Logika i teoria mnogości/Wykład 11: Zbiory dobrze uporządkowane. Lemat Kuratowskiego Zorna i twierdzenie Zermelo, przykłady

Z Studia Informatyczne
Przejdź do nawigacjiPrzejdź do wyszukiwania

Wstęp

Poniższy wykład poświęcony jest konsekwencjom aksjomatu wyboru. Aksjomat wyboru jest niewątpliwie najbardziej kontrowersyjnym z aksjomatów ZFC. Wielu znanych matematyków poddawało go w wątpliwość. W chwili obecnej znakomita większość uważa, że aksjomat wyboru jest prawdziwy, nawet jeśli niektóre z jego konsekwencji są sprzeczne z intuicją.

W tym wykładzie przedstawiamy szereg twierdzeń, które są równoważne lub wynikają z aksjomatu wyboru. Zanim przejdziemy do wypowiedzi tych faktów, wprowadzimy jeszcze jeden koncept.

Zbiory dobrze uporządkowane

Definicja dobrego porządku nie zależy od aksjomatu wyboru. W aksjomatyce ZF istnieje wiele zbiorów dobrze uporządkowanych. Jednak w obecności aksjomatu wyboru zbiory dobrze uporządkowane nabierają zupełnie nowego znaczenia.

Definicja 2.1.

Częściowy porządek jest dobrym porządkiem, jeśli

  • jest porządkiem liniowym,
  • każdy niepusty podzbiór zawiera element najmniejszy względem .

Mówimy wtedy, że zbiór jest dobrze uporządkowany przez .

Istnienie zbiorów dobrze uporządkowanych nie jest nowością. Zdefiniowany w Wykładzie 7 zbiór liczb naturalnych jest dobrze uporządkowany na mocy dowiedzionych tam twierdzeń. Łatwo zauważyć, że również każda liczba naturalna wraz z relacją inkluzji jest zbiorem dobrze uporządkowanym. Ogólnie, następujący fakt jest prawdziwy

Fakt 2.2.

Dla dowolnego dobrego porządku i dla dowolnego zbioru zbiór ten jest dobrze uporządkowany przez relację .

Dowód

Relacja to relacja zawężona do elementów zbioru . Mamy dla każdego

Oczywistym wnioskiem jest, że zbiór jest uporządkowany liniowo przez . Pozostaje wykazać, że każdy podzbiór zbioru ma element najmniejszy. Ustalmy dowolne , ponieważ zbiór jest również podzbiorem i z definicji zbioru dobrze uporządkowanego wynika, że posiada element najmniejszy względem . Ponieważ , to ten sam element jest elementem najmniejszym w względem , co kończy dowód faktu.

End of proof.gif

Dokładnej analizie własności zbiorów dobrze uporządkowanych jest poświęcony Wykład 12. W dalszej części wykładu ograniczamy się do własności tych porządków bezpośrednio powiązanych z aksjomatem wyboru.

Aksjomat wyboru i twierdzenia mu równoważne

Tę część wykładu zaczniemy od przytoczenia aksjomatu wyboru w postaci, w jakiej został wprowadzony w Wykładzie 4.

Aksjomat Wyboru. Następująca formuła jest prawdziwa:

Rysunek 1

Aksjomat ten mówi, że jeśli jest rodziną niepustych, parami rozłącznych zbiorów, to istnieje zbiór mający z każdym elementem dokładnie jeden element wspólny. Zbiór , którego istnienie gwarantuje aksjomat wyboru, "wybiera" z każdego elementu rodziny dokładnie jeden element (rysynek 1). Zbiory jako pionowe, nieregularne obszary, zbiór wybierający jako poziomy zbiór przecinający każdy z nich na dokładnie jednym elemencie.

