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Analyse non standard


Analyse non standard : encyclopédie mathématiques

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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

[modifier] Historique

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 \mathbb R[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] – appelĂ©e IST (Internal Set Theory) – 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 :

  1. l'axiome d'idéalisation
  2. l'axiome de standardisation
  3. l'axiome de transfert.

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, π, ...). Les infiniments petits ou infiniments grands introduits seront non standard.

[modifier] IntĂ©rĂȘt de l'analyse non standard

Il y a deux types d'applications :

  • Il a Ă©tĂ© Ă©tabli qu'un Ă©noncĂ© classique, possĂ©dant une dĂ©monstration dans le cadre de l'analyse non standard, Ă©tait vrai dans le cadre des mathĂ©matiques classiques. La situation est tout Ă  fait comparable aux mathĂ©maticiens d'avant 1800, qui s'autorisaient Ă  utiliser les nombres imaginaires Ă  condition que le rĂ©sultat final soit bien rĂ©el. L'analyse non standard permet donc de donner de nouvelles dĂ©monstrations (souvent plus simples) de thĂ©orĂšmes classiques.
  • L'analyse non standard permet en outre de manipuler les concepts nouveaux de nombre infiniment petit ou d'infiniment grand qui ont posĂ© tant de problĂšmes aux mathĂ©maticiens et qui avaient Ă©tĂ© bannis de l'analyse. Elle est donc plus gĂ©nĂ©rale que l'analyse classique, de mĂȘme que l'analyse complexe est plus gĂ©nĂ©rale que l'analyse rĂ©elle.
  • Cependant, l'analyse non standard a eu Ă  ce jour peu d'influence. Peu de thĂ©orĂšmes nouveaux ont Ă©tĂ© mis au point au moyen de celle-ci, et pour le moment, elle constitue essentiellement une réécriture de l'ensemble de l'analyse au moyen de nouveaux concepts. Il convient de prĂ©ciser qu'on ne saurait s'attendre Ă  de nouveaux rĂ©sultats en analyse Ă©lĂ©mentaire ; des applications intĂ©ressantes dĂ©passent par consĂ©quent le niveau de cet article, et doivent ĂȘtre cherchĂ©es, par exemple, du cĂŽtĂ© de l'Ă©tude des systĂšmes diffĂ©rentiels "lents-rapides" et de leurs "canards"[4].

[modifier] Les axiomes

  • On se place dans le cadre de la thĂ©orie des ensembles de Zermelo-Fraenkel.
  • Les objets ou les ensembles dĂ©finis par cette thĂ©orie seront qualifiĂ©s d'internes ou classiques. C'est le cas de tous les objets et ensembles usuels que nous connaissons : \pi, e, 2, \mathbb N, \mathbb R, \mathbb C...
  • On introduit un nouveau prĂ©dicat, Ă©tranger Ă  la thĂ©orie de Zermelo-Fraenkel, et qui s'applique sur les ensembles et objets internes prĂ©cĂ©dents. Un tel ensemble ou objet pourra ĂȘtre qualifiĂ© de standard ou de non standard. Par exemple, on pourra parler d'entier standard et d'entier non standard. Le mot « standard Â» n'est pas dĂ©fini, pas plus que ne sont dĂ©finis les mots « ensemble Â» ou « appartenance Â». Ce sont ce qu'on appelle des notions primitives. On explique seulement la façon dont on peut utiliser cette nouvelle notion, au moyen des axiomes qui suivent.

[modifier] Axiome d'idéalisation

Soit R(x, y) une relation « classique Â». Par relation classique, on entend une relation ne faisant pas intervenir le nouveau prĂ©dicat « standard Â» dans son Ă©noncĂ©. Il s'agit donc d'une relation usuelle de nos mathĂ©matiques de tous les jours.

L'axiome d'idĂ©alisation affirme que les deux propositions suivantes sont Ă©quivalentes :

  1. Pour chaque ensemble standard fini F, il existe x (noté dans la suite xF) tel que R(x, y) pour tous les y appartenant à F.
  2. Il existe x tel que R(x, y) pour tout y standard.

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.

[modifier] Exemple 1 : Il existe un entier supĂ©rieur Ă  tous les entiers standard

Nous voulons montrer que : il existe x entier, tel que, pour tout y standard entier, x > y. Soit donc R(x, y) dĂ©fini par : x est entier et y est entier et x > y. La proposition 1 de l'axiome d'idĂ©alisation est bien vĂ©rifiĂ©e : si F est fini (standard ou non d'ailleurs), il existe bien un entier x supĂ©rieur aux entiers y Ă©lĂ©ments de F. Par consĂ©quent, l'axiome d'idĂ©alisation Ă©nonce que la proposition 2 est aussi vĂ©rifiĂ©e et celle-ci correspond Ă  notre Ă©noncĂ©.

