הורדה
Transcription
הורדה
תורת הקבוצות מבוסס על הרצאות פרופ' עזריאל לוי בקורס "תורת הקבוצות" )(80200 האוניברסיטה העברית ,סמסטר א' 2014 להערות[email protected] : נחי תודה לכל מי ששלח הערות ותיקונים 1 תוכן עניינים I 6 עובדות בסיסיות IIמושגי־יסוד 1 7 אקסיומות תורת הקבוצות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 אקסיומת ההיקפיות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 אקסיומות הקיום הבסיסיות . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 האנטינומיה של ראסל . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4 דוקטרינת הגבלת הגודל . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 מחלקות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3 השפה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4 3.1 רשימת הגדרות ומושגים . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.2 הזוג הסדור . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.3 מושג היחס )הדו־מקומי( . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.4 מושג הפונקציה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 סיכום והרחבת הדיון . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IIIקבוצות סופיות ובנות מניה 5 6 16 18 עוצמות סופיות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 5.1 עקרון האינדוקציה לקבוצות סופיות . . . . . . . . . . . . . 19 5.2 קבוצות חסומות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 קבוצות בנות־מניה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.1 עוצמת קבוצת השלמים . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z 24 6.2 עוצמת הקבוצה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N × N 24 6.3 עוצמת קבוצות חלקיות ל. . . . . . . . . . . . . . . . . N- 25 6.4 עוצמת קבוצת הרציונליים . . . . . . . . . . . . . . . . . Q 27 6.5 n־יות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2 6.6 7 עוצמת קבוצת המספרים האלגבריים . . . . . . . . . . . . . סיכום והרחבת הדיון . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IVהשוואת קבוצות 28 29 32 8 עוצמת המספרים הממשיים . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 9 השוואת קבוצות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 9.1 משפט קנטור . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 9.2 משפט קנטור־ברנשטיין . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 9.3 למת הסנדוויץ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 9.4 10 הקבוצה AB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . סיכום והרחבת הדיון . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vהעוצמות 39 41 43 11 יחס סדר חלקי . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 12 עוצמה/מונה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 13 הסדר החלקי של העוצמות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 14 חשבון עוצמות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 14.1 חיבור . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 14.2 כפל . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 14.3 חזקה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 14.4 פעולות החשבון ויחס הסדר על המספרים הטבעיים . . . . . 54 VIאקסיומת הבחירה 56 15 מבוא . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 16 אקסיומת הבחירה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 17 שימושים של אקסיומת הבחירה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 17.1 18 סכום וכפל אינסופיים . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . סיכום והרחבת הדיון . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 59 61 VIIסדר טוב 62 19 מבוא . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 20 סדר טוב . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 21 20.1 אינדוקציה שלמה )או טרנספיניטית( . . . . . . . . . . . . . 64 20.2 הגדרה רקורסיבית של פונקציה . . . . . . . . . . . . . . . . 65 20.3 איזומורפיזם )או העתקת דמיון( . . . . . . . . . . . . . . . . 65 20.4 משפט הסידור הטוב )אה"ב( . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 20.5 סדר מילוני )או לקסיקוגרפי( . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 סיכום והרחבת הדיון . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIIIהמספרים הסודרים 70 77 22 מבוא . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 23 סודר . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 23.1 תכונות יסודיות . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 23.2 מיון כל הסודרים . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 23.3 מיון כל הקבוצות הסדורות היטב . . . . . . . . . . . . . . . 82 23.4 משפט הרטוגס . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 IXצורות שקולות של אקסיומת הבחירה 84 24 משפט הסידור הטוב )אה"ב( . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 25 משפט השוואת העוצמות/הקבוצות )אה"ב( . . . . . . . . . . . . . . . 85 26 הלמה של צורן )אה"ב( . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 26.1 קיום בסיס למרחב ווקטורי )שימוש בלמה של צורן( . . . . . Xהסודרים כעוצמות 27 28 88 מונים . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.1 87 מושג העוצמה )גישה מחודשת( . . . . . . . . . . . . . . . . הפונקציה . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ℵ 4 88 88 89 28.1 חיבור אלפים . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 28.2 כפל אלפים . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 28.3 חזקת אלפים )או :השערת הרצף( . . . . . . . . . . . . . . . 93 28.4 חיבור וכפל אינסופיים )או :אי־שוויון צרמלו־קניג; אה"ב( . . . 93 5 חלק I עובדות בסיסיות מחלקת העצמים בעלי התכונה Φמסומנת }).{x|Φ (x לא כל מחלקה היא קבוצה ,ולכן המחלקות מתחלקות לשני סוגים: .1מחלקות שהן קבוצות ,ומתוקף כך הן עצמן עצמים מתמטיים. .2מחלקות ממש ,שהן המחלקות שאינן קבוצות .מחלקות אלו אינן עצמים מתמטיים ואינן יכולות להיות איברים של מחלקות. אקסיומות הקיום הבאות לקוחות מאקסיומות הקיום הבסיסיות ,והן קובעות שמחלקות מסוימות הן גם קבוצות: אקסיומת הזוג :המחלקה } {x, yהיא קבוצה. אקסיומת האיחוד :אם Aקבוצה אז גם מחלקת האיחוד שלה A S היא קבוצה1 . אקסיומת האינסוף :מחלקת המספרים הטבעיים Nהיא קבוצה. אקסיומת ההפרדה :מחלקה חלקית לקבוצה ,היא קבוצה2 . אקסיומת ההחלפה :אם Fפונקציה ו A-קבוצה חלקית לתחום ,Fאז גם ] F [Aהיא קבוצה3 . אקסיומת קבוצת החזקה :אם Aקבוצה אז גם קבוצת החזקה ) P (Aקבוצה. 1ראו להלן בפרק 2.3.1את הגדרת המושג "מחלקת איחוד". 2ראו להלן בפרק 2.3.1את ההגדרה למושג "חלקיות". 3ראו להלן בפרק 2.3.4את הגדרת המושגים "פונקציה"" ,תחום" ו"טווח". 6 חלק II מושגי־יסוד • המושג האינטואיטיבי של הקבוצה :אוסף כלשהו של עצמים היכול לשמש בעצמו עצם מתמטי. 1 1.1 אקסיומות תורת הקבוצות אקסיומת ההיקפיות אם לקבוצות A, Bאותם האיברים ,כלומר אם לכל xמתקיים x ∈ Aאמ"מ ,x ∈ B אז ,A = Bכאשר השיוויון מסמן זהות. אקסיומה זאת אומרת שקבוצה נקבעת לגמרי ע"י זהות איבריה ולא ע"י אף גורם אחר, כגון הגדרת הקבוצה .כך למשל קבוצת כל המשולשים שווי השוקיים שווה )זהה( לקבוצת המשולשים בעלי שתי זוויות שוות ,למרות שמדובר כאן בשתי הגדרות שונות של הקבוצה. 1.2 אקסיומות הקיום הבסיסיות בהינתן תכונה Φקיימת קבוצה המכילה בדיוק את כל העצמים בעלי התכונה .Φ ההבדלים בין תכונה לקבוצה הם שתכונה היא יצור של השפה בעוד שקבוצה היא עצם מתמטי ,וגם שקבוצה "יודעת" רק מי נמצא בה ומי אינו נמצא בה ,בעוד שתכונה "יודעת" משהו נוסף על עצמים המקיימים אותה. בשפה המתמטית איננו יכולים לדבר במרוכז על כל התכונות ,כפי שנראה בהמשך ,ולכן אנו זקוקים לאקסיומת קיום נפרדת לכל תכונה , Φולכן קיימות אקסיומות רבות של קיום קבוצות. משפט :לתכונה Φקיימת ,לפי אקסיומת ההיקפיות ,לכל היותר קבוצה אחת המכילה בדיוק את כל העצמים שהם בעלי התכונה ,Φולכן ,לאור אקסיומות הקיום הבסיסיות קיימת בדיוק קבוצה אחת המכילה בדיוק את כל העצמים xשהם בעלי התכונה .Φקבוצה זאת מסומנת ב ,{x | Φ (x)}-כאשר ) Φ (xהיא הטענה ש x-הוא בעל התכונה .Φ 1.3 האנטינומיה של ראסל ∈ .xכלומר ,הקבוצה לא קיימת קבוצה Yהמכילה בדיוק את הקבוצות xהמקיימות / x ∈ {x|xאינה קיימת. }/ x 7 ∈ ,Yוזאת הוכחה :אם Yהיא כזאת ,אז מהגדרתה נובע שמתקיים Y ∈ Yאמ"מ / Y סתירה . 1.4 דוקטרינת הגבלת הגודל האנטינומיה של ראסל סותרת את אקסיומות הקיום הבסיסיות עבור התכונה Φהמוגדרת ∈ .xלכן נשתמש בהן רק היכן שלא נראה שתיגרמנה בעיות .זאת נעשה על־ידי כך /x שנשתמש רק במספר אקסיומות מתוכן. קו־מנחה בבחירת אקסיומות אלו יהיה דוקטרינה של הגבלת גודל ,האומרת שאפשר להשתמש באקסיומת קיום כל עוד היא נותנת קבוצה שאינה "גדולה מדי" בהשוואה לקבוצות קיימות. 2 מחלקות ∈ (xנוכל לדון על גם היכן שתכונה Φאינה קובעת קבוצה )כמו במקרה ש Φ-היא / x מחלקת כל העצמים שהם בעלי התכונה .Φ בניגוד לקבוצה ,מחלקה אינה בהכרח עצם מתמטי .הדיבור על מחלקה הוא בעצם דיבור על תכונה שמוגדרת באמצעות השפה ,אולם אנו מעדיפים להשתמש במחלקות במקום בתכונות היכן שאנו מעוניינים לא בניסוח של התכונה אלא בעצמים המקיימים אותה. את מחלקת העצמים בעלי התכונה Φנסמן ב.{x | Φ (x)}- חלק מן המחלקות הן קבוצות ,ולמחלקות שאינן קבוצות נקרא מחלקות ממש. נראה בהמשך מספר אקסיומות האומרות שלתכונות Φמסויימות אמנם מתאימות קבוצות ,כלומר המחלקות }) {x | Φ (xהמתאימות לתכונות מסויימות Φהן קבוצות. 3 השפה מכיוון שהתכונות אותן אנו יכולים להביע תלויות בשפה בה אנו משתמשים ,חשוב לומר משהו על השפה .אם לא נבהיר במה מותר ובמה אסור להשתמש בשפת תורת הקבוצות, אנו עלולים להיתקל לא רק בביטויים חסרי משמעות ,כמו "קבוצת כל הקבוצות הירוקות" אלא אף להגיע לסתירה בדרך הבאה :נתבונן בביטוי "המספר הטבעי הקטן ביותר שאי־ אפשר להגדירו בפחות מעשרים מילים בשפה העברית" .מכיוון שיש אינסוף מספרים טבעיים ואילו מספר הביטויים בעלי פחות מעשרים מילים בשפה העברית הוא סופי, בהכרח קיימים מספרים טבעיים שאי אפשר להגדירם בפחות מעשרים מילים בשפה העברית .בקבוצה לא ריקה של מספרים טבעיים קיים מספר מינימלי. כעת נשים לב להגדרה הבאה" :המספר המינימלי של קבוצת המספרים הטבעיים שאי־ אפשר להגדירם בפחות מעשרים מילים ".מתקבלת סתירה ,שכן הגדרנו בפחות מעשרים 8 מילים מספר ששייך לקבוצת המספרים שאי־אפשר להגדירם בפחות מ 20-מילים. סתירה זאת נובעת מכך שהשפה לא הוגדרה היטב ,במובן שזה לא חד משמעי מה בדיוק אפשר להביע בשפה העברית .כדי למנוע סתירות כאלו נגדיר כאן היטב את השפה. השפה בה נשתמש מכילה את המושגים הבאים: • משתניםA, B, . . . , x, y, . . . : • סימני יחס∈, =, ⊆ : • קשרים לוגיים" :או" ∨" ,וגם" ∧" ,אם -אז" →" ,אם ורק אם" )"אמ"מ"( ↔, ו"-לא" ¬ • כמתים" :לכל" ∀ ו"-קיים" ∃ • התכונה "קבוצה" לשפה זאת נקרא "שפת תורת הקבוצות" ונעשיר אותה ע"י הגדרות של מושגים חדשים שנכניס לשפה. השפה תכיל בנוסף את המילים "מספר -טבעי ,שלם ,רציונלי ,אלגברי ,ממשי ,מרוכב", ואת הסימנים עבור יחס הסדר ופעולות החשבון במספרים אלו. את כל הרכיבים הנוספים הללו אפשר להגדיר בשפת תורת הקבוצות ולכן אין צורך בהם בשפה הבסיסית .בהמשך נביא לפחות חלק מהגדרות אלו. 3.1 רשימת הגדרות ומושגים שוויון :אנו אומרים שהמחלקות A, Bשוות ,וכותבים ,A = Bאם יש להן בדיוק את אותם האיברים. הכלה :אנו אומרים שמחלקה Aהיא מחלקה חלקית של מחלקה ,Bאו תת מחלקה של ,Bאם כל איבר של Aהוא איבר של ,Bומסמנים זאת ב־ .A ⊆ Bאם Aהיא קבוצה אנו אומרים שהיא קבוצה חלקית של ,Bאו תת־קבוצה של B חלקיות :אנו אומרים שמחלקה Aהיא מחלקה חלקית ממש של מחלקה ,Bאם A חלקית ל B-אבל אינה שווה לה ,ומסמנים זאת ב.A $ B- אקסיומות ההפרדה :בהינתן תכונה Φקיימת לכל קבוצה Aקבוצה Bהמכילה בדיוק את אותם איברי Aשהם בעלי התכונה .Φנוסח אחר של אקסיומות אלו הוא שכל מחלקה חלקית לקבוצה גם היא קבוצה. אקסיומות אלו הן אקסיומות קיום הלקוחות מתוך קבוצת אקסיומות הקיום .הן מהוות את השימוש המיידי ביותר של דוקטרינת הגבלת הגודל :אם Aאינה גדולה מדי אז כל מחלקה Bהחלקית לה בוודאי אינה גדולה מדי. 9 משפט :המחלקה המכילה את כל הקבוצות היא מחלקה ממש .במילים אחרות ,לא קיימת קבוצה שהיא קבוצת כל הקבוצות. הוכחה :אילו היתה מחלקה זו קבוצה ,אז מטענה קודמת נובע שגם המחלקה החלקית ∈ {x | xשל אנטינומיית ראסל היתה קבוצה . לה }/ x • נגדיר כעת מספר מחלקות .בהמשך נראה שחלקן הן גם קבוצות. המחלקה הריקה∅ = {x | x 6= x} : מחלקת יחידה{a} = {x | x = a} : זוג )לא סדור( x = b} :או {a, b} = {x | x = a איחוד מחלקות x ∈ B} :או A ∪ B = {x|x ∈ A חיתוך מחלקות x ∈ B} :וגם A ∩ B = {x|x ∈ A ∈ xוגם A \ B = {x|x ∈ A הפרש מחלקות/ B} : מחלקת האיחוד x} :הוא איבר של איבר כלשהו של A = {x | A T מחלקת החיתוך x} :הוא איבר של כל איבר של A = {x | A S משפט :לכל המחלקות A, B, Cמתקיים: ∅ ⊆ A .1 A ⊆ A .2 .A, B ⊆ A ∪ B .3אם A ⊆ Cו B ⊆ C -אז A ∪ B ⊆ C .A ∩ B ⊆ A, B .4אם C ⊆ Aו C ⊆ B -אז C ⊆ A ∩ B )ההוכחה מושארת כתרגיל(. T משפט :אם Aמחלקה לא ריקה של קבוצות אז A T הוכחה :אם uהיא איבר של Aאז , A ⊆ uולפי אקסיומת ההפרדה Aהיא קבוצה, כי היא קבוצת כל איברי uהנמצאים גם בכל האיברים האחרים של .A קבוצה. T אקסיומות קיום :האקסיומות הבאות הן אקסיומות קיום ,שהן אקסיומות מתוך קבוצת אקסיומות הקיום. .1אקסיומת הזוג :לכל העצמים a, bקיימת קבוצה המכילה בדיוק את aואת .bבמילים אחרות :לכל העצמים a, bהמחלקה } {a, bהיא קבוצה. S .2אקסיומת האיחוד :אם Aהיא קבוצה אז גם Aהיא קבוצה. .3אקסיומת האינסוף :מחלקת המספרים הטבעיים Nהיא קבוצה. 10 משפט: .1המחלקה הריקה ∅ היא קבוצה. ]נובע מאקסיומות ההפרדה ,עם התכונה ,x 6= xכאשר קיום קבוצה כלשהי נובע ,למשל ,מאקסיומת האינסוף[. .2אם A, Bקבוצות אז A ∪ Bקבוצה. ]לפי אקסיומות הזוג והאיחוד ,כי }{A, B S = [.A ∪ B .3אם Aקבוצה ו B-מחלקה ,אז A ∩ Bקבוצה. ]לפי סעיף ד' במשפט שלפני האחרון ,ואקסיומות ההפרדה[. בהמשך ייעשה שימוש באקסיומות קיום נוספות ,אבל לא נזכיר זאת במפורש. 3.2 הזוג הסדור פעולת הזוג הסדור היא פעולה היוצרת מעצמים x, yכלשהם עצם ,hx, yiהמצביע על x כעצם הנמצא במקום הראשון ועל yכעצם הנמצא במקום השני. כלומר בניגוד לקבוצות שבהן } ,{x, y} = {y, xעבור זוג סדור מתקיים .hx, yi6=hy, xi תכונת הזוג הסדור :אם x, y, u, vהם עצמים המקיימים hx, yi = hu, viאזי מתקיים x = uוגם .y = v מבחינתנו זוג סדור הוא זוג המקיים את תכונת הזוג הסדור .לכן ניתן להגדיר את פעולת הזוג הסדור מן הפעולות שכבר יש בידינו: הגדרהhx, yi = {{x} , {x, y}} : משפט :אם x, y, u, vהם עצמים כך ש hx, yi = hu, vi-אז x = uוגם .y = vכלומר הגדרה זו מקיימת את תכונת הזוג הסדור. מבחינת התכלית שמעניינת אותנו ,אפשר להחליף את ההגדרה הזו בכל הגדרה אחרת של הפעולה hx, yiהמקיימת את תכונת הזוג הסדור. 3.3 מושג היחס )הדו־מקומי( יחס הוא מחלקה של זוגות איברים .