W dalszej części wykładu prezentujemy kilka twierdzeń równoważnych aksjomatowi wyboru. To znaczy, że na gruncie aksjomatyki ZF, bez aksjomatu wyboru, założenie prawdziwości któregokolwiek z tych twierdzeń implikuje prawdziwość aksjomatu wyboru i vice versa. Bardzo istotną częścią dowodów jest wykazanie, że twierdzenia te są dokładnie równoważne aksjomatowi wyboru na gruncie ZF. Na gruncie aksjomatyki ZFC twierdzenia te dają się udowodnić przy użyciu aksjomatu wyboru.

Aby wykazać równoważność między aksjomatem wyboru a poniższymi twierdzeniami, pokażemy, że każde twierdzenie implikuje następne i że ostatnie implikuje aksjomat wyboru. Jest to najprostszy sposób na wykazanie równoważności.

Twierdzenia dotyczące zbiorów

Pierwsze, równoważne aksjomatowi wyboru, twierdzenie mówi o istnieniu funkcji wybierającej. W aksjomacie wyboru, z rodziny zbiorów wybieraliśmy elementy przez utworzenie zbioru. Aby możliwe było wybranie dokładnie jednego elementu z każdego zbioru, niezbędne było założenie o rozłączności tych zbiorów. Poniższe twierdzenie mówi o istnieniu funkcji wybierającej elementy ze zbiorów.

Twierdzenie 3.1.

Dla dowolnej rodziny niepustych zbiorów istnieje funkcja, która każdemu zbiorowi w tej rodzinie przyporządkowuje któryś z jego elementów. Formalnie

Poniżej przedstawiamy dowód, na gruncie ZF, że aksjomat wyboru implikuje powyższe twierdzenie.

Dowód

Aksjomat wyboru implikuje Twierdzenie 3.1 (patrz Twierdzenie 3.1.) Ustalmy dowolny, niezawierający zbioru pustego, zbiór . Skonstruujemy zbiór , do którego stosować będziemy aksjomat wyboru. Zbiór

jest rodziną zbiorów parami rozłącznych - elementy pochodzące z różnych zbiorów różnią się w na pierwszej współrzędnej. Do zbioru stosujemy aksjomat wyboru i otrzymujemy zbiór . Ponieważ z każdego zbioru wybraliśmy dokładnie jeden element, to jest funkcją z do . Definicja gwarantuje również, że dla każdego . Wnioskujemy, że może być wzięte jako i że aksjomat wyboru implikuje Twierdzenie 3.1 (patrz Twierdzenie 3.1.).

End of proof.gif

Kolejny fakt, równoważny aksjomatowi wyboru, przedstawiamy w formie ćwiczenia:

Ćwiczenie 3.1

Wykaż, że stwierdzenie "dla każdej surjekcji istnieje iniekcja taka, że jest funkcją identycznościową na " jest równoważne aksjomatowi wyboru na gruncie ZF.

Rozwiązanie

Twierdzenia dotyczące porządków

Felix Hausdorff (1868-1942)
Zobacz biografię

Kolejne dwa twierdzenia dotyczą częściowych porządków. Pierwsze z

nich gwarantuje istnienie maksymalnych łańcuchów.

Twierdzenie 3.2. [Zasada maksimum Felixa Hausdorff'a]

W każdym zbiorze częściowo uporządkowanym istnieje maksymalny, pod względem inkluzji, łańcuch.

Zgodnie z przyjętą strategią postępowania wykażemy, że Twierdzenie 3.1 (patrz twierdzenie 3.1.) implikuje zasadę maksimum Felixa Hausdorffa.