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 \mathbb N des entiers, les entiers non standard sont Ă©galement qualifiĂ©s d'inaccessibles, ou d'illimitĂ©s, ou d'infiniment grands. Le terme « illimitĂ© Â» 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.

[modifier] Exemple 2 : Tout ensemble infini possĂšde un Ă©lĂ©ment non standard

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'idĂ©alisation fournit alors l'existence d'un Ă©lĂ©ment x appartenant Ă  E et diffĂ©rent de tous les Ă©lĂ©ments standard y appartenant Ă  E ; x est Ă©videmment charmĂ© (ou non standard).

On en dĂ©duit la propriĂ©tĂ© suivante :

Dans tout ensemble infini, il y a au moins un élément charmé.

et par contraposition :

Si tous les éléments d'un ensemble sont standard, cet ensemble E est fini.(1)

[modifier] Exemple 3 : ThĂ©orĂšme de Nelson

Ce thĂ©orĂšme Ă©nonce que, si E est un ensemble, il existe une partie finie X de E contenant tous les Ă©lĂ©ments standard de E. Cependant, on ne peut en conclure que les Ă©lĂ©ments standard d'un ensemble quelconque ont une cardinalitĂ© finie, puisque les Ă©lĂ©ments standard ne constituent pas un ensemble. On dĂ©finit pour cela la relation R(X, y) suivante : X est inclus dans E, X est fini et si y est Ă©lĂ©ment de E, alors y est Ă©lĂ©ment de X. La proposition 1 de l'axiome d'idĂ©alisation est bien vĂ©rifĂ©e pour toute partie finie F (standard ou non d'ailleurs) en prenant X l'intersection de F et E. Par consĂ©quent, la proposition 2 de l'axiome d'idĂ©alisation permet de valider le thĂ©orĂšme 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 Â» 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.

[modifier] Axiome de transfert

DĂšs que tous les paramĂštres Ei d'une formule classique F ont des valeurs standard :

Pour tout x standard, F(x, E1, ..., En) si et seulement si pour tout x, F(x, E1, ..., En)

Autrement dit, pour vĂ©rifier qu'une formule usuelle dĂ©pendant de paramĂštres standard est vraie pour tout x, il suffit de la vĂ©rifier pour tout x standard. Intuitivement, nous ne pouvons accĂ©der qu'aux Ă©lĂ©ments standard, et ce sont eux qui nous permettront de vĂ©rifier une formule classique. Cet axiome peut aussi s'exprimer (par nĂ©gation) :

Il existe x standard, F(x, E1, ..., En) si et seulement s’il existe x, F(x, E1, ..., En)

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  \varnothing, 0, 1, 2, \pi, e, i, \mathbb N, \mathbb R^n 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, a–b, 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 \mathbb R bornĂ©e, Sup A et Inf A sont standard. Si f est une fonction standard (c’est-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 \mathbb N contenant tous les entiers standard est \mathbb N 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.

[modifier] Axiome de standardisation

Soit E un ensemble standard, soit P une propriĂ©tĂ© quelconque, faisant ou non intervenir le postulat « standard Â». Alors :

Il existe un ensemble A standard tel que pour tout x standard, x appartient à A si et seulement si x appartient à E et vérifie P(x)

Cet axiome ne prĂ©sente d'intĂ©rĂȘt que si la propriĂ©tĂ© P est non classique (elle utilise le postulat « standard Â»). 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 Â», cette propriĂ©tĂ© est Ă©trangĂšre Ă  l'axiomatique de Zermelo-Fraenkel (puisque le mot « standard Â» 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, considĂ©rons E = \mathbb N, et P(x) la propriĂ©tĂ© x est standard. La collection {x Ă©lĂ©ment de E | P(x)} est la collection des Ă©lĂ©ments standard. Son standardisĂ© est un ensemble standard contenant tous les Ă©lĂ©ments standard de \mathbb N. Nous avons dĂ©jĂ  vu qu'il s'agissait de \mathbb N lui-mĂȘme.

Considérons maintenant E = \mathbb N, 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.

[modifier] Les nombres en analyse non standard

[modifier] Les entiers

Rappelons que nous qualifions d'internes ou classiques les propriĂ©tĂ©s ou les ensembles n'utilisant pas le mot « standard Â». Nous appelons externes ou non classiques les propriĂ©tĂ©s utilisant ce mot. Toutes les propriĂ©tĂ©s connues classiques restent valides en Analyse non standard. Ainsi, \mathbb N vĂ©rifie l'axiome de rĂ©currence, pourvu que cet axiome soit appliquĂ© Ă  une propriĂ©tĂ© classique.