אם Rהוא יחס כלשהו ,אז שני עצמים x, yיכולים להיות או לא להיות ביחס .R נכתוב xRyכשנרצה לומר כי xנמצא ביחס Rל .y-כלומר הזוג .hx, yi ∈ R נגדיר את מושג היחס באמצעות הכלים שברשותנו כך: 11 הגדרות: .1יחס הוא מחלקה שכל איבריה זוגות סדורים .מחלקה זאת יכולה להיות קבוצה ,ואז היחס הוא עצם מתמטי. .2נסמן xRyכאשר .hx, yi ∈ R .3תחום היחס ,Rהמסומן ב Dom (R)-הוא המחלקה }קיים yכך ש{x | - .xRy Rהוא המחלקה }קיים xכך ש{y | - .4טווח היחס ,Rהמסומן בּ ange (R)- .xRy ההגדרה התיקנית של יחס :תהי ) Φ (x, yתבנית פסוק האומרת משהו על xו ,y-אז המחלקה }קיימים x, yכך ש {hx, yi |Φ (x, y)-היא היחס Rכך שלכל x, yקיים xRyאמ"מ מתקיים ).Φ (x, y את היחס הזה נכתוב כ {hx, yi | Φ (x, y)}-ולהגדרה כזאת של Rנקרא ההגדרה התיקנית של היחס. הגדרה A × B :הוא היחס }.{hx, yi | x ∈ A , y ∈ B טענה :אם A, Bקבוצות אז גם A × Bהיא קבוצה. מזה נובע שאם A, Bקבוצות ו R-הוא יחס כך ש Dom (R) ⊆ A-וRange (R) ⊆ - ,Bאז גם Rהוא קבוצה. הוכחה :באופן כללי ,יהיו x, y ∈ Cל C-קבוצה .נסיק: {x} , {x, y} ⊆ C ⇓ ){x} , {x, y} ∈ P (C ⇓ )hx, yi = {{x} , {x, y}} ⊆ P (C ⇓ ))hx, yi ∈ P (P (C לכן לכל hx, yi ∈ A × Bמתקיים x, y ∈ A ∪ Bולכן )),hx, yi ∈ P (P (A ∪ B ולכן: ))A × B ⊆ P (P (A ∪ B מכיוון ש A, B-קבוצות אז אגף ימין הוא קבוצה ,ולכן A × Bשהיא מחלקה חלקית לה ,גם היא קבוצה . הגדרה :יחס Rנקרא יחס על מחלקה ,Aאם הוא קיים רק בין איברים של ,Aכלומר אם .R ⊆ A × A 12 הגדרה :יחס Rנקרא יחס שקילות על מחלקה Aאם הוא מקיים את התנאים הבאים: .1רפלקסיביות :לכל x ∈ Aמתקיים .xRx .2סימטריות :לכל ,x, y ∈ Aאם xRyאז גם .yRx .3טרנזיטיביות :לכל ,x, y, z ∈ Aאם xRyו yRz-אז גם .xRz הגדרה :מחלקה Pשל קבוצות חלקיות למחלקה Aנקראת חלוקה של Aאם היא מקיימת את התנאים הבאים: ∈ ∅ ,כלומר כל קבוצה ב P -אינה ריקה. / P .1 .2כל איבר של Aנמצא בקבוצה יחידה של .P את דרישת היחידות אפשר לנסח גם כך :לכל שני איברים B, Cשונים של Pהם זרים ,כלומר ∅ = .B ∩ C הגדרה :אם Rיחס שקילות על מחלקה ,Aאז לכל z ∈ Aהמחלקה }D = {x ∈ A | zRx נקראת מחלקת השקילות של zביחס .R משפט: .1אם ּ Rיחס שקילות על קבוצה ,Aאז קבוצת מחלקות השקילות של R )כלומר מחלקות השקילות של איברי Aביחס (Rהיא חלוקה של .A .2אם Pהיא חלוקה של מחלקה ,Aאז היחס Rהמוגדר ע"י xRyאם xוy- נמצאים באותה קבוצה של ,Pהוא יחס שקילות על .A ובניסוח סימבולי :היחס }) R = {hx, yi | (∃D ∈ P ) (x, y ∈ Dהוא יחס שקילות. הוכחה: .1מחלקת שקילות אינה ריקה ,כי מחלקת השקילות של zמכילה את zכי היחס Rהוא רפלקסיבי. אם zנמצא במחלקת השקילות של uאז קיים zRuוכתוצאה מן הסימטריה והטרנזיטיביות של ,Rהעצמים xהמקיימים xRzהם בדיוק העצמים המקיימים xRuולכן מחלקת השקילות של uשווה למחלקת השקילות של ,xולכן מחלקת השקילות של zהיא מחלקת השקילות היחידה המכילה את .z .2אם x ∈ Aאז xנמצא בקבוצה Dשהיא אחת מקבוצות החלוקה ,Pולכן קיים .xRx אם xRyאז קיימת D ∈ Pכך ש ,x, y ∈ D-ולכן גם .yRx אם xRyו yRz-אז גם xוגם zנמצאים בקבוצת החלוקה Dהמכילה את ) yמכיוון ש P -חלוקה יש רק אחת כזאת( ,ולכן .xRz 13 3.4 מושג הפונקציה פונקציה היא משהו המתאים לעצמים xמסויימים עצמים ,yכך שלכל עצם xמותאם לכל היותר עצם yאחד. אם הפונקציה Fמתאימה עצם ל ,x-אז עצם זה מסומן ב .F (x)-אם הפונקציה F אינה מתאימה עצם ל ,x-אז אנו אומרים שהביטוי ) F (xאינו מוגדר. לאור הכוונה שלנו לנסח מושגים בשפה בכלי תורת הקבוצות הנמצאים כבר ברשותנו, נגדיר את מושג הפונקציה כדלקמן. הגדרות: .1פונקציה היא יחס חד ערכי .כלומר יחס Fכך שלכל ,x, y, zאם xF y ו xF z-אז .y = z .2בהתאם למושג הפונקציה ,אם ) x ∈ Dom (Fאנו מסמנים ב F (x)-את ה y-היחיד המקיים .xF y ∈ xאז אנו אומרים ש F (x)-אינו מוגדר. אם ) / Dom (F .3אנו כותבים ,F : A → Bואומרים גם ש F -היא העתקה מ A-ל ,B-אם F היא פונקציה שתחומה Aוטווחה חלקי ל) B-כלומר לכל x ∈ Aמתקיים .(F (x) ∈ B .4אנו אומרים שהפונקציה Fהיא על מחלקה ,Bאם .Range (F ) = B כלומר אם לכל y ∈ Bמתקיים ) x ∈ Dom (Fכך ש.F (x) = y- .5פונקציה Fנקראת חד־חד ערכית )חח"ע( ,אם לכל ) ,x, y ∈ Dom (Fאם = ) ,F (xובאופן שקול :אם ) F (x) = F (yאז .x = y x 6= yאז )6 F (y .6עבור ) A ⊆ Dom (Fאנו מסמנים ב F [A]-את } ,{F (x) | x ∈ Aשהיא מחלקת הערכים ש F -מקבלת עבור איברי .A הגדרה :תהי Fפונקציה ו .A ⊆ Dom (F )-נסמן ב F A-את הפונקציה Gהמוגדרת ע"י ,Dom (G) = Aולכל x ∈ Aמתקיים ).G (x) = F (x G = F Aנקראת ההגבלה של Fל .A-לפי הגדרה זו מתקיים = ]F [A )Range (F A ההגדרה התיקנית של פונקציה :תהי Aמחלקה ותהי ) Φ (x, yתבנית פסוק ,כך שלכל x ∈ Aישנו בדיוק yאחד המקיים ).Φ (x, y אז היחס }) F = {hx, yi | x ∈ A ∧ Φ (x, yהוא פונקציה המקיימת = ) Dom (F ,Aולכל ,x ∈ Aהאיבר ) F (xהוא ה y-המקיים את התכונה ) ,Φ (x, yוהוא הפונקציה היחידה המקיימת תנאים אלו. בשם הגדרה תיקנית של פונקציה Fנקרא להגדרה מהצורה,Dom(F ) = A : ולכל x ∈ Aמתקיים כי ) F (xהוא ה y-המקיים ).Φ (x, y 14 טענה :תהי Fפונקציה חד־חד ערכית ,אז לכל מחלקה ) ,A ⊆ Dom (Fגם F Aהיא חד־חד ערכית) .ההוכחה מושארת כתרגיל(. הגדרות: .1לכל מחלקה ,Aפונקצית הזהות 1Aעל Aהיא הפונקציה הנתונה ע"י ,Dom (1A ) = Aולכל x ∈ Aמתקיים .1A (x) = x .2אם F : A → Bעל ו G : B → C-על ,אז ההרכבה של פונקציות אלו היא הפונקציה ,GF : A → Cגם היא על ,הנתונה ע"י ,Dom (GF ) = Aולכל x ∈ Aמתקיים )).(GF ) (x) =: G (F (x ההפוכה ,F −1 : B → A .3אם F : A → Bחד חד ערכית ועל ,אז הפונקציה גם היא חח"ע ועל ,היא הפוקציה הנתונה ע"י Dom F −1 = Bולכל y ∈ Bמתקיים כי ) F −1 (yהוא ה x-כך ש.F (x) = y- משפט: 1A .1היא העתקה חד חד ערכית של Aעל .A .2אם F : A → Bעל Bו G : B → C -על ,Cאז GF : A → Cהיא העתקה על .C .3אם F : A → Bו G : B → C-הן חד חד ערכיות ,אז גם GFחד חד ערכית. .4אם Fהיא העתקה חד חד ערכית של Aעל ,Bאז F −1היא העתקה חד חד ערכית של Bעל ,Aומתקיים: F −1 −1 = F F F −1 = 1B F −1 F = 1A הגדרה :אנו אומרים שהפונקציות F, Gמתיישבות אם לכל )x ∈ Dom (F ) ∩ Dom (G מתקיים ).F (x) = G (x למה: .1הפונקציות F, Gמתיישבות אמ"מ F ∪ Gהיא פונקציה. .2אם F, Gפונקציות שתחומיהן זרים )כלומר ∅ = )(Dom (F ) ∩ Dom (G אז הן מתיישבות ו F ∪ G-היא פונקציה. F ∪ G .3היא חד־חד ערכית אמ"מ גם Fוגם Gהן חד־חד ערכיות והטווחים של Fו G-זרים .כלומר ∅ = ).Range (F ) ∩ Range (G S היא פונקציה אמ"מ כל שתי .4תהי Wמחלקה של פונקציות .אז W פונקציות ב W -מתיישבות. 15 הגדרה :לפונקציה aשתחומה הוא קבוצת המספרים הטבעיים נקרא גם בשם סדרה, ואת הערך שלה עבור nנסמן גם ב.an - את הסדרה נכתוב גם כ ,han | n ∈ Ni-ובאופן לא פורמלי גם כ.ha0 , a1 , a2 , . . . i- את טווח הסדרה נכתוב כ ,{an | n ∈ N}-ובאופן לא פורמלי כ.{a0 , a1 , a2 , . . . }- לפי טענה קודמת כל סדרה ,וגם הטווח שלה ,היא קבוצה. אקסיומת ההחלפה :אם Fפונקציה ו ,A ⊆ Dom (F )-אז אם Aקבוצה גם ]F [A קבוצה. באופן שקול :אם ) A = Dom (F Aקבוצה ,אז )F [A] = Range (F A קבוצה. 4 סיכום והרחבת הדיון נאלצנו לוותר על הרעיון הגלום באקסיומות הקיום הבסיסיות ,שכל תכונה קובעת קבוצה. כאן אנו נאלצים להיכנע לעליונותה של הלוגיקה ולהסכים לכך שלא כל תכונה קובעת קבוצה .כך גם אלו המאמינים שאלוהים הוא כל יכול נאלצים להיכנע לכך שאלוהים לא יכול לברוא אבן שהיא כל כך כבדה שהוא אינו יכול להרים אותה .הוויתור שנאלצנו לעשות הוא שמתוך אקסיומות הקיום הבסיסיות אנו מקבלים רק את אלו המתיישבות עם דוקטרינת הגבלת הגודל .מה שמצדיק את הבחירה הזאת אינו בהכרח שיקול רעיוני כלשהו אלא העובדה שבחירה זאת מאפשרת לנו לפתח בלי מגבלות את המתמטיקה המוכרת לנו. כדי להתמודד עם העובדה שלא כל תכונה קובעת קבוצה הבאנו לעולם את מושג המחלקה ,כך שכל תכונה של העצמים המתמטיים קובעת מחלקה .מחלקה אמורה להיות כמו קבוצה ,פרט לכך שאם היא מחלקה ממש היא אינה עצם מתמטי ,ולכן היא אינה יכולה להיות איבר של מחלקה כלשהי ,כי רק עצם מתמטי יכול להיות איבר של מחלקה. כך יצרנו עולם עם שני סוגי עצמים בעלי זכויות שונות .מכיוון שהדמוקרטיה עדיין לא השתלטה על המתמטיקה מצב כזה יתכן ,אבל הוא איננו אסתטי והוא גם מכביד על חקר תורת הקבוצות .לכן הדרך הטובה להתבונן במחלקות היא זאת שהזכרנו בקצרה כשעסקנו במחלקות ,והיא שהמחלקות אינן עצמים כלל אלא הן המצאה שלנו לנוחיות הדיבור .כאשר אנו מדברים על מחלקה Aאנו מתכוונים למחלקה }) {x|Φ(xכלשהי, ואז את מה שאנו אומרים על המחלקה }) {x | Φ (xאנו יכולים להגיד מבלי להזכיר מחלקות כלל. לא ניתן כאן את הדרך המלאה כיצד לפרש כל פסוק המדבר על מחלקות כפסוק המדבר רק על עצמים מתמטיים ,ונסתפק בשתי דוגמאות .הדוגמה הראשונה היא הפסוק .A ∈ z Aמייצגת את המחלקות }) {x | Φ (xולכן עלינו לפרש את הפסוק .{x | Φ (x)} ∈ z הפירוש של פסוק זה הוא הפסוק "קיים איבר yשל הקבוצה zכך ש y-הוא קבוצה 16 שאיבריה הם בדיוק כל העצמים שהם בעלי התכונה ."Φפירוש זה אינו מדבר כלל על מחלקות. הדוגמה השניה היא משפט שהזכרנו האומר שאם המחלקות Aו B-הן קבוצות אז גם A ∪ Bהיא קבוצה A .מייצגת מחלקה }) {x | Φ (xו B-מייצגת מחלקה }).{x | Ψ (x בהתייחס למחלקות אלו ,המשפט אומר שאם }) {x | Φ (xו {x | Ψ (x)}-הן קבוצות ,אז גם }) {x | Φ (x)}∪{x | Ψ (xהיא קבוצה .הפירוש של פסוק זה הוא "אם קיימת קבוצה uשאיבריה הם בדיוק כל העצמים בעלי התכונה Φואם קיימת קבוצה vשאיבריה הם בדיוק כל העצמים בעלי התכונה ,Ψאז קיימת קבוצה wשאיבריה הם בדיוק העצמים שהם בעלי התכונה Φאו בעלי התכונה ".Ψ 17 חלק III קבוצות סופיות ובנות מניה 5 עוצמות סופיות הגדרות: .1אנו אומרים שהקבוצה Aשוות עוצמה לקבוצה ,Bואנו כותבים ,A ≈ B אם קיימת פונקציה F : A → Bשהיא חד־חד ערכית ועל .B יחס זה מאפשר לקבוע מתי שתי קבוצות הן באותו הגודל גם אם הן קבוצות אינסופיות. .2אם Fפונקציה חד־חד ערכית ו A-קבוצה חלקית ל DomF -אז .F [A] ≈ A משפט :יחס שוויון העוצמה ≈ הוא יחס שקילות ,כלומר רפלקסיבי ) 4 ,(A ≈ Aסימטרי )אם 5 (B ≈ A ⇔ A ≈ Bוטרנזיטיבי )אם A ≈ B,B ≈ Cאז 6 .(A ≈ C המספרים הטבעיים :נתייחס למספרים הטבעיים כידועים לנו ,כולל :יחס הסדר הסטנדרטי שלהם ,הוכחה באינדוקציה ,פעולות החשבון בהם ,והגדרת פונקציות עליהם ברקורסיה .בדרך־כךך האותיות k, l, m, nיסמנו מספרים טבעיים. מאוחר יותר נגדיר את המספרים הטבעיים ונטפל לפחות בחלק מן הדברים בהם אנו משתמשים עתה. הגדרות: .Nn = {m | m ∈ N, m < n} .1 .2לכל ,n ∈ Nאומרים כי קבוצה Aהיא בת nאיברים אם .A ≈ Nn .3קבוצה Aנקראת סופית אם היא בת nאיברים ל n ∈ N-כלשהו. .4קבוצה שאינה סופית ,כלומר קבוצה Aכך שלא קיים nהמקיים ,A ≈ Nn נקראת אינסופית. מסקנות: .1אם Aקבוצה בת nאיברים אז קבוצה Bגם היא בת nאיברים אמ"מ .B ≈ A 4נשתמש בפונקציית הזהות. 5נשתמש בפונקציה ההפוכה. 6נשתמש בהרכבת הפונקציות. 18 .2קבוצה שוות עוצמה לקבוצה סופית ,היא סופית. .3קבוצה שוות עוצמה לקבוצה אינסופית גם היא אינסופית. משפט: .1הקבוצה הריקה ∅ היא סופית. ]נשתמש בפונקציה הריקה כדי להגדיר יחס חח"ע ועל בין ∅ לבין ,N0שכן ∅ = }[.N0 = {m|m ∈ N, m < 0 .2אם Aהיא קבוצה בת nאיברים ו ,x 6∈ A-אז } A ∪ {xהיא קבוצה סופית בת n + 1איברים. ]כי אם F : A → Nnחח"ע ועל ,נגדיר פונקציה: F ∪ {hy, ni} : A ∪ {y} → Nn ∪ {n} = Nn+1 וגם היא חח"ע ועל[. .3אם Aהיא קבוצה סופית אז לכל ,xהקבוצה } A ∪ {xהיא סופית. .4קבוצה Aחלקית ל Nn -היא קבוצה בת mאיברים ל m ≤ n-כלשהו. ]באינדוקציה על .nל n + 1-תהי ,B = A ∩ Nnואז A = Bאו } ,A = B ∪ {nואז משתמשים בהנחת האינדוקציה על Bובסעיף [.2 .5קבוצה חלקית לקבוצה סופית היא סופית .קבוצה המקיפה קבוצה אינסופית היא אינסופית. 5.1 עקרון האינדוקציה לקבוצות סופיות תהי Φתכונה ,כך ש: בסיס האינדוקציה :הקבוצה הריקה ∅ היא בעלת התכונה .Φ ∈ ,xאם Aהיא בעלת התכונה Φאז גם וצעד האינדוקציה :לכל קבוצה Aועצם / A } A ∪ {xהיא בעלת התכונה Φ אז מסקנת האינדוקציה :כל קבוצה סופית היא בעלת התכונה .Φ ∈ ,xכי אם x ∈ Aאז A ∪ {x} = A הערה :די להוכיח את צעד האינדוקציה עבור / A ולכן ברור שאם Aבעלת התכונה Φאז גם A ∪ {x} = Aבעלת התכונה .Φ משפט :אם A, Bקבוצות סופיות )לאו דווקא זרות( אז A ∪ Bגם היא סופית. הוכחה :נוכיח באינדוקציה על .A התכונה Φשל Aשאנו עוסקים בה היא" :לכל קבוצה סופית ,Bהקבוצה A ∪ B סופית". 19 בסיס האינדוקציה :ל A = ∅-תכונה זאת מתקיימת כי ,∅ ∪ B = Bוזאת קבוצה סופית מהגדרתה. הנחת האינדוקציה :נניח כי A ∪ Bסופית. צעד האינדוקציה (A ∪ {x}) ∪ B = (A ∪ B) ∪ {x} :סופית ,לפי טענה קודמת. לכן מסקנת האינדוקציה :לכל קבוצות A, Bסופיות A ∪ Bסופית . משפט :תהי Fפונקציה .אם DomFקבוצה סופית אז גם ) Range (Fקבוצה סופית. )ההוכחה מושארת כתרגיל .יש להשתמש באינדוקציה על .(A משפט :תהי Aקבוצה סופית ו B-מחלקה כלשהי ,אז קיימת פונקציה חח"ע F : A → B או שקיימת פונקציה חח"ע .G : B → A הוכחה :באינדוקציה על .A עבור ∅ = Aקיימת הפונקציה הריקה ,F : ∅ → Bשהיא חח"ע. נניח את הטענה עבור Aונוכיח עבור } .A ∪ {xנדון בשני מקרים: אם קיימת G : B → Aחח"ׂע ,אז } G : B → A ∪ {xמקיימת את הנדרש. אם קיימת F : A → Bחח"ע ,אז ייתכנו שתי אפשרויות F -על Bאו Fאינהכזאת. אם Fחח"ע ועל ,אז קיימת F −1 : B → Aשהיא חח"ע ועל ,Aומכיוון ש- } A ⊆ A ∪ {xהפונקציה מקיימת את הנדרש. ∈ .zבמקרה זה אם Fחח"ׂע ואינה על ,Bאז קיימת z ∈ Bכך ש/ Range (F )- נגדיר: F ∪ {hx, zi} : A ∪ {x} → B וקיבלנו פונקציה חח"ע . משפט :לכל nטבעי ,אם A ⊆ Nnאז A ≈ Nmעבור mטבעי כלשהו המקיים .m ≤ n ∈ uמתקיים }A ∪ {u} ≈ B ∪ {v ∈ / A, v למה :אם A ≈ Bאז עבור / B הוכחת הלמה :נניח כי F : A → Bחח"ע ועל .נגדיר את הפונקציה: }F ∪ {hu, vi} : A ∪ {u} → B ∪ {v וניתן לראות שגם היא חח"ע ועל . הוכחה :באינדוקציה על .n אם ,n = 0לכל A ⊆ N0מתקיים ∅ = ,Aולכן .A ≈ N0 נניח את הטענה עבור ,nותהי .A ⊆ Nn+1 20 ∈ nאז A ⊆ Nnומהנחת האינדוקציה קיים m ≤ nובפרט ,m < n + 1 אם / A המקיים .A ≈ Nm אם n ∈ Aאז A\ {n} ⊆ Nnומהנחת האינדוקציה קיים m ≤ nהמקיים .A\ {n} ≈ Nm נוסיף לאגף שמאל את nולאגף ימין את ,mונקבל כי .A ≈ Nm+1 מסקנה :קבוצה חלקית לקבוצה סופית היא קבוצה סופית. הוכחה :תהי Aקבוצה סופית בת nאיברים .משמע ,A ≈ Nnוקיימת F : A → Nn חח"ע ועל. תהי ,B ⊆ Aאזי מתקיים כי ,F [B] ⊆ Nnומהמשפט האחרון נסיק כי ≈ ]F [B Nmעבור m ≤ nכלשהו. לכן קיימת הפונקציה g : F [B] → Nmשהיא חח"ע ועל. לכן קיימות הפונקציות הבאות: ]F B : B → F [B שהיא חח"ע ועל ,מכך ש.A ≈ Nn - G : F [B] → Nm שהיא חח"ע ועל ,מכך ש.F [B] ≈ Nm - נרכיב את הפונקציות ונקבל: G ◦ F B : B → Nm שהיא פונקציה חח"ע ועל . הארה :ניזכר במשפט קודם שהוכחנו כי עבור Aקבוצה סופית ו B-מחלקה כלשהי ,אזי F : A → Bחח"ׂע או G : B → Aחח"ע. נניח שמתקיימת האפשרות השנייה .נשים לב כי ) G : B → Range (Gהיא פונקציה חח"ׂע ועל .ולכן מכך ש A-סופית נובע כי Range (G) ⊆ Aסופית. לכן אפשרות זו קיימת רק כאשר Bקבוצה סופית .אולם אם Bקבוצה אינסופית או מחלקה ממש ,בהכרח מתקיימת האפשרות הראשונה. 5.2 קבוצות חסומות הגדרה :תהי Aקבוצה של מספרים טבעיים A .נקראת חסומה ע"י המספר הטבעי ,m ו m-נקרא חסם של ,Aאם לכל n ∈ Aמתקיים .n ≤ m Aנקראת חסומה אם היא חסומה ע"י מספר טבעי כלשהו. 21 משפט: .1כל קבוצה של מספרים טבעיים החסומה ע"י מספר טבעי nהיא בת m איברים עבור m ≤ n + 1כלשהו. .2כל קבוצה סופית של מספרים טבעיים היא חסומה. .3כל קבוצה לא חסומה של מספרים טבעיים ,ובמיוחד Nעצמה ,היא אינסופית. הוכחה :את הטענה הראשונה הוכחנו לעיל .