A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION B
G EORGES B ODIOU
Sur les treillis booléens métriques et le conditionnement général des probabilités
Annales de l’I. H. P., section B, tome 6, n
o1 (1970), p. 15-26
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Sur les treillis booléens métriques
et le conditionnement général des probabilités
Georges
BODIOU(Professeur à la Faculté des Sciences de Marseille).
Ann. Inst. Henri Poincaré, VOL. VI, N° 1, 1970, P. 15-26.
SECTION B 1
Calcul des probabilités et Statistique.
SOMMAIRE. - Nous démontrons que l’ensemble des treillis booléens
métriques,
c’est-à-direcapables
d’uneprobabilité
strictementpositive,
est
identique
à l’ensemble des sous-treillis booléens du treillis des multi-plicités
linéaires fermées del’espace
deHilbert,
noté(m.
1.f.), qui
ont mêmecomplémentation
que ce treillis(m. 1. f.).
Nous démontrons aussi que toute
probabilité
sur un treillis booléenmétrique, immergé
dans(m. 1. f.),
est la trace d’une loidéterminée,
à la manièrequantique,
sur(m.
1.f.),
par l’un de ses atomes.SUMMARY. - We demonstrate that the set of boolean metric lattices i. e.
capable
ofstrictly positive probability,
is the same than the set ofboolean sub-lattices of the lattice of closed linear manifolds in the Hilbert space, noted
(m. l. f.),
that have the samecomplementation
than this lattice(m.l.f.).
We also demonstrate that any
probability
on such boolean metriclattice, immerged
into(m.
1.f.),
is the trace of aquantic probability
deter-mined
by
an atom.ÉNONCES
DE DIVERSES PROPOSITIONSET COMMENTAIRES
Une
03C3-algèbre
de Boole estmétrique
s’il existe sur elle uneprobabilité
telle que :
P(x)
=0 ==> x = 0.ANN. INST. POINCARÉ, B-Vt-t 2
16 GEORGES BODIOU
Un treillis booléen
métrique
est une telle03C3-algèbre
ordonnée par :(groupe
I desréférences,
enparticulier [1-2], problème 85).
Le
support classique
desprobabilités (E, A),
est une03C3-algèbre, A,
departies
d’un ensemble E. Mais les énoncésprobabilistes
intéressants étant« à un ensemble de
probabilité
nulleprès
»,l’algèbre significative
n’estpas
A,
maisl’algèbre
des classesd’équivalence A/P, qui
est métri-que
[1-4] [1-5].
D’autre
part,
onpeut
se proposer[1-2 (XII, 8)] [11-3]
de décrire laproba-
bilité comme une extension de la vérité bivalente
classique
sur unelogique algébrique, qui
est,classiquement,
une03C3-algèbre
deBoole ; mais,
toute(7-algèbre
de Boole n’étant pasisomorphe
à unea-algèbre
departies
d’unensemble,
cette dernièreparaît inadéquate
àsupporter
une telle extension.Enfin le formalisme
physique fondamental,
le formalismequantique, considère, simultanément,
des treillisspectraux, qui
sontbooléens,
maisimmergés
dans un même treillis demultiplicités
linéaires fermées d’un espace deHilbert,
le treillis(m.
1.f.),
etqui dépendent stochastiquement
lesuns des autres de
façon
nonclassique.
Plusgénéralement,
cettephysique
fondamentale considère des ensembles d’attributs simultanément obser-
vables, qui
sont des sous-treillis booléens de ce treillis(m.
1.f.).
Ce sont ces faits
qui
donnent de l’intérêt au résultat suivant :Tout treillis booléen
métrique
estortho-isomorphe à un
sous-treillis boo- léen du treillis(m. 1. f.) ;
et,réciproquement,
tout sous-trei.llis booléen de(m. 1. f.)
estmétrique.
Une
ortho-isomorphie [11-2]
invarie les troisopérations
fondamentales :conjonction A, disjonction V, négation
r. Sur un treillisorthocomplé- menté,
tel(m.
1.f.),
il suffitqu’elle
invarie A etr ;
mais il ne suffirait pas,sur un tel
treillis, qu’elle
invarie A etV,
car lanégation
r nepeut s’y
définiren termes de A et de V. ..
PROPOSITION A. - Tout treillis booléen
métrique
estortho-isomorphe
à un sous-treillis de
(m.
1.f.).
Nous le montrons pour le treillis
métrique
des classesd’équivalence, A/P,
d’une
(7-algèbre
departies
d’un ensembleE,
module uneprobabilité P ;
mais toute
(7-algèbre
de Boolemétrique
estisomorphe
à unealgèbre
declasses
[1-7].