Dowód

Twierdzenie 3.1 (patrz twierdzenie 3.1.) implikuje zasadę maksimum Felixa Hausdorffa. Dowód tej implikacji opiera się na Twierdzeniu Bourbakiego-Witta z Wykładu 10 (patrz Twierdzenie Bourbakiego-Witta). Ustalmy dowolny zbiór częściowo uporządkowany . Jeśli , to zbiór ten posiada dokładnie jeden łańcuch i fakt jest dowiedziony. Jeśli , oznaczmy przez zbiór częściowo uporządkowany składający się z łańcuchów w uporządkowanych przez inkluzję


jest uporządkowany liniowo przez

Zbiór częściowo uporządkowany jest łańcuchowo zupełny. Aby to pokazać, ustalmy dowolny, uporządkowany liniowo przez inkluzję zbiór . Jeśli należy do , to jest to niewątpliwie supremum zbioru . Aby wykazać, że jest elementem , należy wykazać, że jest on uporządkowany liniowo przez . Weźmy dwa elementy - i . Istnieje i takie, że , a . Ponieważ jest łańcuchem, to, bez straty ogólności, możemy założyć, że . Wtedy, zarówno jak i , należą do i ponieważ , wnioskujemy, że i są porównywalne. Wykazaliśmy, że dowolne dwa elementy są porównywalne, czyli że jest uporządkowany liniowo przez .

Na mocy Twierdzenia 3.1 (patrz Twierdzenie 3.1.) definiujemy funkcję wyboru dla zbioru zwracającą, dla każdego niepustego podzbioru , jego element. Twierdzenie Bourbakiego-Witta będziemy stosować do funkcji przeprowadzającej w i zdefiniowanej następująco:


Funkcja dostaje jako argument łańcuch w oznaczony przez i przy pomocy funkcji rozszerza (jeśli jest to możliwe) o jeden element porównywalny ze wszystkimi elementami , otrzymując w ten sposób nowy, większy łańcuch.

Zbiór i funkcja spełniają założenia Twierdzenia Bourbakiego-Witta i, na jego mocy, istnieje punkt stały , czyli zbiór taki, że . To gwarantuje, że zbiór elementów porównywalnych z każdym elementem jest pusty, czyli że jest maksymalnym pod względem inkluzji łańcuchem w .

End of proof.gif

Równoważną wersję zasady Felixa Hausdorffa pozostawiamy jako ćwiczenie.

Ćwiczenie 3.2

Wykaż, na gruncie ZF, że następujące stwierdzenie jest równoważne zasadzie Felixa Hausdorffa: "W każdym zbiorze częściowo uporządkowanym każdy łańcuch jest zawarty w maksymalnym, pod względem inkluzji, łańcuchu".

Rozwiązanie


Kolejne z równoważnych aksjomatowi wyboru twierdzeń nosi nazwę Lematu Maxa Augusta Zorna. Nazwa ta ma korzenie historyczne i dlatego pozostawiamy ją w tym brzmieniu.

Max August Zorn (1906-1993)
Zobacz biografię

Twierdzenie 3.3. [Lemat Maxa Augusta Zorna]

Jeśli w pewnym zbiorze częściowo uporządkowanym, każdy łańcuch jest ograniczony od góry, to istnieje w nim element maksymalny.

Dowodzimy kolejną implikację

Dowód

Zasada maksimum Felixa Hausdorffa implikuje Lemat Maxa Augusta Zorna. Dowód tej implikacji jest bardzo prosty. Wybierzmy dowolny zbiór częściowo uporządkowany spełniający założenia Lematu Maxa Augusta Zorna, czyli taki, że każdy łańcuch jest w nim ograniczony od góry. Na mocy zasady maksimum Felixa Hausdorffa istnieje w tym zbiorze łańcuch maksymalny pod względem inkluzji. Łańcuch ten posiada ograniczenie górne, które musi być elementem łańcucha i równocześnie elementem maksymalnym zbioru. Jeśliby tak nie było, to dodając element istotnie większy od tego ograniczenia do łańcucha danego przez zasadę maksimum Hausdorffa, uzyskalibyśmy łańcuch istotnie większy pod względem inkluzji.

End of proof.gif

Kolejne ćwiczenie mówi o istnieniu maksymalnego antyłańcucha.

