David Madore's WebLog: Deux remarques sur l'intuition du théorème de Gödel

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(mardi)

Deux remarques sur l'intuition du théorème de Gödel

C'est un théorème bien connu, et que j'ai expliqué il y a quelques années dans cette longue entrée, que ZFC (:= le système d'axiomes standard de la théorie des ensembles), s'il est consistant, ne peut pas démontrer que ZFC est consistant. C'est là le « second » théorème d'incomplétude de Gödel dans le cas particulier de ZFC. De même, PA (:= l'arithmétique de Peano du premier ordre) ne peut pas démontrer que PA est consistant. (Dans les deux cas, l'affirmation que le système est consistant signifie qu'il n'existe pas de suite finie de symboles partant des axiomes et suivant les règles de la logique pour arriver à la conclusion absurde 0=1 : et on a le droit de parler de suites finies de symboles parce qu'elles peuvent se remplacer par des entiers grâce à ce qu'on appelle le codage de Gödel. Je ne rentre pas dans les détails puisque j'ai déjà expliqué ça et qu'il y a déjà quantité de bonne vulgarisation sur le sujet.)

Du coup, on peut être tenté d'ajouter à ZFC un nouvel axiome Consis(ZFC), qui affirme ZFC est consistant, formant un nouveau système ZFC₁ ; puis, comme le théorème de Gödel s'applique aussi à lui, on peut encore ajouter un nouvel axiome Consis(ZFC₁) qui affirme que celui-là est consistant, formant un nouveau système ZFC₂ ; « et ainsi de suite ». (En réalité, il y a beaucoup de subtilités ici dans le ainsi de suite, et de toute façon ce n'est pas une bonne façon d'enrichir ZFC, ces axiomes étant à la fois beaucoup moins forts, moins maniables et moins intéressants, que les axiomes de grands cardinaux par lesquels on l'étend usuellement. S'agissant de PA, on peut aussi faire cette construction, en gardant à l'esprit que PA, PA₁, PA₂, etc., et leurs consistance, sont de toute façon des conséquences (théorèmes) de ZFC.)

Ce point est bien connu, donc, et peut-être même trop connu, à tel point qu'on fait dire à ce théorème de Gödel un peu n'importe quoi. Les deux faits suivants, en revanche, sont bien moins connus, et mériteraient pourtant de l'être autant, parce qu'ils invitent à reconsidérer la manière dont on interprète (au moins sur le plan intuitif ou philosophique) ce théorème d'incomplétude. J'ai mentionné ces faits en passant lors de l'entrée passée vers laquelle je viens de faire un lien, mais je pense que je n'ai pas assez attiré l'attention dessus, ce qui est dommage.

(Les deux points suivants sont indépendants l'un de l'autre.)

✱ Le premier fait, c'est qu'on peut tout à fait fabriquer une théorie ZFC† dont les axiomes sont ceux de ZFC plus un axiome supplémentaire qui dit ZFC† est consistant. Oui, c'est circulaire (la théorie affirme sa propre consistance), mais ce n'est pas très difficile d'arriver à formaliser ça en utilisant les astuces de points fixes habituelles. Et de même, on peut former PA† dont les axiomes sont ceux de PA (Peano) plus un axiome supplémentaire qui dit que PA† est consistant. Il s'agit d'une façon assez naturelle d'essayer de contourner le théorème d'incomplétude (au moins quand on a mal compris celui-ci), en se disant puisque je ne peux pas démontrer que mon système formel est consistant, je vais l'ajouter comme axiome (et affirmer directement que l'ensemble est consistant plutôt qu'ajouter un axiome qui dit que la théorie de départ est consistante, puis un autre qui dit que cette nouvelle théorie est encore consistante, et encore un autre qui dit que celle-ci est consistante « et ainsi de suite »).

Bref, on peut fabriquer cette théorie ZFC† ou PA†, mais le problème c'est elle est inconsistante (elle démontre 0=1). Parce que le théorème de Gödel s'applique à elle aussi, et comme il affirme que si la théorie est consistante elle ne peut pas démontrer sa consistance, et qu'elle démontre effectivement sa consistance (puisque c'est un axiome, et qu'un axiome compte bien comme une démonstration), du coup, elle n'est pas consistante.