PROPOSITION B. - Tout sous-treillis booléen de
(m.
1.f.)
estmétrique.
Nous déterminons un atome de
(m. 1. f.)
tel que la loi deprobabilité
quantique
dont il est la base soit strictementpositive
sur le sous-treillis17 LES TREILLIS BOOLÉENS MÉTRIQUES
considéré. Il est bien entendu que la
complémentation
sur le sous-treillisest celle de
(m.
1.f.).
PROPOSITION C. - I In’ existe pas de treillis booléen tel que l’ ensemble de ses
sous-treillis,
de mêmecomplémentation
que soitidentique à
l’ ensem-ble des treillis booléens
métriques.
Un treillis
englobant ainsi,
avec invariance de lacomplémentation,
tous les treillis booléens
qui
sontmétriques,
et euxseuls,
doit donc être de structureplus
faible que la structure booléenne.Si l’on conserve, dans la structure
affaiblie,
lespropriétés
de A et deV,
et
l’anti-isomorphisme
dualr,
l’affaiblissement doitporter
sur la distri- butivité booléenne :On
pourrait
penser à restreindre cette distributivité au casparticulier
où :~ ~
b ;
onimpose
ainsi la modularité :Mais le calcul
quantique
despropositions
n’est pas modulaire[11-7]
[11-~].
Une restrictionplus
forte consiste à limiter la relation modulaireau cas où x = ra. On
impose
ainsi l’axiome de semi-modularité :Cet axiome
équivalant
à celuid’orthocomplémentation relative,
enposant,
dans le cascomplément
relatif de a dans b = r~ A b.La semi-modularité est nécessaire pour que le treillis soit
isomorphe
à celui des m. 1. f. d’un espace hermitien sur un corps non nécessairement commutatif
[11-2] [11-~].
D’où le
problème :
lapropriété englobante exprimée
par lesproposi-
tions A et B caractérise-t-elle le treillis des m. 1. f. de
l’espace
de Hilbert ?Cette
propriété,
de formebeaucoup
moins élémentaire que la semi-modu-larité,
mais designification beaucoup plus
claire dans le cadre d’unproba-
bilisme
général
de laphysique,
fonderait alors le calculquantique
desprobabilités.
PROPOSITION D. - Toute loi de
probabilité, P’,
sur B =A/P,
B étantortho-isomorphe à
un sous-treillis de(m.
1.f.),
est la trace, surB,
d’une loiquantique
d’état pur,P"(
18 GEORGES BODIOU
On
peut
remarquer que la loiP’,
donnée surB,
B étantimmergé
dans(m. l. f.), peut
être définie comme la trace sur B d’un «mélange
» de loissur
(m.
1.f.).
Laproposition
D montrequ’il
existe une loi d’état « pur »qui
a même trace que ce «mélange
» surB,
alors que l’on sait que, sur(m.
1.f.) total,
un «mélange
» est irréductible à un état « pur ».La
possibilité
de décrire toute loi sur un treillis booléenmétrique
commetrace d’une loi
quantique
d’état pur, atome de(m. l. f.), suggère
une forma-lisation de la «
catégorie d’épreuves
» par cet « état pur », réalisant ainsi le conditionnement universel des lois deprobabilités (1-7]. Que
ce condi-tionnement universel soit restreint aux lois sur des treillis booléens « métri- ques »
peut s’interpréter
comme excluant tout treillis booléen de propo- sitionsexpérimentales
telqu’il
n’existerait pas de «catégorie d’épreuves
»,ou «
protocole d’expériences
», pourlesquels
aucune de sespropositions
soit « presque
impossible
», c’est-à-direinadéquate
à la réalité.PROPOSITION E. - Tout treillis booléen
métrique est capable
d’une loibivalente.
Nous le montrons en
supposant
ce treillisimmergé
dans(m. 1. f.).
II est immédiat de montrer que, si un treillis booléen est
isomorphe
àune
algèbre
departies
d’unensemble,
il estcapable
d’une loi bivalente :les propositions
« vraies »correspondant
auxparties qui
contiennent unélément déterminé et les
propositions
« fausses »correspondant
auxparties qui
ne contiennent pas cet élément. Mais tout treillis booléen n’est pasisomorphe
à unealgèbre
departies
et,cependant,
il est naturel depréserver
la
possibilité
d’unelogique
bivalenteclassique.
Laproposition
E montreque la restriction aux sous-treillis booléens de
(m.
1.f.),
avec invariance de lanégation, préserve
cettepossibilité.
PROPOSITION A. - Tout treillis booléen
métrique est ortho-isomorphe
à un sous-treillis de
(m. 1. f.).