Ćwiczenie 3.3

Udowodnij, używając lematu Maxa Augusta Zorna, że w każdym zbiorze częściowo uporządkowanym istnieje antyłańcuch maksymalny pod względem inkluzji.

Rozwiązanie

Poniższe ćwiczenie dotyczy rozszerzeń porządków.

Ćwiczenie 3.4

Wykaż, używając lematu Maxa Augusta Zorna, że każdy częściowy porządek da się rozszerzyć do porządku liniowego. To znaczy, że dla każdego zbioru częściowo uporządkowanego istnieje liniowy porządek na taki, że

dla dowolnych i w .

Rozwiązanie


W Wykładzie 5 (patrz Wykład 5) pokazaliśmy, że dla dowolnej relacji istnieje najmniejsza relacja równoważności zawierająca tą relację. W poniższym ćwiczeniu pokażemy, że dla niektórych relacji istnieje maksymalna, pod względem inkluzji, relacja równoważności zawarta w nich

Ćwiczenie 3.5

Użyj lematu Maxa Augusta Zorna, aby wykazać, że dla każdej relacji , jeśli , to istnieje maksymalna pod względem inkluzji relacja równoważności zawarta w .

Rozwiązanie


Kolejny warunek równoważny dotyczy zbiorów dobrze uporządkowanych.

Twierdzenie Ernsta Zermelo

Ernst Friedrich Ferdinand Zermelo (1871-1953)
Zobacz biografię

Twierdzenie Zermelo jest jedną z równoważnych postaci aksjomatu wyboru, w którą wyjątkowo trudno uwierzyć.

Twierdzenie 3.4. [Zermelo]

Dla każdego zbioru istnieje relacja, która jest dobrym porządkiem na tym zbiorze.

Kolejny dowód to

Dowód

Lemat Maxa Augusta Zorna implikuje Twierdzenie Ernsta Zermelo. Ustalmy dowolny zbiór niepusty (dla zbioru pustego porządek pusty porządkuje go dobrze). Rozważmy zbiór składający się z podzbiorów , które mogą być dobrze uporządkowane, wraz z dobrymi porządkami

i zdefiniujmy relację na elementach w następujący sposób

czyli dwa elementy są porównywalne wtedy i tylko wtedy, jeśli zbiory, na których, są określone są porównywalne w sensie inkluzji i porządek zdefiniowany na większym zbiorze jest rozszerzeniem porządku zdefiniowanego na mniejszym przez dodanie elementów większych od wszystkich zastanych. Aby zastosować Lemat Maxa Augusta Zorna do zbioru częściowo uporządkowanego musimy wykazać, że każdy łańcuch w tym zbiorze ma ograniczenie górne.

Niech będzie łańcuchem w sensie . Zdefiniujmy jako unię wszystkich pierwszych współrzędnych elementów i jako unię drugich współrzędnych elementów . Niewątpliwie . Ponieważ jest łańcuchem w sensie , to relacja jest porządkiem liniowym na . Aby wykazać, że jest dobrym porządkiem na , ustalmy dowolny . Niewątpliwie istnieje element taki, że . Ponieważ , to jest dobrze uporządkowany przez i w związku z tym posiada element najmniejszy w - oznaczmy go przez . Element będzie również najmniejszym elementem w . Aby to wykazać, ustalmy . Jeśli , to niewątpliwie i w związku z tym . Jeśli , to dla jakiegoś . Ponieważ jest łańcuchem wnioskujemy, że i na mocy definicji , że , czyli , co należało wykazać.

Stosując Lemat Maxa Augusta Zorna wnioskujemy, że w zbiorze częściowo uporządkowanym istnieje element maksymalny . Jeśli , to jest wymaganym dobrym porządkiem na . Aby wykazać, że tak musi być, załóżmy niewprost, że , czyli że istnieje . Wtedy zbiór wraz z dobrym porządkiem zdefiniowanym jako

jest większy w sensie relacji , co przeczy maksymalności . Uzyskana w dowodzie niewprost sprzeczność kończy rozumowanie.

