Ensembles et univers artiniens

DÉFINITION 5. — On dit qu’un ensemble 𝑥 est artinien s’il n’existe aucune suite infinie (𝑥_𝑛)_𝑛≥0telle que𝑥_∘= 𝑥et que𝑥_𝑛+1∈ 𝑥_𝑛pour tout𝑛 ≥ 0.

Exemples. — Les ensembles∅,{∅},{∅, {∅}}, plus généralement les éléments de l’univers 𝑈1dun^∘1, sont artiniens.

En termes imagés, si𝑥est artinien, et si on prend un élément𝑥1de𝑥, puis un élément 203

𝑥2de𝑥1, etc., le processus doit s’arrêter, et on arrive à un composant𝑥𝑛de𝑥qui estvide.

Autrement dit les ensembles artiniens sont « construits à partir de∅» ; ceci sera précisé plus tard (cf. (*) dans la démonstration du th. 2).

Les ensembles artiniens jouissent évidemment des propriétés suivantes :

(AR.I) Si𝑥est artinien, toute partie de𝑥et tout composant de𝑥sont artiniens. Pour que𝑥 soit artinien, il faut et il suffit que tout élément de𝑥soit artinien.

(AR.II) Si𝑥et𝑦sont artiniens, alors{𝑥, 𝑦}est artinien.

(AR.III) Si𝑥est artinien,𝒫(𝑥)est artinien.

(AR.IV) Toute réunion d’ensembles artiniens est un ensemble artinien.

Ces propriétés montrent aussitôt qu’on a la

PROPOSITION 11. — Si𝑈est un univers, l’ensemble des éléments artiniens de𝑈est un uni-vers, nécessairement artinien.

COROLLAIRE. — Si𝑥est un ensemble artinien, il existe un univers artinien𝑈tel que𝑥 ∈ 𝑈. En effet, par l’axiome (A.6),𝑥est élément d’un univers𝑉; on prend pour𝑈l’ensemble des éléments artiniens de𝑉.

La proposition suivante est encore moins utile que le reste dun^∘:

PROPOSITION 12. — Soit𝐴un ensemble artinien. Alors : 204

a) Pour tout𝑥 ∈ 𝐴, on a𝑥 ∉ 𝑥;

b) Si𝑥,𝑦 ∈ 𝐴, on ne peut avoir à la fois𝑥 ∈ 𝑦et𝑦 ∈ 𝑥;

c) Pour tout𝑥 ∈ 𝐴, la relation «𝑦est un composant de𝑧» entre composants𝑦,𝑧de𝑥est une relation d’ordre ;

d) Pour tout élément non vide𝑥de𝐴, il existe𝑦 ∈ 𝑥tel que𝑥 ∩ 𝑦 = ∅.

En effet la négation de a) (resp. de b)) entraîne l’existence d’une suite infinie (𝑥_𝑛)_𝑛≥0 contredisant le déf. 5, à savoir(𝑥, 𝑥, 𝑥, … )(resp.(𝑥, 𝑦, 𝑥, 𝑦, 𝑥, 𝑦, … )). La négation de c) veut dire qu’il existe𝑥 ∈ 𝐴, des composants𝑦,𝑧de𝑥distincts, et des suites d’appartenances :

𝑦 ∈ 𝑦1∈ ⋯ ∈ 𝑦𝑞∈ 𝑧 , 𝑧 ∈ 𝑧1∈ ⋯ ∈ 𝑧𝑟∈ 𝑦;

d’où, comme dans b), une suite infinie(𝑥_𝑛)_𝑛≥0contredisant le déf. 5. Enfin, si d) est fausse, il existe un élément non vide𝑥de𝐴tel que𝑥 ∩ 𝑦 ≠ ∅pour tout𝑦 ∈ 𝑥; on pose𝑥_∘= 𝑥, et on prend pour𝑥₁un élément de𝑥; comme𝑥 ∩ 𝑥₁≠ ∅, on prend pour𝑥₂un élément de𝑥 ∩ 𝑥₁ et caetera ; plus formellement on définit par récurrence une suite infinie(𝑥_𝑛)_𝑛≥1d’éléments de𝑥au moyen de𝑥₁∈ 𝑥,𝑥_𝑛+1∈ 𝑥_𝑛∩ 𝑥pour𝑛 ≥ 1; alors la suite(𝑥_𝑛)_𝑛≥0contredit la déf.