נוכיח את הטענה השנייה באינדוקציה על הקבוצה. ברור כי ∅ חסומה ,כי לכל ∅ ∈ aמתקיים a ≤ 0באופן ריק. נניח כי Aחסומה .נראה כי } A ∪ {kחסומה. מהנתון כי Aחסומה נובע .A ⊆ Nnאם k ≤ nסיימנו ,ואם k > nאזי A ∪ {k} ⊆ Nk+1וסיימנו . למה :תהי F : A → Bחח"ׂע ועל ,ויהיו ,u ∈ A, v ∈ Bאזי קיימת G : A → Bחח"ע ועל כך ש.G (u) = v- הוכחה :אם ,F (u) = vאז נגדיר G = Fוסיימנו. לכן נניח .F (u) 6= vנגדיר את הפונקציה: )G = F A\ u, F −1 (u )∪ hu, vi , F −1 (v) , F (u מסקנה :לכל זוג קבוצות ) A, Bסופיות או לא( אם z ∈ B ,y ∈ Aו ,A ≈ B-אז }.A\ {y} ≈ B\ {z הוכחה :לפי למה קודמת קיימת העתקה Fחח"ע של Aעל Bכך ש .F (y) = z-ברור כי } F A \ {yהיא העתקה חח"ע של } A \ {yעל } ,B \ {zכנדרש . מסקנה :קבוצה סופית Aאינה שוות־עוצמה לקבוצה חלקית ממש שלה. הוכחה :באינדוקציה על הקבוצה הסופית .A אם ∅ = Aהטענה נכונה באופן ריק כי לקבוצה הריקה אין קבוצות חלקית ממש. ∈ .y נניח עתה כי המשפט מתקיים ל A-ונוכיח אותו ל A ∪ {y}-עבור / A תהי F : A ∪ {y} → Bחח"ע כאשר } .B $ A ∪ {yנדון בשני מקרים. אם y ∈ Bאז לפי למה קודמת מתקיים .A = (A ∪ {y})\{y} ≈ B\{y} ⊆ A} B \ {yחלקית ממש ל ,A-כי אילו B \ {y} = Aאז } B = A ∪ {yבניגוד לכך ש.B & A ∪ {y}- 22 אם כך מצאנו כי } A ≈ B \ {yבסתירה להנחת האינדוקציה. ∈ yאז .B ⊆ Aלפי למה קודמת }).A = (A ∪ {y})\{y} ≈ B\{F (y אם / Bנשים לב כי }) B \{F (yקבוצה חלקית ממש ל A-כי היא אינה מכילה את ),F (y בסתירה להנחת האינדוקציה . מסקנות: .1אם קבוצה היא שוות־עוצמה לקבוצה חלקית ממש שלה ,אז היא אינסופית. .2לכל ,m 6= nמתקיים כי Nnו Nm -אינן שוות עוצמה) .כי אם m < nאז .(Nm & Nn .3כל קבוצה סופית היא בת nאיברים ל n-טבעי יחיד. משפט :אם A, Bקבוצות סופיות ,אז גם A × Bסופית. הוכחה :באינדוקציה על .Bכלומר Aקבוצה סופית קבועה ,והתכונה שנבחן היא תכונה של .B אם ∅ = Bאז ∅ = ,A × Bוהיא סופית. ∈ ,yיש להוכיח כי × A הנחת האינדוקציה היא כי A × Bסופית .יהי / B )} (B ∪ {yסופית .נשים לב שמתקיים: )}A × (B ∪ {y}) = (A × B) ∪ (A × {y } | {z nite נשאר להראות כי } A × {yסופית וממשפט קודם ינבע שהאיחוד סופי. נגדיר פונקציה } F : A → A × {yהמוגדרת .F (x) = hx, yiניתן לבדוק שזו פונקציה חח"ע ועל . 6 קבוצות בנות־מניה הגדרה :קבוצה Aנקראת בת־מניה אם היא שוות עוצמה ל.N- בסימון שהזכרנו אפשר לכתוב כל קבוצה בת מניה כ ,{an | n ∈ N}-ובאופן לא פורמלי כ.{a0 , a1 , a3, . . . }- במובן שנראה מאוחר יותר ,הקבוצות בנות המניה הן הקבוצות האינסופיות הקטנות ביותר. משפט: N .1היא בת־מניה. 23 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 כל קבוצה בת־מניה היא אינסופית. אם Aקבוצה בת־מניה ,אז קבוצה Bהיא בת־מניה אמ"מ היא שוות עוצמה ל.A- לכל n ∈ Nהקבוצה {m | n ≤ m} = N \ Nnהיא בת־מנייה. אם Aקבוצה בת־מניה אז } A ∪ {xבת מניה. איחוד של קבוצה בת־מניה Aוקבוצה סופית Bהוא קבוצה בת־מניה. קבוצת הטבעיים הזוגיים וקבוצת הטבעיים האי־זוגיים הן בנות־מניה. איחוד של שתי קבוצות בנות־מניה זרות הוא קבוצה בת־מניה) .יותר מאוחר נראה שתנאי הזרות מיותר(. הוכחה (6) :נניח כי ∅ = ,A ∩ Bוכן b : Nk → Bחח"ע ועל וגם a : N → Aחח"ע ועל. נגדיר את הפונקציה c : N → A ∪ Bבאופן הבא: ( bn n≤k = cn an+k n > k ניתן לראות כי cפונקציה חח"ע ועל . 6.1 עוצמת קבוצת השלמים Z קבוצת המספרים השלמים Zהיא בת מניה. הוכחה Z :היא איחוד של שתי הקבוצות בנות המנייה N -וקבוצת השלמים השליליים. 6.2 עוצמת הקבוצה N × N N × Nהיא קבוצה בת מניה. הוכחה :נציג את כל איברי N × Nבאופן הבא: h0, 0i h1, 0i h2, 0i . . . h0, 1i h1, 1i h2, 1i . . . h0, 2i h1, 2i h2, 2i . . . ... .. . .. . .. . ספירת איברי N × Nלאורך האלכסונים בשריג הנקודות שהצגנו במישור הקרטזי, ). (k+l+1)(k+l נותנת לנקודה בעלת הקואורדינטות k, lאת המספר 2 בדיקה ישירה מראה שהפונקציה N × Nעל .N )(k+l+1)(k+l 2 24 = ) F (k, lהיא העתקה חח"ע של משפט: .1אם A ≈ Cו B ≈ D-אז .A × B ≈ C × D .2אם Aו B-הן בנות מניה אז A × Bבת מניה. הוכחה (2) :תהי F : N × N → Nחח"ע ועל ,ויהיו G : A → N, H : B → Nחח"ע ועל. נגדיר פונקציה J : A × B → Nשתהיה חח"ע ועל ,באופן הבא: J (a, b) = F (G (a) , H (b)) ∈ N ניתן לוודא שזו פונקציה חח"ע ועל . 6.3 עוצמת קבוצות חלקיות לN- כל B ⊆ Nהיא סופית או בת־מניה. למעשה נסיק יותר מכך ,שכל B ⊆ Nהיא סופית אמ"מ היא חסומה ,והיא בת־מניה אמ"מ היא אינה חסומה. הוכחה :אם Bחסומה אז היא סופית לפי טענה קודמת .נניח כי Bלא חסומה ונוכיח כי היא בת־מניה. נגדיר ברקורסיה פונקציה Fעל Nבאופן הבא: ) F (0הוא האיבר המזערי של ) Bיש כזה כי Bאינה ריקה ,וזאת כי Bלא חסומה(. ) F (n + 1הוא האיבר המזערי של Bהגדול מ) F (n)-יש כזה כי Bאינה חסומה(. קל לראות כי F : N → Bוכן שמתקיים ) F (n) < F (n + 1לפי בחירת הערכים .נותר להוכיח כי Fחח"ע ועל .B נראה כי היא חח"ע :קל לראות כי Fפונקציה עולה ממש ולכן ודאי חח"ע. נראה כי היא על :כדי להוכיח כי Fעל ,Bראשית מוכיחים באינדוקציה על nכי ) n ≤ F (nלכל nטבעי .הדבר נובע מכך שלכל nמתקיים ).F (n) < F (n + 1 יהי k ∈ Bכלשהו ,וככלל מתקיים ) .k ≤ F (kיהי mהמספר המזערי המקיים ) .k ≤ F (mנוכיח כי F (m) = kומכך ינבע כי ) ,k ∈ range (Bכלומר Fעל .B אם m = 0אז מהגדרת Fנובע כי ) F (mהמספר המינימלי ב ,B-ומכך ש- ) B 3 k ≤ F (mנובע כי ) k = F (mוסיימנו. 25 אם 0 < mאז מתקיים ) F (m − 1) < k ≤ F (mלפי בחירת mכאיבר המינימלי המקיים את התכונה הנ"ל. אבל נשים לב שמהגדרת Fנובע כי ) F (mהוא המספר המזערי ב B-שמקיים ) F (m − 1) < F (mולכן בהכרח .F (m) = k מסקנות: .1כל קבוצה חלקית ל N-היא סופית אמ"מ חסומה ,ובת־מניה אמ"מ אינה חסומה. .2קבוצה חלקית של קבוצה בת־מניה היא סופית או בת־מניה. .3אם Aו B-בנות מניה אז A ∪ Bבת־מניה )גם אם אינן זרות(. .4אם A, Bסופיות או בנות־מניה שתיהן ,אז גם A ∪ Bסופית או בת־מניה בהתאמה .אם אחת מהן בת־מניה והאחרת סופית ,אז איחודן בן־מניה. הוכחה A ∪ B (3) :היא האיחוד של הקבוצות הזרות Aו .B \ A-מתקיים כי B \ A סופית או בת־מניה כי היא חלקית ל .B-מטענה שהוכחנו לעיל נובע כי איחוד של שתי קבוצות זרות ובנות־מניה הוא קבוצה בת־מניה. משפט :אם F : N → Aפונקציה על ,אז Aסופית או בת־מניה. הוכחה :נתבונן ביחס Rהמוגדר באמצעות Fכך .F (k) = F (l) ⇔ kRlניתן לראות שזה יחס שקילות המחלק את Nלמחלקות שקילות. נחפש קבוצה ) D ⊆ Nמטענה קודמת Dסופית או בת־מניה( כך שF D :- D → Aתהיה חח"ע ועל ,ומכך נקבל מיד כי Aסופית או בת־מניה. נרצה כי Dתכיל לא יותר מאיבר אחד מכל מחלקה כדי שתהיה חח"ע ,וכן נרצה כי Dתכיל לפחות איבר אחד מכל מחלקה כדי שתהיה על. לכן נגדיר את Dלהיות קבוצת האיברים המינימליים במחלקות השקילות של .R טענה :אם F : A → Bפונקציה על ,ו A-בת־מניה ,אז Bסופית או בת־מניה. הוכחה :נניח כי G : N → Aחח"ע ועל .ניתן לראות שההרכבה מהצורה הבאה נותנת פונקציה על: F G N −→ A −→ B ממשפט קודם נסיק את הנדרש . 26 6.4 עוצמת קבוצת הרציונליים Q משפט :קבוצת המספרים הרציונליים Qהיא בת מניה. הוכחה :תהי F : Q → Z × Nהפונקציה המקיימת שלכל מספר רציונלי ,F (z) = hk, liכאשר ,l 6= 0 ,k ∈ Z, l ∈ Nוכן k, lזרים. k l = zמתקיים Fחח"ע כי k, lזרים ולכן נקבעים ביחידות ,ולכן Qשוות עוצמה ל.Range (F )- נשים לב כי Range (F ) ⊆ Z × Nולכן היא סופית או בת מניה לפי טענות קודמות .מכאן שגם Qכזאת. ברור ש Q-אינה סופית ,למשל כי ,N ⊆ Qולכן Qבת־מניה . n 6.5־יות הגדרה :בשם n־יה או n־יה סדורה ,נקרא לפונקציה שתחומה הוא 7 .N n עבור n־יה ,aנקרא בשם רכיבי הn-־יה לערכים ).a (0) , a (1) , ..., a (n − 1 נסמן אותם גם .a0 , a1 , ..., an−1 n־יה שכל הרכיבים שלה הם איברים של ,Aנקראת n־יה של איברי .A לקבוצה Aנסמן ב An -את קבוצת ה־n־יות של איבריה. הערות: .1מושג ה2-־יה אינו זהה למושג הזוג הסדור ,כי ה2-־יה שרכיביה הם xוy- היא } {h0, xi , h1, yiוהזוג הסדור עם אותם רכיבים הוא .hx, yi עם זאת ה2-־יה ממלאת אחר תכונת הזוג הסדור ולכן היא יכולה לשמש במקום הזוג הסדור ,ומכאן ואילך לא נבחין בין הזוג הסדור hx, yiלבין ה2-־יה }.{h0, xi , h1, yi .2נשים לב שישנה בדיוק 0־יה אחת ,hiוהיא הקבוצה הריקה. .3פעמים רבות לא נבחין בין העצם xלבין ה1-־יה ,hxiלמרות שמדובר בעצמים שונים. הגדרה :סדרה סופית היא n־יה עבור n ∈ Nכלשהו .אורך הסדרה הוא ה n-המתאים. סדרה סופית של איברי Aהיא סדרה סופית שכל רכיביה הם איברי .A הגדרה :לכל פונקציה Fוn-־יה ha0 , ..., an−1 iנסמן ) F (a0 , ..., an−1עבור ).F (ha0 , ..., an−1 i הגדרה :נסמן ב A∗ -את מחלקת כל הסדרות הסופיות של איברי .A 7נזכיר.Nn =: {0, 1, ..., n − 1} : 27 למה :אם A ≈ Bאז לכל n ∈ Nמתקיים .An ≈ B n הוכחה :תהי F : A → Bפונקציה חח"ע ועל .נגדיר פונקציה G : An → B nלהיות: G (ha0 , ..., an−1 i) = hF (a0 ) , ..., F (an−1 )i ניכר מיד שזו פונקציה חח"ע ועל . משפט :אם Aבת־מניה ,אז Anבת־מניה לכל nטבעי חיובי. הוכחה :לצורך הפשטות נדון ב .N-תהי F : N × N → Nפונקציה חח"ע ועל .נגדיר ברקורסיה פונקציה Fn : Nn → Nלהיות: F1 (hki) = k ) Fn+1 (a0 , ..., an ) = F (Fn (a0 , ..., an−1 ) , an ניתן להוכיח באינדוקציה שזו פונקציה חח"ע ועל . משפט :אם Aבת־מניה ,אז ∗ Aבת־מניה. הוכחה :לצורך הפשטות נדון ב .N-נתעלם מה0-־יה ,שכן איחוד של קבוצה בת־מניה עם איבר אחד ,היא קבוצה בת־מניה. נגדיר העתקה חח"ע F ∗ : N∗ → Nומכך ינבע לפי טענה קודמת כי ∗ Nסופית או בת־מניה .ברור כי ∗ Nאינה סופית ולכן היא תהיה בת־מניה. כל ∗ a ∈ Nהוא n־יה של איבר Nעבור 1 ≤ nכלשהו )מתעלמים מה0-־יה(. נגדיר עבורו: ))F ∗ (a) = F (n − 1, Fn (a כאשר F, Fnהן הפונקציות שהגדרנו בהוכחה האחרונה .נשים לב כי ,F ∗ ∈ N ומכך ש F, Fn -חח"עׂ נובע כי גם ∗ Fחח"ע . טענה :אם A ≈ Bאז ∗ .A∗ ≈ B מכאן שאם Aבת־מניה אז ∗ Aבת־מניה. 6.6 עוצמת קבוצת המספרים האלגבריים קבוצת המספרים האלגבריים היא בת מניה. 28 הוכחה :מספר אלגברי הוא שורש של פולינום pעם מקדמים שלמים ממעלה n > 0 כלשהי .ל p-יש לכל היותר nשורשים ,נסמן את מספרם ב.mp - נסדר אותם בסדר שיטתי כלשהו )למשל ,לפי הסדר של הרכיב הממשי שלהם, ואת השורשים עם אותו רכיב ממשי נסדר לפי הרכיב הדמיוני( ותהי fpהפונקציה המעתיקה את קבוצת המספרים } {0, . . . , mp − 1על קבוצת שורשי pלפי הסדר שלהם. תהי Wקבוצת הזוגות ha, kiהיכן ש a-היא סדרה באורך גדול מ 1-של מספרים שלמים ,שרכיבה הראשון אינו 0ו k-מספר טבעי קטן ממספר השורשים של הפולינום שסדרת מקדמיו היא .a תהי Fהפונקציה שתחומה Wושלכל ha, ki ∈ Wמתקיים כי ) F (a, kהוא השורש הk-־י של הפולינום pשסידרת מקדמיו היא .aכלומר ).F (a, k) = fp (k נשים לב כי Fהיא העתקה של Wעל קבוצת המספרים האלגברייםW ⊆ . ,Z∗ × Nהיכן ש Z∗ -היא קבוצת כל הסדרות של המספרים השלמיםZ∗ × N . היא בת מניה ,לפי טענות קודמות. ברור ש W -אינה סופית ולכן Wהיא בת מניה .לפי טענה קודמת קבוצת המספרים האלגבריים היא סופית או בת מניה ,אולם היא אינה סופית כי היא מקיפה את .N 7 סיכום והרחבת הדיון הגדרנו שקבוצה היא סופית אם היא בת nאיברים למספר טבעי nכלשהו ,כלומר אם היא שוות עוצמה לקבוצת המספרים הטבעיים הקטנים מ־ .nישנה גם אפשרות פשוטה להגדרת מושג הקבוצה הסופית ללא תלות במושג המספר הטבעי ,ונראה עתה כיצד לעשות זאת. מטרתנו היא להגדיר שקבוצה Aהיא סופית אם היא מתקבלת מן הקבוצה הריקה ע"י הוספת איבר כל פעם )כולל 0הוספות( .הבעיה היא איך לנסח באופן מתמטי את התכונה האינטואיטיבית "מתקבלת מן הקבוצה הריקה ע"י הוספת איבר כל פעם". תהי Bקבוצה כלשהי של קבוצות חלקיות ל .A-נאמר ש B-היא קבוצה אינדוקטיבית אם הקבוצה הריקה נמצאת ב ,B-ולכל קבוצה Pב B-ולכל איבר xשל ,Aגם }P ∪ {x נמצאת ב־.B קבוצה אינדוקטיבית Bשל קבוצות חלקיות ל A-מכילה ,כמובן ,את כל הקבוצות שאליהן ניתן להגיע מן הקבוצה הריקה ע"י הוספת איבר של Aכל פעם .לכן אם ל A-עצמה אפשר להגיע ע"י הוספת איבר כל פעם ,אז גם Aעצמה נמצאת ב־.B מצד שני ,נסמן ב C-את קבוצת הקבוצות החלקיות ל A-אליהן ניתן להגיע מן הקבוצה הריקה ע"י הוספת איבר כל פעם .ברור ש C-עצמה היא אינדוקטיבית ,ואם Aאינה 29 מתקבלת מן הקבוצה הריקה ע"י הוספת איבר כל פעם אז Aאינה ב־ .Cכך קיבלנו שA- מתקבלת מן הקבוצה הריקה ע"י הוספת איבר כל פעם אמ"מ Aנמצאת בכל קבוצה אינדוקטיבית של קבוצות חלקיות ל.A- התכונה ש A-נמצאת בכל קבוצה אינדוקטיבית של קבוצות חלקיות לה היא תכונה מתמטית מנוסחת היטב ,ונשתמש בה להגדרת הסופיות. הגדרה :קבוצה Bנקראת קבוצה אינדוקטיבית ב A-אם היא קבוצה של קבוצות חלקיות ל ,A-כך ש ,∅ ∈ B-ולכל קבוצה P ∈ Bו P ∪ {x} x ∈ A-נמצאת ב־.B קבוצה Aנקראת סופית אם היא נמצאת בכל קבוצה אינדוקטיבית ב.A- דוגמה לקבוצה שאינה סופית :קבוצת כל הקבוצות החסומות של המספרים הטבעיים היא אינדוקטיבית בקבוצת המספרים הטבעיים ,אבל היא אינה מכילה את .N משפט: .1הקבוצה הריקה ∅ היא סופית. .2אם הקבוצה Aסופית ו y-עצם כלשהו ,אז גם } A ∪ {yסופית. ]רמז :תהי Bקבוצה אינדוקטיבית ב .A ∪ {y}-נסמן ב C-את הקבוצה של אותן קבוצות ב B-שהן חלקיות ל־ .Aמתקיים Cאינדוקטיבית ב A-ולכן [.A ∈ C ⊆ B עקרון האינדוקציה לקבוצות סופיות אם Φהיא תכונה אינדוקטיבית ,כלומר אם ∅ היא בעלת התכונה ,Φולכל קבוצה A ולכל עצם xאם Aהיא בעלת התכונה Φאז גם } A ∪ {xהיא בעלת התכונה ,Φאז כל קבוצה סופית היא בעלת התכונה .Φ ]רמז :לכל קבוצה Aקבוצת כל הקבוצות החלקיות ל A-שהן בעלות התכונה Φהיא קבוצה אינדוקטיבית ב[.A- כעת נוכיח כי מושג הסופיות שהוגדר כאן זהה למושג הסופיות שהוגדר לעיל באמצעות המספרים הטבעיים. ראשית ,נראה כי כל קבוצה סופית ,כפי שהוגדר כאן היא קבוצה בת nאיברים עבור מספר טבעי כלשהו ,ע"י שנראה שהתכונה להיות קבוצה בת nאיברים עבור מספר טבעי nכלשהו היא תכונה אינדוקטיבית. הקבוצה הריקה ∅ היא בת 0איברים .אם קבוצה Aהיא בת nאיברים ,למספר טבעי nאז } A ∪ {xהיא בת n + 1איברים. בכוון ההפוך ,נראה כי כל קבוצה בת nאיברים היא סופית לפי ההגדרה כאן ,ונעשה זאת באינדוקציה על .n 30 קבוצה בת 0איברים היא ∅ ולכן היא סופית .תהי Aקבוצה בת n + 1איברים ,ויהי x איבר כלשהו של .Aאז } A ∪ {xהיא קבוצה בת nאיברים ולכן היא סופית לפי הנחת האינדוקציה. לפי חלק ב' של המשפט דלעיל גם } A = (A \ {x}) ∪ {xסופית. תרגיל :להוכיח בשיטות של הדיון כאן שכל קבוצה חלקית של קבוצה סופית היא סופית, בשתי דרכים :האחת היא ע"י שימוש ישיר בהגדרת הסופיות והשניה באינדוקציה. תכונה של קבוצות אינסופיות מטענה קודמת נובע שאם לקבוצה Aישנה העתקה חד־חד ערכית לקבוצה חלקית ממש שלה ,אז Aהיא אינסופית. האם לכל קבוצה אינסופית Aקיימת העתקה חד־חד ערכית על תת־קבוצה חלקית שלה? בשלב זה איננו יכולים לענות על שאלה זאת ,ומה שאנו יכולים כבר לומר זהו המשפט הבא. משפט :לקבוצה Aישנה העתקה חד־חד ערכית על קבוצה חלקית ממש שלה אמ"מ יש ל A-תת קבוצה בת מניה. ]רמז :תהי Fהעתקה חד־חד ערכית של Aעל קבוצה חלקית ממש שלה .יהי .w ∈ A \ RangeFנגדיר ברקורסיה ,w0 = wולכל nנגדיר אותה להיות ) .wn+1 = F (wn 31 חלק IV השוואת קבוצות • בפרק זה נראה קבוצות אינסופיות שהן גדולות יותר בעוצמתן מן הקבוצות בנות המנייה .הפופולרית ביותר מבין קבוצות אלו היא קבוצת המספרים הממשיים, ונתחיל בהתבוננות בקבוצה זאת. 8 עוצמת המספרים הממשיים משפט :הקבוצות הבאות של מספרים ממשיים שוות עוצמה זו לזו. .1קבוצת המספרים הממשיים .R .2כל הקטעים הפתוחים מהצורה: }(a, b) =: {x ∈ R | a < x < b .3כל הקרניים הפתוחות מהצורה: }(a, ∞) =: {x ∈ R | a < x }(−∞, a) =: {x ∈ R | x < a . .4כל הקטעים הסגורים מהצורה: }[a, b] =: {x ∈ R | a ≤ x ≤ b כאשר a < bממש. .5כל הקרניים הסגורות מהצורה: }[a, ∞) =: {x ∈ R | a ≤ x }(−∞, a] =: {x ∈ R | x ≤ a . 