End of proof.gif

Twierdzenie Ernsta Zermelo jest sprzeczne z intuicją wielu matematyków. Gwarantuje ono między innymi istnienie dobrego porządku na liczbach rzeczywistych, czyli takiego liniowego uporządkowania liczb rzeczywistych, w którym każdy zbiór posiada element najmniejszy. Porządek taki jest trudnym do wyobrażenia konceptem matematycznym.

Aby zamknąć ciąg rozumowań, wystarczy wykazać, że Twierdzenie Zermelo implikuje aksjomat wyboru.

Dowód

Twierdzenie Zermelo implikuje aksjomat wyboru. Niech będzie dowolnym zbiorem spełniającym założenia aksjomatu wyboru, to znaczy takim, że i że wszystkie elementy są parami rozłączne. Niech będzie istniejącym, na podstawie Twierdzenia Zermelo, dobrym uporządkowaniem zbioru . Zbiór wybierający po jednym elemencie z każdego elementu otrzymujemy, stosując zasadę wycinania do

jest najmniejszym elementem względem relacji

Zbiór posiada po dokładnie jednym elemencie wspólnym z każdym zbiorem - jest to element najmniejszy w względem dobrego uporządkowania .

End of proof.gif

Nasze rozumowanie wykazało, że wszystkie powyższe fakty są równoważne na gruncie ZF. Jak wspomnieliśmy na początku, aksjomat wyboru jest kontrowersyjnym aksjomatem. Niektóre z równoważnych mu stwierdzeń są intuicyjnie oczywiste, inne przeczą intuicji. Podsumujemy rozdział żartem autorstwa Jerrego Bona:

The Axiom of Choice is obviously true; the Well Ordering Principle is obviously false; and who can tell about Max August Zorn's Lemma? (Aksjomat wyboru jest oczywiście prawdziwy; twierdzenie Ernsta Zermelo jest oczywiście fałszem; lemat Zorn'a kto wie?)

Twierdzenia wymagające aksjomatu wyboru

Wiele twierdzeń wymaga aksjomatu wyboru, choć założenie ich prawdziwości w ZF nie implikuje prawdziwości tego aksjomatu. W tej części wykładu przedstawimy kilka tego typu twierdzeń. Zwróćmy uwagę, że żadna z dostępnych w tej chwili technik dowodowych nie nadaje się do udowodnienia, że jakiś fakt jest słabszy od aksjomatu wyboru. Możemy pokazać, że jeśli aksjomat wyboru jest prawdą, to dane twierdzenie jest prawdziwe, ale nie możemy pokazać, że jeśli założymy dane twierdzenie, to aksjomat wyboru nie musi być prawdą. Nie jesteśmy w stanie zdecydować, czy aksjomat wyboru jest niezbędny do udowodnienia danego twierdzenia - tego typu dowody wykraczają poza zakres tego kursu i nie będą prezentowane.

Pierwszy z faktów, które będziemy dowodzić brzmi następująco:

Twierdzenie 4.1.

Dla dowolnego zbioru nieskończonego istnieje iniekcja ze zbioru liczb naturalnych w ten zbiór.

Dowód 1

Co możemy dowieść bez aksjomatu wyboru. Ustalmy dowolny zbiór nieskończony . Na mocy definicji z Wykładu 9 wiemy, że nie istnieje bijekcja między a żadną liczbą naturalną. Pokażmy najpierw, że dla każdej liczby naturalnej istnieje iniekcja z do . Dowód przeprowadzamy przez indukcję na .

  • Jeśli , to niewątpliwie istnieje iniekcja ze zbioru pustego w - jest to funkcja pusta.
  • Załóżmy, że istnieje iniekcja . Ponieważ nie istnieje bijekcja pomiędzy a , wnioskujemy, że , czyli że istnieje . Zdefiniujmy jako

Funkcja jest iniekcją, co kończy dowód indukcyjny.