5.

Remarque. — Soit𝐵 un ensemble. Pour que𝐵 soit artinien, il faut et il suffit que tout ensemble𝐴d’ensembles de composants de𝐵satisfasse à la condition d) de la prop. 12. En effet la nécessité résulte de (AR.I) et de la prop. 12. Réciproquement, si𝐵n’est pas artinien,

205

il existe une suite infinie(𝑥𝑛)𝑛≥0avec𝑥∘= 𝐵et𝑥𝑛+1∈ 𝑥𝑛pour tout𝑛 ≥ 0; on prend alors pour𝐴la partie réduite à l’ensemble𝑋des𝑥𝑛; ainsi𝐴contient un élément non vide𝑋 tel que, pour tout élément𝑦de𝑋, on ait𝑦 ∩ 𝑋 ≠ ∅(en effet𝑦est de la forme𝑥𝑛, et on a 𝑥_𝑛+1∈ 𝑦 ∩ 𝑋).

THÉORÈME 2. — Soit𝑐un cardinal infini. Alors :

a) La relation «𝑥est un ensemble artinien de type𝑐(resp. de type strict𝑐) » est collectivi-sante par rapport à𝑥; l’ensemble𝐴_𝑐des ensembles artiniens de type𝑐a pour cardinal 2^𝑐.

b) Si𝑐est fortement inaccessible, l’ensemble𝑈_𝑐des ensembles artiniens de type strict𝑐est un univers de cardinal𝑐; le cardinal𝑐(𝑈_𝑐) =sup_𝑥∈𝑈

𝑐card(𝑥)est𝑐.

c) Si un univers𝑈admet un élément de cardinal𝑐, tout ensemble artinien de type𝑐 appar-tient à𝑈(autrement dit𝐴_𝑐⊂ 𝑈).

c^′) Si un univers𝑈est non vide, tout ensemble artinien de type fini est élément de𝑈. Avant de démontrer le th. 2, déduisons en quelques corollaires illuminants :

COROLLAIRE 1. — Si un univers𝑈est artinien, alorscard(𝑈)est fortement inaccessible, et 𝑈est l’ensemble des ensembles artiniens de type strictcard(𝑈).

En effet posons𝑐(𝑈) =sup_𝑥∈𝑈card(𝑥). C’est un cardinal fortement inaccessible (début

206

dun^∘5). Supposons le d’abord non dénombrable ; alors, pour tout cardinal infini𝑐 < 𝑐(𝑈), tout ensemble artinien de type𝑐est élément de𝑈par c) ; donc tout ensemble artinien de type strict𝑐(𝑈)est élément de𝑈par le lemme dun^∘5. Cette dernière assertion reste valable si𝑐(𝑈)est dénombrable parc^′). Inversement, d’après (U.I), tout ensemble de𝑈est de type strict𝑐(𝑈). Donc𝑈est l’univers𝑈𝑐(𝑈)de b), d’où𝑐(𝑈) =card(𝑈)par b).

Il résulte du cor. l qu’on univers artinien estdéterminéde façon unique par son cardi-nal (d’ailleurs fortement inaccessible). On a donc une « correspondance biunivoque » entre univers artiniens et cardinaux fortement inaccessibles. En particulier :

COROLLAIRE 2. — La relation d’inclusion𝑈 ⊂ 𝑈^′entre univers artiniens est une relation de bon ordre.

En effet la relation𝑐 ≤ 𝑐^′entre cardinaux est une relation de bon ordre (chap. III) et, avec les notations du b) du th. 2, les relations𝑐 ≤ 𝑐^′et𝑈_𝑐⊂ 𝑈_𝑐^′ sont équivalentes.