32 .6כל הקטעים החצי־פתוחים מהצורה: }[a, b) =: {x ∈ R | a ≤ x < b }(a, b] =: {x ∈ R | a < x ≤ b הוכחה :נוכיח חלק משוויונות העוצמות הללו. f (x) = c + x−aהמוגבלת ל (a, b)-מעתיקה את ) (a, bעל הפונקציה )b−a (d − c ) .(c, dלכן כל הקטעים מהצורה של 2שווי־עוצמה זה לזה. הפונקציה g (x) = x1 − 1מוגבלת ל (0, 1)-מעתיקה את ) (0, 1על הקרן )∞ .(0, לכן 2שוות־עוצמה ל.3- נבנה משתי פונקציות הדומות ל g-הנ"ל פונקציה המעתיקה את ) (−1, 1על .R לכן 2שוות עוצמה ל.1- הפונקציה hהבאה ,שתחומה ] [−1, 1מעתיקה את ] [−1, 1על ):(−1, 1 ( x }−n |n ∈ N 2 |x| ∈ {2 = )h (x x otherwise לכן 2שוות־עוצמה ל .4- משפט :קבוצת המספרים הממשיים Rאינה בת־מניה. הוכחה :מהמשפט הקודם נובע שמספיק להוכיח שהקטע ) (0, 1אינו קבוצה בת מניה. לשם־כך נוכיח שכל העתקה ) F : N → (0, 1איננה על ) .(0, 1נעשה זאת בכך שנבנה לכל העתקה Fכזאת מספר ממשי 0 < b < 1כלשהו ,שאינו בטווח .F תהי ) F : N → (0, 1העתקה כנ"ל .לכל nתהי 0.an,0 an,1 ...ההצגה של ) F (n) ∈ (0, 1כשבר עשרוני אינסופי. נבנה מספר ) b ∈ (0, 1באמצעות הצגה העשרונית 0.b1 b2 ...כך שנבטיח שהוא יהיה שונה מכל המספרים .F (0) , F (1) , ...נעשה זאת באופן הבא: כדי ש b-יהיה שונה מ F (n)-נבחר את הסיפרה bnכך שהיא תהיה שונה מן הסיפרה an,nהנמצאת באותו מקום בהצגת ).F (n את הסיפרה bnנבחר כסיפרה בין 1ל 8-שהיא an,n + 1או .an,n − 1כך ההצגה העשרונית של bשונה מכל ההצגות העשרוניות של .F (0) , F (1) , . . . 33 הטבלה הבאה ממחישה את בחירת הספרות בייצוג העשרוני של .bנניח שנתון כל טווח הפונקציה באופן הבא: ... ... ... ... ... ... a0,4 a1,4 a2,4 a3,4 a4,4 .. . a0,3 a1,3 a2,3 a3,3 a4,3 .. . a0,2 a1,2 a2,2 a3,2 a4,2 .. . a0,1 a1,1 a2,1 a3,1 a4,1 .. . a0,0 a1,0 a2,0 a3,0 a4,0 .. . 0. 0. 0. 0. 0. .. . = )(0 = )(1 = )(2 = )(3 = )(4 .. . F F F F F bיהיה המספר שבייצוג העשרוני שלו b = 0.b0 b1 b2 ...מתקיים bn 6= annלכל nטבעי .כלומר הספרות שמופיעות באלכסון המרכזי נפסלות מלהופיע בייצוג העשרוני של .b מכיוון שהספרות 0, 9אינן מופיעות בהצגה של ,bהרי ש b-מקיים 0 < b < 1ולb- ישנה הצגה יחידה כשבר עשרוני אינסופי )למספרים שיש להם שתי הצגות כשבר עשרוני אינסופי מופיעה בהצגה אחת הסיפרה 9בכל מקום ממקום מסויים ואילך, ובשניה מופיעה הסיפרה 0ממקום מסויים ואילך( .לכן המצב של b-ול F (n)-יש ספרות שונות במקום המתאים ל n-מבטיח ש b 6= F (n)-לכל .n ∈ N שיטת הבניה של bנקראת שיטת האלכסון כי אנו בונים את bע"י שאנו הולכים לאורך האלכסון בהצגה שלעיל ובוחרים בכל מקום סיפרה השונה מן הסיפרה שהאלכסון עובר דרכה. • ראינו זה עתה שקבוצת המספרים הממשיים גדולה בעוצמתה מן הקבוצות בנות המניה .נראה עתה דרך לקבל מכל קבוצה Aקבוצה הגדולה בעוצמתה מ.A- 9 השוואת קבוצות הגדרות :יהיו A, Bקבוצות. .1נסמן A Bאם קיימת F : A → Bחד־חד ערכית .במקרה זה אומרים ש A-קטנה או שווה בעוצמתה מ ,B-וש B-גדולה או שווה בעוצמתה מ.A- .2נסמן A ≺ Bאם A Bוגם .A 6≈ Bבמקרה זה אומרים ש A-קטנה בעוצמתה מ ,B-וש B-גדולה בעוצמתה מ.A- הערה :מכיוון ש N ⊆ R-וגם ,N 6≈ Rאז .N ≺ R טענה: 34 A B .1אמ"מ ישנה C ⊆ Bכך ש.A ≈ C- ]הוכחה :אם A Bאז יש F : A → Bחח"ע .מתקיים כי הקבוצה Range (F ) ⊆ Bמקיימת ).A ≈ range (G אם יש C ⊆ Bכך ש ,A ≈ C-אז קיימת F : A → Cחח"ע ועל ,ובפרט F : A → Bחח"ע[. .2אם A ⊆ Bאז ) A Bעל־ידי פונקציית הזהות ,למשל( ,ולכן תמיד .A Aמכאן שהיחס רפלקסיבי. .3אם A ≈ Bאז ,A 6≺ Bולכן תמיד .A 6≺ Aמכאן שהיחס ≺ אי־רפלקסיבי. .4היחס הוא טרנזיטיבי :אם A Bו B C-אז .A C ]כי הרכבת פונקציות חח"ע נותנת פונקציה חח"ע[. .5נניח כי A0 ≈ Aו .B 0 ≈ B-אם A Bאז ,A0 B 0ואם A ≺ Bאז .A0 ≺ B 0 טענה: .1אם Bסופית ו ,A B-אז גם Aסופית. ]לפי מה שהראינו כי A Bאמ"מ קיימת C ⊆ Bכך ש[.A ≈ C- .2אם Aאינסופית ו A B-אז גם Bאינסופית. .3לכל m, n ∈ Nמתקיים Nm Nnאמ"מ .m ≤ n .4לכל n ∈ Nמתקיים .Nn ≺ N אקסיומת קבוצת החזקה :לכל קבוצה Aקיימת קבוצה המכילה את כל הקבוצות החלקיות ל) A-במילים אחרות :מחלקת הקבוצות החלקיות ל A-היא קבוצה(. הגדרה :קבוצת כל הקבוצות החלקיות ל A-נקראת קבוצת החזקה של ) Aנראה מאוחר יותר מהיכן בא שם זה( ואנו מסמנים אותה ב.P (A)- הערה :אקסיומת קבוצת החזקה שייכת לקבוצת אקסיומות הקיום הבסיסיות ) .(2היא נכנסת תחת המטריה של דוקטרינת הגבלת הגודל ,כי במובן מסויים אפשר לומר שהקבוצה ) P (Aאינה גדולה "מדי" בהשוואה ל.A- עם זאת כדאי לשים לב שכאן אנחנו מתחככים בגבול של דוקטרינה זאת ,וכדי להבין את זה די לנו להתבונן בקבוצות הסופיות .קל להוכיח כי אם Aקבוצה סופית בת n איברים אז ) P (Aהיא קבוצה בת 2nאיברים. בעובדה ש 2n -הוא הרבה יותר גדול מ ,n-נוכח השח הפרסי כאשר ממציא משחק השחמט ביקש ממנו ,כשכר המצאתו ,לשים במשבצת הראשונה של לוח השחמט גרגיר חיטה אחד ,ובכל משבצת שאחריה גרגירים במספר כפול ממספר הגרגירים במשבצת שלפניה. 35 9.1 משפט קנטור לכל קבוצה Aמתקיים ) A ≺ P (Aממש. הוכחה :ברור כי הפונקציה ) G : A → P (Aהמוגדרת על־ידי } G (x) = {xהיא העתקה חד־חד ערכית של Aלתוך ) .P (Aנראה שלא קיימת העתקה כנ"ל שתהיה על ).P (A כמו בטכניקה הלכסון ששימשה להוכחה שקבוצת המספרים הממשיים Rאינה בת־מניה ,גם כאן נצביע על פעולה היוצרת מכל העתקה ) F : A → P (Aאיבר ) u ∈ P (Aשאינו בטווח .F ∈ B =: {x ∈ A | x בהינתן ) ,F : A → P (Aנגדיר תת־קבוצה של Aלהיות ∈ })/ F (x ∈ Bולכן Fאינה על ).P (A ) .P (Aנוכיח כי ) / Range (F נניח בשלילה כי קיים w ∈ Aכך ש .B = F (w)-נבדוק האם ).w ∈ F (w ∈ .w ∈ ,wולכן )/ F (w אם ) ,w ∈ F (wאז לפי הגדרת Bמתקיים )/ B = F (w ∈ wאז לפי הגדרת Bמתקיים ) ,w ∈ B = F (wולכן ).w ∈ F (w אם )/ F (w ∈ ,wוזו סתירה . קיבלנו כי ) w ∈ F (wאמ"מ )/ F (w מסקנה :לכל mטבעי מתקיים: [ ≺ N ≺ P (N) ≺ P 2 (N) ≺ ... ≺ pm (N) ≺ ... )P k (N k∈N 9.2 משפט קנטור־ברנשטיין אנו עוסקים עתה בהשוואת קבוצות ,ולעיל אמרנו שאם A ≺ Bאומרים ש A-קטנה מ .B-השאלה בה עוסק המשפט שלפנינו היא האם יתכן שבאותו זמן גם B ≺ A וגם ,A ≺ Bכלומר גם Aקטנה מ B-וגם Bקטנה מ־ .Aזה כמובן איננו מה שאנו מתכוונים לו במונח "השוואה" .המשפט הבא מבטיח לנו שמצב זה אינו אפשרי. משפט :אם A Bוגם ,B Aאז .A ≈ B הוכחה :תהיינה F : A → Bו G : B → A-פונקציות חד־חד ערכיות .מצב המתואר בציור הבא: 36 מכיוון ש F -ו G-חד־חד ערכיות ,גם ההרכבה שלהן GFחד־חד ערכית ,ולכן: ]) A ≈ Range (F ) ≈ Range (GF ) = G [Range (F כמו־כן נשים לב כי מכיוון ש Range (F ) ⊆ B-אז מתקיים ⊆ )G [Range (F )] ⊆ Range (G .A נשים לב כי משתי תובנות אלה נובע כי בשלשה זאת ,הקבוצות הקיצוניות ]) G [Range (F ו A-שוות־עוצמה. אם נוכיח שקבוצת הביניים ) Range (Gשוות־עוצמה לשתי קבוצות אלו )ובפרט ל(A- נסיים ,כי ) Range (G) ≈ Bכי Gחד־חד ערכית( ונוכל להסיק כי .A ≈ B נוכיח טענה זו באופן כללי במשפט הבא. 9.3 למת הסנדוויץ' תהיינה A, B, Cקבוצות כך ש C ⊆ B ⊆ A-וכן ,C ≈ Aאז גם .B ≈ A הוכחה ראשונה :תהי F : A → C ⊆ Bהעתקה חד־חד ערכית ועל .נגדיר עתה העתקה G : A → Bחד־חד ערכית ועל. הרעיון של בניית Gהוא שנצא מפונקצית הזהות ,B : B → Bונגדיל את תחומה ל A-ע"י הוספת הקבוצה A \ Bלתחום מבלי לשנות את הטווח .B נתבונן על Bכעל מלון בו כל דייר גר בחדרו .כלומר כל דייר x ∈ Bמשוכן בחדר ) xפונקציית הזהות(. כעת מגיעה למלון קבוצת האורחים A \ Bשנסמנה ב .P0 -למען האורחים האלו אנו מוכנים להוציא דיירים מחדריהם אם צריך ,ומשכנים את האורחים במלון לפי הפונקציה .Fכלומר כל אורח חדש x ∈ A\Bמשוכן במקום ה.F (x)- 37 קבוצת החדרים שאליהם נכנסו אורחים אלו היא ] ,F [A \ B] = F [P0ונסמנה ב.P1 - הדיירים שהיו קודם בחדרים אלו נשארו ללא מחסה ,ולכן נשתמש בפונקציה F כדי לשכנם והם יעברו לקבוצת החדרים ] F [P1שנסמנה ב.P2 - וכך לכל מספר טבעי nמגדירים ] .Pn+1 = F [Pn לכל דייר נמצא מקום כי לכל ,nהדיירים הקודמים של Pnשוכנו כולם ב.Pn+1 - תהי Pהקבוצה שהיא האיחוד של כל הקבוצות .Pnכך כל אורח ודייר xבקבוצה Pשוכן בחדר ) ,F (xוכל יתר הדיירים נשארו במקומם .הפונקציה Gהמבוקשת מתוארת בשרטוט הבא: נבטא באופן פורמלי את ההתאמה שתיארנו. נתון שקיימת F : A → Cחח"ע ועל .מגדירים באופן רקורסיבי: [ = P0 = A\B Pn+1 = F [Pn ] P Pj j∈N מייצרים את ההתאמה מהצורה G : A → Bהמוגדרת להיות: ( x x ∈ A\P = )G (x )F (x x∈P נותר להוכיח כי Gחח"ע ועל .B 38 • נוכיח כי Gחד־חד ערכית :יהיו .x 6= y ,x, y ∈ A אם x, y ∈ Pאז ) G (x) = F (x) 6= F (y) = G (yכי Fחד־חדערכית. אם x, y ∈ A \ Pאז ).G (x) = x 6= y = G (y אם ,ללא הגבלת הכלליות x ∈ P ,ו ,y ∈ A \ P -אז G (x) = F (x) ∈ Pו ,G (y) = y ∈ A \ P -ולכן ).G (x) 6= G (y • נוכיח כי Gעל :Bיהי .y ∈ B ⊆ A אם y ∈ Pאז ] y ∈ Pn = F [Pn−1עבור 0 < nכלשהו ,ומכאן כי) y = F (xעבור x ∈ Pn−1מסויים כי Fעל ,ולכן ).y = G (x ∈ yאז y ∈ A \ Pומתקיים ) .y = G (y אם / Pהוכחה שנייה :הוכחה זאת דומה להוכחה הראשונה אבל היא אינה משתמשת במספרים הטבעיים. נשים לב שהקבוצה Pשהוגדרה בהוכחה הראשונה מקיפה את ,A\Bוהיא סגורה תחת .Fכלומר אם x ∈ Pאז גם .F (x) ∈ P ברור גם כי כל קבוצה Q ⊆ Aהמקיפה את A \ Bוסגורה תחת Fמקיפה את כל הPn‘ -־ים ,ולכן גם את .Pלכן בהוכחה הנוכחית נגדיר ישירות את ַ Pכקבוצה החלקית ל A-ה"מזערית" המקיפה את A \ Bוהסגורה תחת .F תהי Wקבוצת כל הקבוצות Qהמקיימות Q ⊇ A \ Bוהסגורות תחת .F מתקיים כי Wאינה ריקה כי .A ∈ W T תהי .P = Wברור כי P ⊇ A \ Bוכי Pסגורה תחת .Fנגדיר את Gכמו בהגדרה הראשונה. ההוכחה ש G-היא העתקה חד־חד ערכית של Aעל Bשונה ממה שנעשה בהוכחה הראשונה רק בפרט הבא: יהי y ∈ Bו y ∈ P -ועלינו להראות ש y = F (x)-עבור x ∈ Pמסויים .נניח שלא ואז גם הקבוצה } P \ {yמקיפה את A \ Bוהיא סגורה תחת ,Fבסתירה לכך שכל קבוצה בעלת תכונות אלו מקיפה את .P מסקנה :אם A B ≺ Cאו ,A ≺ B Cאז .A ≺ C הוכחה :נניח בשלילה .A ≈ Cנקבל כי A B ≺ C ≈ Aולפי משפט קנטור־ברנשטיין מתקיים ,B ≈ A ≈ Cוזו סתירה לנתון . 9.4 הקבוצה B A הגדרה :נסמן ב־ A Bאת קבוצת כל הפונקציות מ A-ל.B- תרגיל: 39 .1אם A Bאז ) .P (A) P (Bאם A ≈ Bאז ).P (A) ≈ P (B .2אם A Cו B D-אז .A B C Dאם A ≈ Cו B ≈ D-אז .A B ≈C D הגדרה :הפונקציה האופיינית של B ⊆ Aביחס ל ,A-היא פונקציה מהצורה → †B : A } {T, Fעבור שני עצמים שונים T, Fכלשהם ,המוגדרת להיות: ( T x∈B = )†B (x ∈F x /B משפט :לכל קבוצה Aולכל שני עצמים שונים T, Fמתקיים } .P (A) ≈ A {T, F הוכחה :עבור כל ) B ∈ P (Aנתונה הפונקציה האופיינית .†B נגדיר פונקציה } H : P (A) → A {T, Fלהיות ,H (B) = †Bונראה כי היא העתקה חד־חד ערכית של ) P (Aעל } .A {T, F Hחח"ע :לכל B, C ⊆ Aכאשר ,B 6= Cקיים ללא הגבלת הכלליות .y ∈ B \ C לכן מתקיים ) †B (y) = T 6= F = †C (yולכן ).H (B) = †B 6= †C = H (C Hעל } :A {T, Fתהי } g ∈ A {T, Fנגדיר .B = {x ∈ A | g (x) = T } ⊆ A עבור כל ,x ∈ Aאם g (x) = Tאז ,x ∈ Bולכן ) ,†B (x) = T = g (xואם g (x) = Fאז x 6∈ Bולכן ).†B (x) = F = g (x מכאן נסיק כי ) ,g = †B = H (Bכלומר gבטווח של .H משפטR ≈ P (N) : הוכחה :נשתמש במשפט קנטור־ברנשטיין. • הכיוון ) :R P (Nנוכיח כי ) R P (Qכאשר Qהיא קבוצת הרציונליים. הוכחנו כי ,N ≈ Qוכן ניתן כתרגיל להוכיח כי שוויון העוצמות הנ"ל גורר ) ,P (Q) ≈ P (Nולכן הטענה הנ"ל תספיק. נגדיר ) F : R → P (Qעל־ידי ).F (x) = {r ∈ Q | r < x} ∈ P (Q מכיוון שבין כל שני ממשיים שונים יש מספר רציונלי F ,היא חד־חד ערכית, ולכן נקבל ).R P (Q) ≈ P (N • הכיוון :P (N) Rתהיינה k, lשתי ספרות שונות מבין הספרות .1, ..., 8 לפי טענה קודמת } P (Q) ≈ Q {k, l} ≈ N {k, lולכן די להוכיח }N {k, l .R N נגדיר פונקציה G : {k, l} → [0, 1] ≈ Rבאמצעות התאמת כל פונקציה } g ∈ N {k, lלמספר הממשי שמיוצג עשרונית על־ידי .0.g (0) g (1) g (2) ... 40 נשים לב שהצגת מספר ממשי כשבר עשרוני אינסופי היא יחידה ,פרט למקרה בו יש למספר ממשי שתי הצגות כאלו :באחת מופיע 0ממקום מסויים ואילך = }{k, l ובשניה מופיע 9ממקום מסויים ואילך .מכיוון שכאן בחרנו }6 {0, 9 זה לא יכול לקרות עבור ערכי ,Gולכן Gחח"ע . 10 סיכום והרחבת הדיון עסקנו עד כה בדי הרבה קבוצות והסתפקנו באמירה שאלו הן קבוצות .אמנם לא נעשה נזק והלכנו בדרך סלולה ,אבל כדאי לראות כיצד מוכיחים שאלו הן באמת קבוצות. לשם כך נשתמש ,בנוסף על האקסיומות שראינו בפרק א' באקסיומת קבוצת החזקה ובקבוצת האקסיומות הבאה: אקסיומת ההחלפה :תהי Fפונקציה .אם DomFקבוצה אז גם RangeFקבוצה. מדובר כאן על אקסיומות ולא על אקסיומה אחת ,כי ישנה כאן אקסיומה נפרדת לכל מחלקה Fהנתונה כ.{x | Φ (x)}- אקסיומות אלו תואמות לגמרי את דוקטרינת הגבלת הגודל כי אינטואיטיבית ,המחלקה RangeFאיננה גדולה יותר מ־ .DomF אקסיומות אלו נקראות אקסיומות ההחלפה כי הן אומרות שאם אנחנו יוצאים מקבוצה ,Aשהיא התחום של פונקציה ,Fומחליפים כל איבר xשלה בעצם ) F (xהמחלקה RangeFהמתקבלת היא קבוצה. תחילה נראה מה אנו יכולים להוכיח בעזרת אקסיומת קבוצת החזקה .נזכור שהגדרנו את הזוג הסדור hu, viכקבוצה }} ,{{u} , {u, vלכן אם Aהיא קבוצה אז המחלקה ,A × A שהיא מחלקת כל הזוגות הסדורים של איברי ,Aהיא מחלקה חלקית ל ,P (P (A))-ולכן, לפי אקסיומת ההפרדה ,היא קבוצה. כל יחס Rעל ,Aכלומר יחס Rשהתחום והטווח שלו חלקיים ל ,Aְֵ-הוא מחלקה חלקית ל A × A-ולכן גם הוא קבוצה .הוכחנו כי אם Aו B-הן קבוצות אז גם A ∪ Bקבוצה, ולכן גם A × Bהחלקית ל (A ∪ B) × (A ∪ B)-היא קבוצה. כל פונקציה מ A-ל B-היא קבוצה חלקית ל ,A × B-ולכן היא קבוצה .המחלקה המוגדרת לעיל היא לכן חלקית ל P (A × B)-והיא קבוצה. AB בהגדרות המקובלות של המספרים השלמים ,הרציונליים והממשיים בתורת הקבוצות, אפשר להוכיח ,ע"י שימוש באקסיומות של פרק א' ובאקסיומת קבוצת החזקה ,כי קבוצות אלו הן אמנם קבוצות. למה שעשינו כאן עד כה ישנם שני חסרונות .הראשון הוא שהשתמשנו בקלות דעת באקסיומת קבוצת החזקה ,שהיא נשק יום הדין ,לקבלת מסקנות די צמחוניות. 41 החסרון השני שהסתמכנו ללא צורך על הדרך בה הגדרנו את המושגים השונים .כבר עבור הזוג הסדור השתמשנו בכך שהוא הוגדר כ ,{{u} , {u, v}}-למרות שאפשר להגדיר מושג זה גם בכל דרך שתקיים את תכונת הזוג הסדור. לקבוצות של המספרים השלמים ,הרציונליים והממשיים בוודאי היינו צריכים להסתמך על הגדרות מסויימות שלהם בתורת הקבוצות. נסקור עתה כיצד אפשר לעשות את כל מה שעשינו לעיל מבלי להסתמך על ההגדרות המסויימות של הזוג הסדור וקבוצות המספרים השונות ,תוך שימוש באקסומות ההחלפה, ושימוש באקסיומת קבוצת החזקה רק היכן שהדבר חיוני. תהי Aקבוצה ,ויהי .y ∈ Aתהי Fyהפונקציה על Aהמוגדרת ע"י Fy (x) = hx, yi לכל .x ∈ A לפי אקסיומת ההחלפה המחלקה Ay = {hx, yi | x ∈ A} = RangeFyהיא קבוצה. על־ידי .G (y) = Ayלפי אקסיומת ההחלפה תהי Gהפונקציה על Aהמוגדרת S RangeGהיא קבוצה ,ולכן A × A = RangeGהיא קבוצה .לכן גם ⊆ A × B ) (A ∪ B) × (A ∪ Bהיא קבוצה. טווח הפונקציה Fעל Nהנתונה ע"י F (n) = −nלכל ,n ∈ Nהיא מחלקת המספרים האי־חיוביים ,ולכן לפי אקסיומת ההחלפה היא קבוצה ,והאיחוד שלה עם ,Nשהוא מחלקת המספרים השלמים ,הוא קבוצה. כדי לקבל שמחלקת המספרים הרציונליים היא קבוצה ,מראים תחילה שלכל n ∈ N Sהוא ,nהיא המחלקה Qnשל המספרים הרציונליים שהמכנה שלהם בהצגה המצומצמת קבוצה .