Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Set theory

Les groupes additifs Rn\mathbb R^{n} et Rm\mathbb R^{m} sont isomorphes

by Ron Swanson·
47
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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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Français

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Montrer que les groupes additifs (Rn,+)(\mathbb R^{n},+) et (Rm,+)(\mathbb R^{m},+) sont isomorphes pour tous les entiers m,n≥1m,n\ge1.

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Solution by Ron Swanson

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Il suffit de montrer que (R,+)(\mathbb R,+) et (Rm,+)(\mathbb R^{m},+) sont isomorphes pour tout m≥1m\ge 1.

Considérons R\mathbb R comme un espace vectoriel sur Q\mathbb Q et prenons B⊂RB\subset\mathbb R une base. Notons que BB est forcément indénombrable et existe par un théorème dont la preuve repose sur l’axiome du choix.

Remarquons alors que
B′={(b,0,…,0)∈Rm∣b∈B}∪{(0,b,0,…,0)∈Rm∣b∈B}∪⋯∪{(0,…,0,b)∈Rm∣b∈B}B'=\{(b,0,\ldots,0)\in\mathbb R^{m}\mid b\in B\}\cup\{(0,b,0,\ldots,0)\in\mathbb R^{m}\mid b\in B\}\cup\cdots\cup\{(0,\ldots,0,b)\in\mathbb R^{m}\mid b\in B\}est une base de Rm\mathbb R^{m} en tant que Q\mathbb Q-espace vectoriel. En effet, l’indépendance linéaire suit de celle de BB et B′B' génère RmR^{m}.

Or, ∣B′∣=∣B×{1,…,m}∣=∣B∣|B'|=|B\times\{1,\ldots,m\}|=|B| car ∣B∣|B| est infini. Il existe donc une bijection g:B→B′g:B\to B'. Soit alors f:R→Rmf:\mathbb R\to\mathbb R^{m} définie par f(0)=0f(0)=0 et f(q1b1+⋯+qkbk)=q1g(b1)+⋯+qkg(bk)f(q_{1}b_{1}+\cdots+q_{k}b_{k})=q_{1}g(b_{1})+\cdots+q_{k}g(b_{k}) pour tout ensemble fini {b1,…,bk}⊂B\{b_{1},\ldots,b_{k}\}\subset B et q1,…,qk∈Q∖{0}q_{1},\ldots,q_{k}\in\mathbb Q\setminus\{0\}. Il est aisé de vérifier que ff est une bijection et que f(x+y)=f(x)+f(y)f(x+y)=f(x)+f(y) pour tous x,y∈Rx,y\in\mathbb R.

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