Notons que le th. 2, b) donne une seconde démonstration du th. 1 (n^∘5).

Passons à la démonstration du th. 2. Étant donné un ensemble𝐴, nous appelleronschaîne de𝐴toute suite finie(𝑥_𝑗)_{𝑗=0,…,𝑛}telle que𝑥₀ = 𝐴et que𝑥_𝑗+1 ∈ 𝑥_𝑗 pour𝑗 = 0, … , 𝑛 − 1. Les chaînes de𝐴forment unensemble, d’après le schéma de sélection-réunion ; notons le 207

𝐺(𝐴). Étant donnée une chaîne𝑋 = (𝑥𝑗)𝑗=0,…,𝑛, les chaînes de la forme(𝑥𝑖)𝑖=0,…,𝑞 avec 𝑞 ≤ 𝑛seront dites plus petites que𝑋; on obtient ainsi, sur𝐺(𝐴), une structure d’ensemble ordonné. Pour que 𝐴soit artinien, il faut et il suffit que𝐺(𝐴)soit un ensemble ordonné

«noethérien» (c.à.d. satisfaisant aux conditions équivalentes du chap. III, § 6,n^∘5).

Nous allons montrer que :

(*)Si𝐴est artinien, il est déterminé de façon unique par la classe d’isomorphisme de l’ensemble ordonné𝐺(𝐴).

En effet, étant donnés un ensemble ordonné𝐺et un élément𝑔 ∈ 𝐺, nous noterons𝑆(𝑔) l’ensemble des𝑔^′ ∈ 𝐺tels que𝑔 < 𝑔^′et que𝑔 ≤ ℎ ≤ 𝑔^′impliqueℎ = 𝑔 ouℎ = 𝑔^′ (autrement dit l’ensemble des « successeurs immédiats » de𝑔). Considérons l’application𝜃 qui, à toute chaîne𝑋 = (𝑥₀, … , 𝑥_𝑛)de𝐺(𝐴)fait correspondre l’ensemble𝑥_𝑛; on a alors, pour tout𝑋 ∈ 𝐺(𝐴):

𝜃(𝑋) = {𝜃(𝑋^′)|𝑋^′∈ 𝑆(𝑋)}.

Comme 𝐴est l’image par𝜃du plus petit élément 𝑋₀ = (𝐴)de 𝐺(𝐴), il va nous suffire de montrer que𝜃est uniquement déterminée par la classe d’isomorphisme de l’ensemble ordonné𝐺(𝐴). Or ceci résulte du lemme suivant :

LEMME 1. — Soient𝐺un ensemble ordonné noethérien et𝜑une application de𝐺telle que, 208

pour tout𝑔 ∈ 𝐺, on ait :

(1) 𝜑(𝑔) = {𝜑(𝑔^′)|𝑔^′∈ 𝑆(𝑔)}.

Alors 𝜑est déterminée de façon unique. De plus, si𝑈est un univers contenant un élément équipotent à𝐺,𝜑prend ses valeurs dans𝑈.

L’hypothèse implique qu’on a𝜑(𝑔) = ∅si𝑔est un élément maximal de𝐺.

Soient, en effet,𝜑et𝜑^′deux applications telles que (1) soit vraie ; si𝜑 ≠ 𝜑^′, l’ensemble des𝑔 ∈ 𝐺tels que𝜑(𝑔) ≠ 𝜑^′(𝑔)est non-vide, donc admet un élémentmaximalℎcar𝐺est noethérien ; on a alors𝜑(𝑔) = 𝜑^′(𝑔)pour tout𝑔 > ℎ, en particulier pour tout « successeur » 𝑔 ∈ 𝑆(ℎ); d’où𝜑(ℎ) = 𝜑^′(ℎ)par (1), ce qui est une contradiction ; on a donc bien𝜑 = 𝜑^′. Soit maintenant𝑈un univers contenant un élément𝑥équipotent à𝐺; montrons que 𝜑prend ses valeurs dans𝑈; sinon soitℎun élément maximal parmi les𝑔 ∈ 𝐺tels que 𝜑(𝑔) ∉ 𝑈; on a𝜑(𝑔^′) ∈ 𝑈pour tout𝑔^′∈ 𝑆(𝑔)de sorte que

𝜑(ℎ) = {𝜑(𝑔^′)|𝑔^′∈ 𝑆(ℎ)}

est une partie de𝑈; or, comme son cardinal est inférieur àcard(𝐺)donc au cardinal d’un élément de𝑈, on a𝜑(ℎ) ∈ 𝑈(n^∘ 1, prop. 7) ; cette contradiction montre que𝜑prend ses valeurs dans𝑈.