Dire que B est un sous-treillis booléen de
(m.
1.f.)
c’est dire que B estun sous-ensemble d’éléments de
(m.
1.f.),
fermé pour lesopérations
fonda-mentales de
(m. 1. f.) : A, V, r,
etdistributif,
ou, cequi
revient aumême,
tel que ladisjonction
de deux éléments: a 039B b =0, implique
leur ortho-gonalité
dans(m. 1. f.): a
rb.On donne un ensemble
E,
unetribu,
oua-algèbre
A departies
deE,
et une
probabilité
P sur A.Ce
triplet (E, A, P)
étantdonné,
on considèrel’espace
deHilbert,
19 LES TREILLIS BOOLÉENS MÉTRIQUES
H(E, A, P),
des fonctions surE,
à valeurscomplexes,
et de module carrésommable pour P :
Soit a un élément de
A ;
soitI(a)
la fonctioncaractéristique de a ;
consi-dérons
l’application
de H dans Hqui applique
toutef(e)
de H sur :I(a) .f(e);
cette
application
est uneprojection,
car elle est : définiepartout
surH, linéaire, hermitienne, identique
à son carré.Soit
m(a)
la m. 1. f. surlaquelle
se fait cetteprojection. m(a)
définit uneapplication
des éléments de A dans l’ensemble des éléments de(m.
1.f.).
Montrons d’abord que
m(a)
est uneinjection
des classesd’équivalence
de
A,
relativement àP,
dans l’ensemble des éléments de(m.
1.f.) ;
ou encoreque
m(a)
est uneinjection
del’algèbre métrique : A/P
=B,
dans l’ensembledes éléments de
(m.
1.f.) ;
c’est-à-dire que :En effet:
=
m(a’)
=>projecteur
surm(a)
=proiecteur
surNotons
k(a)
la classe de a dansA/P
= B. Montrons quel’injection m(a)
définit une
ortho-isomorphie
deA/P
sur un sous-treillis de(m. l. f.) ;
onnotera :
D’abord :
car :
Ensuite :
~
na’)
= A20 GEORGES BODIOU
car :
mais :
impliquent :
donc :
Réciproquement :
On déduit de ces deux résultats:
car :
Naturellement,
on déduit aussi dupremier
résultat :PRoPosiTioN B. - Tout sous-treillis booléen de
(m,
l,f.)
est ortho-iso-morphe
à un treillis booléenmétrique.
Soit
s(b)
lasphère-unité
de la m, l, f, b :s(b),
intersection de. b et des(H), sphère
unité del’espace
de HilbertH,
est fermée pour la
topologie
faible de H.L’intersection d’un ensemble fini de telles
sphères
est lasphère-unité
de la m. 1. f. intersection des leurs :
Soit B un sous-treillis booléen de
(m.
1.f.),
de mêmecomplémentation
que
(m.
1.f.),
et soit S l’ensemble dessphères-unités
des éléments de B.Soit F la famille des
parties
de S dont l’intersection de leurs éléments n’est pas vide :LES TREILLIS BOOLÉEhS MÉTRIQUES 21
il est clair que :
Soit F’ la sous-famille des éléments S’ de F
qui
ne sont inclus dans aucun autre élément de F :sinon
(Si
uS’2) appartiendrait
à F etSi
etS’2,
inclus dans(Si
uS’2), n’appar-
tiendraient pas à F’.
On en déduit que :
implique
quechaque
vecteur de estorthogonal
à tout vec-teur
s(b));
en effet: soits’’~S’2;
il existe au moins un sous-ensemble
fini, s’,
d’éléments deSi
dont l’intersection avec s" estvide;
sionon,
les(~
n~’),
pour s’parcourant
auraient leurs intersections unies nonvides ;
or, ce sont des fermés des(H)
pour latopologie
faible etl’on sait que
s(H)
estcompacte
pour cettetopologie ;
on aurait donc :ce
qui
est exclu par :S~
eF’ ;
il existe donc au moins un.s~(~)
dansS~
et un ensemble fini d’éléments s’ dans
S~
tels que :on en conclut que les
multiplicités ( / B ~ )’ t= i ~
sont des éléments
de
B,
etqui
sontdisjointes,
sontorthogonales, puisque,
sur le treillis boo-léen
B, disjonction équivaut
àcomplémentarité,
et que cettecomplémen-
tarité est celle de
(m.
