Analyse non standard : encyclopédie mathématiques
Cet article est issu de l'encyclopédie libre Wikipedia.En mathĂ©matiques, et plus prĂ©cisĂ©ment en analyse, l'analyse non standard est un ensemble d'outils dĂ©veloppĂ©s depuis 1960 afin de traiter la notion d'infiniment petit de maniĂšre rigoureuse. Pour cela, une nouvelle notion est introduite, celle d'objet standard (s'opposant Ă celle d'objet non standard), ou plus gĂ©nĂ©ralement de modĂšle standard ou de modĂšle non standard. Cela permet de prĂ©senter les principaux rĂ©sultats de l'analyse sous une forme plus intuitive que celle exposĂ©e traditionnellement depuis le XIXe siĂšcle.
Sommaire |
La naissance du calcul diffĂ©rentiel et infinitĂ©simal au XVIIe siĂšcle mena Ă l'introduction et Ă l'utilisation de quantitĂ©s infiniment petites. Leibniz, Euler et Cauchy en firent grand usage. Cependant, ils ne purent Ă©clairer pleinement la nature mĂȘme de ces infiniment petits. Leur usage disparut au XIXe siĂšcle avec le dĂ©veloppement de la rigueur en Analyse, par Weierstrass et Dedekind.
Il fallut attendre la deuxiĂšme moitiĂ© du XXe siĂšcle pour qu'une introduction rigoureuse des infiniment petits soit proposĂ©e. AprĂšs une approche due Ă Abraham Robinson en 1961, issue des travaux de la logique mathĂ©matique et utilisant la notion de modĂšle, Wilhelmus Luxemburg (en) popularisa en 1962 une construction (dĂ©jĂ dĂ©couverte par Edwin Hewitt (en) en 1948) des infiniment petits (et des autres hyperrĂ©els) par une ultra-puissance de [1],[2], donnant ainsi naissance Ă une nouvelle thĂ©orie, l'analyse non standard. En 1977, Edward Nelson fournit une autre prĂ©sentation de l'analyse non standard[3] â appelĂ©e IST (Internal Set Theory) â fondĂ©e sur l'axiomatique de Zermelo-Frankel Ă laquelle est ajoutĂ© un nouveau prĂ©dicat : le prĂ©dicat standard. Le comportement de ce nouveau prĂ©dicat est basĂ© sur 3 axiomes nouveaux :
Le sens du qualificatif standard donnĂ© par ces axiomes est celui d'objet appartenant Ă l'horizon perceptible, non standard comme Ă©tant au-delĂ de l'horizon perceptible. Un ensemble peut donc ĂȘtre standard ou non standard (on dit aussi charmĂ©), il ne peut ĂȘtre les deux. Seront standard les objets usuels des mathĂ©matiques classiques (1, 2, Ï, ...). Les infiniments petits ou infiniments grands introduits seront non standard.
Il y a deux types d'applications :
Soit R(x, y) une relation « classique ». Par relation classique, on entend une relation ne faisant pas intervenir le nouveau prédicat « standard » dans son énoncé. Il s'agit donc d'une relation usuelle de nos mathématiques de tous les jours.
L'axiome d'idéalisation affirme que les deux propositions suivantes sont équivalentes :
L'axiome signifie que, pour trouver un x qui vérifie une propriété relative à tous les y standard, il suffit qu'on puisse trouver un tel x relatif aux éléments y de n'importe quel ensemble standard fini.
Nous voulons montrer que : il existe x entier, tel que, pour tout y standard entier, x > y. Soit donc R(x, y) défini par : x est entier et y est entier et x > y. La proposition 1 de l'axiome d'idéalisation est bien vérifiée : si F est fini (standard ou non d'ailleurs), il existe bien un entier x supérieur aux entiers y éléments de F. Par conséquent, l'axiome d'idéalisation énonce que la proposition 2 est aussi vérifiée et celle-ci correspond à notre énoncé.
Il existe donc un entier x supĂ©rieur Ă tous les nombres entiers standard. Cet entier sera donc non standard, sinon, il serait supĂ©rieur Ă lui-mĂȘme. Nous venons donc de montrer qu'il existe au moins un entier non standard. Les entiers supĂ©rieurs Ă x sont a fortiori non standard, sinon, x leur serait supĂ©rieur. Pour cette raison, dans l'ensemble des entiers, les entiers non standard sont Ă©galement qualifiĂ©s d'inaccessibles, ou d'illimitĂ©s, ou d'infiniment grands. Le terme « illimitĂ© » est peut-ĂȘtre mal choisi. Il pourrait faire croire que de tels entiers sont infinis. Mais tous les entiers sont finis ! Nous prĂ©fĂ©rons donc le terme d'inaccessible ou d'infiniment grand. Les entiers non standard sont aussi appelĂ©s hypernaturels.