Ceci étant, démontrons le a) du th. 2. On peut se borner à l’assertion non-respée, car 209

l’autre en découle aussitôt. Soit𝑐un cardinalinfini. Si𝐴est un ensemble de type𝑐on a :

(2) card(𝐺(𝐴)) ≤ 𝑐 .

En effet, si on note 𝐴_𝑛 l’ensemble des composants d’ordre𝑛 de𝐴, on acard(𝐴₁) ≤ 𝑐et card(𝐴_𝑛+1) ≤ 𝑐 ⋅card(𝐴_𝑛), d’oùcard(𝐴_𝑛) ≤ 𝑐^𝑛par récurrence ; or𝑐^𝑛 = 𝑐car𝑐est infini (chap. III) ; d’oùcard(⋃^∞_𝑛=0𝐴_𝑛) ≤ card(N) ⋅ 𝑐 = 𝑐(chap. III) ; or𝐺(𝐴)est un ensemble de suitesfiniesd’éléments de⋃_𝑛𝐴_𝑛, de sorte qu’on a bien l’inégalité (2) (chap. III). Ceci étant, si𝐸est un ensemble de cardinal𝑐, la donnée d’une structure d’ordre sur une partie𝐸^′de 𝐸équivaut à la donnée de la partie de𝐸 × 𝐸formée des(𝑥, 𝑦)tels que𝑥 ∈ 𝐸^′,𝑦 ∈ 𝐸^′ et𝑥 ≤ 𝑦. Donc, en vertu de (2), les classes d’isomorphisme des ensembles ordonnés𝐺(𝐴) (où𝐴est de type 𝑐) forment un ensemble𝔉_𝑐, et on acard(𝔉_𝑐) ≤ card(𝒫(𝐸 × 𝐸)) = 2^𝑐. Soit𝔉^′_𝑐la partie de𝔉_𝑐formée des classes d’ensembles ordonnés noethériens ayant un plus petit élément ; si, à tout𝐺 ∈𝔉_𝑐^′, on fait correspondre la valeur de la fonction𝜑du lemme 2 au plus petit élément de𝐺, on obtient une application𝜃de𝔉^′_𝑐dont l’image contienttous les ensembles artiniens de type𝑐. Ces derniers forment donc bien un ensemble𝐴_𝑐, et on a card(𝐴_𝑐) ≤card(𝔉_𝑐^′) ≤card(𝔉_𝑐) ≤ 2^𝑐.

Reste à voir qu’on acard(𝐴_𝑐) = 2^𝑐. Pour cela il suffit de voir qu’il existe un ensemble

210

artinien𝐵de type𝑐et de cardinal𝑐, car les parties de𝐵seront alors des éléments de𝐴_𝑐. Cette existence résulte du lemme suivant :

LEMME 2. — Pour tout cardinal𝑐, il existe un ensemble artinien𝐵de type𝑐et de cardinal𝑐. On procède par induction transfinie sur𝑐. Pour𝑐 = 0on n’a pas le choix, et on prend 𝐵 = ∅. Si𝑐à un prédécesseur𝑐^′, soit𝐵^′un ensemble artinien de type𝑐^′et de cardinal𝑐^′; on a alors𝑐 ≤ 2^𝑐′, de sorte qu’il existe une partie𝐵de𝒫(𝐵^′)de cardinal𝑐; les éléments de𝐵sont des parties de𝐵^′et ont donc des cardinaux≤ 𝑐^′ ≤ 𝑐; les composants d’ordre supérieur de𝐵sont des composants de𝐵^′, et ont donc aussi des cardinaux≤ 𝑐^′≤ 𝑐. Enfin, si𝑐n’a pas de prédécesseur, on choisit, pour tout cardinal𝑐𝜆< 𝑐, un ensemble artinien𝐵𝜆

de type𝑐𝜆et de cardinal𝑐𝜆; alors𝐵 = ⋃_𝜆𝐵𝜆répond à la question. Ceci démontre le lemme 2, et achève la démonstration de la partie a).

