J.-C. L ABLANQUIE
Propriétés de consistance et forcing
Annales scientifiques de l’Université de Clermont-Ferrand 2, tome 68, série Mathéma- tiques, n
o18 (1979), p. 37-45
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PROPRIETES DE CONSISTANCE ET FORCING
J.-C. LABLANQUIE
Université de Clermont IIDe nombreux auteurs ont
déjà remarqué
lesanalogies
existant entre : méthode deHenkin, propriétés
deconsistance,
modèles booléens etforcing.
Dans cetesprit,
Barwise a démontré lethéorème de
compacité
en utilisant leforcing ;
Keisler[ 2 ]
a donné un traitementgénéral
duforcing qui
luipermet
de donner une nouvelle démonstration du théorème d’omission destypes
et deretrouver le
forcing
de Cohen.Ressayre [ 3 ]
a étudié les modèles booléens etsignalé
l’étroitrapport
les liant aux
propriétés
de consistance. Stern a obtenu parforcing
des théorèmesd’interpolation
pour deslangages
àplusieurs types d’objets ( [ 4] ]
et[ 5 ] )
et sa méthode est trèsproche,
elleaussi,
despropriétés
de consistance.Dans ce
papier,
nous nous proposons d’étudier lesrapports
existant entrepropriétés
deforcing ( [ 1] )
etpropriétés
de consistance[2 ] .
De manièreprécise,
nous montrerons que les pro-priétés
de consistance sont en fait despropriétés
deforcing particulières
et le théorème d’existence de modèle de Keisler[ 1 ] apparaît
alors comme un corollaire du théorème d’existence de modèlesgénériques.
Nous savons, d’autrepart, (cf. [ 1 ] )
que la notion depropriété
de consistancepermet
dedémontrer le
théorème
decomplétude
et divers théorèmesd’interpolation
et d’omission detypes
aussi biendans
Lw 1 w
que dans L. Deplus,
dansL,
ellepermet
de retrouver le théorème decompacité.
Le
forcing apparaît
donc comme unegénéralisation
de la méthoded’adjonction
de constantes de Henkin utilisable dans un trèsgrand
nombre de situations en théorie des modèles.1 - Préliminaires et
rappels.
Soit L un
langage
du 1er ordre avecégalité qui
se compose d’une infinité dénombrable de variablesvo’ vl,
..., desconnecteurs T, A , V ,
desquantificateurs
3 dusymbole d’égalité = ,
et d’un ensemble fini ou dénombrable desymboles
fonctionnels etprédicatifs (les
constantes sont considérées comme des
symboles
fonctionnels d’ariténulle).
Considérons maintenant un ensemble dénombrable C de constantes non dans L et soit K le
langage
obtenu àpartir
de L paradjonction
des constantes de C. Nous noterons lalogique
infinitaire associée à K en
permettant
lesconjonctions
etdisjonctions
dénombrables.Si est une formule de
K w 1 w ,
nous définirons l’ensemble des sous-formules de de la manière habituelle.Etant donnée une
formule I.(J
de laformule ç
-, est définie de la manière suivante :si I.(J
estatomique, ç
-, est la formule -II.(J;( -, ç)
- est laformule ç ;
( ç ^O)
--i -- est est la formule ia formule -ç ; - W ;- est la formule ç est la formule 3 x - ç ;
( 3
-n est la formule V x -~ ~p .Si M est une L-structure et si R est un
symbole
nonlogique
deL,
nous noteronsRM
l’inter-prétation
de R dans M. Les K-structures seront de la forme(M, ac) c
e c où M est une L-structure eta.
estl’interprétation
de la constante c. Nous dirons que(M, ac)c
E C est un modèlecanonique
pour K si et seulement si M = c E
C ).
Un
fragment
deK~ 1 west
un ensembleKA
de formules de Kw.tw
tel que :(1)
Toute formule de Kappartient
àKA ;
(2) KA
est clos v et lesconjonctions
etdisjonctions finies ; (3) KA
est clos pour lessous-formules ;
(4) Si ; (x) E KA
et si T est un terme, alors w( T) E: KA.
(5) Si I.(J
EKA, alors w
-- CKA.
Nous allons maintenant définir les notions de
propriété
deforcing, partie générique,
modèlegénérique.
Pour cefaire,
nous suivrons àquelques
détailsprès H.J.
Keisler[2 ].
La différenceprovient
essentiellement du fait que les connecteurs ~ , A et lequantificateur
V sont dessymboles primitifs.