Alors voilà, ce n'est pas bien passionnant, certes : j'ai construit une théorie et j'ai expliqué qu'elle ne marchait pas — mais je pense que c'est quand même instructif, au moins sur le plan de l'intuition. Quand on présente le théorème d'incomplétude de Gödel, que ce soit au grand public, à des mathématiciens non-spécialistes, ou à des débutants en logique, l'idée qui en résulte typiquement — et je ne prétends pas qu'elle soit fausse — est qu'un système formel consistant T (récursivement axiomatisable, et contenant un fragment suffisant de l'arithmétique) n'est jamais assez « puissant » pour démontrer sa propre consistance, mais que (a) il s'agit d'une notion un peu constructive de démonstration, et (b) la raison pour laquelle on est conduit à ajouter des axiomes qui disent T est consistant et cette théorie-là est consistance et cette théorie- est consistante, « et ainsi de suite », est qu'on ne peut jamais tout faire d'un coup. Or l'exemple de la construction que je viens de donner montre qu'il faut se méfier de cette intuition : (b) on peut tout à fait écrire une théorie qui affirme sa propre consistance, et (a) cette théorie est forcément inconsistante parce que le théorème de Gödel interdit à une théorie consistante (récursivement axiomatisable, et contenant un fragment suffisant de l'arithmétique) non seulement démontre sa propre consistance, mais même simplement qu'il l'affirme (un axiome compte bien comme une démonstration). Je vais citer la présentation de Torkel Franzén (Inexhaustibility, 2004, chap. 12) parce que je trouve qu'il est particulièrement clair :

It is often emphasized that the resources of a theory T do not themselves suffice to enable a proof of the consistency of T. Again it is only by “going outside the system” than one can prove that T is consistent.

A weakness of this emphasis is that it doesn't take into account that the relevant concept of proof is a very liberal one. The consistency of T is provable in the theory T+Consis(T). This is not because any new fundamental principle has been introduced or because the theory T+Consis(T) incorporates any new insight that goes beyond those expressed in T, but simply because the consistency of T has been postulated. We don't require any more of a proof, as the term is used in logic. Accordingly, the second incompleteness theorem makes a stronger statement than one might naturally suppose. The consistency of T not only cannot be derived from the basic principles embodied in T, it cannot even be consistently asserted in T. A theory cannot consistently postulate its own consistency. By the diagonal lemma, we can produce a formula φ formalizing This sentence is consistent with T, but since T+φ then proves its own consistency, we know that in fact it is inconsistent.

Why is it impossible for T to consistently postulate Consis(T)? Because a paradox results from such a postulate, or so Gödel's proof of the second theorem suggests. If T asserts its own consistency, it must both assert and deny the provability of the sentence formalizing This sentence is not provable in T. It's not just a matter of T lacking the resources to establish a particular truth (that T is consistent) but of it being impossible to consistently sneak in this truth as an assertion or postulate in the theory itself. Saying that one must go outside the system to prove the consistency of T conveys the suggestion that T metaphorically speaking has a kind of “blind spot”, that it cannot reflect on or understand or inspect itself sufficiently to establish its own consistency—and indeed in extrapolations from the incompleteness theorem to other fields (religion, physics, psychology) this suggestion is frequently made explicit. The fact that T cannot even consistently assert its own consistency, without attempting any inspection or justification whatever, would seem to indicate that this suggestion is a bit of a red herring.

Je trouve que cela illustre très bien la manière dont on a tendance à mal se représenter le théorème d'incomplétude comme traduisant un problème profond de « manque de force » — alors qu'il s'agit de quelque chose d'à la fois plus trivial et plus profond. (Bien sûr, tout ceci est juste une question d'interprétation intuitive : il n'y a aucune difficulté ou subtilité mathématique dans tout ce que j'ai écrit.)

Mais si ce point est un peu trivial et en quelque sorte négatif, le suivant est beaucoup plus intéressant mathématiquement, et il est plutôt positif. Par ailleurs, il concerne spécifiquement ZFC et PA (pas que ce soient les seules théories auxquelles il s'applique, mais il ne s'applique pas à « à peu près n'importe quoi » comme le point que je viens de faire).

