographiquement : (i, γ)<(j, γ ') ssi i<j ou i = j et γ< γ '.
De cet façon, on définit un bon ordre sur α ⊎ β ; cet ensemble bien ordonné est isomorphe à un unique ordinal que l'on appelle α + β.
On peut également définir la somme par récurrence transfinie de la façon suivante :
- α + 0 = α
- α + ( β + 1) = ( α + β) + 1
- si β est un ordinal limite, alors α + β = ∪ γ < β ( α + γ), ordinal limite (ou borne supérieure) des α + γ pour γ < β.
On vérifie facilement (par induction transfinie) que les deux définitions coïncident.
Donnons quelques exemples.
Si α et β sont des ordinaux finis, c'est à dire des entiers naturels, alors leur somme au sens ordinal est égale à leur somme au sens arithmétique.
ω est le premier ordinal infini, correspondant à l'ensemble des entiers naturels. Essayons de visualiser ω + ω. Deux copies de ω sont placées l'une à la suite de l'autre. Si nous notons {0<1<2<...} la première copie et {0'<1'<2',...} la deuxième copie, alors ω + ω ressemble à ceci :
- 0 < 1 < 2 < 3 < ... < 0' < 1' < 2' < ... Cet ordinal est différent de ω car, dans ω, 0 est le seul élément à ne pas avoir de prédécesseur direct, alors que dans ω + ω, 0 et 0' n'ont pas de prédécesseurs directs.
Considérons maitenant 3+ ω et ω+3
- 0 < 1 < 2 < 0' < 1' < 2' < ... :0 < 1 < 2 < ... < 0' < 1' < 2' Après renommage, le premier est comparable à ω lui-même, mais pas le deuxième. On a donc 3+ ω = ω mais ω < ω+3. On peut voir également, en utilisant la définition formelle, que ω + 3 est le successeur de ω + 2 alors que 3+ ω est un ordinal limite, à savoir l'ordinal limite réunion de 3+0, 3+1, 3+2, ... qui n'est autre que ω lui-même.
Ainsi, l'addition n'est pas commutative, par contre, on peut montrer qu'elle est associative.
On a par exemple : ( ω + 4) + ω = ω + (4 + ω) = ω + ω
On peut également montrer que :
γ+ α = γ+ β α = β
Il y a donc une simplification à gauche. Par contre, il n'y a pas de simplification à droite, puisque :
3+ ω = 0+ ω = ω et 3 ≠ 0
De même, on a :
α < β γ + α < γ + β
mais la relation analogue avec γ à droite est fausse. On a seulement :
α ≤ β α+ γ ≤ β+ γ
Pour tout ordinal α inférieur ou égal à β, on montre qu'il existe un ordinal unique γ tel que α+ γ = β. γ s'appelle la différence de β par α. Si α est strictement supérieur à β, on convient que cette différence est nulle.
Multiplication
Pour multiplier deux ordinaux
α et
β, on écrit dans l'ordre les éléments de
β, et on remplace chacun d'eux par différentes copies de la liste ordonnée des éléments de
α.
Plus précisément on considère le Produit cartésien α × β que l'on ordonne lexicographiquement par la droite : ( γ 1 , γ 2 )<( γ ' 1 , γ ' 2 ) ssi γ 2 < γ ' 2 ou γ 2 = γ ' 2 et γ 1 < γ ' 1 .
On obtient un ensemble bien ordonné qui est isomorphe à un unique ordinal, noté α β.
On peut également définir le produit par récurrence transfinie :
- α 0 = 0
- α( β+1) = α β + α
- si β est un ordinal limite, α β = ∪ γ < β ( α γ), ordinal limite (ou borne supérieure) des α γ pour γ < β.
Comme pour la somme on montre facilement par induction transfinie que les deux définitions coïncident. Lorsque on les applique à des ordinaux finis on retrouve le produit usuel des entiers naturels.
Voici ω 2 :
- 00 < 10 < 20 < 30 < ... < 01 < 11 < 21 < 31 < ... Et on voit que ω 2 = ω + ω.
Par contre, 2 ω ressemble à ceci :
- 00 < 10 < 01 < 11 < 02 < 12 < 03 < 13 < ... et après renommage, on reconnaît ω, de sorte que 2 ω = ω. La multiplication des ordinaux n'est donc pas commutative, par contre, on peut montrer qu'elle est associative.
Les principales propriétés du produit sont :
α 0 = 0 α = 0
α 1 = 1 α = α
α < β et γ > 0 γ α < γ β, mais si on change γ de côté, l'inégalité stricte peut être mise en défaut.
- Par exemple, 1 < 2 mais 1 ω = 2 ω = ω. Par contre, on a :
α ≤ β α γ ≤ β γ
γ α = γ β et γ > 0 α = β (simplification à gauche). L'exemple ci-dessus montre qu'il n'y a pas de simplification à droite.
α β = 0 α = 0 ou β = 0
α( β + γ) = α β + α γ (distributivité à gauche). Par contre, il n'y a pas de distributivité à droite.
