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Bijection explicite de R² sur R

Posté par
jsvdb
01-10-18 à 09:50

Bonjour à tous

Tout le monde sait que \R^2 et \R  sont équipotents.

Mais comment construire un bijection explicite de \R^2 sur \R ?

Pour cela, je propose d'en construire une de ]0;1] \times ]0;1] sur ]0;1].

Exemple :

Prenons deux réels dont les développement décimaux commencent comme ceci :

x = 0,301200708 ...

y = 0,00920510008 ...

Quel nombre z de ]0;1] associeriez-vous au couple (x;y) ?

Evidemment, vous pensez à masquer vos réponses

Pour la petite histoire, il me semble que Cantor (? à vérifier) ne croyait à l'équipotence de \R^2 et \R jusqu'au jour où il a lui-même découvert la bijection en question et aurait dit qu'il voyait bien la bijection mais qu'il n'en croyait pas ses yeux. Dur dur de rechigner contre les faits.

Posté par
verdurin
re : Bijection explicite de R² sur R 01-10-18 à 12:38

Salut,
je commence par remarquer que tu ne donnes pas les nombres x et y.
Il est donc difficile de donner l'image de (x,y).

Je propose une bijection de ]0;1[]0;1[ dans ]0;1[ plus facile à transformer en bijection de \R^2 dans \R.

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Posté par
vham
re : Bijection explicite de R² sur R 01-10-18 à 12:47

Bonjour,

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Posté par
luzak
re : Bijection explicite de R² sur R 01-10-18 à 14:52

Bonjour verdurin !
Je me suis permis de jeter un œil sur ta solution qui est aussi celle à laquelle je pensais !
Mais avec x=\dfrac1{11},\;y=10x tu n'échappes pas aux représentations impropres.

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 01-10-18 à 16:00

verdurin @ 01-10-2018 à 12:38

Salut,
je commence par remarquer que tu ne donnes pas les nombres x et y.

En effet, mais en réalité, cela n'a pas d'importance.
J'aurai simplement pu donner

x = 0,301200708

y = 0,00920510008

Ou même ne rien donner. Les deux nombres n'ayant que valeur d'exemple pour étayer une démarche.
Bien entendu, concernant les représentations décimales, on dédaignera les représentations de x et y se terminant par une infinité de 9.

@verdurin
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Je vous propose de réécrire les deux nombres comme ceci

x= 0,3~01~2~007~08

y = 0,009~2~05~1~0008

Ou même en reprenant les exemples de luzak :

x = 1/11 = 0,09~09~09~09~09~09~09~\cdots

y= 10/11 = 0,9~09~09~09~09~09~\cdots

Précision : aucun calcul n'est nécessaire.

Posté par
verdurin
re : Bijection explicite de R² sur R 01-10-18 à 19:07

En fait ma méthode ne marche pas du tout, même en négligeant les écritures impropres.

\dfrac1{99}=0,\!010101\ldots aurait pour antécédent (0 ; 1/9)

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 02-10-18 à 00:30

verdurin @ 01-10-2018 à 19:07

En fait ma méthode ne marche pas du tout, même en négligeant les écritures impropres.

surtout en négligeant les écritures impropres; il va falloir les utiliser.
_______________________________________________

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Il faut donc passe par l'écriture "impropre" pour obtenir le résultat.

Impropre donc, mais bien utile

Posté par
verdurin
re : Bijection explicite de R² sur R 02-10-18 à 01:27

Une objection :
0,2=0,1999. . .
0,3=0,2999. . .
Quelle est l'image de (2/10 ; 3/10) ?
0,23 ou 0,1299. . .=0,13 ?

J'ai cru que c'était simple, ça ne l'est pas du tout.

En fait j'ai donné une injection de ]0;1[ ]0;1[ dans ]0;1[.
On a facilement une surjection de ]0;1[ ]0;1[ dans ]0;1[.

En utilisant l'axiome du choix on en déduit qu'il y a une bijection entre ]0;1[ ]0;1[ et ]0;1[.