Définition 1. Une
propriété
deforcing
pour K est untriplet
6’) =P, ~ ,
f > tel que :(i) P,
> est une structureordonnée ;
(ii)
f est une fonctionqui
à tout p EP,
associe un ensemblef(p)
d’énoncésatomiques
deK ; (iii)
Si p q, alorsf(p) C f(q) ;
(iv)
Si a et T sont des termes sans variables de K et si p E P :(a)
Si(
a =T) E f(p),
il existeq >
p tel que(
T =Q)
~.f(q) ;
(b)
Si(
a =r )
Ef(p)
et si ~p( a )
Ef(p),
alors il existeq >
p tel que ~p( T ) E f (q) ; (c)
Il existe e C C et q > p tels que(c
=Q ) É f(q).
Les éléments de P sont
appelés
les conditionsde P .
Définition 2.
Soient P
unepropriété
deforcing
pour K etKA
unfragment
deK w 1 w ,
nousdéfinissons
alors pour toutp E
P et tout énoncéKA
la relation p i- if)(p force ~P )
de lamanière suivante :
Si ~p est un énoncé
atomique,
p 1+ ~p si et seulement si ~P Ef(p) ; p tH--
-, ~p si et seulement si il n’existe pas de condition q p telle que; plt-
V si et seulement si il existe ’P E telque
p II- ~p ; p n- si et seulement si pour toutq ~
p et tout ~P il exister ~ q tel que r ;
P u- :3
x ~p(x)
si et seulement si il existe c E C tel que(c) ;
p It- V x w
(x)
si et seulement si pour toutq >
p et tout c EC,
il existe r > q tel quer t- w
(c).
Nous dirons que p force faiblement if) et nous noterons p if) si et seulement si p Lemme 1.1. Soient P une
propriété
deforcing
etKA
unfragment
deK w 1 w
alors :(i)
Si q et si p u- ~p, alors
q tt- if)(ii)
Nous ne pouvons avoir simultanémentet p y-- (iii)
Si p w alors p1 ~P
;(iv)
p W -¡ ~p si et seulement si p If-- ~, ~p ;(v)
p "2013* si et seulement si ;(vi)
p V x w(x)
si et seulement si p 1l-o--- V x ~P(x) ; (vii)
p si et seulement si pM2013*
w pour tout we 4l ; (viii)
p x«x)
si et seulement si p(c)
pour tout w E 4l .Définition 3. Soient P une
propriété
deforcing
etKA
unfragment
de unepartie
G de Pest
générique (pour KA)
si et seulement si :(i)
Soient p et q deuxconditions,
sip C
G etq S
p, alorsq C G ; (ii) si p
EG et q
EG,
alors il existe r E G tel que : p K r etq s
r ;(iii)
pour tout énoncé ~p deKA
il existe p E G tel que : p tt-- ~p ou p ll°°0-- -T ¡,p.Un ensemble
générique
Gengendre (M,ac) cEC
si et seulement si(M, ac) c
E C est un modèlecanonique
pour K et touténoncé if)
deKA qui
est forcé par un élément p de G est valide dansest un modèle générique pour une condition p C
P si et seulement siC est
engendré
par un ensemblegénérique
contenant p.Nous dirons
qu’une
L-structure M est un modèlegénérique
si et seulement si il existe uneassignation {a~ :
c CC }
dans M tel que e c soit un modèlegénérique
pour unecondition
de P.Théorème 1.2.
(Keisler [2 ]).
Si P est unepropriété
deforcing
et siKA
est unfragment
dénom-brable de alors pour tout p E
P,
il existe un modèlegénérique
pour p.KA KA 1’p
avons alors : i
Vi
ETp.
Il -
Propriétés
de consistance etForcing.
Dans ce
paragraphe
nous allons montrer que la notion depropriété
deconsistance, (Keisler [1 ] ),
n’est en faitqu’un
casparticulier
de la notion depropriété
deForcing
et nousmontrerons que le théorème d’existence de modèle
(Keisler [ 1 ] )
résulte directement du théorème d’existence de modèlegénérique.
La notion de
propriété
de consistance que nous allons donner est un peuplus générale
que celle de Keisler( 1].