Passons à b). Soit𝑐un cardinal fortement inaccessible. On sait déjà, par a), que les en-sembles artiniens de type strict𝑐forment un ensemble𝑈𝑐. Le fait que𝑈𝑐est un univers ré-sulte aussitôt des propriétés (AR.I) à (AR.IV) des ensembles artiniens (début dun^∘), et de

ma-211

jorations de cardinaux analogues à celles de la prop. 10 dun^∘5. La relationsup_𝑥∈𝑈

𝑐card(𝑥) = 𝑐résultedu lemme 2, appliqué aux cardinaux< 𝑐. Enfin, pour montrer quecard(𝑈_𝑐) = 𝑐, supposons d’abord𝑐non dénombrable; d’aprèsle lemme dun^∘5,𝑈𝑐est la réunion⋃_𝑑<𝑐𝐴𝑑, où𝐴_𝑑désigne l’ensemble des ensembles artiniens de type 𝑑; or on acard(𝐴_𝑑) = 2^𝑑 < 𝑐 (par a)) ; d’autre part l’ensemble des cardinaux𝑑 < 𝑐a un cardinal≤ 𝑐(chap. III) ; d’où card(𝑈_𝑐) ≤ 𝑐 ⋅ 𝑐 = 𝑐, et aussicard(𝑈_𝑐) ≥ 𝑐carcard(𝑈_𝑐) ≥card(𝐴_𝑑) = 2^𝑑pour tout𝑑 < 𝑐.

Le cas𝑐 = 0étant trivial, reste le cas où𝑐est lecardinal infini dénombrable.Dans ce cas𝑈_𝑐 est l’ensemble des ensembles artiniens de type fini (i.e. finis ainsi que tout leurs composants), et on utilise un joli résultat de nature combinatoire.

LEMME 3. — (D. König ?). Considérons deux suites infinies(𝐸_𝑛)_𝑛≥1,(𝑓_𝑛)_𝑛≥1d’ensembles finis 𝐸_𝑛 et d’applications𝑓_𝑛 ∶ 𝐸_𝑛+1 → 𝐸_𝑛. S’il n’existe aucune suite infinie(𝑥_𝑛)_𝑛≥1 telle que 𝑥_𝑛∈ 𝐸_𝑛et que𝑓_𝑛(𝑥_𝑛+1) = 𝑥_𝑛pour tout𝑛, alors𝐸_𝑛est vide pour𝑛assez grand.

Autrement dit, si toutes les suites(𝑥_𝑛)telles que𝑓_𝑛(𝑥_𝑛+1) = 𝑥_𝑛sontfinies, leurs longueurs sont bornées. Ça peut s’exprimer en termes de limites projectives : une limite projective d’ensembles finis non vides est non vide (cf. Top. Géné., Chap. I, 2e éd. § 9,n^∘6, prop. 8,2^∘)).

Raisonnons, en effet, par l’absurde. S’il existe des 𝐸_𝑛 non vides pour 𝑛 arbitraire- 212

ment grand, aucun 𝐸_𝑛 n’est vide (car 𝐸_𝑛 = ∅ entraîne 𝐸_𝑛+1 = ∅ vu l’existence de 𝑓𝑛 ∶ 𝐸𝑛+1 → 𝐸𝑛). Appelons « cohérentes » les suites finies (𝑥𝑗)1≤𝑗≤𝑛 telles que 𝑓𝑗(𝑥𝑗+1) = 𝑥𝑗 pour𝑗 = 1, … , 𝑛 − 1. Démontrons, par récurrence sur𝑛, l’existence d’une suite cohérente(𝑎1, … , 𝑎𝑛) (𝑎𝑖∈ 𝐸𝑖)qui, pour tout𝑞 ≥ 𝑛, peut être prolongée en une suite cohérente(𝑎1, … , 𝑎𝑛, 𝑥𝑛+1, … , 𝑥𝑞)de longueur𝑞. C’est évident pour𝑛 = 0, car aucun𝐸𝑞

