Propriétés des cardinaux

Bonjour,

Je me suis rendu compte, qu'à part dans deux cas particuliers (dénombrable, ou cardinal de $\mathcal{P}(\mathbb{N})$), je n'ai pas d'idée précise pour démontrer des trucs comme ça:

Si $E$ est un ensemble de cardinal infini (on le définira avec les injections dans lui-même qui ne sont pas nécessairement des bijections) alors $E^2$ est de même cardinal.

Pour info, j'ai étudié il y a quelques années ZFC, j'avais fait des trucs assez classiques (a priori pas tout...) et pratiquer sur des propriétés simple pour le plaisir.
Et tout ce que je me dis quand je pense à ce problème, c'est que le théorème de Zermelo peut probablement jouer un rôle dans la démonstration.

Par ailleurs je me pose deux autres questions:
- Est-ce que $\text{card}(\mathcal{P}(E))= \text{card}(\mathcal{P}(X))$ implique $\text{card}(E)=\text{card}(X)$ ?
- Est-ce que si $E$ est de cardinal infini et $X$ de cardinal strictement inférieur (mais potentiellement infini quand même), on aura nécessairement $\text{card}(E^X)=\text{card}(E)$?
Je suppose qu'on peut trouver des trucs sur le sujet sur internet (il est même possible que ce soit sur le site de Martial, mais j'ai perdu le lien), mais je ne sais pas où... Vous avez des conseils pour me mettre sur les rails (par contre, je ne vous promet pas que je trouve vite, c'est des trucs auxquels je pense quand je bricole).
Merci d'avance.

Réponses

  • L'arithmétique des cardinaux infinis est triviale en ce qui concerne l'addition et la multiplication (il s'agit toujours du max des deux), mais dès qu'on touche à l'exponentiation ça peut devenir très difficile (il y a plein de problèmes ouverts et de résultats indécidables dans $\mathrm{ZFC}$).

    La réponse à tes deux questions est "en général non".

    Il existe un modèle de $\mathrm{ZFC}$ où $2^{\aleph_0} = 2^{\aleph_1}$ par exemple, qui répond négativement à ta première question, et pour la seconde question, on prend un modèle où $2^{\aleph_0} < 2^{\aleph_1}$ et où l'hypothèse du continu est fausse, de sorte que $\left(2^{\aleph_0}\right)^{\aleph_1} = 2^{\aleph_1}$ te donne un contre-exemple.
  • De mon téléphone : tu as le spectaculaire et facile fait qu'il existe des cardinaux arbitrairement grands tels que X^IN = 2^X. Essaie d'en construire quelques uns seul ça te fera plaisir.
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  • Mot-clé : ordinaux ! C'est là qu'intervient le théorème de Zermelo, et c'est parce que l'arithmétique basique des cardinaux bien ordonnés (infinis :-D ) est triviale, comme le dit Poirot, que celle générale l'est aussi, précisément via Zermelo
  • @max, ta phrase est ambigue, on la lit comme si tu disais que "tout est trivial" les concernant à partir du fait que $+;\times$ valent le sup?
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  • christophe : j'ai dit l'arithmétique basique, et non pas "tout" ;-)
  • De toute façon, maintenant que tu as précisé, tout va mieux pour les visiteurs.

    Ta phrase : "c'est parce que l'arithmétique basique des cardinaux est triviale que celle générale l'est aussi"

    Moi, personnellement, je la comprenais comme suit:

    "c'est parce que la cuisine des desserts de ce restaurant est excellente, comme le dit Poirot, que celle générale** l'est aussi"

    ** sous-entendu "en particulier celle de ses poissons"
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  • @Titi le curieux : je te redonne le lien
    https://sites.google.com/view/martial-leroy

    Pour $E^2$ équipotent à $E$, c'est au chap 12 théorème 15 page 31. (La preuve utilise Zorn et non Zermelo mais c'est un détail).

    Pour $|\mathscr P(E)| = |\mathscr P(F)| \Rightarrow |E| = |F|$ :
    1) Si HGC est vraie, i.e. si pour tout cardinal infini $\kappa$, $2^{\kappa} = \kappa^+$, c'est trivialement vrai.
    2) Sinon :
    a) Chap 19 théorème 73 page 23, on montre que si l'axiome de Martin est vrai, alors pour tout cardinal $\kappa$ inférieur au continu, on a $2^{\kappa} = 2^{\aleph_0}$. Mais il te faudra lire à partir de la page 16 pour savoir ce qu'est l'axiome de Martin.
    b) Pour la consistance de MA avec $\neg HC$ c'est au chap 21, mais ça utilise l'artillerie lourde du forcing itéré, et en plus ce chap est particulièrement mal écrit. En gros ce qu'on y démontre c'est que si ZFC est consistante, alors pour tout cardinal régulier non dénombrable $\kappa$ il existe un modèle de $ZFC+MA+2^{\aleph_0} = \kappa$.

