1.4. Structures des systèmes mathématiques

Les structures, désignées dans chaque interprétation par les symboles de structure formant un langage donné, forment un système décrit en reliant les objets des différents types, donnant leurs rôles aux objets de chaque type en rapport avec ceux d'autres types. Suivant les détails, les rôles ainsi donnés aux objets de certains types peuvent être compris comme ceux d'objets complexes, bien que tout cela puisse fonctionner avec de simples objets comme des urelements.

Structures du premier ordre

Les sortes de structures (et donc aussi les sortes de symboles de structure) autorisées dans les théories du premier ordre, ainsi appelées structures du premier ordre, se divisent en opérateurs et prédicats comme décrit plus bas. Des structures plus puissantes nommées structures du second ordre seront introduites en 5.1, venant d'outils ensemblistes ou comme paquets d'un type supplémentaire avec des structures du premier ordre.
Un opérateur est une opération entre des types interprétés. Au niveau de la théorie avant interprétation, chaque symbole d'opérateur vient avec son type de symbole formé de Dans une théorie avec un seul type, cette donnée est réduite à l'arité.
Les symboles de constantes d'une théorie sont ses symboles d'opérateur nullaires (sans argument).
Les opérateurs unaires (qui sont des fonctions) seront appelés ici des foncteurs (*).

La liste des types est complété par le type booléen, interprété comme la paire d'éléments (l'ensemble de deux éléments) qu'on notera 1 pour «vrai» et 0 pour «faux». Une variable de ce type (hors de la théorie) est appelée une variable booléenne.

Un para-opérateur est un opérateur au sens généralisé autorisant le type Booléen parmi ses types d'arguments et de résultats.
Un connecteur est un para-opérateur dont tous les arguments et les valeurs sont booléens.
Un prédicat est un para-opérateur à valeurs booléennes avec au moins un argument mais aucun argument booléen.

Structures de la théorie des ensembles

Formaliser la théorie des ensembles, c'est la décrire comme une théorie avec ses notions, ses structures et ses axiomes. Nous le ferons dans un cadre logique dédié, distinct mais convertible en logique du premier ordre par une procédure décrite en 2.1.
Ceci relie les terminologies de la théorie des ensembles et de la théorie du modèle, de manière différente de lorsqu'une théorie est interprétée en théorie des ensembles. Pour garder les noms naturels des notions ensemblistes (ensembles, fonctions ...) lorsqu'on les définit par cette formalisation, il deviendrait incorrect de les utiliser encore au sens du lien précédent (où les notions étaient des "ensembles" et les opérateurs étaient des "opérations"). Pour éviter toute confusion, utilisons ici uniquement les notions de théorie des modèles comme notre cadre conceptuel, ignorant leurs interprétations ensemblistes. Les manières de rassembler ces deux liens, et de réconcilier les deux conceptions des mêmes théories (descriptions par la théorie des modèles et interprétations ensemblistes), seront décrites en 1.7 et 1.D.

Admettons 3 notions primitives : éléments (tous les objets), ensembles et fonctions. Voici leurs principales structures primitives.
Un aspect du rôle des ensembles, est donné par le prédicat binaire ∈ d'appartenance : pour tout élément x et tout ensemble E, on dit que x est dans E (ou x appartient à E, ou x est élément de E, ou E contient x), et on note xE, pour signifier que x est une valeur possible des variables de domaine E.
Les fonctions f jouent leur rôle par deux opérateurs : le foncteur Dom (donnant leurs domaines) et l'évaluateur de fonctions, opérateur binaire implicite dans la notation f(x), d'arguments f et x, et donnant la valeur de toute fonction f en tout élément x de Dom f.

D'autres symboles primitifs seront présentés en 1.7 et 1.8, puis la plupart des autres symboles primitifs et axiomes seront introduit en 1.A, 2.1, 2.2 et 2.7.

A propos de la théorie axiomatique des ensembles ZFC

La théorie des ensembles de Zermelo-Fraenkel (ZF, ou ZFC avec axiome du choix) est une théorie générique avec un seul type «ensemble», le symbole de structure ∈, et des axiomes. Il suppose implicitement que tout objet est un ensemble, et donc un ensemble d'ensembles indéfiniment, construits sur l'ensemble vide.
Comme théorie des ensembles assez simplement exprimable mais très puissante pour un cycle fondateur élargi, elle peut en effet être un bon choix pour les spécialistes de logique mathématique pour prouver commodément divers théorèmes fondationnels difficiles, tels que la non-démontrabilité de certains énoncés, tout en leur donnant une portée sans doute parmi les meilleures concevables.
Mais malgré l’habitude des auteurs de cours de mathématiques de base de concevoir leur présentation de la théorie des ensembles comme une version vulgarisée ou implicite de ZF(C), ce n’est en fait pas une référence idéale pour un démarrage des mathématiques pour débutants:

Formalisation des types et structures comme objets de la théorie du modèle

Pour formaliser la théorie du modèle en utilisant le préfixe méta-, les méta-notions de "types" et de "structures" reçoivent leurs rôles par des méta-structures comme suit.

La théorie du modèle supposant une modèle fixe, il lui suffit d’un méta-type de "types" pour jouer les deux rôles de types abstraits (dans la théorie) et de types interprétés (composants du modèle), respectivement donnés par deux méta-foncteurs: l'un des variables vers les types, et l'autre des objets vers les types. En effet, la notion plus générale d'«ensemble d'objets» n'est pas utilisée et peut être ignorée.

Mais la méta-notion de structure devra rester distincte du langage, car d'autres structures que celles nommées dans le langage seront employées (1.5). Les structures recevront leurs rôles d'opérations, par des méta-structures similaires à l'évaluateur de fonctions (voir 3.1-3.2 pour une approche), tandis que le langage (ensembles des symboles de structure) y sera interprété par un méta-foncteur des symboles de structure vers les structures.
Or, cette seule formalisation laisserait indéterminée l'étendue de cette notion de structure. Essayer de concevoir cette étendue comme celle de «toutes les opérations entre les types interprétés» laisserait inconnue la source de connaissance d'une telle totalité. Cette idée de totalité sera formalisée en théorie des ensembles par l'ensemble des parties (2.5), mais sa signification dépendra encore de l'univers où il est interprété, loin de notre préoccupation actuelle pour la théorie du modèle.

Théorie des ensembles et fondements des mathématiques
1. Premiers fondements des mathématiques
1.1. Introduction aux fondements des mathématiques
1.2. Variables, ensembles, fonctions et opérations
1.3. Forme des théories: notions, objets, méta-objets
1.4. Structures des systèmes mathématiques
1.5. Expressions et structures définissables
1.6. Connecteurs
1.7. Classes en théorie des ensembles
1.8. Symboles liants
1.9. Axiomes et preuves
1.10. Quantificateurs
1.11. Quantificateurs du 2e ordre
Aspects philosophiques
1.A. Temps en théorie des modèles
1.B. Indéfinissabilité de la vérité
1.C. Théorèmes d'incomplétude
1.D. Le cadre ensembliste unifié
2. Théorie des ensembles - 3. Algèbre
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EN : 1. First foundations of mathematics : 1.4. Structures of mathematical systems