✱ J'en viens donc au second fait que je voulais signaler. Il faut d'abord que je rappelle que ZFC et PA ont un nombre infini d'axiomes : ils comportent en effet des schémas d'axiomes (le principe de récurrence dans le cas de PA, et pour ce qui est de ZFC, les schémas de séparation (=compréhension, =sélection) et ceux de remplacement). Ces axiomes veulent affirmer certains faits pour toute propriété P (des entiers naturels dans le cas de PA, ou des ensembles dans le cas de ZFC) : comme la logique du premier ordre ne permet pas de quantifier sur les propriétés, on s'en tire en postulant tous les énoncés dans lesquels P est remplacé par n'importe quelle formule explicitement écrite dans le langage où on se place — ce qui fait donc une infinité d'axiomes.

(Digression : Il y a d'autres façons de faire, consistant plus ou moins à faire de la logique du second ordre, et qui permettent de ramener cette infinité d'axiomes à un nombre fini au prix d'une complication de la logique, et parfois un renforcement du système : ce sont par exemple la théorie des ensembles de Gödel-Bernays, essentiellement aussi forte que ZFC, ou celle, strictement plus forte, de Morse-Kelley, les deux permettant de parler de classes, ce qui revient à permettre de quantifier sur les propriétés, et, s'agissant de l'arithmétique, le système ACA qui est exactement parallèle de Gödel-Bernays et l'arithmétique du second ordre Z₂=PA² qui est exactement parallèle de Morse-Kelley. Mais je vais m'abstenir de plus parler de toutes ces théories, d'autant que ça devient vite technique quand il s'agit de distinguer la vraie logique du second ordre de la logique du second ordre « réifiée » au premier ordre au sens où on a une logique du premier ordre à deux types d'objets qui fait semblant d'être une logique du second ordre en décrétant que l'un de ces types est le type des « classes » ou « propriétés » de l'autre type, ce qui revient finalement au même sauf que la notion de modèle et toute la sémantique qui va avec est différente.)

Un point qui me semble très important, et qui est rarement suffisamment souligné dans les cours élémentaires de logique, est le suivant :

Chacun de ZFC et de PA prouve la consistance de tous ses sous-ensembles finis d'axiomes.

Autrement dit, ZFC ne prouve pas la consistance de ZFC (c'est ce par quoi j'ai commencé : le second théorème d'incomplétude), mais ZFC prouve la consistance de n'importe quel ensemble fini d'axiomes de ZFC. Et la même chose vaut pour PA. On dit que ce sont des théories réflexives. En fait, il y a mieux : n'importe quelle extension de l'une ou l'autre de ces théories, écrite dans le même langage, est elle-même réflexive (on dit que ZFC et PA sont essentiellement réflexives : dans le cas de PA, c'est un théorème de 1952 dû à Andrzej Mostowski, et dans le cas de ZFC, je crois que le résultat est dû à Richard Montague et/ou Azriel Lévy vers 1960).

Une des conséquences de ce théorème est que ni ZFC ni PA, s'ils sont consistants, ne peut pas être axiomatisé par un nombre fini d'axiomes (si un ensemble fini T₀ de théorèmes de ZFC, ou du coup, d'axiomes de ZFC, suffisait à impliquer tous les axiomes de ZFC, alors ZFC prouverait la consistance de T₀, donc T₀ prouverait la consistance de T₀, et en prenant T₀ assez fort pour faire de l'arithmétique basique — je ne rentre pas dans les détails — ceci contredit le théorème de Gödel appliqué à la théorie T₀ ; et exactement le même raisonnement vaut pour PA). Mieux : comme ZFC et PA sont essentiellement réflexifs, aucune théorie consistante contenant ZFC ou PA et écrite dans le même langage ne peut être axiomatisée par un nombre fini d'axiomes. Mais ce n'est pas vraiment de ça que je veux parler.

Le résultat ci-dessus doit surprendre, parce qu'il paraît contredire le théorème de Gödel. L'argument serait le suivant : s'il y avait une contradiction dans ZFC, la démonstration de cette contradiction n'utiliserait qu'un nombre fini d'axiomes de ZFC (si on veut, c'est le théorème de compacité syntaxique, mais c'est une trivialité : une démonstration, étant de longueur finie, ne peut faire appel qu'à un nombre fini d'axiomes !) ; mais d'après ce que j'ai dit, ZFC prouve que ceci ne peut pas se produire (tout ensemble fini d'axiomes de ZFC est consistant) — du coup, ZFC est consistant, et on semble avoir prouvé ce fait dans ZFC ! Quelle est l'arnaque ?