אז מראים שמחלקת המספרים הרציונליים היא } ,Q = {Qn | n ∈ Nולכן היא קבוצה. לפי אקסיומת קבוצת החזקה המחלקה ) P (Qהיא קבוצה .תהי ) W ⊆ P (Qקבוצת הקבוצות B ⊆ Qשהן לא ריקות וחסומות .תהי Hהפונקציה שתחומה Wולכל B ∈ Wמתקיים ׁ .H (B) = sup Bלכן מחלקת המספרים הממשיים R = RangeH היא קבוצה. 42 חלק V העוצמות 11 יחס סדר חלקי נגדיר עתה שני מושגים שונים זה מזה של יחס סדר חלקי ,האחד במובן של "קטן או שווה" והשני במובן של "קטן" ,ולשני מושגים אלו נקרא "סדר חלקי". זה לא יוצר בעיה כי שני המושגים הללו קשורים מאוד אחד בחברו ,ובכל פעם שנשתמש בהם יהיה ברור לגמרי לאיזה מושג אנו מתכוונים. הגדרה :יחס ≤ על מחלקה ,Aכלומר יחס חלקי ל ,A × A-נקרא יחס סדר חלקי )במובן "קטן או שווה"( על Aאם הוא מקיים את התנאים הבאים: .1רפלקסיביות :לכל x ∈ Aמתקיים x ≤ x .2אנטי־סימטריה :לכל x, y ∈ Aאם x ≤ yוגם y ≤ xאז .x = y .3טרנזיטיביות :לכל x, y, z ∈ Aאם x ≤ yוגם y ≤ zאז .x ≤ z הגדרה :יחס < על מחלקה Aכלומר יחס חלקי ל ,A × A-נקרא יחס סדר חלקי )במובן "קטן"( על Aאם הוא מקיים את התנאים הבאים: .1אי־רפלקסיביות :לכל x ∈ Aמתקיים .x 6< x .2טרנזיטיביות :לכל x, y, z ∈ Aאם x < yוגם y < zאז .x < z ומשני תנאים אלו נובע כי קיים גם: .3א־סימטריה :לכל x, y ∈ Aלא יתכן שקיים גם x < yוגם ] .y < xכי אם x < y < xאז לפי ב' ,x < xבסתירה ל-א'[. למה: .1אם ≤ יחס סדר חלקי על ,Aאז היחס < על Aהמוגדר ע"י x < yאם = xהוא יחס סדר חלקי על .A x ≤ yוגם 6 y .2אם < יחס סדר חלקי על Aאז היחס ≤ על Aהמוגדר ע"י x ≤ yאם x < yאו x = yהוא יחס סדר חלקי על .A דוגמאות :היחס ⊆ בין קבוצות .היחס " mמחלק את "nבין המספרים הטבעיים. 43 12 עוצמה/מונה הרעיון הבסיסי הוא למצוא "מספר" לכל קבוצה ,ולא רק לקבוצות הסופיות שעבורן כבר יש לנו מספרים טבעיים .כמובן נרצה שלשתי קבוצות שוות עוצמה יהיה אותו מספר, ולקבוצות שאינן שוות עוצמה צריכים להיות מספרים שונים. אקסיומה :1נסמן את המספר של קבוצה ,Aשנקרא לו העוצמה של Aב ,|A|-ואת הדרישות שהזכרנו זה עתה נבטא: |A| = |B| ⇐⇒ A ≈ B בהינתן קבוצה ,Aנסמן ב ΦA (x)-את התכונה שהקבוצה xשוות עוצמה ל.A- לתכונה זאת מתאימה כמובן המחלקה }.{x | x ≈ A לפני שהיה ידוע על האנטינומיה של ראסל ,מחלקה זו נחשבה לקבוצה ולכן היה אפשר להגדיר את | |Aכקבוצה זאת ,והגדרה זאת בוודאי מקיימת את הדרישה שהזכרנו .כך אכן עשה Fregeבשנת .1884אולם כעת שאנו יודעים שלפי הגדרה זאת | |Aהיא מחלקה ,וקל להוכיח שזאת מחלקה ממש ,היא אינה עונה על מטרתנו שהעוצמה של קבוצה תהיה עצם מתמטי. לכן בשלב זה נוותר על הגדרת העוצמה .נתייחס לפעולה הנותנת לכל קבוצה את העוצמה שלה כאל מושג יסודי חדש ונקבע את הדרישה שהזכרנו כאקסיומה. פירושו של דבר הוא שלקבוצה Aאיננו יודעים דבר על העצם | ,|Aפרט לכך שהוא העוצמה של .Aבכך ניתן להסתפק בשלב זה. הגדרה :עצם כלשהו נקרא עוצמה או מספר מונה ,או בקיצור מונה ,אם הוא עוצמה של קבוצה כלשהי .בדרך־כלל האותיות a, b, c, d, eיסמנו עוצמות. אקסיומה :2בניגוד לסתם קבוצה ,Aשבשלב זה אין לנו סיבה מיוחדת לבחור בעצם מסוים כעוצמה שלה )וליתר דיוק ,היתה לנו סיבה כזאת אבל היא הביאה אותנו למחלקה שאינה קבוצה( הרי לקבוצה Aסופית ,ובמיוחד לקבוצה ,Nnיש מועמד מתאים למספר האיברים הידוע לנו עוד מכיתה א' ,והוא המספר .nלכן נוסיף את האקסיומה .|Nn | = n אקסיומה זו אינה מתנגשת עם האקסיומה הראשונה שהזכרנו ,כי הוכחנו ש- m 6= nאמ"מ .Nm 6≈ Nn בהמשך נוכל ,בהנחות מסויימות ,להגדיר את מושג העוצמה כך שנוכל להוכיח את שתי האקסיומות שהזכרנו ,ואז הן כמובן ייהפכו מאקסיומות למשפטים. משפט: 44 .1לכל קבוצה Aמתקיים כי Aסופית אמ"מ |A| ∈ N .2לכל קבוצה Aמתקיים כי |A| = 0אמ"מ ∅ = A סימון: |N| = ℵ0 .1 |R| = 2ℵ0 .2 בשלב זה יש לראות ב 2ℵ0 -סימון בלבד ולא חזקה. 13 הסדר החלקי של העוצמות הגדרה :למונים a, bמתקיים a ≤ bאם קיימות קבוצות A, Bכך ש|B| = b ,|A| = a- ו.A B- למונים a, bמתקיים a < bאם a ≤ bוגם .a 6= b למה: ארבעת התנאים הבאים הם איפיונים שקולים להגדרת הסדר החלקי של העוצמות: ) a ≤ b .1במובן שהגדרנו( .2קיימות קבוצות A, Bכך ש |B| = b ,|A| = a-וכן A ⊆ B .3לכל קבוצה Bכך ש |B| = b-קיימת קבוצה A ⊆ Bכך ש|A| = a- .4לכל הקבוצות A, Bהמקיימות |B| = b ,|A| = aמתקיים A B הוכחה: ) (2 ⇐ 1נתון שקיימות קבוצות A, Bוקיימת העתקה f : A → Bחח"ע .נבחר את Range (f ) ⊆ Bונקבל את הנדרש. ) (3 ⇐ 2תהי .|B| = bמהנחת 2נובע שיש A0 , B 0כך ש|A0 | = a, |B 0 | = b- המקיימות .A0 ⊆ B 0צ"ל שקיימת A ⊆ Bהמקיימת .|A| = a מההנחה נובע B 0 ≈ Bולכן יש העתקה g : B 0 → Bחח"ׂע ועל .נתבונן בהעתקה ,g A0 : A0 → g [A0 ] ⊆ Bונשים לב שהיא חח"ע ועל ולכן ] ,A0 ≈ g [A0ומכאן שקיימת פונקציה כנדרש ,שכן .|A0 | = a ) (4 ⇐ 3יהיו ) |A| = a , |B| = bקיימות מהנחת .(3מהנחת 3נובע שיש A0 ⊆ Bכך ש ,|A0 | = a-ולכן יש העתקה h : A → A0חח"ע ועל .אבל מהנתון A0 ⊆ Bנסיק כי A Bכנדרש. ) (1 ⇐ 4אם התנאי מתקיים לכל A, Bכנ"ל ,אז ברור שבפרט קיימות A, B כנ"ל . 45 למה :התנאים הבאים שקולים: a < b .1 .2קיימות קבוצות A, Bכך ש |B| = b ,|A| = a-וכן A ≺ B .3לכל הקבוצות A, Bהמקיימות |B| = b ,|A| = aמתקיים A ≺ B הוכחה :באופן דומה להוכחה הקודמת. משפט :היחסים ≤ ו <-בין העוצמות הם יחסי סדר חלקיים. הוכחה: רפלקסיביות :לכל |A| = aמתקיים A ≈ Aוכמובן A Aולכן .a ≤ a טרנזיטיביות :נניח כי a ≤ bוגם .b ≤ cאזי קיימות A Bוגם B Cכך ש.|A| = a, |B| = b, |C| = c- מכך ש a ≤ b-נסיק כי A Bומכך ש b ≤ c-נסיק כי .B Cמטרנזיטיביות יחס הסדר על קבוצות נסיק כי A Cולכן .a ≤ c אנטיסימטריות :נניח כי a ≤ bוגם .b ≤ aכלומר קיימות |A| = a, |B| = bכך ש A B-וגם B Aולכן ממשפט קנטור־ברנשטיין ,A ≈ Bומכאן כי .a = b משפט: .1 .2 .3 .4 14 לכל nסופי ,אם a ≤ nאז גם aעוצמה סופית ו.a ∈ Nn+1 - ]כי אם a ≤ nאז יש A ⊆ Nnכך ש ,|A| = a-וקבוצה חלקית לקבוצה סופית היא סופית[. לכל nסופי ולכל עוצמה אינסופית aמתקיים .n < a ]כי אם aאינסופית אז יש |A| = aכך ש A-אינסופית ,וכן לכל nמתקיים Nn Aומכאן [.n < a לכל עוצמה ,aאם a < ℵ0אז aעוצמה סופית. ] ℵ0 < 2ℵ0כי הוכחנו ש[.N ≺ R- חשבון עוצמות למה: .1תהי Fהעתקה חח"ע של Aעל Cו G-העתקה חח"ע של Bעל .Dנניח גם ∅ = A ∩ Bו ,C ∩ D = ∅-אז F ∪ Gהיא העתקה חח"ע של A ∪ B על .C ∪ D .2אם A ∩ B = ∅ ,B ≈ D ,A ≈ Cוכן ∅ = ,C ∩ Dאז .A ∪ B ≈ C ∪ D 46 חיבור 14.1 הגדרה :נניח כי |B| = b ,|A| = aוכן ∅ = .A ∩ Bנגדיר |.a + b = |A ∪ B כדי לראות שהחיבור מוגדר לכל זוג עוצמות והוא מוגדר היטב עלינו להוכיח את הדברים הבאים: .1כדי שהחיבור יהיה מוגדר לכל a, bעלינו לראות כי לכל a, bיש קבוצות A, B כמו בהגדרה. אכן לפי הגדרת מושג העוצמה קיימות קבוצות A, Bכך ש.|B| = b ,|A| = a- אם הן אינן זרות נחליף אותן ב {0} × A-וב {1} × B-שהן זרות ושוות עוצמה ל A-ול ,B-בהתאמה. .2צריך להראות שהסכום שהוגדר כאן אינו תלוי בבחירת הקבוצות .A, B | ,|B 0 תהיינה גם A0 , B 0קבוצות כאלו ,כלומר |= b = |B| ,|A0 | = a = |A ולכן .B 0 ≈ B ,A0 ≈ Aמכיוון ש A ∩ B = ∅-ו A0 ∩ B 0 = ∅-נסיק שמתקיים ,A0 ∪B 0 ≈ A∪Bומכאן ,|A0 ∪B 0 | = |A∪B| = a+bוהחלפת A, BבA0 , B 0 - אינה משנה את .a + b משפט: .1חוק החילוף] a + b = b + a :כי איחוד קבוצות אינו תלוי בסדר[. .2חוק הקיבוץ] a+(b+c) = (a+b)+c :כי איחוד קבוצות הוא אסוציאטיבי[. ] a + 0 = a .3כי לכל קבוצה Aמתקיים [.A ∪ ∅ = A משפט: a + b ≥ a .1 ]כי עבור A, Bזרות מתקיים ,A ⊆ A ∪ Bולפי האיפיון השני לסדר של העוצמות נקבל את המבוקש[. .2אם a ≤ bאז קיים מונה cכך שa + c = b- ]לפי האיפיון השני לסדר של העוצמות קיימות זוג קבוצות מתאימות המקיימות ,A ⊆ Bולכן |[.|A| + |B \ A| = |B .3מונוטוניות :אם a ≤ bאז c + a ≤ c + b ]לפי 2קיים dכך ש ,a + d = b-ולפי 1נסיק = c + a ≤ (c + a) + d .[c + (a + d) = c + b משפט: 47 .1לכל n ∈ Nמתקיים ℵ0 + n = ℵ0 ]כי מתקיים [.{m ∈ N|n ≤ m} ∪ Nn = N ℵ0 + ℵ0 = ℵ0 .2 ]למשל כי גם עוצמת הזוגיים היא וגם עוצמת האי־זוגיים היא [.ℵ0 משפט: .1אם ℵ0 ≤ aאז ,a + ℵ0 = aוכן לכל n ∈ Nמתקיים .a + n = a ]כי קיימת עוצמה bכך ש ,ℵ0 + b = a-ולכן: a+ℵ0 = (ℵ0 + b)+ℵ0 = ℵ0 +(ℵ0 + b) = (ℵ0 + ℵ0 )+b = ℵ0 +b = a כנדרש[. .2אם ℵ0 ≤ aאז לכל nטבעי מתקיים .a + n = a ]כי [a ≤ a + n ≤ a + ℵ0 = a .3אם b ≤ aוכן ,b + b = bאז .a + b = a ]באופן דומה להוכחת [.1 משפט ,2ℵ0 + 2ℵ0 = 2ℵ0 + ℵ0 = 2ℵ0 + n = 2ℵ0 :לכל .n ∈ N הוכחה :קל לראות שמתקיים האי־שוויון .2ℵ0 + 2ℵ0 ≥ 2ℵ0 + ℵ0 ≥ 2ℵ0 + n ≥ 2ℵ0לכן מספיק להראות שמתקיים השוויון ,2ℵ0 + 2ℵ0 = 2ℵ0וממשפט קנטור ברנשטיין נקבל את המבוקש. כזכור הראינו שכל קטע ממשי שווה בעוצמתו לכל הממשיים ,ולכן נקבל כי (−∞, 0] ∪ (0, ∞) = Rומכאן כי .2ℵ0 + 2ℵ0 = 2ℵ0 הערות: .1לא קיים חילוץ בחיבור מונים ,ולכן אי אפשר להגדיר חיסור של מונים הדומה לחיסור של מספרים טבעיים. ]למשל כי ℵ0 + 0 = ℵ0 + 1אולם [.0 6= 1 .2הכוון ההפוך של מונוטוניות החיבור לא קיים. ]למשל כי ,ℵ0 + 1 ≤ ℵ0 + 0אולם [.1 6≤ 0 .3לא קיימת המונוטוניות החזקה של החיבור. ]למשל כי 0 < 1בעוד [.ℵ0 + 0 = ℵ0 + 1 .4על השאלה אם c + a < c + bגורר כי a < bאין תשובה בשלב זה. 48 כפל 14.2 למה :אם A ≈ A0ו B ≈ B 0 -אז .A × B ≈ A0 × B 0 הוכחה :נניח כי F : A → A0חח"ע ועל וכי G : B → B 0חח"ע ועל ,אזי ההעתקה H : A × B → A0 × B 0המוגדרת להיות ,H (x, y) = hF (x) , G (y)iהיא העתקה חח"ע ועל . הגדרה :תהיינה A, Bקבוצות כך ש .|B| = b ,|A| = a-המכפלה a · bמוגדרת להיות |.|A × B כדי לראות שהכפל מוגדר היטב עלינו להוכיח שהמכפלה שהוגדרה כאן אינה תלויה בבחירת הקבוצות .A, B תהיינה גם A0 , B 0קבוצות כאלו ,משמע | |A0 | = a = |Aוכן ||B 0 | = b = |B ולכן A0 ≈ Aו .B 0 ≈ B-מהלמה נובע כי A0 × B 0 ≈ A × Bומכאן = | |A0 × B 0 ,|A × B| = a · bומכאן שהחלפת A, Bב־ A0 , B 0אינה משנה את .a · b משפט: .1חוק החילוףa · b = b · a : ]הוכחה :צ"ל כי עבור |A| = a, |B| = bמתקיים .A × B ≈ B × Aנגדיר העתקה F : A × B → B × Aלהיות ) .F (x, y) = (y, xקל לראות שזו העתקה חח"ע ועל[. .2חוק הקיבוץa · (b · c) = (a · b) · c : ]הוכחה :צ"ל כי עבור |A| = a, |B| = b, |C| = cמתקיים × )(A × B ) .C ≈ A × (B × Cנגדיר העתקה )F : (A × B) × C → A × (B × C להיות )) .F (((x, y) , z)) = (x, (y, zקל לראות שזו העתקה חח"ע ועל[. a · 1 = a ,a · 0 = 0 .3 ]כי ∅ = ∅ × Aוכן [.A × {x} ≈ A .4חוק הפילוגa · (b + c) = a · b + a · c : ]הוכחה :נשאיר כתרגיל להוכיח שעבור |A| = a, |B| = b, |C| = c מתקיים )[8 .A × (B ∪ C) ≈ (A × B) ∪ (A × C a · b = 0 .5אמ"מ a = 0או .b = 0 .6מונוטוניות הכפל :אם a ≤ bאז .c · a ≤ c · b ]הוכחה a ≤ b :ולכן יש dכך ש .a + d = b-מכאן נסיק לפי חוק הפילוג: ca ≤ ca + cd = c (a + d) = cb 8נשים לב שלמעשה מדובר בשוויון ממש במקרה זה ,ולא רק בשקילות עוצמה. 49 משפט: .1לכל 0 6= n ∈ Nמתקיים .ℵ0 · ℵ0 = ℵ0 · n = ℵ0 ]הוכחה :קל לראות שמתקיים אי השוויון .ℵ0 · ℵ0 ≥ ℵ0 · n ≥ ℵ0נותר אם־כן להראות את השוויון .ℵ0 · ℵ0 = ℵ0שוויון זה נובע למשל מכך שמתקיים [.N × N ≈ N .2לכל 0 6= n ∈ Nמתקיים .2ℵ0 · ℵ0 = 2ℵ0 · n = 2ℵ0 ]הוכחה :קל לראות שמתקיים אי השוויון .2ℵ0 · ℵ0 ≥ 2ℵ0 · n ≥ 2ℵ0נותר אם־כן להראות את השוויון .2ℵ0 · ℵ0 = 2ℵ0 נגדיר פונקציה מהצורה F : (0, 1) × N → Rלהיות .F (t, m) = t + m זו פונקציה חח"ע ,ולכן .2ℵ0 · ℵ0 ≤ 2ℵ0קל לייצר פונקציה חח"ע בכיוון ההפוך ,ולכן ממשפט קנטור ברנשטיין נסיק את השוויון[. הערות: .1לא קיים חילוץ בכפל מונים ,ולכן אי אפשר להגדיר פעולה הדומה לחילוק עם שארית של מספרים טבעיים. ]למשל כי ℵ0 · 1 = ℵ0 · 2אולם [.1 6= 2 .2הכיוון ההפוך של מונוטוניות הכפל לא קיים. ]למשל כי ,ℵ0 · 2 ≤ ℵ0 · 1אולם [.2 6≤ 1 .3לא קיימת המונוטוניות החזקה של הכפל. ]למשל כי 1 < 2בעוד [.ℵ0 · 1 = ℵ0 · 2 .4על השאלה אם c · a < c · bגורר כי a < bאין תשובה בשלב זה. 14.3 חזקה הגדרה :בהינתן A, Bקבוצות כלשהן ,נגדיר את מהצורה .f : B → A BA למה: .1אם A ≈ Cו B ≈ D-אז ≈ D C = {∅} .2 BA ∅A ∅B .3אם ∅ = B 6אז ∅ = חשוב לב לשים להבדל בין }∅{ לבין ∅. .4אם ∅ = B ∩ Cאז ≈ B A ×C A × B) ≈ C A ×C B .5 C (A 50 B∪C A להיות קבוצת כל הפונקציות ≈ C×B A .6 C BA הוכחה: .1תהי F : A → Cחח"ע ועל וכן G : B → Dחח"ע ועל. ∈ ,j נגדיר את ההעתקה H : B A →D Cלהיות כך שעבור פונקציה המוגדרת ע"י .H (j) = F ◦j ◦G−1 הפונקציה H (j) ∈ D Cהיא הפונקציה −1 כלומר ) H (jמעתיקה כל x ∈ Dל.F j G (x) - B Hחח"ע כי היא הרכבה של פונקציות חח"ע :עבור j ∈ Aמתקיים .j = F −1 H (j) G היא על ,D Cכי עבור k ∈ D Cנבחר את F −1 ◦ k ◦ G ∈ B Aונקבל כי H −1 .H F ◦ k ◦ G = k BA .2ההוכחה מושארת כתרגיל. .3ההוכחה מושארת כתרגיל. .4נגדיר העתקה H : B∪C A →B A × C Aהמוגדרת עבור j ∈B∪C Aלהיות .H (j) = hj B, j Ci B∪C ∈ jמתקיים .j = j B ∪ j C Hחח"ע כי עבור פונקציה A B∪C C B ∈ f ∪g כמו־כן Hעל ,B A ×C Aכי אם f ∈ Aו ,g ∈ A-אז A ו.H (f ∪ g) = hf, gi- .5נסמן ב 1st -את הפונקציה שתחומה הוא מחלקת כל הזוגות הסדורים מ- ) ,(A × Bשנותנת כערך את הרכיב הראשון של הזוג .כלומר = )1st (x, y .x nd נסמן ב 2 -את הפונקציה שתחומה הוא מחלקת כל הזוגות הסדורים מ- ) ,(A × Bשנותנת כערך את הרכיב השני של הזוג .כלומר .2nd (x, y) = y C C H : C (Aלהיות כך שאת ∈ j נגדיר → st× B)nd העתקה A × B st ) C (A × Bהיא מעתיקה ל) H (j) = 1 j, 2 j -נשים לב כי 1 jו- 2nd jהכתובות כאן הן הרכבות של פונקציות(. Hהיא חח"ע ועל ,C A × C Bכי אם hf, gi ∈ C A × C Bאז הפונקציה ) j ∈ C (A × Bהיחידה המקיימת H (j) = hf, giהיא jהנתונה ע"י j(x) = hf (x) , g (x)iלכל .x ∈ C .6נגדיר העתקה H : C B A → C×B Aלהיות כך שאת הפונקציה ∈ j C B Aהיא תעתיק לפונקציה ) H (jשתחומה C × Bוהמקיימת לכל ,y ∈ B ,x ∈ Cכי ).H (j) (x, y) = j (x) (y Hהיא חח"ע כי אם ) H (j1 ) = H (j2אז לכל y ∈ B ,x ∈ Cמתקיים כי ).j1 (x) (y) = H (j1 ) (x, y) = H (j2 ) (x, y) = j2 (x) (y מכיוון שהתחום של ) j1 (xו j2 (x)-הוא Bלכן ) j1 (x) = j2 (xלכל ,x ∈ Cולכן .j1 = j2 51 Hהיא על ,C×B Aכי עבור כל w ∈ C×B Aתהי j ∈ C B Aהפונקציה שתחומה Cולכל x ∈ Cהפונקציה ) j(xהיא הפונקציה שתחומה Bכך שלכל y ∈ Bמתקיים כי .j (x) (y) = w (x, y) ∈ A לכל x ∈ Cולכל y ∈ Bמתקיים כי ),H (j) (x, y) = j (x) (y) = w (x, y ולכן H (j) = wו H-היא על .C×B A תהיינה A, Bקבוצות כך ש .|B| = b ,|A| = a-החזקה abמוגדרת להיות הגדרה : .B A כדי לראות שהחזקה מוגדרת היטב עלינו להוכיח שהחזקה שהוגדרה כאן אינה תלויה בבחירת הקבוצות .A, B תהיינה גם C, Dקבוצות כאלו ואז | |C| = a = |Aו .|D| = b = |B|-לכן C ≈ Aוכן .D ≈ B מהלמה שהוכחנו נובע שמתקיים ,D C ≈ B Aומכאן כי ,|D C| = |B A| = abולכן החלפת A, Bב C, D-אינה משנה את .ab c c הערה :היכן שכתוב abללא סוגריים הכוונה היא ל.a(b ) - משפט: ] a0 = 1 .1כי }∅{ = [.∅ A ab = 0 .2אמ"מ b 6= 0וגם .a = 0 ]בכיוון ראשון זה נובע מכך שאם ∅ ≈ B Aאז בהכרח ∅ = ,B 6כי אחרת היה }∅{ ≈ ,B Aומכאן שהאפשרות היחידה היא ∅ = .Aבכיוון שני ראינו שאם ∅ = B 6אז ∅ = ∅ [.B 1a = 1 ,a1 = a .3 ]כי ,{t} A ≈ {f = a}a∈A ≈ Aכלומר אוסף הפונקציות הקבועות = )f (t aעבור כל a ∈ Aשווה־עוצמה ל.A- השוויון השני הוא מכך ש ,A {t} ≈ {f = 1} ≈ {t}-כלומר אוסף הפונקציות הקבועות f (a) = tעבור כל a ∈ Aמכיל בדיוק פונקציה אחת[. .4לכל n ≥ 1מתקיים ℵn0 = ℵ0 ]הוכחה :נוכיח באינדוקציה על .nמהטענה האחרונה נובע בפרט כי = ℵ10 .