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Entier

Les nombres entiers disposés sur une droite numérique Un entier est le nombre zéro ( 0 ), un nombre naturel positif (1, 2, 3, ...), ou la négation d'un nombre naturel positif ( ...

Les nombres entiers disposés sur une droite numérique

Un entier est le nombre zéro ( 0 ), un nombre naturel positif (1, 2, 3, ...), ou la négation d'un nombre naturel positif ( −1 , −2, −3, ...). Les négations ou inverses additifs des nombres naturels positifs sont appelés entiers négatifs . L' ensemble de tous les entiers est souvent noté en gras .

L'ensemble des nombres est un ensemble de , qui est à son tour un sous-ensemble de l'ensemble de tous les nombres rationnels , lui-même un sous-ensemble des nombres réels . ​​Comme l'ensemble des nombres naturels, l'ensemble des entiersL' ensemble des nombres entiers est dénombrable . Un entier peut être considéré comme un nombre réel qui peut s'écrire sans partie fractionnaire . Par exemple, 21, 4, 0 et −2048 sont des entiers, tandis que 9,75, 5 + 1/2 , 5/4 et la racine carrée de 2 n'en sont pas.

L'ensemble des entiers forme le plus petit groupe et le plus petit anneau contenant les nombres naturels . En théorie algébrique des nombres , on appelle parfois les entiers rationnels pour les distinguer des entiers algébriques , plus généraux . En fait, les entiers rationnels sont des entiers algébriques qui sont également des nombres rationnels .

Histoire

Le mot « entier » vient du latin « integer » , qui signifie « entier » ou (littéralement) « intact », composé de « in » (« non ») et « tangere » (« toucher »). « Entier » dérive de la même origine, via le mot français « entier » , qui signifie à la fois entier et entier . Historiquement, le terme était utilisé pour un nombre multiple de 1, ou pour la partie entière d'un nombre mixte . Seuls les entiers positifs étaient considérés, ce qui rendait le terme synonyme de nombres naturels . La définition d'entier s'est élargie au fil du temps pour inclure les nombres négatifs, à mesure que leur utilité était reconnue. Par exemple, Leonhard Euler, dans ses Éléments d'algèbre de 1765 , a défini les entiers comme incluant à la fois les nombres positifs et négatifs.

L'expression « ensemble des entiers » n'était pas utilisée avant la fin du XIXe siècle, lorsque Georg Cantor introduisit le concept d' ensembles infinis et la théorie des ensembles . L'emploi de la lettre Z pour désigner l'ensemble des entiers provient du mot allemand Zahlen (« nombres ») et a été attribué à David Hilbert . La première utilisation connue de cette notation dans un manuel d'algèbre se trouve dans l'ouvrage Algèbre du collectif Nicolas Bourbaki , datant de 1947 La notation ne fut pas adoptée immédiatement. Par exemple, un autre manuel utilisait la lettre J , et un article de 1960 employait Z pour désigner les entiers non négatifs . Mais dès 1961, Z était généralement utilisé par les manuels d'algèbre modernes pour désigner les entiers positifs et négatifs

Le symbole est souvent annoté pour désigner différents ensembles, avec des usages variables selon les auteurs , , ouZ>{ displaystyle mathbb {Z} ^ {>}}pour les entiers positifsoupour les entiers non négatifs,pour les entiers non nuls. Certains auteurs pour les entiers non nuls, tandis que d'autres l'utilisent pour les entiers non négatifs, ou pour {−1,1} (le groupe des unités de ). De plus,est utilisé pour désigner soit l'ensemble des entiers modulo dire l'ensemble des classes de congruence des entiers), soit l'ensemble des entiers -adiques .

les nombres naturels ,est stable par addition et multiplication , c'est-à dire que la somme et le produit de deux entiers quelconques sont des entiers. Cependant, en incluant les nombres naturels négatifs (et surtout , contrairement aux nombres naturels, est également fermé par soustraction .

L' anneau des entiers est l' anneau le plus élémentaire, au sens suivant : pour tout anneau, il existe un unique homomorphisme d'anneaux des entiers vers cet anneau. Cette propriété universelle , à savoir être un objet initial dans la catégorie des anneaux , caractérise l'anneau Cet unique homomorphisme est injectif si et seulement si la caractéristique de l'anneau est nulle. Il s'ensuit que tout anneau de caractéristique nulle contient un sous-anneau isomorphe , qui est son plus petit sous-anneau.

