Appartenance (mathématiques)

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Ne pas confondre avec la relation d'inclusion

En mathématiques, l’appartenance est une relation non symétrique entre ensembles, ou plus généralement entre objets et classes. On écrit[Note 1] pour signifier que l'objet appartient à la classe .

En théorie des ensembles usuelle : l'axiome d'extensionnalité précise que chaque ensemble est caractérisé par les éléments qui lui appartiennent ; l'axiome de fondation énonce que la relation d'appartenance est bien fondée, ce qui interdit notamment qu'un ensemble puisse être élément de lui-même (antiréflexivité)[Note 2] ; l'appartenance n'est pas transitive[Note 3], contrairement à la relation d'inclusion.

Notation et terminologie[modifier | modifier le code]

Première utilisation de ϵ par Giuseppe Peano.

Le symbole a été introduit par Giuseppe Peano en 1889 dans Arithmetices principia, nova methodo exposita (en) (page X) :

« Signum ϵ significat est. Ita a ϵ b legitur a est quoddam b; ... »

Il s'agit d'un epsilon, première lettre de la troisième personne du singulier ἐστί du verbe « être » en grec ancien. Sa graphie correspond à celle répandue en Europe continentale à l'époque de Peano. Cependant Peano utilisera aussi le symbole ε[1].

La relation se lisait ainsi à l'origine «  est un  »[1]. Cette formulation subsiste aujourd'hui dans une certaine mesure, par exemple lorsque l'on traduit par «  est un entier naturel »[Note 4].

Dans le cas général se lit de nos jours «  appartient à  », «  est un élément de  », ou «  est dans  ».

La relation réciproque , moins utilisée, se lit «  contient  », «  comprend  », ou «  possède  ». Le terme contient présente le désavantage d'être ambigu, pouvant également désigner l'inclusion. Utiliser possède, comme le recommande Gérard Debreu en soulignant que possède est le symétrique naturel de appartient[2], élude ce problème. D'autres auteurs, tels que Paul Halmos[3] ou George Boolos[4], recommandent plutôt d'utiliser systématiquement «  contient  » pour traduire , et «  inclut  » pour .

En LaTex : s'écrit en utilisant la commande « \in », signifiant dans en anglais ; s'écrit en utilisant l'une des commandes équivalentes « \ni » et « \owns », respectivement un « \in » inversé et possède en anglais.

Dans le langage de programmation Haskell qui admet une définition de listes en compréhension, l'appartenance se note <-.

Approche naïve[modifier | modifier le code]

La définition historique donnée par Cantor en 1895[5] était la suivante :

« Un ensemble est une collection M d'objets issus de notre intuition ou de notre pensée (que nous appellerons éléments de M), considérée comme un tout. »

Cette définition un peu floue permet déjà de présenter une version intuitive de la théorie des ensembles. Voir les articles Ensemble et Théorie naïve des ensembles.

Par exemple, si M = {1,2,3}, 1, 2 et 3 sont les éléments de M.

On prendra garde à ne pas confondre « élément » et « sous-ensemble » ; dans l'exemple qui précède, {1,2} et {3}, parmi d'autres, sont des sous-ensembles de M mais n'en sont pas des éléments[Note 5].

Approche formelle[modifier | modifier le code]

Les exposés contemporains de la théorie des ensembles la décrivent comme une théorie égalitaire du premier ordre comportant outre l'égalité = un seul prédicat binaire, l'appartenance [6]. Dans cette approche, la phrase « x est élément de M » n'est que la verbalisation de la formule . Le formalisme le plus généralement admis est celui de Zermelo-Fraenkel.

Felix Hausdorff relève que cette approche ne constitue pas une définition à partir d'un concept antérieur, mais est un point de départ pour la formalisation d'une grande partie des mathématiques :

« on pourra objecter qu'on a défini idem per idem voire obscurum per obscurius. Il faut considérer qu'il n'y a pas là une définition mais un procédé d'exposition, une référence à un concept primitif familier à tous […][Note 6]. »

Éléments d'ensembles, éléments de classes[modifier | modifier le code]

Dans l'expression

la lettre M désigne souvent un ensemble. C'est notamment ce que suppose la présentation formelle donnée plus haut.

Une théorie trop naïve des ensembles conduisant à des paradoxes fameux, il est parfois utile de considérer une relation d'appartenance d'un élément x à un objet M qui n'est pas un ensemble mais une classe. C'est par exemple le cas en théorie des catégories ; dans ce contexte on appelle toutefois x un « objet » plutôt qu'un « élément ».

Dans le formalisme des classes de la théorie la plus couramment utilisée, la théorie des ensembles de Zermelo-Fraenkel, les classes s'identifient à des prédicats unaires du langage. Dire que x est élément de la classe M correspondant au prédicat P, c'est simplement une autre façon de dire : « P(x) ».[pas clair]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Beaucoup plus rarement, le symbole ε.
  2. D'autres théories des ensembles requièrent au contraire l'axiome d'anti-fondation pour obtenir des hyperensembles (en) qui échappent à cette restriction.
  3. Mais peut l'être évidemment sur une sous-classe d'ensembles, comme il en est sur la classe particulière, mais souvent considérée, des nombres ordinaux.
  4. Qui est plutôt une affirmation du type de , à savoir celui des entiers naturels, que l'on noterait formellement aujourd'hui .
  5. Du moins si on sait prouver que {1,2} ≠ 1, {1,2} ≠ 2, {1,2} ≠ 3,{3} ≠ 1, {3} ≠ 2 et {3} ≠ 3.
  6. Comme le fait remarquer dans son exposé de la théorie des ensembles ((en) Felix Hausdorff, Set theory, AMS Chelsea Publishing, 1957 (rééd. 2000) (1937 pour l'édition allemande) (ISBN 0821838350), page 11.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b G. Peano, Formulaire de mathématiques, Tome II, Logique mathématique (1897) Notations pour les classes
  2. Debreu, Gérard., Theory of value : an axiomatic analysis of economic equilibrium., Yale Univ. Press (ISBN 9780300015584, OCLC 632217029, lire en ligne)
  3. (en) Paul Halmos, « How to Write Mathematics », L'Enseignement Mathématique, Vol.16,‎ , p. 144 (lire en ligne)
  4. George Boolos (4 février 1992). 24.243 Classical Set Theory (lecture). (Speech). Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA.
  5. (de) Georg Cantor, Beiträge zur Begründung der transfiniten Mengenlehre, Leipzig, Teubner, 1894-1895, page 481 [Lire en ligne sur Gallica (page consultée le 14 avril 2009)].
  6. Voir René Cori et Daniel Lascar, Logique mathématique II. Fonctions récursives, théorème de Gödel, théorie des ensembles, théorie des modèles [détail des éditions], chapitre 7, p. 113-114 notamment.