Considérons la relation x différent de y dans un ensemble E infini. Pour chaque partie finie standard F, nous trouvons un élément x noté xF appartenant à E tel que x soit différent de y pour tout y appartenant à F, puisque E est infini.
L'axiome d'idéalisation fournit alors l'existence d'un élément x appartenant à E et différent de tous les éléments standard y appartenant à E ; x est évidemment charmé (ou non standard).
On en déduit la propriété suivante :
et par contraposition :
Ce théorÚme énonce que, si E est un ensemble, il existe une partie finie X de E contenant tous les éléments standard de E. Cependant, on ne peut en conclure que les éléments standard d'un ensemble quelconque ont une cardinalité finie, puisque les éléments standard ne constituent pas un ensemble. On définit pour cela la relation R(X, y) suivante : X est inclus dans E, X est fini et si y est élément de E, alors y est élément de X. La proposition 1 de l'axiome d'idéalisation est bien vérifée pour toute partie finie F (standard ou non d'ailleurs) en prenant X l'intersection de F et E. Par conséquent, la proposition 2 de l'axiome d'idéalisation permet de valider le théorÚme de Nelson.
La partie X donnĂ©e par l'axiome est une partie interne ou classique. Elle ne se limite pas nĂ©cessairement aux seuls Ă©lĂ©ments standard de E, car, a priori, la collection des Ă©lĂ©ments standard, dĂ©finie Ă partir de la relation non classique « ĂȘtre standard » est un objet externe, c'est-Ă -dire Ă©tranger aux mathĂ©matiques usuelles. En effet, la relation "ĂȘtre standard" ne fait pas partie des relations auxquelles s'appliquent les axiomes de ZFC, ce qui veut dire qu'il n'existe pas d'ensemble ne contenant que les entiers standard. Ainsi, dans les entiers, un ensemble X contenant tous les entiers standard est de la forme {0, 1, 2, ..., n} avec n non standard, et cet ensemble contient aussi des entiers non standard.
DĂšs que tous les paramĂštres Ei d'une formule classique F ont des valeurs standard :
Autrement dit, pour vérifier qu'une formule usuelle dépendant de paramÚtres standard est vraie pour tout x, il suffit de la vérifier pour tout x standard. Intuitivement, nous ne pouvons accéder qu'aux éléments standard, et ce sont eux qui nous permettront de vérifier une formule classique. Cet axiome peut aussi s'exprimer (par négation) :
Si une propriĂ©tĂ© classique est vraie pour un x, alors elle est vraie pour un x standard. En voici quelques consĂ©quences. La plus importante est le fait que si un objet mathĂ©matique est dĂ©fini de façon classique de maniĂšre unique Ă partir d'objets standard, il est nĂ©cessairement standard. C'est donc le cas de pour n standard. De mĂȘme, si E et F sont des ensembles standard, il en est de mĂȘme de leur intersection, de leur rĂ©union, de leur produit, de l'ensemble des applications de E dans F, de l'ensemble des parties de E. Si a et b sont deux nombres standard, il en est de mĂȘme de ab, a+b, aâb, a/b, etc. Si n est standard, il en est de mĂȘme de n+1 ou de In = {1, ..., n}. Si A est une partie standard de
bornĂ©e, Sup A et Inf A sont standard. Si f est une fonction standard (câest-Ă -dire dĂ©finie sur des ensembles standard et de graphe standard), alors l'image d'un Ă©lĂ©ment standard est standard.
Enfin, cet axiome permet de montrer que, pour voir que deux ensembles standard sont Ă©gaux, il suffit de vĂ©rifier qu'ils possĂšdent les mĂȘmes Ă©lĂ©ments standard. Ainsi, la seule partie standard de contenant tous les entiers standard est
lui-mĂȘme. Par contre, il existe des parties non standard contenant tous les entiers standard, Ă savoir les parties {0, 1, 2, ..., n} avec n non standard.