En revanche, le prĂ©dicat standard Ă©tant non classique, l'axiome de rĂ©currence ne s'y applique pas. Ainsi, 0 est standard ; si n est standard, n + 1 aussi. Cependant, il existe des entiers non standard supĂ©rieurs Ă  tous les entiers standard. De tels entiers non standard sont appelĂ©s 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 – 1. On peut voir \mathbb N comme suit :

0 1 2 3 . . . . . . . . . n-1 n n+1 . . .
entiers standard suivis des entiers non standard

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 \mathbb N.

Cependant, si P est une propriĂ©tĂ© quelconque, on montre que \mathbb N vĂ©rifie le principe de rĂ©currence restreint suivant :

si P(0) est vrai, et si pour tout n standard, P(n) implique P(n+1), alors pour tout n standard, P(n) est vérifié.

[modifier] Les réels

On montre qu'on peut partitionner l'ensemble \mathbb R des rĂ©els en :

  • les infinitĂ©simaux ou infiniment petits, infĂ©rieurs en valeur absolue Ă  tout rĂ©el standard strictement positif. À part 0, ils sont non standard. x – y infinitĂ©simal est notĂ© x ≈ y. On dit que x et y sont infiniment proches.
  • les illimitĂ©s, supĂ©rieur en valeur absolue Ă  tout rĂ©el (ou tout entier) standard. Ils sont non standard. Leurs inverses sont infinitĂ©simaux.
  • les apprĂ©ciables.

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 – °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.

[modifier] Les suites en analyse non standard

Nous allons donner des propriétés non classiques des suites, qui, dans le cas des suites standard, coïncideront avec des propriétés usuelles.

[modifier] Convergence d'une suite

Pour une suite standard (an), il y a Ă©quivalence entre :

  1. la suite (an) converge vers l
  2. l est standard et, pour tout n infiniment grand, an ≈ l

En effet, si (an) est standard et converge vers l, sa limite est standard (par transfert) et vĂ©rifie :

pour tout Δ > 0, il existe N tel que, pour tout n > N, | an - l | < Δ

Par transfert, on a alors :

pour tout Δ standard > 0, il existe N standard tel que, pour tout n > N, | an - l | < Δ

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 ≈ l

RĂ©ciproquement, si, pour tout n infiniment grand, an ≈ l avec l standard, alors :

pour tout Δ standard > 0, il existe N tel que, pour tout n > N, | an - l | < Δ

Il suffit en effet de prendre N infiniment grand.

et par transfert :

pour tout Δ > 0, il existe N tel que, pour tout n > N, | an - l | < Δ

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 = ( − 1)nα avec α infiniment petit, alors an ≈ 0 pour tout n et pourtant la suite (an) ne converge pas (mais cette suite n'est pas une suite standard).

[modifier] Convergence d'une sous-suite

Pour une suite (an) standard, il y a Ă©quivalence entre :

  1. il existe une sous-suite de (an) qui converge vers l
  2. l est standard et il existe n illimitĂ© tel que (an) ≈ l

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) ≈ l.

RĂ©ciproquement, s'il existe n illimitĂ© tel que (an) ≈ l, alors :

pour tout Δ standard > 0, pour tout N standard, il existe n > N, | an – l | < Δ

et par transfert :

pour tout Δ > 0, pour tout N, il existe n > N, | an – l | < Δ

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.

[modifier] Suite de Cauchy

Pour une suite (an) standard, il y a Ă©quivalence entre :

  1. (an) est une suite de Cauchy
  2. pour tout n et p illimitĂ©s, an ≈ ap

La démonstration suit une démarche comparable à celles des paragraphes précédents.

Montrons que, dans \mathbb R, 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 ≈ ap ≈ l, donc la suite converge vers l.

[modifier] Les fonctions en analyse non standard

[modifier] Continuité

La continuité d'une fonction dans \mathbb R se définit plus simplement avec l'analyse non standard. Pour une fonction standard, il y a équivalence entre

  1. f est continue
  2. pour tout y infiniment petit et pour tout x standard, f(x + y) est infiniment proche de f(x).

On montre le thĂ©orĂšme des valeurs intermĂ©diaires 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 thĂ©orĂšme pour f, a et b standard. Soit N un entier illimitĂ© et x_k = a + k{b-a \over N} pour k entre 0 et N. Si K est le premier k pour lequel f(x_k) \ge 0 alors on prendra pour c la partie standard de xK. On a effet c infiniment proche de xK et de xK − 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 − 1). Étant standard, f(c) est nul.

On montre d'une façon comparable que f admet un maximum et un minimum.

[modifier] Continuité uniforme

Pour une fonction standard, il y a équivalence entre

  1. f est uniformément continue
  2. pour tout y infiniment petit et pour tout x, f(x + y) est infiniment proche de f(x).