ℵ0נניח כי עבור nמתקיים ,ℵn0 = ℵ0ונסיק: ℵn+1 = ℵn0 · ℵ10 = ℵ0 · ℵ0 = ℵ0 0 נוכיח מיד את כלל החזקה בו השתמשנו בהוכחה זו[. כללי החזקה 52 ab+c = ab · ac .1 ]כי הוכחנו שמתקיים [.B∪C A ≈ B A ×C A (a · b) c = ac · bc .2 ]כי הוכחנו שמתקיים [.C (A × B) ≈ C A ×C B c ab = ab·c .3 ]כי הוכחנו שמתקיים [.C B A ≈ C×B A טענה :מונוטוניות החזקה: .1אם a ≤ bוכן ,c 6= 0אז .ca ≤ cb ]כי אם a ≤ bאז יש dכך ש .a + d = b-מכאן נובע = [.ca · cd ≥ ca cb = ca+d .2אם a ≤ bאז .ac ≤ bc ]לפי האיפיון השני לסדר על עוצמות נסיק כי ,A ⊆ Bולכן [.C A ⊆ C B משפט :לכל קבוצה Aמתקיים | .|P (A)| = 2|Aזהו ההסבר לכך מדוע ) P (Aנקראת "קבוצת החזקה" של .A הוכחה :ראינו שמתקיים | .P (A) ≈ A{T,F } ≈ 2|A הערה :הוכחנו כי ,|R| = |P (N)| = 2ℵ0ומכאן ההצדקה לסימון .|R| = 2ℵ0 משפט :לכל מונה aמתקיים ,a < 2aולכן לכל מונה 2 ≤ bמתקיים ] .a < baממשפט קנטור ומונוטוניות החזקה[. תרגיל :להוכיח זאת ישירות ללא שימוש במשפט קנטור. משפט: n = 2 ℵ0 ℵ 0 , 2ℵ0ובפרט .2ℵ0 · 2ℵ0 = 2ℵ0 .1לכל 0 < nמתקיים = 2ℵ0 ℵ ]כי , 2ℵ0 0 = 2ℵ0 ·ℵ0 = 2ℵ0לפי כללי החזקה ומכך ש[.N × N ≈ N- .2אם a+a = aאז לכל 1 ≤ b ≤ 2aמתקיים ,b·2a = 2aובפרט .a·2a = 2a ]כי ,2a = 1 · 2a ≤ b · 2a ≤ 2a · 2a = 2a+a = 2aלפי מונוטוניות הכפל וכללי החזקה[. .3אם a · a = aאז לכל 2 ≤ b ≤ 2aמתקיים .ba = 2a ]כי ,2a = ba ≤ (2a )a = 2a·a = 2aלפי מונוטוניות הכפל וכללי החזקה[. 2ℵ0 ℵ ℵ . 2 ℵ0 = ℵ20 0 = 22 0 .4 ]מכיוון ש ,2ℵ0 · 2ℵ0 = 2ℵ0 -זהו מקרה פרטי של ,3עבור [.a = b = 2ℵ0 53 משפט: .1עוצמת קבוצת כל הפונקציות הממשיות R Rהיא ℵ0 ] .22מהמשפט הקודם[. .2עוצמת קבוצת כל הפונקציות הממשיות הרציפות היא .2ℵ0 הוכחה) :של (2תהי Wקבוצת כל הפונקציות הממשיות הרציפות .נשתמש במשפט קנטור־ברנשטיין. תהי F : R → Wכך שלכל z ∈ Rנגדיר את ) F (zלהיות הפונקציה הקבועה .zכלומר F (z) (x) = zלכל .x ∈ Rקל לראות ש F -חח"ע ולכן | .2ℵ0 ≤ |W כעת תהי G : W → Q Rהפונקציה הנתונה ע"י ,G (f ) = f Qכאשר Qקבוצת הרציונליים G .היא חח"ע כי כל הערכים של פונקציה ממשית רציפה נקבעים ע"י ערכיה על הרציונליים .לכן נסיק מהמשפט הקודם כי: ℵ0 |W | ≤ Q R = 2ℵ0 = 2ℵ0 14.4 פעולות החשבון ויחס הסדר על המספרים הטבעיים הגדרנו את פעולות החשבון ויחס הסדר החלקי לכל העוצמות ,כולל המספרים הטבעיים שמהווים עוצמות סופיות ,אבל על המספרים הטבעיים יש לנו כבר פעולות חשבון ויחס סדר מוכרות ,ועלינו לבדוק אם בתחום המספרים הטבעיים הפעולות והיחס שהגדרנו עתה זהות לאלו המוכרות לנו מכבר. פעולת החיבור :כאשר למדנו את פעולת החיבור בכיתה א' למדנו אותה באמצעות איחוד קבוצות זרות ,בדיוק כפי שהגדרנו אותה כעת לעוצמות ,אבל ההגדרה המתמטית המקובלת אינה באמצעות קבוצות .לכן נסמן ,לצורכי הוכחה זאת בלבד ,את פעולת החיבור המוכרת לנו של המספרים הטבעיים ב.⊕- תחילה נראה שלכל kטבעי .k ⊕ 1 = k + 1לפי האקסיומה |Nn | = nומכיוון שהקבוצות Nkו {k}-זרות ,מתקיים: k ⊕ 1 = |Nk⊕1 | = |Nk ∪ {k}| = |Nk | + |{k}| = k + 1 כעת נוכיח באינדוקציה על nשלכל nטבעי .m ⊕ n = m + n ל n = 0-מתקיים .m ⊕ 0 = m = m + 0בשלב האינדוקציה אנו יוצאים מהנחת האינדוקציה m ⊕ n = m + nועלינו להוכיח זאת ל ,n ⊕ 1-כלומר עלינו להוכיח 54 ) .m⊕(n⊕1) = m+(n⊕1לפי הנחת האינדוקציה ,לפי השיוויון ,k ⊕1 = k +1 ולפי אסוציאטיביות ⊕ ו +-מתקיים: )m⊕(n ⊕ 1) = (m ⊕ n)⊕1 = (m + n)⊕1 = (m + n)+1 = m+(n + 1) = m+(n ⊕ 1 פעולת הכפל :פעולת הכפל במספרים הטבעיים מוגדרת כחיבור חוזר ברקורסיה. כפל העוצמות ממלא אחר הגדרה זאת כי לפי כללי הכפל שהוכחנו ,לכל m מתקיים m · 0 = 0ולכל nמתקיים .m · (n + 1) = m · n + m פעולת החזקה :פעולת החזקה במספרים הטבעיים מוגדרת ככפל חוזר ברקורסיה. חזקת העוצמות ממלאת אחר הגדרה זאת כי לפי כללי החזקה שהוכחנו ,לכל m מתקיים m0 = 1ולכל nמתקיים .mn+1 = mn · m יחס הסדר ≤ :מסמן את יחס הסדר החלקי של העוצמות שהגדרנו .נסמן ב 5-את יחס הסדר הרגיל על המספרים הטבעיים. אם m 5 nאז לפי תכונת הסדר של המספרים הטבעיים קיים מספר טבעי k כך ש ,m ⊕ k = n-ולכן ,m + k = nולפי תכונות יחס הסדר לעוצמות מתקיים .m ≤ n בכיוון ההפוך ,אם m ≤ nאז ,לפי טענה שהוכחנו קיימת עוצמה cכך ש- ,m + c = nלכן לפי תכונות יחס הסדר לעוצמות מתקיים c ≤ nוכן גם cהוא מספר טבעי .מכאן כי ,m ⊕ c = nולפי תכונות יחס הסדר לטבעיים מתקיים .m 5 n 55 חלק VI אקסיומת הבחירה 15 מבוא הוכחנו כי ℵ0היא עוצמה אינסופית מינימלית במובן שכל עוצמה הקטנה ממנה היא סופית .האם היא גם העוצמה האינסופית המינימלית במובן שלכל עוצמה אינסופית a קיים ?ℵ0 ≤ a כדי להוכיח זאת עלינו להוכיח כי לכל קבוצה אינסופית Aמתקיים .N Aכלומר שקיימת סדרה a : N → Aחח"ע. נגדיר ברקורסיה סדרה aכזאת כדלקמן :מכיוון ש־־ Aאינסופית היא אינה ריקה ,ולכן יש בה איבר .wנגדיר .a0 = wעבור 0 < nהקבוצה An = {a0 , . . . , an−1 } ⊆ A אינה כל ,Aכי היא סופית בעוד Aאינסופית .לכן נקח ל an -איבר כלשהו של .A\Anקל לראות כי סדרה aזאת היא חח"ע ולכן היא העתקה חח"ע של Nעל ,{an | n ∈ N} ⊆ A כלומר .N A בהוכחה שהבאנו השתמשנו בסדרה aשהגדרנו ברקורסיה ,אולם כדי להגדיר סדרה, שהיא פונקציה ,עלינו להראות שאפשר לתת לה הגדרה תיקנית כיחס ) .Φ (x, yאיננו אומרים בזאת שפונקציות שאינן באות מהגדרה תיקנית אינן קיימות ,אלא שאנחנו יכולים לטעון שפונקציות אלו קיימות רק אם הוכחנו את קיומן מן האקסיומות הקיימות או שאנחנו מוסיפים אקסיומות שמהן אפשר להוכיח את קיומן .כאן הגדרנו את הסדרה aברקורסיה ,ונראה אם אנו יכולים להוכיח את קיומה באמצעות אקסיומות הקיום הבסיסיות. לא נתעמק כאן בדיון מהן הפונקציות המוגדרות ברקורסיה שאפשר להוכיח את קיומן מאקסיומות הקיום הבסיסיות ,אלא נסתפק בדוגמה בודדת :נגדיר סדרה b : N → N ברקורסיה כך ,b0 = 3 :ולכל n ∈ Nנגדיר ).bn+1 = bn · (bn − 1 כדי לקבל ש b-היא אמנם סדרה עלינו להראות שאפשר לתת לה הגדרה תיקנית ,כלומר להציג יחס ) Φ (x, yכך שהזוג hx, yiמקיים את היחס אמ"מ x ∈ Nו.y = bx - לפונקציה bזאת נבחר את ) Φ (x, yכיחס הבא ,שתחילה נתאר אותו בצורה לא פורמלית: "נאמר ש y-הוא המספר המתקבל בשלב האחרון של חישוב בן x + 1צעדים ,בו בצעד הראשון אנו מקבלים את המספר ,3ובכל צעד אם קיבלנו באותו צעד את המספר uאז אנו מקבלים בצעד הבא את המספר )."u · (u − 1 ברור שיש כאן תיאור של היחס ,Φוזה אפילו מתכון לחישוב yכאשר נתון .x 56 ההגדרה הפורמלית של ) Φ(x, yהיא: ∧x ∈ N ∧ ∃g[g : Nx+1 → N ∧ g (0) = 3 ](∀n < x) (g (n + 1) = g (n) · (g (n) − 1)) ∧ g (x) = y זה אומר x" :הוא מספר טבעי ,וקיימת פונקציה gמקבוצת המספרים הטבעיים הקטנים או שווים ל x-לתוך קבוצת המספרים הטבעיים כך ש g (0) = 3-ולכל מספר nהקטן מ x-קיים ) g (n + 1) = g (n) · (g (n) − 1ו".g (x) = y- כעת יש להוכיח ש Φ(x, y)-אמנם מגדיר פונקציה שתחומה ,Nולשם כך עלינו להוכיח שעבור כל x ∈ Nקיים yיחיד המקיים את ) .Φ (x, yנוסף על כך יש להוכיח שהסדרה bאמנם מקיימת את ההגדרה הרקורסיבית שלה .לא נעשה זאת כאן. אם ננסה לנסח יחס ) Φ (x, yעבור הסדרה aהדומה ליחס שהגדרנו לעיל ,נאמר שy- הוא המספר המתקבל בשלב האחרון של תהליך בן x+1צעדים ,בו בצעד הראשון אנחנו בוחרים איבר כלשהו של Aובכל צעד אנחנו בוחרים איבר כלשהו של Aהשונה מכל איברי Aשבחרנו בצעדים הקודמים .ברור שיחס זה לא יהיה פונקציה ,כי כדי שהיחס יהיה פונקציה צריך שיהיה איבר yיחיד של Aהמתקבל בסופם של כל התהליכים שהם כנדרש ב ,Φ(x, y)-וברור שבניגוד לדוגמה הקודמת בה כל חישוב המקיים את הדרישות מן החישוב יוביל לאותו מספר ,כלומר עבור xהנתון יש yיחיד המקיים את ),Φ(x, y בדוגמה הנוכחית כל איבר yשל Aיכול להתקבל בסוף תהליך כפי שתואר .ולכן אם ננסח יחס ) Φ (x, yכפי שתואר כאן יחס זה לא יהיה פונקציה. נראה עתה דוגמה ציורית של פונקציה שאיננו יכולים להוכיח את קיומה כי איננו יכולים ∞) (Hnסדרה של זוגות נעליים ,כלומר לכל nהאיבר Hn לנסח יחס מתאים .תהי n=1 ∞ הוא זוג נעליים .אנו רוצים סדרה aהבוחרת נעל מכל זוג נעליים שבתחום .(Hn )n=1קל מאוד להגיע לסדרה כזאת ,כי לכל n ∈ Nנוכל להגדיר .an = the right shoe of Hn זו הגדרה תקנית כמו בדוגמה הנ"ל ,וכמובן שקיימת סדרה aכזאת. ∞) (Hnסדרה אינסופית של זוגות גרביים ,ואנו מעוניינים בסדרה aהבוחרת כעת תהי ׁ n=1 ∞) .(Hnהדרישה שלכל n ∈ Nיתקיים an ∈ Hnהיא שבטווח גרביים גרב מכל זוג n=1 תנאי שאנו רוצים שהסדרה aתקיים ,אבל היא עדיין אינה הגדרה של ,aולא נראית לעין כל הגדרה לסדרה כזאת. לכן אם אנו רוצים ,למשל ,לקבל סדרה aכך שלכל n ∈ Nהאיבר anיהיה גרב אחת מתוך זוג הגרביים ,Hnעלינו להוסיף במפורש אקסיומה האומרת שקיימת פונקציה כזאת. 57 16 אקסיומת הבחירה הגדרה :לקבוצה ,Aפונקציה Cשתחומה Aנקראת פונקצית בחירה על ,Aאם לכל X ∈ Aשהיא קבוצה לא ריקה מתקיים .C (X) ∈ X אקסיומת הבחירה :לכל קבוצה Aקיימת פונקציה בחירה Cשתחומה .A הערה :במשפטים ומסקנות בהם נשתמש באקסיומת הבחירה נציין ")אה"ב(". משפט :ניסוח שקול של אקסיומת הבחירה הוא :לכל קבוצה Aופונקציה Fשתחומה Aקיימת פונקציה Gשתחומה ,Aכך שלכל x ∈ Aשעבורו ) F (xהיא קבוצה לא ריקה מתקיים ).G (x) ∈ F (x הוכחה :בכיוון ראשון :נניח את אקסיומת הבחירה .בהינתן Aו F -כנ"ל ,תהי Cפונקצית בחירה על הטווח של .Fנבחר G = CFונקבל כי ).G (x) = C (F (x)) ∈ F (x בכיוון שני :נניח את הנוסח שבמשפט .בהינתן קבוצה ,Aתהי Fפונקצית הזהות 1Aעל .Aמההנחה קיימת פונקציה Cשתחומה Aכך שלכל x ∈ Aקיים .C (x) ∈ 1A (x) = x 17 שימושים של אקסיומת הבחירה משפט )אה"ב( :לכל קבוצה אינסופית Aיש תת־קבוצה בת מניה. הוכחה :תהי Cפונקצית בחירה שתחומה ) .P (Aנגדיר ברקורסיה a : N → Aכדלקמן: )} ) .an = C (A \ {a0 , a1 , ..., an−1עבור n = 0זה אומר ) .(a0 = C (Aלכן anהוא איבר של Aהשונה מכל a0 , a1 , ..., an−1והסדרה aהיא חח"ע .הקבוצה } {an | n ∈ Nהיא כמובן בת־מניה והיא חלקית ל.A- מסקנה )אה"ב( ℵ0 :הוא המונה האינסופי המזערי ,במובן זה שלכל מונה אינסופי a מתקיים .ℵ0 ≤ a מסקנה )אה"ב( :קבוצה Aהיא סופית אמ"מ לא קיימת העתקה חח"ע שלה על תת־ קבוצה ממש שלה. משפט )אה"ב( :אם F : A → Bעל ,Bאז קיימת תת־קבוצה D ⊂ Aכך שF D- היא העתקה חח"ע של Dעל ,Bולכן |.|B| ≤ |A הוכחה :נתבונן ביחס xRyעל Aהנתון ע"י .F (x) = F (y) ⇐⇒ x ∼ yברור ש R-הוא יחס שקילות על ,Aומחלקת השקילות שלו המכילה את yהיא }).{x ∈ A | F (x) = F (y הקבוצה Dבה אנו מעוניינים אינה יכולה להכיל שני איברים שונים של אותה מחלקת שקילות ,כי Fנותנת לשני האיברים את אותו הערך ועל F Dלהיות 58 חח"ע .מצד שני ,מכיוון ש F D-אמורה להיות על ,Bועבור y ∈ Aמתקיים ,F (y) ∈ Bאז Dאמורה להכיל איבר xהמקיים ) ,F (x) = F (yכלומר איבר הנמצא במחלקת השקילות }) .{x ∈ A | F (x) = F (yאם כך Dאמורה להכיל בדיוק איבר אחד מכל מחלקת שקילות ,ואם היא כזאת אז היא כנדרש במשפט. למטרה זאת מתאימה בדיוק אקסיומת הבחירה :תהי Cפונקצית בחירה על קבוצת מחלקות השקילות של ,Rאז נבחר: })})D = {y ∈ A | y = C ({x ∈ A | F (x) = F (y ברור ש D-היא כנדרש במשפט . 17.1 סכום וכפל אינסופיים דוגמה נוספת לשימוש ישיר באקסיומת הבחירה היא ההגדרה של פעולות החיבור והכפל האינסופיות של העוצמות. הגדרנו את החיבור והכפל של שתי עוצמות ,ואפשר להגדיר באותה הדרך את החיבור והכפל של מספר סופי כלשהו של עוצמות .למשל ,אפשר להגדיר את הסכום a + b + c של שלוש העוצמות a, b, cלהיות | |A ∪ B ∪ Cעבור A, B, Cקבוצות זרות הדדית המקיימות .|C| = c ,|B| = b ,|A| = a עם זאת ,אין צורך בהגדרה מיוחדת של החיבור והכפל של מספר סופי של עוצמות ,כי לאור האסוציאטיביות של פעולות החיבור והכפל של שתי עוצמות אפשר להגדיר את החיבור והכפל של מספר סופי של עוצמות כחזרה על אותן פעולות בשתי עוצמות .למשל, את הסכום a + b + cשל שלוש עוצמות אפשר להגדיר להיות (a + b) + cהשווה גם ל.a + (b + c)- לעומת זאת ,החיבור והכפל של מספר אינסופי של עוצמות זקוקים להגדרות ישירות, שיהיו הכללות של הגדרות החיבור והכפל של שתי עוצמות. סכום אינסופי הגדרה :תהי Iקבוצה כלשהי ותהי aפונקציה מ I-לתוך מחלקת העוצמות .כלומר לכל i ∈ Iהערך aiהיא עוצמה כלשהי. S נגדיר את הסכום של אוסף העוצמות {ai }i∈Iלהיות ,Σi∈I ai =: i∈I Ai כאשר Aהיא פונקציה שתחומה Iולכל i ∈ Iמתקיים ) |Ai | = aiמסמנים בקיצור ,(A (i) = Aiוכל הקבוצות Aiזרות בזוגות. S כלומר סכום העוצמות הללו הוא העוצמה |).| Range (A כדי שהגדרה זאת תהיה תקפה עלינו להוכיח שני דברים :ראשית שתמיד קיימת פונקציה Aכנדרש ,ושנית שהסכום מוגדר היטב ,כלומר שהוא אינו תלוי בבחירת הפונקציה .A 59 .1לצורך הוכחת קיום פונקציה Aכנדרש ,אנו צריכים להניח את קיומה של עוצמה bהגדולה או שווה מכל העוצמות aiלכל .i ∈ Iקיום עוצמה כזאת מוכח ע"י שימוש לא ישיר באקסיומת הבחירה שנראה אותו מאוחר יותר. תהי Bקבוצה שעוצמתה bכנ"ל .הוכחנו שבמקרה כזה לכל i ∈ Iקיימת קבוצה חלקית ל B-שעוצמתה ,aiולכן הקבוצה } {D ⊆ B | |D| = aiאינה ריקה. תהי Cפונקצית בחירה על )) .P (P (Bנגדיר את הקבוצה )} Di = C ({D ⊆ B | |D| = ai שעוצמתה .aiנבחר באופן כזה את כל .{Di }i∈I נגדיר עתה את הפונקציה Aשתחומה Iע"י Ai = {i} × Diלכל .i ∈ I ברור כי לכל i ∈ Iמתקיים |Ai | = |Di | = aiועבור כל ,i, j ∈ Aאם i 6= j אז ∅ = Ai ∩ Ajכי הגדרנו את הטווח ע"י {i} × Diולא ע"י .Diלכן Aהיא פונקציה כנדרש. .2כדי להראות שהחיבור מוגדר היטב ,יש להראות כי אם A, Bפונקציות כנדרש אז שתיהן נותנות את אותו הסכום. יהיו A, Bפונקציות כנדרש .מהגדרתן נובע שלכל i ∈ Iמתקיים = |Ai | = ai | ,|Biולכן ,Ai ≈ Biמשמע הקבוצה Hiשל כל הפונקציות החח"ע מ Ai -על Bi אינה ריקה. לפי נוסח שקול של אקסיומת הבחירה קיימת פונקציה Gשתחומה Iכך שלכל i ∈ Iקיים ,Gi ∈ Hiכלומר Gi ,היא העתקה חח"ע של Aiעל .Bi S מכיוון שהקבוצות Aiזרות הדדית האיחוד F = i∈I Giהוא פונקציה ,ומכיוון שכל פונקציה Hiהיא חח"ע והקבוצות Biזרות הדדית Fחח"ע. S S לכן Fהיא העתקה חח"ע של i∈I Aiעל i∈I Biוהפוקציות Aו B-נותנות את אותו הסכום של העוצמות. למה :תהי bעוצמה ו I-קבוצה ,אזי |) .Σi∈I b = b · |Iההוכחה מושארת כתרגיל(. כפל אינסופי הגדרה :תהי Iקבוצה ו A-פונקציה שתחומה ,Iכך שלכל i ∈ Iמתקיים כי Aiהיא קבוצה. המכפלה הקרטזית שמסומנת ×i∈I Aiמוגדרת להיות קבוצת הפונקציות sשתחומן ,Iכך שלכל i ∈ Iמתקיים .si ∈ Ai הגדרה :תהי Iקבוצה כלשהי ותהי aפונקציה מ I-לתוך מחלקת העוצמות .כלומר לכל i ∈ Iהערך aiהיא עוצמה כלשהי. נגדיר את המכפלה של אוסף העוצמות {ai }i∈Iלהיות | , Πi∈I ai =: |×i∈I Ai כאשר Aהיא פונקציה שתחומה Iולכל i ∈ Iמתקיים .|A (i)| = ai 60 נראה שזו אכן הגדרה תקפה .כשהגדרנו סכום אינסופי הוכחנו שתמיד קיימת פונקציה Aכנדרש .לכן נותר להוכיח שהמכפלה אינו תלויה בבחירת הפונקציה .Aכלומר יש להראות שאם A, Bפונקציות כנדרש אז שתיהן נותנות את אותה המכפלה. לשם כך נגדיר פונקציה חח"ע ועל מהצורה .F : ×i∈I Ai → ×i∈I Biמכך ינבע כי | ,| ×i∈I Ai | = | ×i∈I Biמשמע המכפלה אינה משתנה כאשר אנחנו מחליפים את A ב.B- לכל i ∈ Iנגדיר את Giלהיות העתקה חח"ע של Aiעל Biכפי שהגדרנו לסכום אינסופי .כעת נגדיר את :Fלכל s ∈ ×i∈I Aiנקבע .F (s) = hGi (si ) | i ∈ Ii נוכיח כי Fהיא חח"ע .יהיו .s 6= t ,s, t ∈ ×i∈I Aiקיים j ∈ Iכך ש .sj 6= tj -מכיוון ש Gj -חח"ע אז ) ,F (sj ) = Gj (sj ) 6= Gj (tj ) = F (tjולכן ).F (s) 6= F (t −1 נוכיח כי Fעל .×i∈I Biיהי .w ∈ ×i∈I Biאז יהי .s = Gi (wi ) | i ∈ I ∈ ×i∈I Ai קל לראות כי .F (s) = w למה :יהיו a, bעוצמות ו B-קבוצה שעוצמתה ,bאזי Σi∈B a = a · bוכן .