Soit E un ensemble standard, soit P une propriété quelconque, faisant ou non intervenir le postulat « standard ». Alors :
Cet axiome ne prĂ©sente d'intĂ©rĂȘt que si la propriĂ©tĂ© P est non classique (elle utilise le postulat « standard »). A n'est autre qu'un ensemble standard dont les Ă©lĂ©ments standard sont les Ă©lĂ©ments standard de E vĂ©rifiant la propriĂ©tĂ© P. Il se peut que A possĂšde d'autres Ă©lĂ©ments, mais ils seront non standard. Par ailleurs, un ensemble standard Ă©tant dĂ©fini de maniĂ©re unique par ses Ă©lĂ©ments standard, il en rĂ©sulte que A est unique. On l'appelle le standardisĂ© de la collection {x Ă©lĂ©ment de E | P(x)} qui, a priori, n'est pas un ensemble au sens ZFC. L'interprĂ©tation intuitive qu'on peut donner Ă cet axiome est le suivant : la collection {x Ă©lĂ©ment de E | P(x)} ne nous est pas directement accessible. Nous ne pouvons concevoir que son standardisĂ©. Nous insistons sur le fait que, si la propriĂ©tĂ© P utilise le postulat « standard », cette propriĂ©tĂ© est Ă©trangĂšre Ă l'axiomatique de Zermelo-Fraenkel (puisque le mot « standard » ne fait pas partie de cette axiomatique), et donc que la collection {x Ă©lĂ©ment de E | P(x)} n'est pas un ensemble au sens de Zermelo-Fraenkel, c'est pourquoi nous la qualifions de collection. (plus techniquement, la propriĂ©tĂ© P n'est pas nĂ©cessairement collectivisante, et la notation {x Ă©lĂ©ment de E | P(x)} est formellement aussi illĂ©gale que le serait, par exemple, {x | x=x} pour dĂ©signer l'ensemble de tous les ensembles).
Par exemple, considérons E = , et P(x) la propriété x est standard. La collection {x élément de E | P(x)} est la collection des éléments standard. Son standardisé est un ensemble standard contenant tous les éléments standard de
. Nous avons déjà vu qu'il s'agissait de
lui-mĂȘme.
Considérons maintenant E = , et P(x) la propriété x est non standard. La collection {x élément de E | P(x)} est la collection des éléments non standard. Son standardisé est l'ensemble vide.
Rappelons que nous qualifions d'internes ou classiques les propriétés ou les ensembles n'utilisant pas le mot « standard ». Nous appelons externes ou non classiques les propriétés utilisant ce mot. Toutes les propriétés connues classiques restent valides en Analyse non standard. Ainsi, vérifie l'axiome de récurrence, pourvu que cet axiome soit appliqué à une propriété classique.
En revanche, le prédicat standard étant non classique, l'axiome de récurrence ne s'y applique pas. Ainsi, 0 est standard ; si n est standard, n + 1 aussi. Cependant, il existe des entiers non standard supérieurs à tous les entiers standard. De tels entiers non standard sont appelés infiniment grand.
Tout entier standard est infĂ©rieur Ă tout entier non standard. Si n est non standard, il en de mĂȘme des Ă©lĂ©ments supĂ©rieurs Ă n et de n â 1. On peut voir comme suit :
On ne peut parler du plus petit entier non standard, pas plus que du plus grand entier standard, car ces propriĂ©tĂ©s n'Ă©tant pas classiques, elles ne dĂ©finissent mĂȘme pas d'ensembles, qui n'ont donc pas, et pour cause, les caractĂ©ristiques usuelles des sous-ensembles de .
Cependant, si P est une propriété quelconque, on montre que vérifie le principe de récurrence restreint suivant :
On montre qu'on peut partitionner l'ensemble des réels en :
Les appréciables et les infinitésimaux constituent les réels limités.
Par exemple : 0,000...01 est infiniment petit si le nombre de 0 est un entier infiniment grand. Ce nombre est alors infiniment proche de 0.
Si n est un entier infiniment grand, alors 1/n est infiniment petit.
On montre Ă©galement que, pour chaque rĂ©el limitĂ© x, il existe un unique rĂ©el °x standard tel que la diffĂ©rence x â °x soit infinitĂ©simale. °x s'appelle partie standard de x, Ă laquelle x est adĂ©gal.
Par exemple, 0,3333.....333 oĂč le nombre de 3 est un entier infiniment grand est un rĂ©el limitĂ© non standard, dont la partie standard est 1/3.
Tout réel limité se décompose de maniÚre unique sous la forme standard + infinitésimal.
Les réels infiniment proches d'un réel donné constituent le halo de ce réel.
Nous allons donner des propriétés non classiques des suites, qui, dans le cas des suites standard, coïncideront avec des propriétés usuelles.
Pour une suite standard (an), il y a équivalence entre :
En effet, si (an) est standard et converge vers l, sa limite est standard (par transfert) et vérifie :
Par transfert, on a alors :
Si on prend n infiniment grand, n est alors supĂ©rieur Ă N donc | an - l | < Δ, et cette inĂ©galitĂ© Ă©tant vĂ©rifiĂ©e pour tout Δ standard, on a bien an â l
RĂ©ciproquement, si, pour tout n infiniment grand, an â l avec l standard, alors :
Il suffit en effet de prendre N infiniment grand.
et par transfert :
ce qui est la définition de la convergence.
