Dénombrabilité des nombres rationnels
Bien qu'il soit dense, ce qui signifie qu'entre deux nombres rationnels distincts il y en a un autre, l'ensemble de tous les nombres rationnels [latex]\mathbb{Q}[/latex] est infini dénombrable. Cela signifie que tous les nombres rationnels peuvent être mis en correspondance biunivoque avec les nombres naturels [latex]\mathbb{N} = \{1, 2, 3, …\}[/latex]. Ce résultat surprenant démontre que [latex]\mathbb{Q}[/latex] a la même cardinalité que [latex]\mathbb{N}[/latex] et [latex]\mathbb{Z}[/latex].
La preuve de Georg Cantor sur la dénombrabilité des nombres rationnels a marqué un tournant dans le développement de la théorie des ensembles et dans notre compréhension de l'infini. Cette preuve est constructive et élégante. Une méthode courante consiste à disposer tous les nombres rationnels positifs [latex]p/q[/latex] dans une grille bidimensionnelle où l'indice de ligne est [latex]p[/latex] et l'indice de colonne est [latex]q[/latex]. On peut ensuite parcourir cette grille en diagonale, en commençant par [latex]1/1[/latex], puis [latex]2/1, 1/2[/latex], puis [latex]3/1, 2/2, 1/3[/latex], et ainsi de suite. Ce chemin, connu sous le nom d'argument diagonal de Cantor (bien que ce terme soit plus connu pour sa preuve de l'infinité des nombres réels), répertorie systématiquement tous les nombres rationnels positifs.
Pendant le parcours, toute fraction qui n'est pas réduite à sa plus simple expression (comme [latex]2/2[/latex] ou [latex]2/4[/latex]) est ignorée afin de garantir que chaque nombre rationnel n'est compté qu'une seule fois. Ce processus permet de créer une liste ordonnée de tous les nombres rationnels positifs. Pour inclure tous les nombres rationnels, on peut entrelacer la liste positive avec sa contrepartie négative et placer zéro au début : [latex]0, 1, -1, 1/2, -1/2, 2, -2, …[/latex]. Cela construit explicitement une bijection entre l'ensemble des nombres naturels et l'ensemble des nombres rationnels, prouvant que [latex]\mathbb{Q}[/latex] est dénombrable.
Ce résultat est contre-intuitif, car les nombres rationnels sont denses. Entre deux nombres rationnels quelconques, on peut toujours en trouver un autre (par exemple, leur moyenne), ce qui suggère qu'ils sont “ plus nombreux ” que les nombres entiers, qui présentent des écarts évidents. La preuve de Cantor a montré que cette intuition est trompeuse et que la “ taille ” d'un ensemble infini (sa cardinalité) est plus subtile. Il a ensuite prouvé que l'ensemble des nombres réels est non dénombrable, établissant ainsi une hiérarchie des infinis.
UNESCO Nomenclature: 1101
– Algèbre, théorie des nombres et théorie des groupes
Perturbation
Incrémentale
Usage
Conceptuelle/théorique
Précurseurs
- concept de correspondance biunivoque (bijection)
- travaux antérieurs sur les ensembles infinis par Bolzano
- développement d'une analyse mathématique rigoureuse
- le concept d'un ensemble
Applications
- fondements de la théorie des ensembles
- théorie du calcul en informatique (par exemple, démontrer que l'ensemble de tous les programmes informatiques possibles est dénombrable)
- théorie de la mesure, où les ensembles dénombrables ont une mesure nulle
- distinguer les ensembles infinis de tailles différentes (par exemple, les rationnels et les réels)
Idées d'innovations potentielles
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En rapport avec : dénombrabilité, théorie des ensembles, Georg Cantor, ensemble infini, cardinalité, bijection, nombres naturels, ensemble dense, argument diagonal, aleph-null.