Démonstration - Théorème de Cantor

« Cet article présente le théorème de Cantor ainsi que sa démonstration."

Définition

Soit $E$​ un ensemble, il n’existe pas d’application bijective entre $E$​ et $2^E$​.

Cela implique qu’aucun ensemble n’est équipotent à son ensemble de parties. Mais pas seulement. Pour en savoir plus, la page wikipédia sur le théorème de Cantor est très complète (paragraphe : “Conséquences du théorème”).

Démonstration

Afin de démontrer ce théorème, raisonnons par l’absurde :

Soit $f : E \rightarrow 2^E$ une application bijective.

Posons $X := \{e \in E : e \notin f(e) \}$.

$X$​​​​​ est une partie de $E$​​ (= élément de $2^E$​​) définie comme l’ensemble des éléments de $E$​​ qui n’appartiennent pas à leur image par $f$​​​.

Pour comprendre pourquoi nous prenons ce $X$, prenons un exemple : Pour $E = \{a,b,c\}$​​​​, et $f(a) = \{a,b\}$​​​​ et $f(b) = \{\}$​, $f(c)=\{a\}, $​​ $X =\{b,c\}$​, $X$ est bien une partie de $E$, pourtant elle n’a pas d’antécédent par $f$​​​. Voir Argument diagonale de Cantor

$\exists y \in E$​​​​ tel que $f(y) = X$​​​​​​.

Une application $f$ de $E$ dans $2^E$ est dite surjective si pour tout élément $y$ de $2^E$, il existe au moins un élément $e$ de $E$ tel que $f(e) = y$. Formellement, nous avons : $\forall y \in 2^E \ \exists e \in E ; f(e)=y$. Etant un élément de $2^E$, $X$ doit admettre un antécédent $y$ par $f$ car $f$ est surjective.

Nous avons 2 cas :

  • Si $y \in X$, alors, par définition de $X$, $y \notin f(y)$. Donc $y \notin X$, ce qui est contradictoire.
  • Si $y \notin X$, alors par définition de $X$, $y \in \bar{X}^E$. Ainsi $y \in f(y)$, donc $y \in X$, ce qui est encore une fois contradictoire.

$X$, bien que élément de $2^E$ n’a pas d’antécédent par $f$. $f$​ n’est donc pas surjective, ni bijective. D’où le théorème de Cantor.

Complément

Le théorème de Cantor peut également être décliné de la façon suivante : Pour tout ensemble $E$, $|E|\textless |2^E|$. Cela se démontre naturellement par la non existance de la sujectivité (démontrée ci-dessus) et l’existance de l’application injective $f(x)=\{x\}$​​​​​.

Par exemple, pour $E = \{a,b\}$​​, $2^E = \{\{\},\{a\},\{b\},\{a,b\}\}$​​​, $a$​​ est associé à $\{a\}$​​ et $b$​​ à $\{b\}$​​.

Sources :