Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Real analysisUnreviewed

R n’est pas deˊnombrable.\mathbb{R} \text{ n'est pas dénombrable.}

by beignet62·
44
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  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
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

This problem was submitted to “An infinity of objects”.

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Montrer qu’il n’existe pas de bijection entre [0,1[[0,1[ et N\mathbb{N}.

Conclure quant à l’existence d’une bijection de R\mathbb{R} dans N\mathbb{N}.

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Solution by beignet62

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On va utiliser l’argument de la diagonale de Cantor.

Supposons par l’absurde qu’il existe une énumération (un)n∈N∗(u_n)_{n\in\mathbb{N}^*} de [0,1[[0,1[.

Pour tout n∈N∗n\in\mathbb{N}^*, on note (un,i)i∈N∗(u_{n,i})_{i\in\mathbb{N}^*} la suite des chiffres décimaux de unu_n, de sorte que

un=0,un,1un,2un,3…u_n=0,u_{n,1}u_{n,2}u_{n,3}\ldots

On définit l’application φ\varphi de ⟦0,9⟧\llbracket 0,9\rrbracket dans ⟦0,9⟧\llbracket 0,9\rrbracket par

φ(i)={i+1si i<5,i−1sinon.\varphi(i)= \begin{cases} i+1 & \text{si } i<5,\\ i-1 & \text{sinon}. \end{cases}

Ainsi, φ\varphi ne possède aucun point fixe.

On considère alors le réel

x=0,x1x2x3…x=0,x_1x_2x_3\ldots

où, pour tout n∈N∗n\in\mathbb{N}^*,

xn=φ(un,n).x_n=\varphi(u_{n,n}).

Par définition de φ\varphi, on a

∀n∈N∗,xn≠un,n.\forall n\in\mathbb{N}^*,\qquad x_n\neq u_{n,n}.

Ainsi, pour tout n∈N∗n\in\mathbb{N}^*, les développements décimaux de xx et de unu_n diffèrent au moins par leur nn-ième chiffre. Par conséquent,

∀n∈N∗,x≠un.\forall n\in\mathbb{N}^*,\qquad x\neq u_n.

On a donc x∈[0,1[x\in[0,1[, mais

x∉{un∣n∈N∗},x\notin\{u_n\mid n\in\mathbb{N}^*\},

ce qui contredit le fait que (un)n∈N∗(u_n)_{n\in\mathbb{N}^*} est une énumération de [0,1[[0,1[.

Ainsi, [0,1[[0,1[ n’est pas dénombrable.

Comme [0,1[⊂R[0,1[\subset\mathbb{R}, on en déduit que R\mathbb{R} n’est pas dénombrable. Il n’existe donc aucune bijection de R\mathbb{R} dans N\mathbb{N}.

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