Définition 1. Soit S un ensemble d’ensembles finis ou dénombrables d’énoncés de Nous dirons que S est une
propriété
de consistance si et seulementsi,
pour tout s t-S,
les conditions suivantes sont vérifiées :(C 1 ) -
Pour touténoncé ¡p
deKw 1w
s ou -,¡p ri
s ;(C2) -
Si -, ~ ~ s, alors il existe s’ E S tel que s ~ s’ et ~p-1 E::
s’ ;(C3) -
Si s, alors pour il existe S tel que ses’ ets’ ;
(C4) -
Si é s, alors il et s’ e S tels que s I s’ et ~p Cs’ ;
(Ce) -
Si V x w(x) s’,
alors pour tout c EC,
il existe s’ ~ S tel que s 1-(e) s’ ;
(C6) -
Si 3x ; (x) 1 s’,
alors il existe c O C et s’ E S tels que s I s’ et ~?(c) L s’ ;
(C7) -
Soient Q , T des termes sans variables deK,
alors :(a)
Si( 6
=T )
E s, il existe s’ E S tel que s = s’ et(
T =Q )
’-s’ ;
(b)
siG T)
s,si w
s et si w( Q )
estatomique,
il existe s’ C S tel ques = s’et
(c)
il existe e C et s’ E S tel que s C: s’ et(c
=a)
f - s’.Théorème 2.1. Soit S une
propriété
deconsistance ;
nousdésignons
par fl’application
de S dansdes ensembles d’énoncés
atomiques
de Kqui
à tout s E S associef(s)
l’ensemble des énoncésatomiques
de s. Alors :(i)
â -S, C , f >
est unepropriété
deforcing.
(ii)
Pour tout s t- S et toutw 6
s, nous avons : s .Preuve :
(i)
Trivial.(ii)
On raisonne par récurrence sur le rang de ~p notérg(cp),
où est un ordinal défini par :Si ç
estatomique 0, rg( 2013ç)=rg(ç)
+1 ;
= U +1 ;
Si = 0 et si e E s, alors s n- ~c car
f (s)
donc s .Supposons
le résultat vrai pour tout s E S et tout énoncé de rang inférieur ouégal
à ex etsoit
un énoncé de rang ex
+ l, appartenant
à s.Si w
est de la formeV ~ ;
soit s’ D s, V ~ Es’,
donc il existe s" 6S, s" ~
s’et
1b
é W tel quej £
s" ; alors s"’1°°°--’ l/
carrg( uj/)
a, donc
il existe s"’ ~ s", d’où
V’¥ . Par suite s v p .Si w est de la
forme !B ’¥ :
soient s’ ~ ss’,
donc il existe S" D s ets ;
mais alors carrg( V;) ~
ex; donc
il existe s"’ D s"tel que s"’
1- © .
Par suite s ~I-~1 ~ ;
; donc s 1r2 A ’¥ .Si
est de la forme 3x ~ (x),
la démonstration est semblable au cas où ~p est de la forme V ~ .est de la forme V
x y (x),
la démonstration est semblable au casoù ç
est de la formeSi ~
est de laforme 2013) ~ ;
alorsrg( $ )
s ex Ondistingue
alorsplusieurs
cas :ou
bien
estatomique,
alors si s’ ~ s,2013i~/~ s’,
donc~ ~ s’ et
donc s’1+/ $ ;
;donc s
u-- --, V;
d’où sou
bien
est de la forme-. e ,
alors si s’ ~ s, 2013i- 0 C s’ ,
donc il existe s" = s’tel que
( -~ 8 )
1 és", donc
0 Es",
parconséquent
s"iO 0
; doncT ---°l 0 i.c. (p . Par suite s
!)2013~
lfJ.ou
bien
est de la formeV 8 ;
supposons que s y alors s yV ~ ,
donc il existe s’ :=) s tel que s’ ik-- V 0 et parconséquent,
il existe() 0
E 0 tel que s’ 1-00
;mais
-, ( V 8) f s’,
donc il existe s" 7j s’ tel que(V8)
-, Es",
c’est-à-dire( A 0
Es" ;
parsuite,
il existe s"’ ~ s" telE s"’,
mais alors0 C O
s"’~I--~-~ ~, ~ o
soit encore s"’ it-- yeo
carrg( -,00)
s: a ; ; deplus
et s’donc
s"’ j- 6 0.
Contradiction. En conclusion s n- ’P, d’où
s .ou
bien 11
est de laforme A 0 ;
supposons que s It?’ ’P, alors 0 ,
donc il existes tel que s’ m-
~0 ;
; or-, ~ ~
Es’,
par suite il existe s" ~ s’ tel que(1B 0)
-B c s"ou
bien y
est de la et alors le raisonnement estidentique
à celui du casest de la forme
Ve .
ou
bien ~
est de la forme Vx 8 (x)
et le raisonnement estidentique
à celui du casoù ~
estde la forme A
0 .