L'ensemble des nombres naturels n'est pas stable par division , car le quotient de deux entiers (par exemple, 1 divisé par 2) n'est pas nécessairement un entier. Bien que l'ensemble des nombres naturels soit stable par exponentiation , celui des entiers naturels ne l'est pas (puisque le résultat peut être une fraction lorsque l'exposant est négatif).

Le tableau suivant répertorie certaines des propriétés fondamentales de l'addition et de la multiplication pour tous entiers , et :

Les cinq premières propriétés énumérées ci-dessus pour ajout indiquent que , muni de l'addition, est un groupe abélien . C'est également un groupe cyclique , puisque tout entier non nul peut s'écrire comme une somme finie . En fait, muni de l'addition, est le seul groupe cyclique infini — au sens où tout groupe cyclique infini est isomorphe à .

Les quatre premières propriétés énumérées ci-dessus pour la multiplication indiquent que muni de la multiplication , est un monoïde commutatif . Cependant, tous les entiers n'ont pas d'inverse multiplicatif (comme c'est le cas du nombre 2), ce qui signifie sous la multiplication n'est pas un groupe.

Toutes les règles du tableau des propriétés ci-dessus (à l'exception de la dernière), prises ensemble, indiquent L' addition et la multiplication forment un anneau commutatif unitaire. Il est le prototype de tous les objets de cette structure algébrique . Seules les égalités d' expressions vraies dans cet anneau sont vraiesPour toutes les valeurs des variables, ce qui est vrai dans tout anneau commutatif unitaire. Certains entiers non nuls s'annulent dans certains anneaux.

L'absence de diviseurs de zéro dans les entiers (dernière propriété du tableau) signifie que l'anneau est un domaine intègre .

L'absence d'inverses multiplicatifs, ce qui équivaut au fait que n'est pas fermé par division, signifien'est pasun corps . Le plus petit corps contenant les entiers comme sous-anneau est le corps des nombres rationnels . Le processus de construction des rationnels à partir des entiers peut être reproduit pour former le corps des fractions de tout anneau intègre. Et inversement, à partir d'un corps de nombres algébriques (une extension des nombres rationnels), on peut extraire son anneau des entiers , inclutcomme son sous-anneau .

Bien que la division ordinaire ne soit pas définie sur La division euclidienne est définie sur deux entiers. Ellepossède la propriété importante suivante : étant donné deux entiers et avec , il existe des entiers uniques et tels que et désigne la valeur absolue de . L’entier est appelé le quotient et le reste de la division de par . L’ algorithme d’Euclide pour calculer le plus grand commun diviseur (PGCD) fonctionne par une suite de divisions euclidiennes.

Ce qui précède indique est un domaine euclidien . impliqueest un domaine principal idéal , et tout entier positif peut être écrit comme produit de nombres premiers d'une manière essentiellement unique . C'est le théorème fondamental de l'arithmétique .

propriétés de la théorie de l'ordre

est un ensemble totalement ordonné sans borne supérieure ni inférieure . L'ordreest donné par

Un entier est positif s'il est supérieur à zéro , et négatif s'il est inférieur à zéro. Zéro est défini comme n'étant ni négatif ni positif.

L'ordre des entiers est compatible avec les opérations algébriques de la manière suivante :

  1. Si et , alors
  2. Si et , alors

Il s'ensuit donc que avec l’ordre ci-dessus, on obtient un anneau ordonné .

Les entiers sont le seul groupe abélien totalement ordonné non trivial dont les éléments positifs sont bien ordonnés . Ceci est équivalent à l'affirmation que tout anneau de valuation noethérien est soit un corps , soit un anneau de valuation discret .

Construction

Développement traditionnel

Dans l'enseignement primaire, les entiers sont souvent définis intuitivement comme l'union des nombres naturels (positifs), de zéro et des négations des nombres naturels. Ceci peut être formalisé comme suit. Construisons d'abord l'ensemble des nombres naturels selon les axiomes de Peano , appelons-le . Ensuite, construisez un ensemblequi est disjoint deet en correspondance individuelle fonction . Par exemple, prenonsêtre les paires avec la . Enfin, soit 0 un objet n'appartenant pas àou , par exemple la paire ordonnée (0,0). Alors les entiers sont définis comme l'union .

Les opérations arithmétiques classiques peuvent alors être définies sur les entiers par morceaux , pour chaque groupe : nombres positifs, nombres négatifs et zéro. Par exemple, la négation est définie comme suit :

Le style de définition traditionnel conduit à de nombreux cas différents (chaque opération arithmétique doit être définie sur chaque combinaison de types d'entiers) et rend fastidieux de prouver que les entiers obéissent aux différentes lois de l'arithmétique.