- En effet, ( ω+1)2 = ω + 1 + ω + 1 = ω + ω + 1 = ω 2 + 1 et non ω 2 + 2
- soit α un ordinal et β>0. Alors il existe un unique ordinal γ et un unique ordinal δ < β tels que α = β γ + δ. (C'est une sorte de division euclidienne.)
Exponentiation
Passons maintenant à l'exponentiation des ordinaux.
Pour un exposant fini, on peut se ramener au produit. Par exemple, ω 2 = ω ω. Mais on peut visualiser cet ordinal comme l'ensemble des couples d'entiers, ordonné selon l'ordre lexicographique suivant, où l'ordre sur les entiers de droite a plus de poids que l'ordre sur les entiers de gauche :
- (0,0) < (1,0) < (2,0) < (3,0) < ... < (0,1) < (1,1) < (2,1) < (3,1) < ... < (0,2) < (1,2) < (2,2) < ... et de même, pour un n fini, ω n peut-être vu comme l'ensemble des n-uplets d'entiers.
Si on tente d'étendre ce procédé à ω ω , on obtient :
- (0,0,0,...) < (1,0,0,0,...) < (2,0,0,0,...) < ... < :(0,1,0,0,0,...) < (1,1,0,0,0,...) < (2,1,0,0,0,...) < ... < :(0,2,0,0,0,...) < (1,2,0,0,0,...) < (2,2,0,0,0,...) :: < ... < :(0,0,1,0,0,0,...) < (1,0,1,0,0,0,...) < (2,0,1,0,0,0,...) :: < ... Chaque élément du tableau est une suite infinie d'entiers, mais si on prend des suites quelconques, l'ordre ainsi défini n'est pas un bon ordre. On obtient un tel bon ordre en se limitant aux suites d'entiers n'ayant qu'un nombre fini d'éléments non nuls. Plus généralement étant donné deux ordinaux α et β, on considère l'ensemble α ( β ) des fonctions de β dans α dont le support est fini (le support de f : β → α est l'ensemble des γ ∈ β tels que f ( γ) ≠ 0). Soient f et g deux telles fonctions et notons S f et S g leurs supports. Comme ces deux ensembles sont finis leur union S = S f ∪ S g est finie aussi ; on pose f<g ssi S ≠ ∅ et f ( γ 0 )<g ( γ 0 ) où γ 0 est le plus grand γ ∈ S tel que f ( γ) ≠ g ( γ).
On vérifie que α ( β ) est alors bien ordonné, donc isomorphe à un unique ordinal noté α β . Dans le cas où α et β sont finis on voit immédiatement que cet ordinal est l'exponentielle des entiers naturels. Dans le cas où α = ω l'ordre que l'on a construit sur ω ( β ) est connu sous le nom d'ordre multi-ensemble.
Comme pour la somme et le produit on peut également définir α β par récurrence transfinie de la façon suivante :
- α 0 = 1
- α β + 1 = α β α
- si β est un ordinal limite et α>0, alors α β = ∪ γ < β ( α γ ). Si α = 0 et β ≥ 1 alors α β = 0.
On trouve que 1 ω = 1, 2 ω = ω, 2 ω + 1 = ω 2 = ω + ω.
Voici quelques propriétés de l'exponentiation :
1 α = 1
- si γ > 1 alors α < β ⇔ γ α < γ β
α ≤ β α γ ≤ β γ . On prendra garde que :
- 2<3 mais 2 ω = 3 ω = ω
α>1 et β>0 il existe un unique ordinal δ tel que α δ ≤ β < α δ + 1
α β α γ = α β + γ
( α β ) γ = α β γ
- si β>0 et α>1, alors il existe une décomposition unique β = α β n γ n + … + α β 0 γ 0 avec, pour tout i, 0< γ i < α et les exposants β i strictement croissants, ce qui donne une sorte de décomposition de β en base α
Remarque : on prendra garde que l'exponentiation des ordinaux n'a que peu de rapport avec l'exponentiation des cardinaux. Par exemple 2 ω = ω dans les ordinaux et est dénombrable, alors que, dans les cardinaux, 2 ℵ 0 désigne le cardinal de P ( ℵ 0 ), ensemble des parties de ℵ 0 , et a la puissance du continu. L'ambiguïté est levée si on convient d'utiliser les lettres grecques en calcul ordinal et la lettre ℵ pour les cardinaux.
La suite des ordinaux transfinis commence comme suit:
| ω < ω + 1< ω + 2 < | . s | < ω+ ω = ω 2 < | . s | < ω 3 < | . s | < ω ω = ω 2 < | . s | < ω ω < ω ω ω < | . s |
Il existe des nombres ordinaux transfinis qui ne peuvent pas être obtenus en effectuant un nombre fini d'opérations arithmétiques n'utilisant que les nombres ordinaux finis et ω. Le plus petit d'entre eux est appelé ε 0 et vaut ω ω ω … . C'est le plus petit ordinal solution de l'équation x = ω x . On peut ensuite définir ε 0 ε 0 , ε 0 ε 0 ε 0 , etc. jusqu'à ε 1 deuxième solution de x = ω x . On peut de même définir ε 2 , ε 3 , ..., ε ω , ..., ε ε0 , ... Tous ces ordinaux, construits en utilisant les opérations successeur et limite d'ordinaux déjà construits, sont dénombrables. On désigne par Ω le plus petit ordinal non dénombrable. Il contient tous les ordinaux dénombrables. Toute suite définie dans Ω admet un majorant dans Ω.
