Théorie élémentaire des ensembles

Nous donnons ici les définitions et notations indispensables à la manipulation naïve des ensembles. La théorie formelle des ensembles est une théorie mathématique qui permet de fonder rigoureusement une part gigantesque des toutes les mathématiques, en évitant soigneusement bien des paradoxes. Les objets de base de cette théorie sont les ensembles. La relation de base sur ces ensembles est l’appartenance.

Langage de base

On écrit x\in y et on lit x appartient à y pour signifier que x est un élément de l’ensemble y.

On écrit x\subset y et on dit que x est inclus dans y pour signifier que tout élément de x est aussi élément de y. On dit aussi que y est une partie, ou encore un sous-ensemble, de x.

La négation de cette phrase, qui s’écrit x\not\subset y signifie qu’il existe un élément dans x qui n’appartient pas à y.

En utilisant les quantificateur (pour tout : \forall, et il existe : \exists) et les connecteurs (entraine : \then et et : \land), ces deux phrases s’écrivent respectivement

\forall z, z\in x \then z\in y \\ \exists z, z\in x \land z\not\in y

L’égalité de deux ensembles, notée x=y signifie qu’ils ont exactement les mêmes élément, c’est à dire \forall z, z\in x \iff z\in y (en utilisant le connecteur équivaut à : \iff), ou encore que x\subset y \land y\subset x. Quand c’est le cas, on peut remplacer dans n’importe quelle phrase x par y sans changer sa véracité.

Donc pour définir un ensemble, il convient de décrire ses éléments. S’ils sont en nombre fini (et petit), on peut en faire la liste, comme par exemple \B=\{0,1\}, et quand c’est clair utiliser une ellipse (les trois petits points), comme par exemple \{a,\dots,z\} désigne l’ensemble des lettres de l’alphabet. On dit que l’on définit l’ensemble en extension.

Dans d’autre cas, il convient pour définir l’ensemble x de donner une phrase équivallente à z\in x. On dit que l’on définit x en compréhension.

L’ensemble \{x,y\}, par exemple, est ainsi définit par z\in\{x,y\} équivaut à z=x\lor z=y. On l’appelle la paire x, y. Il se peut que x=y auquel cas on écrit simplement \{x\} et on parle du singleton x.

L’ensemble \{\{x\},\{x,y\}\} est le couple x, y. Pour abbreger, on préfère le noter (x,y). La caractéristique des couples est que (x,y)=(u,v) équivaut à x=u\land y=v.

Donc il ne faut pas confondre les paires et les couples. Par exemple on a toujours \{x,y\}=\{y,x\} alors que (x,y)=(y,x) équivaut à x=y.

Continuons les définitions d’ensembles en compréhension.

Par exemple on définit l’intersection de x et y par : z\in x\cap y équivaut à z\in x \land z\in y.

De même on définit l’union de x et y par : z\in x\cup y équivaut à z\in x \lor z\in y (en utilisant le connecteur ou : \lor).

De même on définit la différence : x privé de y par : z\in x\setminus y équivaut à z\in x \land z\not\in y.

Il y a un ensemble qui ne contient aucun élément. C’est l’ensemble vide, noté \emptyset. Donc la phrase x\in\emptyset est toujours fausse, quel que soit x. Donc \emptyset\subset y, pour tout y.

Quand x désigne un ensemble, \powset{x} désigne l’ensemble des parties de x : z\in\powset{x} équivaut à z\subset x. On dit aussi que \powset{x} est l’ensemble puissance de x.

L’ensemble produit cartesien de X et Y est noté X\times Y. C’est l’ensemble des couples (x,y) tels que x\in X et y\in Y.

Relations, fonctions, application

Une relation R de X dans Y est une partie de X\times Y. On écrit xRy pour (x,y)\in R, ce qui se lit x est en relation par R avec y. On dit aussi que y est une image de x par R et que x est un antécédent de y par R.

Le domaine de R est l’ensemble \dom R des x\in X pour lesquels il existe y\in Y tel que xRy. De façon symétrique, l’image de R est l’ensemble \img R des y\in Y pour lesquels il existe x\in X tel que xRy.

La relation inverse de R est \inverse(R) de Y dans X définie par y \inverse R x si et seulement si x R y.

Si R est une relation de X dans Y et si S est une relation de Y dans Z, alors la composée de R et S est la relation \comp(R,S) de X dans Z définie par x \comp(R,S) z si et seulement si il existe y\in Y tel que x R y et y S z.

La relation R de X dans Y est fonctionelle si x R y et x R y' entraine y = y', c’est-à-dire si tout élément x\in X a au plus une image par R.

La relation R de X dans Y est une application de X dans Y si elle est fonctionelle et si \dom R = X, c’est-à-dire si tout élément x\in X a exactement une image par R. On note R(x) cette image de x par R et on note R: X\to Y le fait que R soit une application de X dans Y.

Si R:X\to Y et si S:Y\to Z, alors la composée \comp(R,S) de R et S est une application de X dans Z notée S\circ R de sorte que S\circ R(x) = S(R(x)).

Une application R: X\to Y est injective si son inverse \inverse(R) est fonctionelle ; et surjective si \dom \inverse(R) = Y ; et bijective si elle est à la fois injective et bijective, c’est-à-dire si \inverse(R) est une application de Y dans X, que l’on note alors R^{-1}. Ainsi, lorsque R est une application bijective, y=R(x) équivaut à x=R^{-1}(y).

Soit f:X\to Y et g:Y\to Z, et h:Z\to X. Si g\circ f est injective alors f l’est. Si f\circ h est surjective alors f l’est. Si Z=X, g\circ f est l’identité sur X, (c’est-à-dire la relation diagonale de X\times X, celle qui contient exactement les couples (x,x) quand x parcourt X, qui est aussi l’application I_X: X\to X telle que I_X(x)=x pour tout x\in X) et f\circ h est l’identité sur Y, alors f est bijective et g=f^{-1}=h.

Familles

Une application d’un ensemble I dit ensemble d’indices dans \powset{X} définit une famille (X_i)_{i\in I} de parties de X : pour tout i\in I, on a X_i\subset X.

Le produit cartésien (généralisé) de cette famille, noté \Pi_{i\in I} X_i, est l’ensemble des familles (x_i)_{i\in I} (c’est-à-dire des applications de I dans, par exemple, X) telles que x_i\in X_i pour tout i \in I.

On parle de produit dépendant dans la mesure où les facteurs X_i dépendent de i. Si au contraire, tous les X_i sont égaux, par exemple à X, on note ce produit cartésien X^I, et c’est l’ensemble des aplications de I dans X.

Retournons au cas d’une famille (X_i)_{i\in I} de parties de X. On note \cap_{i\in I}X_i l’ensemble des x\in X tels que \forall i\in I, x\in X_i. On note \cup_{i\in I}X_i l’ensemble des x\in X tels que \exists i\in I, x\in X_i. Cela généralise l’intersection et l’union de deux ensembles.