Πi∈B a = ab )ההוכחה מושארת כתרגיל(. 18 סיכום והרחבת הדיון נחזור לדוגמה של זוגות הגרביים .מה קורה אם במקום סדרה אינסופית של זוגות גרביים יש לנו סדרה בת שלושה זוגות גרביים ,כלומר Hהיא פונקציה שתחומה ?N3 במקרה זה אנו יכולים להוכיח קיום פונקציה Fכנדרש גם אם איננו יכולים להצביע על פונקציה מסויימת כזאת ,באופן הבא :נניח כי ),a ∈ H (0) , b ∈ H (1) , c ∈ H (2 נגדיר באופן מפורש: F (0) = a F (1) = b F (2) = c כך הוכחנו שלכל a, b, cכנ"ל קיימת פונקציה Fהמקיימת ) F (n) ∈ H (nלכל .n ∈ N2 מכיוון שכל אחת מהקבוצות ) H (0) , H (1) , H (2היא בת שתי גרביים היא לא ריקה, לכן קיימים a, b, cכנ"ל כך שיש פונקציה Fהמקיימת ) F (n) ∈ H (nלכל .n ∈ N2 פונקציה זאת מוגדרת באמצעות יחס ) Φ (x, yשהמשתנים a, b, cמופיעים בו כפרמטרים. תרגיל :נסחו ולהוכיח לפעולות החיבור והכפל המוכללות חוקי חילוף וחוקי קיבוץ. 61 חלק VII סדר טוב 19 מבוא תזכורת: .1הגדרנו כי יחס < הוא יחס סדר חלקי על מחלקה ,Aאם הוא יחס על A שמקיים את התנאים הבאים: אי־רפלקסיביות :לכל x ∈ Aמתקיים ,x ≮ xטרנזיטיביות :אם x < yוגם y < zאז .x < z .2היחס < נקרא יחס סדר )או יחס סדר קווי או יחס סדר מלא( על מחלקה ,Aאם הוא יחס סדר חלקי על Aהמקיים גם את תנאי ההשוואה ,שאומר: לכל ,x 6= y ,x, y ∈ Aאז x < yאו ) .y < xאם נדבר על יחס סדר ≤ על ,Aאז תנאי ההשוואה הוא שלכל x, y ∈ Aיתקיים x ≤ yאו .(y ≤ x דוגמאות N, Z, Q, R :עם יחס הסדר הסטנדרטי עליהן .דוגמה נוספת היא קבוצת המילים שאפשר לכתוב באותיות עבריות ,עם הסדר כמו שהן מסודרות במילון. תרגיל :אם Aקבוצה סופית לא ריקה ו <-יחס סדר חלקי על ,Aאז קיים y ∈ A מינימלי ביחס ל ,<-וקיים z ∈ Aמקסימלי ביחס ל .<-כלומר לא קיים x ∈ A המקיים x < yאו .x > z הגדרה :נניח כי < יחס סדר על .A אז Bנקראת רישא של ) Aביחס ל (<-אם לכל ,y ∈ Bלכל x ∈ Aאם x < y אז .x ∈ B אם Bשונה מ A-היא נקראת רישא ממש של .A כמו־כן Bנקראת סיפא של ) Aביחס ל (<-אם לכל ,y ∈ Bלכל x ∈ Aאם x > yאז .x ∈ B אם Bשונה מ A-היא נקראת סיפא ממש של .A תרגיל :אם היחס < הוא יחס סדר על ,Aאז המחלקות היחידות שהן גם רישא וגם סיפא של Aהן המחלקה הריקה ו A-עצמה. יש לנו ענין ביחסי סדר על קבוצות המאפשרים לנו לטפל באיברי הקבוצות איבר איבר לפי הסדר. 62 כל יחס סדר על קבוצה סופית הוא כזה .אם Aקבוצה סופית לא ריקה אז הראינו שיש לה איבר ראשון ואנו מטפלים בו .אם יש בקבוצה עוד איברים אז קבוצת יתר האיברים חלקית ל A-ולכן סופית ,ולכן גם לה יש איבר ראשון ואנו מטפלים בו .נמשיך הלאה עד שלא ייוותרו איברים. דוגמה ליחס סדר על קבוצה אינסופית המאפשר טיפול באיבריה זה אחר זה ,הוא יחס הסדר הרגיל של המספרים הטבעיים .אנחנו מתחילים את הטיפול ב ,0-ואם כבר טיפלנו במספרים מ 0-עד nאנו מטפלים ב .n + 1-כך מטופלים כל המספרים הטבעיים .סדר זה אינו בלעדי .כך למשל ניתן להתבונן בסדר .0, 2, 4, ..., 1, 3, 5, ...גם בסדר זה אנחנו מתחילים את הטיפול ב ,0-אחרי כל מספר זוגי nאנחנו מטפלים במספר הזוגי הבא n + 2וכך הלאה .כאשר מסיימים את הטיפול בכל המספרים הזוגיים ,המספר הראשון אחריהם הוא 1וכעת אנחנו מטפלים במספרים האי־זוגיים לפי הסדר עד שמסתיים הטיפול בכל המספרים הטבעיים. דוגמה ליחס סדר על קבוצה אינסופית שאינו מאפשר טיפול באיבריה בזה אחר זה לפי הסדר ,הוא יחס הסדר הטבעי על המספרים הרציונליים .שם גם אין מספר ראשון בשביל להתחיל בו את הטיפול ,וגם אם כבר טיפלנו בכל המספרים השליליים וב ,0-אין מספר חיובי ראשון שיש לטפל בו. נרצה להגדיר תכונה של יחסי סדר המאפשרת טיפול איבר איבר לפי הסדר. 20 סדר טוב הגדרה :יחס < על קבוצה Aנקרא יחס סדר טוב על ,Aאם הוא יחס סדר קווי על A = ∅ שאינה ריקה יש איבר מינימלי ביחס ל .<-כלומר כך שלכל קבוצה 6 B ⊆ A איבר y ∈ Bכך שלכל x ∈ Bמתקיים .y ≤ x קבוצה סדורה היטב היא הזוג hA, <iכך ש <-הוא יחס המסדר היטב את הקבוצה .A הגדרה שקולה :קבוצה סדורה קווית Aתיקרא מנומסת אם לכל סיפא לא ריקה שלה יש איבר מינימלי. הוכחה :ההגדרה השנייה היא מקרה פרטי של ההגדרה הראשונה .נראה שהיא גם גוררת את הראשונה. תהי .∅ 6= B ⊆ Aנגדיר את הקבוצה } .D = {y ∈ A|∃x∈B x ≤ yקל לראות כי Dסיפא של ,Aולכן יש לה איבר מינימלי .z ∈ D נשים לב כי ,B ⊆ Dולכן אם נראה כי ,z ∈ Bממינימליות zב D-תנבע המינימליות שלו ב ,B-כלומר ל B-יש איבר מינימלי. מכיוון ש z ∈ D-נובע שיש u ∈ Bכך ש .u ≤ z-נשים לב כי ,u ∈ B ⊆ D וממינימליות zב D-נובע כי ,z ≤ uמכאן כי ,z = uכלומר z ∈ Bכנדרש . 63 טענה: אם < יחס סדר חלקי על ,Aאז ההגבלה ל B ⊆ A-של היחס < ,כלומר ,< ∩B × Bהיא סדר חלקי על .B אם < יחס סדר על Aוכן ,B ⊆ Aאז < ∩B × Bיחס סדר על .B אם < יחס סדר טוב על Aו B ⊆ A-אז < ∩B × Bיחס סדר טוב על .B 20.1 אינדוקציה שלמה )או טרנספיניטית( משפט :תהי )< (A,קבוצה סדורה היטב ותהי Φתכונה. אם קיים צעד האינדוקציה :לכל ,x ∈ Aאם כל y ∈ Aהמקיים y < xהוא בעל התכונה Φאז גם xהוא בעל התכונה ,Φאז קיימת מסקנת האינדוקציה :כל איברי Aהם בעלי התכונה .Φ הסבר :צעד האינדוקציה על xמתחלק לשני חלקים :החלק "כל yהמקיים y < xהוא בעל התכונה "Φנקרא הנחת האינדוקציה ,והחלק " xהוא בעל התכונה "Φנקרא מסקנת צעד האינדוקציה. כאשר נתונה קבוצה )< (A,סדורה היטב ורוצים להוכיח שכל איברי Aהם בעלי התכונה ,Φמשפט ההוכחה באינדוקציה מבטיח שאם נוכיח את צעד האינדוקציה אז נדע כבר שכל איברי Aהם בעלי התכונה .Φכדי להוכיח את צעד האינדוקציה אנו מניחים ל x-כלשהו את הנחת האינדוקציה ומוכיחים ממנה את מסקנת צעד האינדוקציה. נשים לב שהאנלוג ל"הנחת האינדוקציה" באינדוקציה רגילה )המקרה הראשון שהוא בד"כ " ,("n = 0חבוי כבר בצעד האינדוקציה השלמה .שכן נניח כי a ∈ A הוא האיבר המינימלי ביחס ,אז מכיוון של a-אין קודמים ,נכון באופן ריק שכל קודמיו הם בעלי התכונה .Φלכן צעד האינדוקציה אומר ישירות ש a-הוא בעל התכונה ) Φולשם כך לא היינו זקוקים למשפט האינדוקציה(. כמובן שכאשר אנו מוכיחים את צעד האינדוקציה עלינו לוודא שהוכחה זאת תקפה לכל xוגם ל x-שהוא האיבר הראשון ב־ .Aאם אנו מוכיחים את צעד האינדוקציה רק עבור איברים xשל Aשיש להם קודמים ב־ Aאז לא הוכחנו את צעד האינדוקציה לכל איברי ,Aואיננו יכולים להשתמש במשפט ההוכחה באינדוקציה. הוכחה :נניח בשלילה שלא כל איברי Aהם בעלי התכונה .Φתהי Bקבוצת איברי A שאינם בעלי התכונה ,Φומההנחה בשלילה נובע כי Bאינה ריקה. Aסדורה היטב ולכן קיים b ∈ Bמינימלי .נשים לב כי b ∈ Bולכן הוא אינו בעל התכונה ,Φומהמינימליות שלו ב B-נובע שכל איבר ב A-הקטן ממנו הוא בעל התכונה .Φ 64 אם־כך קיבלנו סתירה לצעד האינדוקציה ,האומר שאם כל הקודמים לאיבר כלשהו xהם בעלי התכונה Φאז גם xעצמו הוא בעל תכונה זאת . 20.2 הגדרה רקורסיבית של פונקציה כאשר מגדירים ברקורסיה פונקציה F : A → Bעבור קבוצה סדורה היטב ,Aמגדירים את הערך ) F (yלכל y ∈ Aבתלות בערכי Fעל איברי Aהקודמים ל.y- כל המידע על ערכי Fבאיברי Aהקודמים ל y-מצוי בפונקציה }.F {x ∈ A | x < y נתבונן במחלקת כל הפונקציות שתחומן חלקי ל A-וטווחן מוכל ב ,B-ותהי Hפונקציה שתחומה הוא מחלקה זו כך ש.Range (H) ⊆ B- לכל ,y ∈ Aקיימת פונקציה יחידה Fבמחלקה הנ"ל שתחומה הוא }{x ∈ A|x < y והמקיימת )} .F (y) = H (F {x ∈ A|x < yלכן הצורה הכללית ביותר של הגדרת Fברקורסיה היא: )}∀x∈A F (x) = H (F {y ∈ A | y < x הערה :זו אינה הגדרה מפורשת של ,Fכי בהגדרה מפורשת של הפונקציה Fהיא עצמה לא יכולה להופיע בצד ימין של שוויון ההגדרה. כדי שזו תהיה הגדרה לגיטימית יש להוכיח שאכן קיימת פונקציה Fהמקיימת את השוויון וכי היא יחידה ,ואז אנו יכולים להגדיר את Fלהיות הפונקציה היחידה הזו. אכן אין יותר מפונקציה Fאחת המקיימת את השוויון הנ"ל ,כי אם F1 , F2הן שתי פונקציות המקיימות את השוויון אז קל להוכיח באינדוקציה כי לכל x ∈ A מתקיים ).F1 (x) = F2 (x ההוכחה שאמנם קיימת פונקציה Fכנ"ל ארוכה יותר .אנו נקבל כאן את עקרון ההגדרה ברקורסיה ללא הוכחה. 20.3 איזומורפיזם )או העתקת דמיון( הגדרה :אם A, Bקבוצות סדורות וקיימת פונקציה ,F : A → Bאומרים ש F -שומרת סדר ,אם לכל x, y ∈ Aאם x < yאז ).F (x) < F (y קל לראות שכל פונקציה שומרת סדר מקבוצה סדורה לקבוצה סדורה היא חד חד ערכית. הגדרה :לפונקציה שומרת סדר מקבוצה סדורה Aעל קבוצה סדורה Bאנו קוראים איזומורפיזם מ A-ל B-או גם העתקת דמיון מ A-ל.B- 65 במקרה שקיימת איזומורפיזם כנ"ל אומרים כי A, Bאיזומורפיות או דומות. קל לראות כי אם F : A → Bאיזומורפיזם אז F −1 : B → Aאיזומורפיזם .כך אם גם G : B → Cאיזומורפיזם אז G ◦ F : A → Cאיזומורפיזם. כתוצאה מכך יחס הדימיון הוא יחס שקילות .כלומר ,רפלקסיבי ,סימטרי וטרנזיטיבי. כמובן שאם שתי קבוצות סדורות הן איזומורפיות אז הן בפרט גם שוות עוצמה. משפט :אם A, Bקבוצות סדורות ו F : A → B-איזומורפיזם ,אזי לכל רישא C ⊆ A מתקיים כי ) F (Cרישא של .B הוכחה :יהי ) F (x) ∈ F (Cעבור x ∈ Cכלשהו .יהי ) ,u < F (xנרצה להראות כי ).u ∈ F (C מכיוון ש u ∈ B-אז יש z ∈ Aכך ש .F (z) = u-אילו x ≤ zאז ≤ )F (x F (z) = uבסתירה להנחה ) ,u < F (xלכן .z < x מהיות Cרישא נובע כי z < x ∈ Cאז z ∈ Cולכן ) ,u = F (z) ∈ F (Cכלומר ) F (Cאכן רישא . משפט :תהי Aקבוצה סדורה היטב ו F : A → A-שומרת סדר ,אז לכל x ∈ Aמתקיים ).x ≤ F (x הוכחה :נוכיח באינדוקציה על .xנניח .הנחת האינדוקציה תהיה שלכל y < xמתקיים ) y ≤ f (yונראה שזה גורר כי ).x ≤ f (x נניח בשלילה כי .f (x) < xמכיוון ש f -שומרת סדר יחס זה נשמר כאשר נפעיל את fעל שני אגפיו ,ולכן נקבל ).f (f (x)) < f (x זו סתירה ,כי הרי f (x) < xולכן צריך לפי הנחת האינדוציה צריך להתקיים )) .f (x) ≤ f (f (x מסקנה :1אם A, Bקבוצות סדורות היטב ,אז יש ל A-איזומורפיזם לכל היותר לרישא אחת של .B הוכחה :נניח כי C, D ⊆ Bשתי רישות שונות .ברור כי ללא הגבלת הכלליות .C $ D יהי ,z ∈ D\Cונניח בשלילה שקיימים G : A → D ,F : A → Cאיזומורפיזמים. נשים לב כי F G−1 (z) ∈ Cולכן בהכרח .F G−1 (z) < zאולם מצד שני F ◦ G−1 : B → Bהעתקה שומרת סדר ,ולכן מהמשפט נובע כי < z ) ,F G−1 (zוזו סתירה . הערה :ממסקנה זו נובע בפרט כי קבוצה סדורה היטב Aאינה איזומורפית לאף רישא ממש שלה ,שכן העתקת הזהות היא איזומורפיזם של Aעל עצמה ,ו A-היא רישא של עצמה. מסקנה :2אם A, Bקבוצות סדורות היטב ,אז יש לכל היותר איזומורפיזם אחד ביניהן. 66 הוכחה :נניח כי F, G : A → Bשני איזומורפיזמים שונים ,כך שקיים z ∈ Aשעבורו ) G (z) < F (zללא הגבלת הכלליות. לכן מתקיים )) F −1 (G (z)) < F −1 (F (zומכאן .F −1 (G (z)) < zאולם מצד שני F −1 ◦ G : B → Bהעתקה שומרת סדר ,ולכן מהמשפט נובע כי )) ,z < F −1 (G (zוזו סתירה . משפט :לכל שתי קבוצות סדורות היטב ,A, Bקיים איזומורפיזם של אחת מהן על רישא של השניה. הוכחה :רעיון ההוכחה הוא להעתיק את האיבר הראשון של Aלאיבר הראשון של ,B את האיבר השני של Aלאיבר השני של Bוכן הלאה ,עד שבאחת משתי הקבוצות לא נותרים איברים. ∈ } {endיחידון נגדיר ברקורסיה פונקציה } ,F : A → B ∪ {endכאשר / B כלשהו. לכל ,y ∈ Aאם F [{x ∈ A|x < y}] $ Bממש אז ) F (yיהיה האיבר המינימלי של ]} ,B\F [{x ∈ A|x < yואם F [{x ∈ A|x < y}] = Bאז }.F (y) = {end כדי להראות שאכן פונקציה זו היא איזומורפיזם מ A-או Bעל רישא של האחרת, נפריד בין שני מקרים: ∈ end • מקרה א' :הקבוצה Bלא נגמרה תוך כדי הגדרת ,Fכלומר / ) ,Range (Fואז ברור כי .Range (F ) ⊆ Bנוכיח כי היא איזומורפיזם של Aעל רישא של .B – נראה כי Fשומרת סדר .נניח כי z < x ,x, z ∈ Aונראה כי ).F (z) < F (x נשים לב כי ) F (xמהגדרתה שונה מכל ) F (yעבור ,y < xובפרט ) F (x) 6= F (zוכן } F (x) ∈ {F (y) | y < zולכן }.F (x) ∈ {B \ F (y) | y < z נשים לב כי ) F (zמהגדרתו הוא האיבר הראשון של }B\{F (y) | y < z המכילה את ) F (xוכן ) ,F (z) 6= F (xלכן ) ,F (z) < F (xכלומר Fשומרת סדר. – נראה כי טווח Fהוא רישא של .Bנניח כי ) u < v ∈ Range(F ונוכיח כי גם ) .u ∈ Range(F מכיוון ש v ∈ Range(F )-קיים x ∈ Aכך ש .v = F (x)-מהגדרת ) F (xהוא האיבר הראשון של } ,B \ {F (y) | y < xולכן מכיוון ש u < F (x)-משמע uאינו בקבוצה זאת ,ומכיוון ש u ∈ B-בהכרח } .u ∈ {F (y) | y < xלכן קיים y < xכך ש ,u = F (y)-ולכן ) u ∈ Range(Fוטווח Fהוא רישא של .B • מקרה ב' .end ∈ Range(F ) :נראה שקיים איזומורפיזם שתחומו Bעל רישא של .A 67 – נניח כי uמינימלי של Aכך ש ,F (u) = end-ואז לכל x < uמתקיים ,F (x) ∈ Bכלומר .{F (y) | y < u} ⊆ B מהגדרת ) F (uמתקיים ∅ = } B \ {F (y) ∈ B | y < uולכן מתקיים כי ,{F (y) ∈ B | y < u} = Bכלומר = )}Range(F {y | y < u .B נסמן } .G = F {y ∈ A | y < uתחום Gהוא הרישא } {y ∈ A | y < uשל ,Aוטווחה הוא .B – נראה כי Gשומרת סדר .יהיו z < xבתחום ,Gכלומר .z < x < u מכיוון ש x < u-ומהגדרת ) F (xברור כי ) F (x) 6= F (yלכל ,y < x ובפרט ) F (x) 6= F (zוגם } .F (x) 6∈ {F (y) | y < zלכן ∈ )F (x }.B \ {F (y) | y < z מכיוון ש z < u-נובע מהגדרת ) F (zכי הוא האיבר הראשון של הקבוצה } B \ {F (y) | y < zהמכילה את ) ,F (xוכן גם =F (z) 6 ) F (xולכן ) .F (z) < F (xכלומר ) G (z) < G (xו G-היא שומרת סדר. אם כך קבלנו במקרה זה איזומורפיזם Gשל רישא של Aעל ,Bולכן הפונקציה G−1היא איזומורפיזם של Bעל רישא של .A הערה :בהוכחת המשפט הגדרנו ברקורסיה פונקציה ,Fועל פניה הגדרת Fאינה במתכונת של ההגדרה לפונקציה רקורסיבית ,שהוא המשפט המתיר לנו להשתמש בהגדרה ברקורסיה .נראה כיצד משתלבת ההגדרה בהוכחה ממשפט ההגדרה ברקורסיה. בהינתן קבוצה סדורה היטב Bועצם ,end 6∈ Bנגדיר פונקציה Hשתחומה היא מחלקת כל הפונקציות ע"י שנקבע לכל פונקציה fאת הערך ) H (fכדלקמן :אם ∅ = B \ Range (F ) 6אז ) H (fהוא האיבר הראשון של קבוצה זאת ,ואחרת .H (f ) = end במתכונת ההגדרה ברקורסיה אנו משתמשים ב .H (F {y ∈ A | y < x})-מכיוון ש–} Range (F {y ∈ A | y < x}) = {F (y) | y < xלכן עבור Hכפי שבחרנו זה עתה מתכונת ההגדרה ברקורסיה נותנת ש F (x)-הוא האיבר הראשון של } B \ {F (y) | y < xאם קבוצה זאת אינה ריקה ו F (x) = end-אחרת .זאת בדיוק ההגדרה בה השתמשנו במשפט. תרגיל :להוכיח את המשפט ללא שימוש בהגדרה ברקורסיה ,כדלקמן. הדרכה :תהי Wקבוצת כל ההעתקות שומרות הסדר מרישא של Aעל רישא של התחומים Bותהיינה .F, G ∈ Wבאינדוקציה על xלהראות שאם xבחיתוך S של F, Gאז ) ,F (x) = G (xכלומר F, Gמתיישבות .לכן האחוד H = W של כל איברי Wהוא פונקציה. 68 כעת להוכיח כי גם Hהיא פונקציה שומרת סדר מרישא של Aלרישא של ,B ולאחר מכן כי תחום Hהוא Aאו טווח Hהוא ,Bכי אחרת ניתן להרחיב את Hלפונקציה שתחומה מקיף ממש את תחום Hוגם היא ב .W - מהמשפט נובע שאם A, Bקבוצות סדורות היטב אז A Bאו .B Aנשים לב שלא יכולנו להוכיח זאת לסתם שתי קבוצות Aו ,B-בניגוד לאינטואיציה הפשוטה האומרת שמכיוון שהעוצמות מייצגות כמויות ,אז אם שתי כמויות אינן שוות אז אחת מהן צריכה להיות גדולה מחברתה. אם נצליח להוכיח שכל קבוצה ניתנת לסידור היטב נדע שכל שתי עוצמות ניתנות להשוואה .נראה כי טענה זו אפשר להוכיח זאת תוך שימוש באקסיומת הבחירה. 20.4 משפט הסידור הטוב )אה"ב( על כל קבוצה Aקיים יחס < המסדר את Aהיטב. קווים כלליים להוכחה :באופן גס ,הרעיון הוא לבחור איבר כלשהו של Aבתור איבר ראשון ,איבר אחר כלשהו של Aכאיבר שני ולהמשיך כך עד שלא נותרים איברים ב .A-הבעייה היא שאיננו יכולים לתאר במדוייק את התהליך הזה. כדי שנוכל לתאר את התהליך הזה אנו זקוקים לפונקצית בחירה Cעל קבוצת החזקה של .Aבהינתן פונקציית בחירה Cאנו יכולים לבנות סדר טוב ל- Aבאופן שיטתי כדלקמן :האיבר הראשון של Aיהיה ) ,C (Aהשני יהיה )}) ,C (A \ {C (Aוכן הלאה .