Par exemple, la fonction qui Ă  x associe x2 est continue, puisque, si x est standard et y infiniment petit, on a :

(x+y)2 = x2 + 2xy + y2 ≈ x2 puisque x Ă©tant limitĂ©, xy est infiniment petit, ainsi que y2

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 uniformĂ©ment continue. Par transfert, il suffit de montrer cette propriĂ©tĂ© pour f, a et b standard. Les Ă©lĂ©ments du segment sont alors tous limitĂ©s, donc admettent tous une partie standard. Si x est Ă©lĂ©ment de [a, b], °x sa partie standard et y infiniment petit, on a :

f(x+y) = f(°x + z) avec z = y + x - °x infiniment petit
donc f(x+y) ≈ f(°x) ≈ f(x) par continuitĂ© de f en °x

[modifier] Dérivation

Pour une fonction standard dĂ©finie sur un intervalle standard de \mathbb R, et pour x0 standard il y a Ă©quivalence entre :

  1. f est dérivable en x0 de dérivée l
  2. pour tout x infiniment proche de x0, {{f(x)-f(x_0)}\over x-x_0} ≈ l, avec l standard.

[modifier] Intégration

Pour une fonction standard f sur [a, b] = I standard, il y a équivalence entre

  1. f intégrable au sens de Riemann
  2. pour toute subdivision de [a, b] a = x0 < x1 < ... < xn = b avec xi ≈ xi+1, il existe deux fonctions en escalier φ et ψ relatives Ă  la subdivision de façon que, pour tout x de I, φ(x) ≀ f(x) ≀ ψ(x), et \int_a^b \psi - \phi ≈ 0. On pose alors \int_a^b f la partie standard de \int_a^b \phi ou de \int_a^b \psi.

[modifier] Notions diverses

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.

  • Convergence simple vers f d'une suite (fn) de fonctions : pour tout n infiniment grand et tout x standard, fn(x) ≈ f(x).
  • Convergence uniforme vers f d'une suite (fn) de fonctions : pour tout n infiniment grand et tout x, fn(x) ≈ f(x).
  • CompacitĂ© d'un espace K : tout point de K est presque standard (un point est presque standard s'il est infiniment proche d'un point standard)
  • ComplĂ©tude d'un espace E : tout point quasi standard est presque standard (un point x est quasi standard si pour tout r standard, x se trouve Ă  une distance infĂ©rieure Ă  r d'un point standard)

[modifier] Notes et références

[modifier] Notes

  1. ↑ Voir l'article d'AndrĂ© PĂ©try, Balade en Analyse non standard sur les traces de A. Robinson
  2. ↑ Cette mĂ©thode utilise l'axiome de l'ultrafiltre, version faible de l'axiome du choix
  3. ↑ Laquelle est souvent jugĂ©e plus commode d'emploi pour l'enseignement : c'est par exemple le point de vue adoptĂ© par F. Diener et G. Reeb dans l'ouvrage citĂ© en rĂ©fĂ©rence
  4. ↑ Voir Ă  ce sujet le dernier chapitre du livre de F. Diener et G. Reeb citĂ© en rĂ©fĂ©rence, ainsi que l'article de Francine Diener, Canards, donnant un exemple d'application de l'analyse non standard Ă  l'Ă©tude d'Ă©quations diffĂ©rentielles.

[modifier] Référence

F. Diener, G. Reeb (en), Analyse Non Standard, Hermann, 1989 (ISBN 9782705661090)

[modifier] Voir aussi

[modifier] Articles connexes

  • Nombre hyperrĂ©el
  • ThĂ©orie des modĂšles

[modifier] Bibliographie

  • J. Bair, V. Henry, Analyse infinitĂ©simale : le calculus redĂ©couvert, Academia Bruylant, Louvain-la-Neuve, 2008 (ISBN 978-2-87209919-1)
  • AndrĂ© Deledicq, Marc Diener, Leçons de calcul infinitĂ©simal, Armand Colin, 1989 (ISBN 9782705661090)
  • (en) E. Nelson, « Internal set Theory, a new approach to NSA Â», dans Bull. Amer. Math. Soc., vol. 83, no 6, novembre 1977, p. 1165-1198 [texte intĂ©gral] 
  • (en) E. Nelson, Radically Elementary Probability Theory, PUP, 1987 (ISBN 9780691084749), traduction par T. Delbecque : ThĂ©orie radicalement Ă©lĂ©mentaire des probabilitĂ©s
  • Alain Robert, Analyse non standard, PPUR, 1985 (ISBN 9782880740726)
  • (en) E. E. Rosinger, « Short Introduction to Nonstandard Analysis Â». Texte en accĂšs libre sur arXiv : math/0407178v1.

[modifier] Liens externes

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