1.f.),
c’est-à-direl’orthogonalité; mais, alors,
toutvecteur de inclus dans
( /B ~) est bien orthogonal
à tout
.eS, 1
~
,=1 1
vecteur inclus dans ~.
seS2
22 GEORGES BODIOU
Dans
chaque
élément S’ de F’ prenons un vecteur unitaire03C8(S’);
l’ensem-ble de ces vecteurs,
quand
S’parcourt
F’ est doncorthonormal ; qu’il
soit total ou non dans
H,
il existe un vecteurunitaire ~ qui
n’est ortho-gonal
à aucun des~(S’) ;
d’autrepart,
chacun des éléments b de B contientun des
~(S’) ; soit, alors, P( / yl)
la loi deprobabilité quantique
déterminéesur
(m.
1.f.) par gl ; gl
n’étantorthogonal
à aucun des éléments deB,
n’e-st nui, sur
B,
quepour b
=0 ;
donc B est bien un treillis booléenmétrique.
L’ensemble des
propositions
A et Bpeut
être énoncé :PROPOSITION AB. - L’ ensemble des treillis booléens
métriques
estidentique
à l’ ensemble des sous-treillis booléens de
(m.
1.f.) qui
ont même orthocom-plémentation
que lui.PROPOSITION C. I n’existe pas de treillis booléen tel que l’ ensemble de ses
sous-treillis, de
mêmecomplémentation
que soit l’ ensem- ble des treillis booléensmétriques.
Pour que l’ensemble de ses sous-treillis soit un ensemble de treillis boo- léens
métriques,
il faut et il suffit que lui-même soitmétrique.
Il reste à examiner si un treillis booléen
métrique quelconque
donnépeut
êtreortho-isomorphe
à l’un de ces sous-treillis. Les deuxpropositions
suivantes montrent que cela est
impossible.
a)
Tout treillis booléenmétrique A, ortho-isomorphe
à un sous-treillis d’un treillis booléenmétrique
«atomique
»,B,
estatomique :
Cette
ortho-isomorphie, /,
de A dansB,
satisfait à :et donc :
confondons a et
f(a).
Pour tout a e A et un atome x deB,
on a : a, Cx. Onpeut
doncpartitionner
A en deux sous-ensembles : celui des élémentsqui majorent
x et celui des élémentsqui
minorent Cx. Lepremier, T,
de ces ensembles est fermé pour 039B-dénombrable. Montrons que, B étantmétrique,
T a unplus petit
élément : m. Soit p la borne infé-rieure,
surT,
d’uneprobabilité P,
strictementpositive
sur B.Ou bien il existe ~ï ~
0,
dansT,
tel queP(m)
= p, ou bien il existe unesuite : mi, ..., ..., dans
T,
telle que converge vers p ; posons :23 LES TREILLIS BOOLÉENS MÉTRIQUES
m est dans
T,
etP(m)
= p. II est dairqu’il
nepeut exister,
dansT,
de mino-rant strict de m,
puisque
la valeur de P sur lui serait strictement inférieure à p. Tout minorant de m, dansA,
ou bien estégal
à m, ou bien minore Cx.Soit y
un minorant de m et deCx,
on a :or
(/~ 2014 y) E A;
cette doubleinégalité implique qu’il appartient
àT,
etqu’il
minore m, donc :(~ï 2014 y)
= m ; par suite : y = 0. Les seuls minorants de m, dansA,
étant 0 et m, il s’ensuit que m est un atome de A.Si donc il existe un treillis booléen
métrique
«englobant
universel »de tous les treillis de cette
catégorie, parmi lesquels
il s’en trouve sans atome,ce treillis universel doit être sans atome. Il est donc
isomorphe
au treillis Ldes classes
d’équivalence
desparties
mesurables dusegment (0, 1)
pour la mesure deLebesgue [1-7] [1-2].
b)
Nous allons montrerqu’il
existe des treillis de classed’équivalence qu’il
estimpossible d’immerger,
avec invariance de lacomplémentation,
dans le treillis L des classes des
parties
mesurables de(0, 1)
pour la mesure deLebesgue :
Soit,
sur(0, 1),
laprobabilité
dont la f. r.possède
un seul saut, d’abscisse x, etqui
est uniforme sur(0, x)
et)x, 1) ;
soit L’ son treillis de classes. Soit aune
partie
de(0, 1) ; k(a)
sa classe dans L etk’(a)
sa classe dans L’.Posons :
d’où:
chaque
classe de L sedécompose
ainsi en deux classes de L’.Supposons qu’il
existe uneinjection, ~
de L’ dansL,
invariant la com-plémentation.