L'arnaque est que le théorème de réflexivité ci-dessus est un métathéorème ; plus exactement, donné un ensemble T₀ quelconque d'axiomes de ZFC, on a une recette tout à fait explicite qui fabrique une démonstration à partir des axiomes de ZFC dont la conclusion est T₀ est consistant, et c'est un théorème (de ZFC, PA ou de systèmes encore plus faibles) que cette recette marche, i.e., l'énoncé encadré ci-dessus est bien un théorème. Mais, s'il est vrai que pour tout T₀ fini ⊆ZFC, T₀ est consistant est un théorème de ZFC, et que ceci est aussi un théorème de ZFC ou PA (i.e., pour tout T₀ fini ⊆ZFC, T₀ est consistant est un théorème de ZFC), en revanche, l'affirmation pour tout T₀ fini ⊆ZFC, T₀ est consistant, elle, n'est pas un théorème de ZFC (si ce dernier est consistant), car elle implique la consistance de ZFC d'après le raisonnement que j'ai fait au paragraphe ci-dessus.

Je répète : pour tout ensemble fini T₀ d'axiomes de ZFC, on sait fabriquer une démonstration dans ZFC que cet ensemble T₀ est consistant, et on sait montrer dans ZFC (ou PA ou moins) que ce procédé marche bien, mais on ne peut pas en conclure dans ZFC que tout ensemble fini T₀ d'axiomes de ZFC est consistant. On peut résumer cette situation ainsi : il est vrai que pour tout ensemble fini T₀ d'axiomes de ZFC, ZFC démontre la consistance de T₀, mais il ne le fait pas uniformément en T₀. C'est un cas du phénomène appelé la ω-incomplétude : pour tout n on démontre P(n) selon une recette générale et explicite, mais on ne peut pas démontrer ∀n.P(n) (ici, s'imaginer que n est un codage de T₀ et P(n) est l'affirmation que ce T₀ est consistant).

Absolument tout ceci vaut en remplaçant ZFC par PA partout (i.e., pour tout sous-système fini T₀ de PA, PA démontre que T₀ est consistant, mais ne le fait pas de façon uniforme). Ce fait est, d'ailleurs, étonnamment difficile à trouver écrit dans des bouquins de logique arithmétique.

Pour autant, pour tout usage philosophique ou épistémologique, je suis tenté de dire que ce qui précède (je veux dire, le résultat encadré ci-dessus) est exactement aussi bien qu'une démonstration de la consistance de ZFC dans ZFC, resp. de PA dans PA. Je ne sais pas au juste ce qu'on espérerait accomplir à avoir une démonstration de la consistance de ZFC dans ZFC ou de celle de PA dans PA (le projet de Hilbert était plutôt d'avoir une démonstration de la consistance d'un système fort dans un système faible, donc disons quelque chose comme celle de ZFC dans PA, or ça c'est vraiment hors de question). Mais je suppose que l'idée serait quelque chose comme je suis prêt à admettre comme mathématiquement vrais et certains les résultats — au moins arithmétiques — dont j'ai une démonstration dans ZFC, et je me sentirais plus rassuré si j'étais certain qu'il n'y a pas de démonstration de résultats absurdes dans ZFC, ce qui n'est pas si idiot que ça même si c'est circulaire (admettre que ZFC est vrai — ne serait-ce qu'arithmétiquement — est beaucoup plus fort qu'admettre qu'il est consistant, donc à partir du moment où on l'admet comme vrai, l'étape épistémologique à l'admettre comme consistant devrait être gratuite). Le principe de réflexion que j'ai encadré ci-dessus rend la réticence à admettre que ZFC est consistant encore plus bizarre dans ce contexte : si je suis prêt à admettre la consistance de tous ses sous-systèmes finis, je devrais bien admettre la consistance de la théorie tout entière ; plus exactement, si on me fournit un modèle simple permettant de construire, pour tout ensemble fini T₀ d'axiomes de ZFC, une preuve du fait que T₀ est consistant (et en outre, une méta-preuve du fait, d'ailleurs plus ou moins évident, que ce procédé fonctionne bien), il serait extrêmement bizarre de ne pas en admettre la conclusion, à savoir que tout ensemble fini T₀ d'axiomes de ZFC est consistant.

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