Classes d'équivalence de paires ordonnées

Représentation des classes d'équivalence pour les nombres de −5 à 5
Les points rouges représentent des couples ordonnés de nombres naturels . Les points rouges reliés forment des classes d'équivalence représentant les entiers bleus situés à l'extrémité de la ligne.

En mathématiques ensemblistes modernes, une construction plus abstraite permettant de définir des opérations arithmétiques sans distinction de cas est souvent utilisée à la place. Les entiers peuvent ainsi être formellement construits comme les classes d'équivalence de paires ordonnées de nombres naturels .

L'intuition est que représente le résultat de la soustraction de à . Pour confirmer notre hypothèse selon laquelle désignent le même nombre, nous définissons une relation d'équivalence

précisément quand

L'addition et la multiplication des entiers peuvent être définies en termes d'opérations équivalentes sur les nombres naturels ; en utilisant pour désigner la classe d'équivalence ayant comme membre, on a :

La négation (ou inverse additif) d'un entier s'obtient en inversant l'ordre de la paire :

La soustraction peut donc être définie comme l'addition de l'inverse de l'additif :

L'ordre standard des entiers est donné par :

Il est facile de vérifier que ces définitions sont indépendantes du choix des représentants des classes d'équivalence.

Chaque classe d'équivalence possède un membre unique de la forme ou (ou les deux à la fois). Le nombre naturel est identifié à la classe (c'est-à-dire que les nombres naturels sont inclus dans les entiers par l'application qui envoie sur ), et la classe est notée (cela couvre toutes les classes restantes et donne la classe = 0)

Ainsi, est noté par

Si les nombres naturels sont identifiés aux entiers correspondants (en utilisant l'intégration mentionnée ci-dessus), cette convention ne crée aucune ambiguïté.

Cette notation retrouve la représentation familière des entiers sous la forme

Autres approches

En informatique théorique, d'autres méthodes de construction des entiers sont utilisées par les démonstrateurs de théorèmes automatiques et les moteurs de réécriture de termes . Les entiers sont représentés comme des termes algébriques construits à l'aide de quelques opérations de base (par exemple, zéro , succ , préd ) et de nombres naturels , supposés déjà construits (selon l' approche de Peano ).

Il existe au moins dix constructions de ce type d'entiers signés. Ces constructions diffèrent de plusieurs manières : le nombre d'opérations de base utilisées pour la construction, le nombre (généralement entre 0 et 2) et les types d'arguments acceptés par ces opérations ; la présence ou l'absence de nombres naturels comme arguments de certaines de ces opérations, et le fait que ces opérations soient des constructeurs libres ou non, c'est-à-dire que le même entier puisse être représenté en utilisant un seul ou plusieurs termes algébriques.

La technique de construction des entiers présentée dans la section précédente correspond au cas particulier où il existe une seule paire d'opérations de base.et , et renvoie un entier (égal àCette opération n'est pas gratuite puisque l'entier 0 peut être écrit paire (0,0), ou paire (1,1), ou paire (2,2), etc. Cette technique de construction est utilisée par l' assistant de preuve Isabelle ; , de nombreux autres outils utilisent des techniques de construction alternatives, notamment celles basées sur des constructeurs libres, qui sont plus simples et peuvent être implémentées plus efficacement sur ordinateur.

L'informatique

0 ». (Il est toutefois tout à fait possible pour un ordinateur de déterminer si une valeur entière est réellement positive.) Les types de données (ou sous-ensembles) d'approximation d'entiers de longueur fixe sont notés `int` ou `Integer` dans plusieurs langages de programmation (tels que Algol68 , C , Java , Delphi , etc.).

Les représentations de longueur variable des entiers, comme les grands nombres , peuvent stocker n'importe quel entier pouvant tenir dans la mémoire de l'ordinateur. D'autres types de données entières sont implémentés avec une taille fixe, généralement un nombre de bits qui est une puissance de 2 (4, 8, 16, etc.) ou un nombre de chiffres décimaux facile à mémoriser (par exemple, 9 ou 10).

Cardinalité

L'ensemble des entiers est dénombrable , ce qui signifie qu'il est possible d'associer à chaque entier un unique nombre naturel. Un exemple d'une telle association est :

1), (1, 2), (−1, 3), (2, 4), (−2, 5), 6), . . . ,(1 − k , 2 k − 1), ( k , 2 k ), . . .

Plus précisément, la cardinalité de est dit égal à ( aleph-zéro ). L'appariement entre les éléments deetest appelée bijection .

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