Wykazaliśmy jedynie, że dla każdej liczby naturalnej istnieje iniekcja z niej w . Nie udało nam się wykazać istnienia jednej funkcji dla całego zbioru .

End of proof.gif

Dowód 2

Dowód przy użyciu aksjomatu wyboru. Aby udowodnić istnienie iniekcji z w , skorzystamy z Twierdzenia twierdzenie 3.1. równoważnego aksjomatowi wyboru. Zastosujmy je do zbioru , dostając funkcję taką, że dla każdego , jeśli tylko . Aby udowodnić istnienie żądanej funkcji, zastosujemy twierdzenie o definiowaniu przez indukcję. Dzięki temu twierdzeniu dostaniemy funkcję taką, że

oraz

Jest to funkcja, która każdej liczbie naturalnej przyporządkowuje zbiór o jeden element większy niż przyporządkowany poprzedniej liczbie naturalnej. Aby otrzymać żądaną iniekcję wystarczy zdefiniować:

Funkcja jest dobrze zdefiniowana, ponieważ dla każdego zbiór jest jednoelementowy (co gwarantuje definicja funkcji ). A jest iniekcją, ponieważ , jeśli tylko .

End of proof.gif

Kolejną konsekwencję podajemy w formie ćwiczenia.

Ćwiczenie 4.1

Rozważmy przedział w zbiorze liczb rzeczywistych. Niech funkcja będzie "miłą miarą zbiorów", jeśli:

  • dla każdego zbioru jego miara jest większa lub równa i ,
  • jeśli zbiór ma miarę to dla dowolnego - to znaczy, że przesunięcie zbioru o wektor nie zmienia jego miary,
  • jeśli są zbiorami parami rozłącznymi, to suma tych zbiorów ma miarę równą sumie miar

to znaczy, że sumowanie zbiorów rozłącznych zachowuje miarę.

Wykaż, że nie istnieje miła miara zbiorów.

Podpowiedź
Podpowiedź
Rozwiązanie

Podsumowanie

W powyższym wykładzie przedstawiliśmy twierdzenia równoważne aksjomatowi wyboru i udowodniliśmy kilka jego konsekwencji. Aksjomat wyboru jest kontrowersyjnym aksjomatem. Przyjęcie go, pociąga za sobą nieintuicyjne konsekwencje. Zakładając aksjomat wyboru, możemy wykazać, że zbiór liczb rzeczywistych daje się uporządkować w taki sposób, że każdy jego podzbiór ma element najmniejszy. Kolejną nieintuicyjną konsekwencją jest wykazany przez Stefana Banacha i Alfreda Tarskiego paradoksalny rozkład trójwymiarowej kuli na sześć części, z których, za pomocą obrotów i translacji, możemy skleić dwie kule identyczne z pierwszą.

Bertrand Arthur William Russell (1872-1970)
Zobacz biografię

Z drugiej strony, wiele intuicyjnych faktów wymaga aksjomatu wyboru lub jednej z jego słabszych wersji. Twierdzenie, że jeśli zbiór jest nieskończony, to istnieje iniekcja liczb naturalnych w ten zbiór, jest intuicyjnym faktem. Bertrand Russell powiedział o aksjomacie wyboru:

The Axiom of Choice is necessary to select a set from an infinite number of socks, but not an infinite number of shoes (Aksjomat wyboru jest niezbędny, aby wybrać zbiór z nieskończonej ilości skarpet, ale nie z nieskończonej ilości butów).

Znaczenie tego cytatu powinno być jasne. Jesteśmy w stanie wybrać po jednym bucie z nieskończonego zbioru par mówiąc "wybierzmy buty lewe". Nie jesteśmy w stanie przeprowadzić tego rozumowania, jeśli byty występujące w zbiorach są identyczne.