Forme normale de Cantor
Pour manipuler les ordinaux, il est plus simple de recourir à une écriture unique. Pour les petits ordinaux, c'est possible : soit ε
0 le plus petit ordinal tel que
ω ε 0 = ε 0 . Tout α<ε
0 peut être écrit de façon unique
α = ω β 1 c 1 + ω β 2 c 2 + … + ω β k c k où
c 1 , c 2 , …, c k sont des entiers et
β 1 > β 2 > … > β k sont des ordinaux (on autorise
β k = 0).
Les β i sont bien sûr à exprimer également sous forme normale, ce qui donne des ordinaux du type ω ω ω 6 + 4 2 1729+ ω 9 +88 + ω ω ω +65537. L'ensemble des ordinaux définissables l'une ou l'autre de ces formes est donc ε0.
Les opérations sur les ordinaux deviennent simples :
- l'addition ωβc + ωβ'c'=
- ωβ'c si β<β' ** irréductible si β>β'
- ωβ(c+c') si β=β'
- la multiplication reste ωβc.ωβ'c = ωβ+β'c.
On notera une variante de cette forme normale qui et écrit α = ω β 1 + ω β 2 + … + ω β k en forçant c 1 , c 2 , …, c k = 1 avec cette fois-ci des répétitions possibles : β 1 ≥ β 2 ≥ … ≥ β k .
Utilisation des ordinaux
En dehors d'utilisations spécifiques à la théorie des ensembles, les ordinaux se rencontrent dans les domaines suivants :
En arithmétique
Le théorème de Goodstein est un théorème d'arithmétique dont la démonstration repose sur la théorie des ordinaux. Ce théorème pose la question de savoir si une certaine suite à valeurs entières finit par prendre la valeur 0. On associe à cette suite d'entiers une suite d'ordinaux strictement décroissante. Compte tenu du bon ordre des ordinaux, une telle suite est effectivement finie.
En analyse
Les ordinaux ont été définis par
Cantor à la suite de ses études sur la convergence des séries trigonométriques. Si une telle série
Σ a n cos(nx) + b n sin(nx) est nulle sur
R, alors tous les coefficients
a n et
b n sont nuls. Cantor va chercher à affaiblir les hypothèses en réduisant le domaine sur lequel la série s'annule. Il montre que le résultat reste vrai si la série est nulle sauf en un nombre fini de points. Puis il introduit la notion suivante. Si P est une partie d'un segment
, il définit l'ensemble dérivé de P, noté
P 1 comme l'ensemble des points d'accumulation de P. Pour tout entier n, il définit
P n + 1 comme étant le dérivé de l'ensemble
P n . Il montre que, si la série trigonométrique est nulle sur
en dehors d'un ensemble P pour lequel l'un des
P n est vide, alors les coefficients sont nuls.
Cherchant à prolonger ce résultat si les P n sont tous non vides. Il définit alors P ω = ∪ n ∈ N P n , puis P ω + 1 comme étant le dérivé de P ω . D'une manière générale, on définit, pour tout ordinal α l'ensemble P α + 1 comme étant l'ensemble dérivé de P α , et si α est un ordinal limite, P α comme étant ∩ β < α P β .
René Baire reprendra cette démarche pour la convergence simple des suites de fonctions continues vers une fonction discontinue. Il définit une partie réductible P comme une partie pour laquelle il existe un ordinal α tel que P α soit vide. Baire montre ensuite que si f est une fonction telle que l'ensemble des points où elle est discontinue est un ensemble réductible, alors f est limite simple d'une suite de fonctions continues.
Dans le cas contraire, la suite des P α se stabilise à l'ensemble P Ω , où Ω désigne le premier ordinal non dénombrable. On montre que P Ω est un Ensemble parfait.
En topologie
Soit
Γ un ordinal. Notons
l'ensemble des ordinaux inférieurs ou égaux à
Γ. Cet ensemble peut être muni d'une structure
topologique, en prenant comme prébase d'ouverts les parties
{x | x > α } et
{x | x < β } pour tout ordinal
α et
β inférieurs ou égaux à
Γ. Ces topologies sont sources de nombreux exemples et contre-exemples.
Ainsi, si on prend Γ = ω, alors est un compactifié de N.
Si on prend Γ = Ω premier ordinal non dénombrable, alors aucune suite strictement inférieure à Ω ne peut converger vers Ω, bien que Ω appartienne à l'adhérence de qui soit dans ce cas.
Dans tout espace , les points de la forme α+1 sont isolés. est un espace compact. et × est normal mais pas complètement normal. × - {( Ω, ω)} est complètement régulier mais n'est pas normal. est complètement normal, mais pas parfaitement normal. × - {( Ω, Ω)} est faiblement normal mais pas normal.
Voir aussi