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 02-10-18 à 01:45

La réponse précise à ton objection est 13/100.
Si tu écris 0,13, tu vas galèrer pour trouver son antécédent.
Tandis qu'avec 0,129999... l'antécédent est trouvé en prenant un chiffre sur 2 : 0,199999... et 0,299999... soit (2/10; 3/10).

Posté par
verdurin
re : Bijection explicite de R² sur R 02-10-18 à 02:03

En d'autres termes, on n'utilise que les écritures impropres.
Je vais essayer d'y penser, mais pas ce soir.

Sinon je n'ai pas vraiment compris ce que tu proposes comme antécédent à 1/99.

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 02-10-18 à 14:31

On n'a pas le choix de passer sur des écritures impropres, contrairement à ce que j'affirmais 01-10-18 à 16:00 où je n'avais pas assez poussé la recherche.

1/99 = 0,\bar{01}= 0,{\red 01}~{\blue 01}~{\red 01}~{\blue 01}\cdots par conséquent, son antécédent sera pris, en réunissant les bleus puis les rouges.

Donc l'antécédent de 1/99 est (1/99; 1/99)

De même l'antécédent de 1/999 est (1/999; 1/999)

L'antécédent de 1/333 est (1/333; 1/333)

L'antécédent de 5/111 est (5/111; 5/111)

...

Posté par
verdurin
re : Bijection explicite de R² sur R 03-10-18 à 22:46

Bonsoir jsvdb.
Je n'arrive pas à trouver une bijection explicite à partir des écritures décimales.

Peux-tu donner explicitement ta solution ?

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 04-10-18 à 03:23

Prenons d'abord deux réels qui, dans leur écriture décimale, n'ont aucun 0 (donc, comme convenu, une suite infinie de 9 est correcte); alors la transformation que tu proposes est bonne.

x=\sum_{k=1}^\infty x_k\cdot 10^{-k}\quad y=\sum_{k=1}^\infty y_k\cdot 10^{-k}

(x\,,y)\mapsto x=\sum_{k=1}^\infty(10x_k+y_k)\cdot 10^{-2k}

avec x_k,~y_k \in \{1;2;3;4;5;6;7;8;9\}

Par ex : l'image de (1/3;1/9) sera 0,31313131\cdots = 31/99

Maintenant, s'il y a des 0, on considère comme un seul bloc tous les 0 qui sont consécutifs et qui précèdent une décimale non nulle, bloc de 0 auquel on adjoint ladite décimale. Cela est rendu possible par la convention d'écriture décimale dite impropre puisque dans ce cas, dans l'écriture décimale, on trouvera toujours une décimale non nulle à partir d'un rang donné.

Prenons x = \dfrac{1002004}{10^{9}}=0,001002003\bar 9 et y=0,010205060945687\bar 9

On va construire l'image z de (x;y) pas à pas :

Dans x, le premier bloc est 001 tandis que dans y c'est 01 donc z commencera par 0,\red 00101

Le second bloc de x est 002 et le second bloc de y est 02 donc z poursuivra par 0,00101\red 00202

Le troisième bloc de x est 003 et le troisième bloc de y est 05 donc z poursuivra par 0,0010100202\red 00305

Le quatrième bloc de x est 9 et le quatrième bloc de y est 06 donc z poursuivra par 0,001010020200305\red 906

Le cinquième bloc de x est 9 et le cinquième bloc de y est 09 donc z poursuivra par 0,001010020200305906\red 909

Le sixième bloc de x est 9 et le sixième bloc de y est 4 donc z poursuivra par 0,001010020200305906909\red 94

Et ainsi de suite et on obtient 0,0010100202003059069099495969897\bar 9 = \dfrac{10100202003059069099495969898}{10^{31}}

_______________________________

Maintenant, la question que je me pose est, étant admise la convention d'écriture impropre, pourquoi la transformation suivante

x=\sum_{k=1}^\infty x_k\cdot 10^{-k}\quad y=\sum_{k=1}^\infty y_k\cdot 10^{-k}

(x;y)\in ]0;1] \times ]0;1]\mapsto x=\sum_{k=1}^\infty(10x_k+y_k)\cdot 10^{-2k}\in ]0;1]

avec x_k,~y_k \in \{0;1;2;3;4;5;6;7;8;9\}, avec \limsup ~ x_i,y_i \neq 0 ne conviendrait-elle pas ?

