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Topos Uranos

Résumé

Cette leçon définit les entiers naturels au moyen des cinq axiomes de Peano : un ensemble N\mathbb{N} muni d’un élément 11 et d’une fonction successeur SS de N\mathbb{N} dans N\mathbb{N}, injective et qui n’atteint pas 11, dans lequel toute partie qui contient 11 et le successeur de chacun de ses éléments est l’ensemble tout entier. Elle donne un nom aux successeurs successifs de 11, déduit du cinquième axiome le principe de récurrence pour les propriétés et l’applique, d’abord, à une propriété du successeur, puis à des problèmes de difficulté croissante : la somme des premiers entiers naturels, une inégalité qui ne se démontre qu’après avoir été renforcée, l’inégalité de Bernoulli, le pavage d’un damier par des pièces en L et la commutativité de l’addition.

Objectifs d’apprentissage

  1. Énoncer les axiomes de Peano et indiquer quelle propriété des entiers naturels chacun d’eux garantit.
  2. Écrire les premiers entiers naturels comme successeurs itérés de 11 et passer de la notation symbolique à la notation usuelle.
  3. Appliquer le principe de récurrence dans une démonstration simple.

Les axiomes de Peano pour les entiers naturels

Les entiers naturels, aussi appelés entiers strictement positifs, sont ceux dont nous nous servons pour compter et pour mesurer. Ils apparaissent de la façon la plus naturelle dans l’opération de compter, la plus simple de l’arithmétique. On les définit au moyen des axiomes de Peano : on admet qu’il existe un ensemble, que l’on note N\mathbb{N} et dont les éléments s’appellent entiers naturels, muni d’un élément distingué, 11, et d’une fonction SS, appelée successeur, qui associe à chaque entier naturel nn un autre entier naturel S(n)S(n), et que les cinq axiomes suivants sont vérifiés. Les notions d’ensemble, de fonction et de fonction injective qui y interviennent sont définies dans la leçon sur les ensembles, les relations et les fonctions.

  1. 11 est un entier naturel : 1∈N1 \in \mathbb{N}.
  2. SS est une fonction de N\mathbb{N} dans N\mathbb{N} : si nn est un entier naturel, son successeur S(n)S(n) en est un aussi.
  3. 11 n’est le successeur d’aucun entier naturel : S(n)≠1S(n) \neq 1 pour tout nn de N\mathbb{N}.
  4. SS est injective : si S(n)=S(m)S(n) = S(m), alors n=mn = m.
  5. Si un ensemble AA d’entiers naturels contient 11 et, pour tout kk de AA, contient aussi S(k)S(k), alors AA est l’ensemble de tous les entiers naturels : A=NA = \mathbb{N}.

En étudiant les axiomes de Peano, nous remarquons que le symbole 11 n’est qu’une représentation qui désigne un entier naturel déterminé : celui qui possède ces propriétés. De même que 11 représente le premier entier naturel, nous utilisons des symboles qui nous sont familiers pour représenter ses successeurs :

2=S(1),3=S(2),4=S(3),…2 = S(1), \quad 3 = S(2), \quad 4 = S(3), \quad \ldots

Ainsi, les symboles 2,3,4,…2, 3, 4, \ldots sont des entités abstraites qui représentent les successeurs successifs de 11. La collection formée par 11 et par tous ceux-ci est l’ensemble des entiers naturels :

N={1,2,3,4,…}\mathbb{N} = \{1, 2, 3, 4, \ldots\}

On dit aussi que les entiers naturels se rangent en une suite, la suite des entiers naturels :

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,…1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, \ldots