    Conclusion : si, par exemple, MA est vrai et que $2^{\aleph_0} = \aleph_2$, alors tu as
    $$2^{\aleph_0} = 2^{\aleph_1} = \aleph_2,$$
    et pourtant $\aleph_0$ et $\aleph_1$ ne sont pas en bijection, ce qui fournit un contre-exemple à la propriété qui fait l'objet de ta question.

    Pour ta dernière question je ne suis pas trop aware of these subjects, donc je préfère faire confiance à Poirot.
  • @Martial: même sans Martin. En rajoutant génériquement $\omega_2$ réels (aléatoires ou de Cohen) de manière ccc, tu ne vas pas changer le fait que $2^{\omega_1}=\omega_2$, mais auras que $2^{\omega_0}=\omega_2$

    Rappel : $\mathbb{N} = \omega_0$
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  • @Christophe : tu as raison. Alors je vais changer ma conclusion :

    Si MA est vrai et si $2^{\aleph_0} = \aleph_{79}$, alors
    $$2^{\aleph_0} = 2^{\aleph_1} = ... = 2^{\aleph_{78}} = \aleph_{79}$$
    et le contre-exemple est encore plus marquant.
    (Et là, la généricité ne suffit plus).
  • Bin en fait tu es en train de décrire un sketch de la preuve de la consistance de l'axiome de Martin. Ca consiste à satisfaire toutes les ccc (tu en as satisfait 79) possible. Un argument académique dit qu'il n'y en a "que peu" à satisfaire.
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  • christophe: c'est parce que tu as mal lu ma phrase, en particulier tu as raté le "bien ordonnés" - avec cette précision, il me semblait clair que le "générale" portait sur ce terme (et pas sur le terme "basique") ;-)
  • Merci pour la précision
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  • Martial a écrit:
    je ne suis pas trop aware of these subjects, donc je préfère faire confiance à Poirot.

    Je ne suis pas vraiment aware là-dessus non plus. :-D J'ai répondu avec mes maigres connaissances de "curieux en théorie des ensembles", je suis bien incapable de comprendre la construction de ces modèles.
  • Bin si $M$ est un modèle transitif bien fondé de $ZFC$ et $B\in M$ est une algèbre de Boole telle que $M\models B$complète et si $G$ est une partie de $B$ qui est un filtre et tel que toute disjonction $\in M$ qui $\in G$ est telle que l'un de ses items $\in G$, alors en notant pour tout $x$ :

    $$\phi(x):=\{\phi(y) \mid \exists p\in G : (y,p) \in x\} $$

    on obtient que $ImParDe(\phi,M)$ est un modèle de ZFC (exercice fastidieux mais "continu")

    En choisissant bien $B$ (et $M$ on le prend dénombrable), on obtient que $M\models $ tout un tas de trucs cool, bien souvent très différents de ceux vérifiés par $M$.

    Par exemple l'algèbre de Boole des intérieurs de leur adhérence de $\R^k$ ajoute $k$ réels sans changer les cardinaux (ie n'ajoute pas de surjection de $a$ dans $b$ quand il n'y a pas dans $M$ et que $a,b$ sont des ordinaux. Etc...

    Cette découverte s'appelle "le forcing" et a été faite par Paul Cohen en 1963 (et lui a valu la médaille Field).
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  • Ça je suis plutôt au courant Christophe. ;-)

    C'est quand je cherche à comprendre les détails que je n'y arrive plus.
  • Ah ok, mais c'est vachement chronophage!!!

    La seule chose délicate c'est l'extensionalité dans les transferts "calculs dans $M [ G ]$" <---> Calculs dans $M$.

    Fais abstraction de l'extensionalité.

    Démontre le lemme "pour tout générique $G\in q$: M[G] \model P$ ssi $<P>\geq q$ en considérant la phrase $<P>$ comme un élément de $B$ via la traduction:

    1/ $<a\in b> := sup$ des $p\in B$ tels que $(a,p)\in b$

    2/ $<\forall xR(x)> := inf$ des $<R(a)>$ quand $a$ parcourt $M$.

    3/ connecteurs as usual
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  • @Christophe : "Bin en fait tu es en train de décrire un sketch de la preuve de la consistance de l'axiome de Martin. Ca consiste à satisfaire toutes les ccc (tu en as satisfait 79) possible. Un argument académique dit qu'il n'y en a "que peu" à satisfaire."