n’est vide. Passons de 𝑛à𝑛 + 1. Si, pour tout𝑥 ∈ 𝑓𝑛⁻¹({𝑎𝑛}) ⊂ 𝐸𝑛+1, toutes des suites cohérentes prolongeant(𝑎1, … , 𝑎𝑛, 𝑥) avaient des longueurs bornées par un entier 𝑞(𝑥), alors toutes les suites cohérentes prolongeant (𝑎1, … , 𝑎𝑛) seraient de longueurs bornées (parsup_𝑥𝑞(𝑥)) car𝐸_𝑛+1est fini ; il existe donc𝑎_𝑛+1∈ 𝑓_𝑛⁻¹({𝑎_𝑛})tel que la suite cohérente (𝑎1, … , 𝑎𝑛, 𝑎𝑛+1) admette des prolongements de longueur arbitraire. Ceci étant on a une suite infinie(𝑎_𝑛)_𝑛≥1qui contredit l’hypothèse.

Il résulte du lemme 3 que si𝐴est un ensemble artinien de type fini, alors l’ensemble ordonné𝐺(𝐴)de ses chaînes estfini: on prend, en effet, pour𝐸_𝑛l’ensemble des chaînes (𝑥_𝑛∈ 𝑥_𝑛−1∈ ⋯ ∈ 𝑥₁∈ 𝐴)à𝑛+1termes (qui est fini car les composants de𝐴d’ordre≤ 𝑛+1 sont en nombre fini et sont tout finis), et pour𝑓_𝑛l’application(𝑥_𝑛+1 ∈ 𝑥_𝑛 ∈ 𝑥_𝑛+1… ) ↦ (𝑥_𝑛∈ 𝑥_𝑛−1∈ … ). Or l’ensemble des classes d’isomorphisme d’ensembles ordonnés finis est 213

dénombrable: en effet, la donnée d’une structure d’ordre sur une partie finie deNéquivaut à celle de son graphe, qui est une partie finie deN×N; d’autre part l’ensemble des parties finies d’un ensemble dénombrable est dénombrable (chap. III). Il résulte de (*) et du lemme 1, que l’ensemble𝔞 des ensembles artiniens de type fini est dénombrable. Il est infini par le lemme 2 (ou, plus simplement, par usage de la suite(𝑧𝑛)𝑛≥0définie au moyen de𝑧=∅, 𝑧𝑛+1= {𝑧𝑛}). Ceci termine la démonstration de b).

Remarque. — On vient de démontrer que, si𝐴est un ensemble artinien de type fini, il n’a qu’un nombre fini de composants. Il existe donc un entier𝑛tel que𝐴soit de type𝑛.

Passons à la démonstration de c). Soient𝑐un cardinal infini,𝑈un univers admettant un élément de cardinal𝑐, et𝐴un ensemble artinien de type𝑐. Alors l’ensemble ordonné𝐺(𝐴)a un cardinal≤ 𝑐(formule (2) ci-dessus). La seconde assertion du lemme 1, appliquée à𝐺(𝐴), montre que l’application(𝑥0, … , 𝑥𝑛) ⇝ 𝑥𝑛de𝐺(𝐴)prend ses valeurs dans𝑈. Autrement dit tout les composants de𝐴sont éléments de𝑈. Ceci démontre c). La démonstration dec^′) est analogue : si𝐴est un ensemble artinien de type fini, on vient de voir que𝐺(𝐴)est fini ; comme𝑈est non-vide, il contient un élément équipotent à𝐺(𝐴)par le cor. à la prop. 7 (n^∘

1). C.Q.F.D.