Théorème d’existence de modèle 22.
(Keisler).
Si S est unepropriété
de consistance et si s CS,
alors s a un modèle.
Preuve : Soient s © S et S =
S, C,
f> lapropriété
deforcing
associée à S.Appelons KA
générique qui engendre (M, ac) c
E.De plus, si
donc s p- -1 et, par
conséquent (M, , d’oÙ (M,
est unmodèle de s.
La notion de
propriété
de consistancepermet
de démontrer le théorème decomplétude
pourw et divers théorèmes
d’interpolation
pour(Keisler [ 1] ).
On
peut également
l’utiliser pour démontrer lacomplétude
de L et donc le théorème decompacité.
Pour cefaire,
étant donné unsystème
d’axiomes pourL,
il suffit de vérifier que S est unepropriété
de consistance où S = { ~ : E ensemble consistant d’énoncés de K etdans S
n’occurrent
qu’un
nombre fini de constantes de CI.( E
est inconsistant si et seulement si il existe une formule ~p de K telle --1~p).
Les théorèmes
d’interpolation
deCraig
etLyndon
dans L se démontrent de la même manière que les théorèmesd’interpolation correspondant
de »III -
Propriété
de consistance associée à unepropriété
deforcing.
Nous avons vu dans le
paragraphe précédent
que l’onpouvait
associer unepropriété
deforcing
à toutepropriété
de consistance. Maintenant nous allons associer unepropriété
de consistance à toutepropriété
deforcing. Ensuite,
nous montrerons que si P est unepropriété
deforcing,
S lapropriété
de consistance associée à P et S lapropriété
deforcing
associée àS,
alors leforcing dans ~
est oessentiellement » le même que celuidans 9
et que, dans le casoù P
est leforcing
associé à une théorie T et à un ensemble 4l de
formules,
lespropriétés
deforcing
~’ et g on texactement les mêmes modèles
génériques.
Dans ce
qui suit, K~,~
est unfragment
dénombrable fixé deK.,.
Si r =
1),
f > est unepropriété
deforcing,
pour toutp ~ P,
nous noteronss
l’ensemble des énoncés de forcés par p et nous
appelerons S(P )
l’ensemble de tous les s ,pour p P.
Lemme 3.1.
S(P)
est unepropriété
de consistance.Preuve. La vérif icat ion est immédiate.
Maintenant, considérons une
propriété
deforcing 0’ , la propriété
de consistance associée :S( 5J )
et S lapropriété
deforcing
associée àS ( r ).
Théorème 3.2. Pour tout
énoncé ç
deK A,
nous avons :dans P si et seulement si
sp
dans g.Preuve. On raisoiltle par récurrence sur la construction
- est
atomique sp
si et seulement si VJ~ s ,
doncsp
si et seulement si p t)2013 ~p .
Si ~
est de la forme-a 11 . Supposons
que palors
sp
donc
s P "2013* 2013) ~ (Lhéorème 2.1) donc s
Il----1 ~ -
Réciproquement,
sisp alors,
supposons quep +#
existe doncq >
p, tel que maisalors $ -
-Sq
etSq t2013*~/ (théorème 2.1 ) ;
deplus sp
CSq
car p q ets P ~’-- -~ ~
doncs q -~ ~
ets q ~~-..~ ~
, contradiction. Par suite p 11- cp .-
Si ç
est de la forme V y et si p m V y alors ilexiste y E y
et p doncsp
parhypothèse
de récurrence etsp
H- V ~ i.e.sp
1..- ’P .Réciproquement,
si
sp
ilexiste ~
£ W tel quesp
et donc p parhypothèse
derécurrence,
d’où p II- V ~ . .est de la
forme 3
x~(x),
le raisonnement estanalogue.
- Si w
est de la forme l, ~ .Supposons
que p alorscp E sp et s p
(Théorème 2.1) donc s P
et par suites P
II-^y(Lemme l.l) i.e. s P
i- w .Réciproquement
sisp
, supposons que p I~ 1.{), alors
il existe q > p ett~ ~-
~tel que, pour tout r > q, r
,t+ BjJ ; donc
q n- TBjJ
et-, ~ ~- s .