Soient : =k(b),
et : =k(c) ;
mais :où C’ est la
complémentation
dansL’ ;
donc :k(c)
=C"k(b),
où C" est lacomplémentation
dansL ;
donc :k(c)
=k(Cb),
c’est-à-dire :Par ailleurs :
24 GEORGES BODIOU
qui
estincompatible
avec A~M
=0,
sauf sif(k’(a))
=0,
cequi
n’est vérifié que pour
k’(a)
= 0.L’ensemble des résultats
a)
etb) impliquent
laproposition
C.PROPOSITION D. - Toute loi de
probabilité, P’,
sur: B =A/P,
B étantun sous-treillis de
(m. 1. f.),
trace, surB,
d’une loiquantique
d’état pur,P"(
Montrons d’abord que toute loi P’ sur
A,
absolument continue parrapport
àP,
a pour trace, surB,
la trace d’une loiquantique
d’état pur ; cela estvrai,
enparticulier,
de P elle-même :où est la densité de P’ par rapport à P.
Soit f(e)
telle que :on aura :
où
m(a)
est la m. 1.f.-image
de la classek(a) d’équivalence
de a dans l’immer-sion de
A/P
dans(m.l.f.);
donc :qui
est laprobabilité quantique
dem(a) quand
la loi sur te(m.
1.f.) porte
par
l’espace L~
desf(e)
est déterminée par l’un de ces vecteurs/(~),
norme.Soit, maintenant,
une loi P’ donnée surB ;
définissons surA,
par :la
probabilité
de a pourPi
étant celle de sa classek(a),
dansA/P,
pourP’. Il est immédiat que
?i
est bien uneprobabilité
sur A :Or,
cettePi
est absolument continue parrapport
à P :on
peut
doncappliquer
le résultat démontréd’abord,
d’où laproposition
D.PRoPosiTioN E. - Tout treillis booléen
métrique
estcapable
d’une loibivalente.
25 LES TREILLIS BOOLÉENS MÉTRIQUES
Soit B un tel
treillis, immergé
parortho-isomorphie
dans(m. l. f.).
Pourtout soit
S(a)
la boule unité de a :S(a)
estfermé,
dansl’espace
H de Hilbertqui porte (m.
1.f.), pour
latopo-
logie
faible. SoitS(u)
la boule unité deH ; S(u)
estcompacte
pour latopo- logie
faible etS(a)
cS(u).
On a :
Montrons que,
si,
pour toutf,
on a :cela
implique :
En effet :
où le u est étendu aux 2" valeurs
de (~ B,=i S(x,) j, / quand chaque
xiprend, indépendamment
des autres, soit la valeur ai, soit la valeur Si Fun/ n B
de ces
S(xi))
étaitnul,
on en déduirait :d’où,
parorthoisomorphie :
où C est la
complémentation
dans(m.
1.f.) ;
on aurait :26 GEORGES BODIOU
est un des autres
(~S(Xi));
ils nepeuvent
doncêtre tous
nuls,
et l’on a bien :Pour tout posons :
F(a)
est un fermé dans la boulecompacte S(u) ;
l’ensemble de cesF(a) fermés,
pour a
parcourant B,
et a =/=0, possède
lapropriété
d’intersection finienon
vide,
donc :il existe
donc,
dansS(u),
des vecteurs communs à tous lesF(a),
c’est-à-direappartenant,
pour tout a deB,
soit à a, soit à Ca. La loiquantique
déter-minée,
surB,
par l’un de ces vecteurs est doncbivalente,
cequi
démontrela
proposition
E.RÉFÉRENCES
[I-1] HALMÖS, Measure theory, § 40 et 41.
[1-2] G. BIRKHOFF, Lattice theory, chap. X et XI.
[I-3] BOURBAKI, Livre V, chap. 5 et Livre II, chap. 9, § 6.
[I-4] NEVEU, Bases math. du calcul des probab., ex. 1.3.1-1.4.3-1.5.1.
[I-5] LOÈVE, Theory of Probability, p. 100, ex. 5.6.
[I-6] KOLMOGOROFF et FOMIN, Measure (chap. IV, § 20).
[I-7] CARATHEODORY, Measure and integration, p. 165 et note 1.
[I-8] A. RÉNYI, Sur les espaces simples de probabilités conditionnelles. Ann. Inst. H. Poin-
caré, I . 1, 1964.
[II-1] J. VON NEUMANN and G. BIRKHOFF, The logic of quantum mechanics. Ann. math., 37, 1936.
[II-2] M. D. MACLAREN, Notes on axioms for quantum mechanics. Argonne nat. labo., 1965.
[II-3] G. BODIOU, Théorie dialectique des probabilités. Gauthier-Villars, 1964.
[II-4] J. C. T. POOL, Semi-modularity and the logic of quantum mechanics. Argonne nat.
labo., 1968.
(Manuscrit reçu le 11 juin 1969)