    Oui je connais cet argument académique. Ce que je ne maîtrise pas ce sont les détails techniques de l'itération de forcing. En gros je suis un peu comme Poirot*.

    *) Je parle pour la TDE, oeuf corse. Parce que plus quiche que moi en théorie des nombres tu clamses presto.
  • J'ai déjà lu des choses là-dessus Christophe, mais je ne suis jamais parvenu à "comprendre" pourquoi ça marche, à me forger une intuition et une aisance dessus. Je réessaierai (pour la 10ème fois :-D ) un peu plus tard.
  • De mon téléphone. En fait PERSONNE NE MAITRISE les détails, sauf au moment où on les "vérifie" et voi que "ça passe".

    J'essaierai de poster quelques aides en tenant compte à tous deux de ce que vous savez déjà.
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  • @Poirot : je vois "un peu mieux" quand on part d'un modèle transitif dénombrable $M$ de ZFC et qu'on en construit des extensions génériques $M[G]$ qui vérifient blablabla.
    Par contre j'ai beaucoup plus de mal avec les algèbres de Boole complètes.

    Quant à l'itération de forcing c'est vraiment très technique, je suis très vite noyé.
  • Bonjour,
    Merci beaucoup pour toutes ces réponses.
    Pour la première question, je viens de lire la démonstration dans le chapitre 12 de Martial. Je n'ai pas eu l'idée, mais ça me convient, j'avais les outils et j'ai compris. Pour le reste, si il y a des axiomes supplémentaires à ZFC, en ce qui me concerne, ce ne sera pas pour tout-de-suite. J'ai lu l'axiome de Martin dans le chapitre 19 du site de Martial, je n'ai pas les outils pour comprendre l'énoncé, je ne suis même pas sûr de ce qu'est un filtre en dehors de la topologie.
    Du coup, pour le moment, je vais admettre ce que vous avez dit sur les deux questions en plus. Je pense que je vais quand même tenter la question de cc sur la question de la construction cardinaux arbitrairement grand tels que $X^\mathbb{N}$. Je vais commencer par les $\mathcal{P}^n(\mathbb{N}), n\in\mathbb{N}^*$, je suppose qu'ils le respectent tous, mais je crois que je vais avoir des problèmes à partir de "cardinaux limites". Ça fera sûrement une motivation pour en apprendre plus.
    edit: ah zut, j'avais mal lu, je cherchais des ensembles $E$ tels que $\text{card}(E^\mathbb{N})=\text{card}(E)$. Du coup, à part si $E$ est du cardinal de $\mathbb{N}$, je n'ai pas la moindre idée de la tête qu'il a.
  • Pratiquement personne ne cherche à savoir comment va se dérouler le calcul sur les algèbres de Boole. Ce serait comme produire des preuves sans coupure.

    Ce qui est important est de prouver "une fois pour toute" que le modèle $M$ SAIT ce qu'il se passe dans le modèle $M[G]$ avec la seul aide de l'ultrafiltre "magique" $G$.

    Pourquoi j'ajoute magique et pourquoi c'est important? Bin parce que $G$ est "totalement additif" (les seuls qui seraient dans $M$ à l'étre sont les principaux). Autrement dit il contient un item dans chaque partition, et c'est cohérent (il est filtrant).

    Je le redis dans le forcing tout est trivial, il suffit de suivre les flèches SAUF l'extensionalité. Les grands mots intimident, mais ce sont des petites souris: "forcing itérés", etc. Ce n'est qu'une traduction du fait que de toute façon "M sait déjà tout", donc il sait que $M[G]$ est lui même un modèle qui SAIT ce qu'il se passera dans $M[G][H]$ :-D

    Je rappelle pourquoi en rajoutant $k$ réels, $\omega_1$ reste non dénombrable. On ajouté de manière ccc une injection de $k$ dans $\R$. Soit maintenant une application $f\in M[G]$ de $\N$ dans $\omega_1$. Pour chaque $n$, il existe pour chaque ordinal $a$ une "proba" $u(n,a)$ de valoir $f(n)$ que $M$ connait. Autrement dit $u\in M$. C'est une partition ($f(n)$ ne peut pas valoir deux valeurs différentes, donc $u(n,a)\wedge u(n,b) = 0_B$

    Par ccc, l'ensemble $E(n)$ des $a$ tels que $u(n,a)$ est non nul est dénombrable. La suite est triviale, puisque*** $\forall n: f(n) \in E(n)$, donc $f$ sera bornée.

    Etc, etc.

    Il faudrait 30 pages pour dire ça en termes de calculs booléens.