Mais alorssq II- -1 ~ (Théorème 2.1)
et doncsq
If-2013) ~
En outresp
Csq
carp K
q etde
plus sp ~ ~ ,
donc il existe s ~S( P )
tel que s Dsq
et s n-~r
. Etant donné quesq ~, ~
et quesq
C s, s-m
cequi
contredit s Par suite p .-
Si 1.,0
est de la forme V x~(x)
le raisonnement estanalogue.
Considérons maintenant une théorie T dans le
fragment KA
et un ensemble 4l de formules deLA qui
contient toutes les formulesatomiques
etqui
est clos pour les sous-formules. Nous noterons~;
(T, 1» (cf. [ 2] )
lapropriété
deforcing ( P, ~ , f )
où P est l’ensemble desparties
finies de ~(C) qui
sont satisfaites par un modèle de T( ~ (C) désigne
l’ensemble des énoncés de la forme(CI,
...,en)
où n f W, ...,xn)
6 W etcl,
...,en
sont des éléments deC), ~
est la relation d’inclusion C et, pour toutp E P, f (p)
est l’ensemble des énoncésatomiques
de p.Nous allons montrer que si S est la
propriété
deforcing
associée àS(P (T,,D »
alors 8et u)
(T, ~ )
ont les mêmes modèlesgénériques.
Lemme 3.3. Soient p une condition
de fi" (T, ~’ ) ~ 1, ~02
w,cpn
des énoncésde ~ (C),
alors :
(i)
Si T U p p , on a : p ;(ii)
i pour touti,
1 ~ i ~ n, alors :‘~ 1~
..., est une conditionde 1" (T, ~ ).
La démonstration de ce résultat est
analogue
à celle du lemme 2.5 de[ 2 ].
Théorème 3.4. Les
propriétés
deforcing
P(T, 4l )
et S ont les mêmes modèlesgénériques.
S( ))Î p e
tel que :sp
il est
clair,
en utilisant le théorème3.2,
que G’ est unepartie générique pour ~ qui engendre (M, C ;
donc M est un modèlegénérique pour E.
Réciproquement,
soit M un modèlegénérique pour 9 ,
il existe uneassignation
c r--pa.
de constantes dans M telle que
(M, ac)
C ( " C soitengendré
par unepartie générique
11 pour .Considérons une énumération sans
répétitions : ç1, ç2 ,
..., ... de tous les énoncés deKA.
Par
récurrence,
nous allons construire pour tout entier n, 1 ~ n des conditionsPn
de~~~ (T, ~~ )
satisfaisant à :Pour
pl
prenons une conditionp fl
P telle quesp
E H et vérifiant :sp
ousp
u- -~1 (ceci
estpossible
car H estgénérique pour ~ ). Supposons Pn construit,
alors si~ l-
pli
nous avonsPn (Lemme 3.3),
donc(Théorème 3.2)
mais H étant
générique,
il existe s H tel que s et s deplus Pn
estfini,
parconséquent,
H étantgénérique,
onpeut
trouver s’ c. H tel ques LI
s’ et s’ll-ç
pour tout~ ~ P n et
vérifiant :s’M2013 ~~
+ ~ ou s’ ’--B ~ n + 1 . Prenons
alors pourPn + 1
une condition p telle que s’ =sp.
LesPn
ainsi construits vérifient(i), (ii), (iii)
et(iv),
mais deplus
il estfacile de voir que
si - p 1
U ... Ilpn ,
alorsspn
+1 ~~--- cp
. Posons alorsqn - P i U
... 1...1pl1 (1
n - w), d’après
cequi précède : spn+1 ’- w
pour tout w Cqn
donc :
pn + 1 n-- ~p
pour tout wqn (Théorème 3.2) ;
parconséquent qn
estune condition de P
(T, ¿p ) (Lemme 3.3),
doncqn
aussi. Soit :Il reste à vérifier que
Q
est unepartie générique pour l (T, O) qui engendre (M, ac)c
(C. Il
estclair que
Q
satisfait aux conditions(i)
et(ii)
de la définition de lapartie générique
carqn
d est un énoncé deKA,
alors il existe un entier n, n >1,
tel doncsp n
~c ous Pn
1- -, r.p, disons
parexemple s Pn
II- cP, alors pn
i- ~p(théorème 3.2),
et parconséquent qn
carpn
~=qn.
AinsiQ
estgénérique pour ’" (T, ~ ).
De
plus, Q engendre (M, ac)cEC
car, par construction desPn
etqn ,
pour touténonce ç
deKA ,
1si
spnll-
ç alorsqn
ll- ç . Donc M est bien un modèlegénérique pour u’ (T, 9? ).
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