Ainsi, par ex x = \frac{103}{5000}=0,0205\bar 9 et y = \frac{77}{2500}=0,0307\bar 9 auraient pour image z=0,00230057\bar 9=\frac{230058}{10^8} dans ce cas

(et dans l'autre, z= 0,02030507\bar 9 )

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 04-10-18 à 08:12

Ah bah non ça marche pas le second cas. Impossible de faire l'image réciproque de 1/99

Posté par
verdurin
re : Bijection explicite de R² sur R 05-10-18 à 18:11

Pour revenir à la petite histoire, je crois que si Cantor a trouvé une injection de ]0;1[]0;1[ dans ]0;1[ il a admis directement l'existence d'une bijection entre ces deux ensembles.

C'était tout au début de la théorie des ensembles et un grand nombre de difficultés n'avaient pas encore été découvertes.

Posté par
verdurin
re : Bijection explicite de R² sur R 05-10-18 à 18:40

En fait, je doute qu'il soit possible de donner une bijection explicite entre ]0;1[]0;1[ et ]0;1[.

Pour montrer que « si il y a une injection de A dans B et une une injection de B dans A alors il y a une bijection entre A et B » il me semble que l'on est obligé d'utiliser l'axiome du choix sous la forme « tout ensemble peut-être muni d'un bon ordre ».

Ce qui est difficile à réaliser explicitement pour des ensembles infini non dénombrables.

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 06-10-18 à 23:10

verdurin @ 05-10-2018 à 18:40

En fait, je doute qu'il soit possible de donner une bijection explicite entre ]0;1[]0;1[ et ]0;1[.

Oui, je m'y suis attelé et je doute fort comme toi que ce soit possible ... cela dit, je n'ai pas fait une étude systématique complète; ce serait trop long.

Posté par
Schtromphmol
re : Bijection explicite de R² sur R 07-10-18 à 04:34

Bonsoir,

Il y a un sujet similaire sur l'expresso : bijection de R dans C.

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 08-10-18 à 09:30

Ok, je vais regarder ça et coupler le tout avec ceci .
Bon là, je suis blindé et je devrais m'en sortir.

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 08-10-18 à 09:40

Avec la bijection de mojojojo du lien ci-dessus, ça devrait le faire.

Posté par
jsvdb
re : Bijection explicite de R² sur R 08-10-18 à 12:34

Alors effectivement, une bijection explicite  \phi : ]0;1[\times ]0;1[ \rightarrow ]0;1[ ne va pas être compliquée à obtenir.

On pose d'abord \varphi : \left\lbrace\begin{matrix}]0;1] \rightarrow ]0;1[\\\varphi(x) = \begin{cases}x & \text{ si } x\neq \frac{1}{2^n},~n\in \N  \\ \frac{1}{2^{n+1}} & \text{ si } x= \frac{1}{2^n},~n\in \N\end{cases}\end{matrix}\right.

Ce qui donne le diagramme commutatif suivant :

\usepackage[all]{xy} \xymatrix{]0;1]\times ]0;1] \ar[r]^\psi \ar[d]_{\varphi \times \varphi} &]0;1]\ar[d]_{\varphi } \\ ]0;1[\times ]0;1[ \ar[r]^{\phi} &]0;1[}

\psi : ]0;1]\times ]0;1] \rightarrow ]0;1] est la bijection objet de ce fil.

On a alors : \phi = \varphi \circ \psi \circ (\varphi \times \varphi)^{-1}
___________________________________________________________________

A noter qu'un bijection explicite de ]0;1] sur ]0;1[ peut être obtenue à partir de n'importe quelle suite injective de ]0;1] avec x_0 = 1.

Soit (x_n)_{n\in \N} une telle suite. Alors :

\varphi : \left\lbrace\begin{matrix}]0;1] \rightarrow ]0;1[\\\varphi(x) = \begin{cases}x & \text{ si } x\neq x_n,~n\in \N  \\ x_{n+1} & \text{ si } x= x_n,~n\in \N\end{cases}\end{matrix}\right. est une bijection.



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