On notera bien que l'Ă©quivalence Ă©noncĂ©e n'est valide que pour les suites standard. Si on dĂ©finit en effet an = ( â 1)nα avec α infiniment petit, alors an â 0 pour tout n et pourtant la suite (an) ne converge pas (mais cette suite n'est pas une suite standard).
Pour une suite (an) standard, il y a équivalence entre :
En effet, si l est limite d'une sous-suite de (an), alors l est standard par transfert, et pour tout Δ > 0, il existe une infinitĂ© de n tel que | an - l | < Δ. Cette propriĂ©tĂ© est donc vraie pour Δ infiniment petit, et comme elle est vĂ©rifiĂ©e par une infinitĂ© de n et qu'il n'existe qu'un nombre fini d'entiers standard, il existe donc n infiniment grand tel que | an - l | < Δ. Mais comme Δ est infiniment petit, cela signifie que (an) â l.
RĂ©ciproquement, s'il existe n illimitĂ© tel que (an) â l, alors :
et par transfert :
ce qui exprime que l est valeur d'adhérence de la suite (an) et dans ce cas, il existe bien une sous-suite de (an) qui converge.
On en déduit le théorÚme de Bolzano-Weierstrass, qui exprime, que, de toute suite réelle bornée, on peut extraire une sous-suite qui converge. Par transfert, il suffit de montrer ce théorÚme sur les suites standard. Soit donc (an) une suite standard bornée. Tous ses termes sont limités car, par transfert, on peut prendre un majorant et un minorant de (an) standard. On prend alors n illimité et l = °an partie standard de an. On applique alors l'équivalence montrée précédemment, la propriété 2 étant vérifiée.
Pour une suite (an) standard, il y a équivalence entre :
La démonstration suit une démarche comparable à celles des paragraphes précédents.
Montrons que, dans , toute suite de Cauchy converge. Par transfert, il suffit de montrer cette propriĂ©tĂ© sur les suites standard. Soit (an) une telle suite. Elle est bornĂ©e : en effet, il n'y a qu'un nombre fini d'entiers standard, et tous les an avec n illimitĂ©s sont dans le mĂȘme halo de l'un d'entre eux. Par transfert, la borne peut ĂȘtre choisie standard. Tous les termes de la suite sont donc limitĂ©s. On prend alors l = °ap partie standard de ap avec p illimitĂ©. Alors, pour tout n illimitĂ©, an â ap â l, donc la suite converge vers l.
La continuité d'une fonction dans se définit plus simplement avec l'analyse non standard. Pour une fonction standard, il y a équivalence entre
On montre le théorÚme des valeurs intermédiaires de la façon suivante. Soit f continue sur un segment [a, b] avec f(a) < 0 et f(b) > 0. Alors il existe c entre a et b tel que f(c) = 0. En effet, par transfert, il suffit de montrer ce théorÚme pour f, a et b standard. Soit N un entier illimité et pour k entre 0 et N. Si K est le premier k pour lequel
alors on prendra pour c la partie standard de xK. On a effet c infiniment proche de xK et de xK â 1, de sorte que f(c) sera infiniment proche du rĂ©el positif ou nul f(xK) et infiniment proche du rĂ©el nĂ©gatif f(xK â 1). Ătant standard, f(c) est nul.
On montre d'une façon comparable que f admet un maximum et un minimum.
Pour une fonction standard, il y a équivalence entre
Par exemple, la fonction qui Ă x associe x2 est continue, puisque, si x est standard et y infiniment petit, on a :
Par contre, cette fonction n'est pas uniformément continue puisque, si x est infiniment grand et si y = 1/x, alors (x+y)2 = x2 + 2 + y2 qui n'est pas infiniment proche de x2.
Sur un segment [a, b], toute fonction continue f est uniformément continue. Par transfert, il suffit de montrer cette propriété pour f, a et b standard. Les éléments du segment sont alors tous limités, donc admettent tous une partie standard. Si x est élément de [a, b], °x sa partie standard et y infiniment petit, on a :
Pour une fonction standard définie sur un intervalle standard de , et pour x0 standard il y a équivalence entre :
Pour une fonction standard f sur [a, b] = I standard, il y a équivalence entre
Nous donnons ci-dessous des exemples d'équivalent en analyse non standard de notions de l'analyse classique, lorsqu'elles sont appliquées à des objets standard. Celles-ci ont pour but de montrer l'ampleur des domaines à explorer.
F. Diener, G. Reeb (en), Analyse Non Standard, Hermann, 1989 (ISBN 9782705661090)
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