    Le "bon $a$" à valoir $f(n)$ est tel l'unique tel que $u(n,a)\in G$, où $u(n,a)$ est la valeur de l'énoncé $Toto(n)=a$, avec $Toto$ choisi pour que $\phi(Toto)=f$.
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  • @Toto: très bonne idée !
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  • Bonjour,
    Désolé, de faire remonter ce fil près de trois mois plus tard, mais je me disais qu'en laissant décanter, je verrai bien un truc et puis je n'en ai jamais vu...
    Le problème est celui-ci:
    On est dans l'hypothèse du continue généralisée (où du moins on ne se préoccupe que de cardinaux indexés par des ordinaux, pour les ordinaux $x$ tel qu'il existe $y$ avec $x=s.y$ alors $A_x\approx \mathcal{P}(A_y)$ et si $x$ est un ordinal limite $A_x\approx \bigcup_{y<x} A_y$, avec $A_0\approx \mathbb{N}$).
    Il y a un truc très clair pour les cardinaux "avec prédécesseur", qu'on peut résumer par cette formule: $\forall A,[\exists C,A\approx \mathcal{P}(C)] \implies \forall B,[\mathcal{P}(B)\leq A \implies A^B\approx A]$. Pour montrer cela, plutôt que de chercher directement une injection de $A^B$ dans $A$ on se contente de constater une surjection de $A$ dans $A^B$ en identifiant $A^B$ à une partie de $\mathcal{P}(B\times C)$ (qui est identifiable à l'ensemble des applications partielles de $B$ dans $A$, le $C$ est celui de la formule précédente).

    CC dit qu'il y a des cardinaux $E$ aussi grands qu'on veut tel que $E^\mathbb{N}> E$, je suppose que certains des "cardinaux limites" en sont. Le problème, c'est que je ne suis pas capable de trouver la moindre propriété de ces trucs là.
    Quelqu'un a une idée?
    Merci d'avance.
  • Si $E$ est de cofinalité dénombrable, càd qu'il s'écrit (je te simplifie, mais sans te mentir) $\sum_n E_n$ avec chaque $E_n < E$, alors $E < E^\mathbb N$.

    C'est une conséqience du théorème (lemme ?) de König. Sous l'hypothèse du continu généralisée, il me semble que c'est équivalent, de sorte que dans ta situation, les propriétés de ces cardinaux sont exactement celles des cardinaux de cofinalité dénombrable.

    Tout cardinal qui est une limite d'une suite (dénombrable donc) strictement croissante de cardinaux est de cofinalité dénombrable (c'est une reformulation simple, mais vu comme ça, c'est plus simple de se convaincre qu'il en existe des aussi gros qu'on veut)
  • Merci beaucoup Maxtimax,
    Bon... j'étais passé à côté de ce théorème... Je vais me replonger dans le cours de Martial.
  • Si tu veux une vue plus "spectaculaire", en prenant:

    $E_1:=P(E)$
    $E_2:=P(P(E)$
    et plus généralement $E_{n+1}:=P(E_n)$, puis finalement $F$ leur réunion quand $n$ parcourt $\N$,

    alors tu as une bijection** entre $F^{\N}$ et $P(F)$ qui est connu comme vraiment beaucoup beaucoup plus gros que $F$..

    ** une partie $X$ de $F$ étant déterminée par la suite $n\mapsto X\cap E_n$, dont les termes sont des éléments de $F$.
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  • [large]König[/large] dit que si tous les $a_i<b_i$ pour chaque $i\in J$ alors:

    la somme des $a_i$

    est strictement inférieure

    au produit des $b_i$

    Preuve, pour chaque $i$ tu prends (axiome du choix) $x(i)\in b_i$ différent de tous les $f(y)(i)$ quand $y$ parcourt $a_i$. Alors $x$ n'a aucun antécédent dans quelque $a_i$ que ce soit.
    Aide les autres comme toi-même car ils sont toi, ils sont vraiment toi
  • Bonjour,
    Merci cc, c'est une explication concise et efficace. Là, je galère encore sur les histoires de cofinalité, mais a priori, il y a tout ça dans le chapitre 12 du cours de Martial, je vais apprendre ça doucement. Je suis long à l'apprentissage parce que pour retenir une propriété et sa démonstration, j'ai besoin de temps à me casser les dents sur la recherche de démonstration. Merci à Martial d'avoir fait tout ça, c'est super d'avoir une source assez linéaire avec autant de chose dedans et disponible sur internet.
  • @Titi le curieux : je te remercie pour tes remerciements.

    C'est déjà bien que tu sois arrivé jusqu'au chapitre 12, d'autres néophytes ont craqué bien avant. (Je dis ça mais je ne sais pas si tu es néophyte, ni si tu as tout lu avant, bref).

    Pour info j'ai fait une mise à jour récemment du chap 12, il y a quelques nouveautés. (Des bricoles).
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