באופן כללי ,כל איבר xשל Aיהיה האיבר הנבחר ע"י Cמקבוצת האיברים שעדיין לא הוכנסו לסדר. גם ההוכחה הנוכחית וגם ההוכחה שנביא מאוחר יותר יוצרות את הסדר שתארנו כאן אינטואיטיבית. הוכחה :בשם קבוצה סדורה שיטתית נקרא לקבוצה B ⊆ Aעם יחס סדר טוב ,Rאשר בו כל x ∈ Bהוא האיבר הנבחר מבין כל איברי Aשלא נכנסו לפני .xכלומר, לכל x ∈ Bמתקיים )}.x = C (A \ {y ∈ A | yRx כעת יש ללכת בצעדים הבאים: .1לכל שתי קבוצות סדורות שיטתית ,אחת מהן היא רישא של חברתה לפי משפט קודם. .2איחוד כל הקבוצות הסדורות שיטתית עם איחוד יחסי הסדר שלהן הוא קבוצה סדורה שיטתית ,שהיא כמובן הקבוצה הסדורה שיטתית המקסימלית. .3קבוצה סדורה שיטתית זאת היא הקבוצה Aכולה ,כי אחרת ניתן להרחיב אותה לאיבר נוסף של Aבסתירה למקסימליות שלה. 69 סדר מילוני )או לקסיקוגרפי( 20.5 הגדרה :תהי Aקבוצה סדורה ע"י היחס <Aותהי Bקבוצה סדורה ע"י היחס .<B יהי < היחס המוגדר על הקבוצה A × Bעל־ידי ha, bi < ha0 , b0 iכאשר a <A a0 או כאשר a = a0ו.b <B b0 - יחס זה הוא יחס סדר על A × Bוהוא נקרא הסדר המילוני )הלקסיקוגרפי( כי זהו הסדר בו מסודרות המילים במילון. הגדרה :תהי Aקבוצה סדורה ע"י היחס <. יהי < היחס המוגדר על הקבוצה ∗ Aשל הסדרות הסופיות של איברי ,Aהנתון ע"י ha0 , . . . , ak i < hb0 , . . . , bl iאם קיים m ≤ k, lכך ש ai = bi -לכל i < m וגם ,am < bmאו שמתקיים k < lולכל i < kמתקיים .ai = bi יחס זה הוא יחס סדר על ∗ Aוהוא נקרא הסדר המילוני )הלקסיקוגרפי(. משפט: .1אם A, Bקבוצות סדורות היטב ,אז הסדר המילוני של A × Bהוא סדר טוב שלה. .2אם Aקבוצה סדורה היטב אז לכל ,n ∈ Nהסדר המילוני של Anהוא סדר טוב שלה. תרגיל :תהי Aקבוצה סדורה .מצאו תנאי הכרחי ומספיק על Aלכך ש A∗ -הסדורה בסדר המילוני תהיה סדורה היטב. 21 סיכום והרחבת הדיון תרגיל :להוכיח את שתי הטענות הבאות: .1כל קבוצה סדורה בת nאיברים איזומורפית לקבוצה Nnהסדורה בסדר הרגיל. .2אם Aקבוצה סדורה בת nאיברים ו B-קבוצה סדורה בת לפחות nאיברים )כלומר ( |B| ≥ nאז קיימת העתקה שומרת סדר של Aלתוך .B תרגיל :בקבוצת המספרים הממשיים Rהסדורה בסדר הרגיל של הממשיים ,הקבוצות הבאות כולן איזומורפיות R :עמה ,כל הקטעים הפתוחים ) (a, bכאשר ,a < bכל הקרניים הפתוחות )∞ (a,ו.(−∞, a)- אותו דבר נכון גם לקבוצת המספרים הרציונליים הסדורה בסדר הרגיל. 70 הגדרה :הסדר של קבוצה סדורה Aנקרא סדר צפוף ,והקבוצה נקראת קבוצה צפופה, אם יש ב A-לפחות שני איברים ולכל x, y ∈ Aכך ש x < y-קיים z ∈ Aכך ש.x < z < y- קבוצת המספרים הרציונליים וקבוצת המספרים הממשיים ,סדורות בסדר הרגיל, הן צפופות .אף קבוצה סדורה היטב איננה צפופה )מדוע?(. משפט :תהי Aקבוצה סדורה צפופה כך שקיימת פונקצית בחירה Cעל ) ,P (Aותהי Bקבוצה סדורה בת־מניה כלשהי ,אזי קיימת העתקה שומרת סדר של Bלתוך .A הערה :במקרה הכללי נצטרך להשתמש באקסיומת הבחירה ,אבל אם Aהיא קבוצה בת־מניה קיימת פונקצית בחירה כזאת גם בלי לאקסיומת הבחירה. הוכחה :נשים לב שמספיק לטפל במקרה בו אין ל A-איבר ראשון ואיבר אחרון ,כי אחרת נחליף את Aבקבוצה A0המתקבלת מ A-ע"י הוצאת האיבר הראשון והאחרון ,וההעתקה המתקבלת תהיה לתוך .A0 .1תהי } ,B = {b0 , b1 , . . .עבור bסדרה חח"ע .נגדיר ברקורסיה סדרה hfn | n ∈ Niשל פונקציות כך ש fn : {b0 , b1 , . . . , bn } → A-היא פונקציה שומרת סדר. נקבע } .f0 = {hb0 , C (A)iפונקציה זאת שומרת סדר באופן טריוויאלי. בשלב הרקורסיה אנו יוצאים מ fn : {b0 , . . . , bn } → A-שומרת סדר .יהיו c0 , . . . , cnהאיברים b0 , . . . , bnשל Bכשהם מסודרים לפי הסדר שלהם ב.B- bn+1שונה מ c0 , . . . , cn -שהם ,b0, . . . , bnולכן ייתכנו רק האפשרויות הבאות: )א( אם bn+1 < c0אז נבחר )}) fn+1 (bn+1 ) = C ({y ∈ A | y < fn (c0 )ב( אם קיים 0 ≤ k < nכך ש ,ck < bn+1 < ck+1 -אז נבחר = ) fn+1 (bn+1 )}) C ({y ∈ A | fn (ck ) < y < fn (ck+1 )ג( אם ,cn < bn+1אז נבחר )}) fn+1 (bn+1 ) = C ({y ∈ A | y > fn (cn כלומר נבחר את fn+1להיות } ,fn ∪{hbn+1 , fn+1 (bn+1 )iכאשר ) fn+1 (bn+1 נקבע כך שמיקומו ביחס ל fn (b0 ) , . . . , fn (bn )-יהיה כמו המיקום של bn+1ביחס ל.c0 , . . . , cn - .2נראה עתה כי fn+1שומרת סדר .נעשה זאת למקרה ב' ,כאשר בשני המקרים האחרים ההוכחה דומה. יהיו } .x < y ,x, y ∈ {b0 , . . . , bn+1 אם } x, y ∈ {b0 , . . . , bnאז מכיוון ש fn -שומרת סדרfn+1 (x) = , ).fn (x) < fn (y) = fn+1 (y 71 אם x = bn+1אז y = cmעבור k +1 ≤ m ≤ nמסויים ,ולכן < )fn+1 (x ).fn (ck+1 ) ≤ fn (cm ) = fn (cm ) = fn (y) = fn+1 (y אם y = bn+1אז x = cmעבור 0 ≤ m ≤ kמסויים ואז = )fn+1 (x ).fn+1 (cm ) = fn (cm ) ≤ fn (ck ) < fn+1 (bn+1 ) = fn+1 (y k Sמתקיים ,fk ⊆ fl כך קבלנו שלכל nטבעי ,fn ⊆ fn+1ולכן לכל < l והפונקציות fk , flמתיישבות .לכן } F = {fn | n ∈ Nהיא פונקציה לתוך Aשתחומה הוא איחוד התחומים של הפונקציות ,fnכלומר .B .3נראה כי Fשומרת סדר :יהיו x < y ,x, y ∈ Bויהיו y = bl ,x = bk ויהיו .n ≥ k, lמתקיים ) .F (x) = fn (x) < fn (y) = F (yלכן Fהיא הפונקציה שקיומה נדרש במשפט . משפט :תהיינה A, Bקבוצות סדורות ,צפופות ,בנות־מניה ןבלי איבר ראשון ואחרון, אזי הן איזומורפיות. דוגמה לקבוצה כזאת היא קבוצת המספרים הרציונליים בסדר הרגיל. הוכחה :הוכחת משפט זה דומה מאוד להוכחת המשפט הקודם ,רק שכאן אנו עובדים בשני הכיוונים .B → A ,A → B - תהיינה } ,B = {b0 , b1 , . . . } A = {a0 , a1 , . . .כאשר a, bסדרות חח"ע. נגדיר ברקורסיה סדרה hfn | n ∈ Niשל פונקציות כך ש fn -פונקציה שומרת סדר עם תחום סופי המקיים {b0 , b1 , . . . , bn } ⊆ Domfn ⊆ Bוהמקיימת .{a0 , a1 , . . . , an } ⊆ Rangefn ⊆ A נקבע } .f0 = {hb0 , a0 iבהינתן fnנגדיר תחילה פונקציה fn+כך :אם ∈ bn+1 ∈ bn+1נקבע את fn+כמו שקבענו את Domfnנבחר .fn+ = fnאם / Domfn fn+1בהוכחת המשפט הקודם. יהיו c0 , . . . , cjהאיברים של Domfnכשהם מסודרים לפי הסדר שלהם ב.B- נמצא את המקום של bn+1בין האיברים .c0 , . . . , cjנטפל כאן רק באותו מקרה בו טיפלנו בהוכחת המשפט הקודם ,והוא שקיים 0 ≤ k < nכך ש- .ck < bn+1 < ck+1במקרה זה נקבע את fn+להיות }fn ∪ {hbn+1 , fn+ (bn+1 )i כאשר ) fn+ (bn+1הוא aiעם ה i-המזערי המקיים ) .fn (ck ) < ai < fn (ck+1 ההוכחה ש fn+ -שומרת סדר היא כמו ההוכחה ש fn+1 -שומרת סדר במשפט הקודם. כעת נקבע את fn+1כך :אם an+1 ∈ Rangefn+נקבע ,fn+1 = fn+ואם ∈ an+1יהיו d0 , . . . , dmהאיברים של Rangefn+כשהם מסודרים / Rangefn+ לפי הסדר שלהם ב .A-נמצא כעת את המקום של an+1בין האיברים הללו ונקבע את fn+1להיות ֵ} fn+ ∪ {hbr , an+1 iכאשר rהוא המספר המזערי כך ש br -נמצא במקום המתאים ביחס לתחום של fn+כמו an+1בין האיברים .d0 , . . . , dm 72 קל לראות שהפונקציה fn+1שהתקבלה היא פונקציה שומרת סדר עם תחום סופי המקיים {b0 , b1 , . . . , bn+1 } ⊆ Domfn+1 ⊆ Bוהמקיימת ⊆ } {a0 , a1 , . . . , an+1 .Rangefn+1 ⊆ A S = ,Fופונקציה זאת היא כמו בהוכחת משפט קודם נקבע }{fn | n ∈ N העתקה שומרת סדר של Bעל .A כעת נעבור לדון במושג הסדר הטוב ,ותחילה נרחיב אותו גם למחלקות ממש. הגדרה :יחס < על מחלקה Aנקרא יחס סדר טוב על ,Aאם הוא יחס סדר על A המקיים את שני התנאים הבאים: .1לכל קבוצה w ⊆ Aשאינה ריקה יש איבר ראשון ,כלומר איבר yכך שלכל x ∈ wמתקיים .y ≤ x .2לכל ,y ∈ Aמחלקת איברי Aהקודמים ל y-היא קבוצה. תנאי ב' מתקיים אוטומטית כאשר Aהיא קבוצה ,ולכן עבור קבוצה Aההגדרה הנוכחית שקולה להגדרה הרגילה. מתנאי ב' נובע שכל רישא ממש של מחלקה סדורה היטב היא קבוצה .נרחיב עתה למחלקות את משפט ההוכחה באינדוקציה. משפט ההוכחה באינדוקציה על מחלקה סדורה היטב :תהי Aמחלק שהיא סדורה היטב ע"י היחס < ,ותהי Φתכונה. אם מתקיים צעד האינדוקציה :לכל ,x ∈ Aאם כל y ∈ Aהמקיים y < xהוא בעל התכונה ) Φכלומר ,אם כל הקודמים ל x-ביחס < הם בעלי התכונה (Φאז גם xהוא בעל התכונה ,Φ אז קיימת מסקנת האינדוקציה :כל איברי Aהם בעלי התכונה .Φ הוכחה :נוכיח את המשפט בדרך השלילה ,ולשם כך נניח שלא כל איברי Aהם בעלי התכונה .Φ יהי y ∈ Aשאינו בעל התכונה .Φנראה שקיים איבר b ∈ Aשהוא הראשון מבין איברי Aשאינו בעל התכונה .Φאם yאינו הראשון שאינו בעל התכונה Φאז המחלקה Bשל איברי Aהקודמים ל y-שאינם בעלי התכונה Φאינה ריקה .מחלקה זאת חלקית למחלקת איברי Aשהיא קבוצה לפי תנאי א' ולכן היא קבוצה ויש לה איבר ראשון .bלפי בחירת bכל איברי Aהקודמים ל b-הם בעלי התכונה ,Φבניגוד ל b-שאינו בעל התכונה .Φ כך קבלנו סתירה לצעד האינדוקציה האומר שאם כל הקודמים לאיבר כלשהו x הם בעלי התכונה Φאז גם xעצמו הוא בעל תכונה זאת . 73 ראינו את משפט ההגדרה של פונקציה על קבוצה סדורה היטב מבלי שהוא הוכח באופן מלא .כאן נביא את המשפט הכללי יותר של הגדרה ברקורסיה על מחלקה סדורה היטב ונוכיח אותו. הגדרת פונקציה ברקורסיה על מחלקה סדורה היטב :תהי Aמחלקה סדורה היטב ותהי Hפונקציה שתחומה היא מחלקת כל הקבוצות שהן פונקציות שתחומן חלקי ל.A- אז קיימת פונקציה Fיחידה שתחומה Aהמקיימת: )}∀x∈A F (x) = H (F {y ∈ A|y < x הוכחה :לצורך הוכחה זאת נקרא בשם "פונקציה טובה" לפונקציה fשתחומה הוא רישא של ) Aולכן תחום fו f -עצמה הם קבוצות( והמקיימת לכל xבתחומה את תנאי הרקורסיה שהוא )}.f (x) = H (F {y ∈ A|y < x את הפונקציה Fנגדיר ע"י היחס ) Φ (x, yהנתון ע"י "קיימת פונקציה טובה f אשר xנמצא בתחומה והמקיימת ."f (x) = y כעת עלינו להוכיח כי היחס הנתון ע"י ) Φ (x, yהוא פונקציה שתחומה Aושפונקציה זאת מקיימת את תנאי הרקורסיה. תהיינה f, gפונקציות טובות .נוכיח שאחת מהן מקיפה את חברתה ולכן הן בוודאי מתיישבות. מכיוון שהתחומים של f, gהם רישות של Aאז אחד מהם מקיף את חברו .נניח כי Domf ⊆ Domgונוכיח כי .f ⊆ gלשם כך עלינו להוכיח כי לכל x ∈ Domf מתקיים ) .f (x) = g (xנוכיח את זה באינדוקציה. הנחת האינדוקציה היא ) f (y) = g (yלכל ,y < xולכן = }f {y ∈ A | y < x } .g {y ∈ A | y < xמכיוון ש f, g-מקיימות את תנאי הרקורסיה אז: )f (x) = H (f {y ∈ A | y < x}) = H (g {y ∈ A | y < x}) = g(x ובכך הוכחה מסקנת צעד האינדוקציה. ממה שכבר ראינו נראה כי נובע שלכל x ∈ Aקיים לכל היותר yאחד המקיים ) .Φ (x, yלשם כך נניח שקיימים z, yכך ש .Φ (x, z) Φ (x, y)-אז קיימות פונקציות טובות f, gכך ש .g (x) = z ,f (x) = y-אבל מכיוון שכל שתי פונקציות טובות מתיישבות מתקיים .y = f (x) = g(x) = z כדי להוכיח שלכל x ∈ Aקיים yכך ש ,Φ (x, y)-די להוכיח שלכל x ∈ Aקיימת פונקציה טובה שתחומה מכיל את .xנעשה זאת באינדוקציה על .x הנחת האינדוקציה היא שלכל u < xקיימת פונקציה טובה gשתחומה מכיל את .uנגדיר את הפונקציה jעל } {u ∈ A | u < xעל־ידי ) j (u) = g (uכאשר g 74 פונקציה טובה כלשהי שתחומה מכיל את .uבכך נתנו ל j (u)-ערך יחיד כי כל שתי פונקציות טובות מתיישבות. נוכיח עתה כי jהיא פונקציה טובה .תהי gפונקציה טובה שתחומה מכיל את u ולכן גם את כל vכך ש.v < u- כל v ≤ uמקיים v < xולכן ,מכיוון ש g-היא פונקציה טובה שתחומה מכיל את ,vמתקיים ).j (v) = g (v לכן } j {y ∈ A | y < u} = g {y ∈ A | y < uומתקיים: )}j (u) = g (u) = H (g {y ∈ A | y < u}) = H (j {y ∈ A | y < u כך ראינו ש j-פונקציה טובה .לכן גם } j ∪ {hx, H (j)iהיא פונקציה טובה שתחומה מכיל את ,xובזה סיימנו את הוכחת שלב האינדוקציה. אם כך ראינו שהיחס ) Φ (x, yמגדיר פונקציה Fשתחומה ,Aונותר להוכיח כי Fזאת ממלאת אחר תנאי הרקורסיה. יהי x ∈ Aותהי gפונקציה טובה שתחומה מכיל את .x )) ,Φ (x, g (xוגם לכל y < xמתקיים )).Φ (y, g (y ברור שמתקיים מכיוון ש F -היא הפונקציה המוגדרת על־ידי היחס ) Φ (x, yזה אומר שF (x) =- ) ,g (xולכל y < xמתקיים ) ,F (y) = g (yולכן: }F {y ∈ A | y < x} = g {y ∈ A | y < x מכיוון ש g-פונקציה טובה מתקיים: )}F (x) = g (x) = H (g {y ∈ A | y < x}) = H (F {y ∈ A | y < x וזהו תנאי הרקורסיה ל .F - המשפט הבא הוא ההכללה למחלקות. משפט: .1לכל שתי מחלקות סדורות היטב ,A, Bקיים איזומורפיזם מאחת מהן על רישא של השניה. .2אם Aאו Bהיא קבוצה והשניה מחלקה ממש אז האיזומורפיזם היא מן הקבוצה על רישא של המחלקה. .3אם A, Bמחלקות ממש ,האיזומורפיזם היא מאחת מהן על השניה ,ולכן כל שתי מחלקות ממש סדורות היטב איזומורפיות. הוכחה: 75 .1ההוכחה זהה להוכחת המשפט לקבוצות. F −1 היתה העתקה חח"ע .2אילו היתה העתקת הדימיון Fלתוך קבוצה ,אז של ,RangeFשהיא קבוצה ,על ,DomFולפי אקסיומת ההחלפה היתה DomFקבוצה ולא מחלקה ממש. .3אילו העתקת הדימיון היתה מ A-על רישא ממש של ,Bאז מכיוון שכל רישא ממש של מחלקה סדורה היטב היא קבוצה ,זאת היתה איזומורפיזם של מחלקה ממש לתוך קבוצה ,וראינו ב-ב' שזה לא יתכן . 76 חלק VIII המספרים הסודרים 22 מבוא הוכחנו שאנו יכולים תמיד להשוות שתי קבוצות סדורות היטב .כאשר אנו באים להשוות שתי קבוצות סופיות מצבנו נוח ,כי איננו צריכים להשוות אותן ישירות זו לזו אלא אנו עושים זאת באמצעות ספירת האיברים של כל אחת מהן. במספרים הסודרים נעשה שינוי קטן ,והוא שנתחיל את הספירה במספר .0לאיבר הראשון נצמיד את המספר הסודר ,0לשני את המספר הסודר ,1וכן הלאה .המספר הסודר של הקבוצה כולה יהיה המספר העוקב למספרים הסודרים של איברי הקבוצה. כך המספרים הסודרים של איברי קבוצה סדורה בת 3איברים הם ,0, 1, 2והמספר הסודר של הקבוצה הוא .3השוואת הקבוצות נעשית עתה ע"י השוואת המספרים הסודרים שלהן. ניגש עתה לעשות את אותו הדבר גם לקבוצות סדורות היטב אינסופיות ,כלומר נגדיר מושג של מספר סודר גם לקבוצות כאלו ,ואז נדע כי הקבוצה Aאיזומורפית לרישא של Bאמ"מ המספר הסודר של Aקטן או שווה לזה של .B ניגש עתה לספירת קבוצת כל המספרים הטבעיים לפי הסדר באותו האופן בו ספרנו את איברי הקבוצות הסופיות .בספירת המספרים הטבעיים המספר הסודר של כל מספר הוא המספר עצמו ובתום הספירה עלינו לתת לקבוצה את המספר העוקב למספרים הסודרים של איבריו .הבעיה בספירת קבוצת כל המספרים הטבעיים היא שלא קיים מספר טבעי העוקב לכל המספרים הטבעיים ,למטרה זאת נמציא מספר סודר חדש ונסמנו ) ωאומגה(. זה יהיה המספר העוקב לכל המספרים הטבעיים והוא יהיה המספר הסודר של קבוצת המספרים הטבעיים .נתבונן עתה בקבוצה הסדורה היטב ) (1, 2, ..., −1ונספור את איבריה ,כאשר עברנו על כל המספרים הטבעיים נגמרו לנו מספרים אלו ועלינו להתאים ל −1-הבא אחריהם את המספר הבא ,שהוא יהיה .ω לקבוצה כולה עלינו להתאים את המספר העוקב ל ω-ומכיוון שאין לנו מספר כזה עלינו להמציא אותו .נראה עתה דרך שיטתית ליצירת כל המספרים הדרושים .לשם כך נתבונן בדרך בה נעשה הדבר לקבוצות סופיות .עד עתה קיבלנו בקורס זה את המספרים הטבעיים כעצמים שבאו לתורת הקבוצות מבחוץ .כעת נראה שאנו יכולים גם להגדיר אותם כקבוצות מסויימות ,בהתאם לרצון לפתח את כל המתמטיקה בתוך תורת הקבוצות. ארנסט צרמלו הגדיר את המספרים הטבעיים באופן הבא .∅, {∅} , {{∅}} , ... :כלומר הם מתחילים במספר 0שמוגדר כקבוצה הריקה ∅ ,ולכל מספר טבעי ,nהעוקב שלו הוא קבוצת היחידון } .{nקשה למצוא יחס סדר בקבוצה זו )אך זה אפשרי( .אנו נעדיף 77 את ההגדרה הבאה של המספרים הטבעיים ,שאותה נוכל להרחיב באופן טבעי לצורך ההגדרה של מספרים סודרים. ג'ון פון־נוימן הגדיר את המספרים הטבעיים באופן הבא .∅, {∅} , {∅, {∅}} , ... :כלומר כל מספר טבעי nהוא הקבוצה }.{0, 1, 2, ..., n − 1 הגדרה זו מאפשרת להמשיך להגדיר מספרים סודרים מעל למספרים הטבעיים באופן הבא: המספר הראשון שמעבר לכל המספרים הטבעיים יהיה קבוצת כל המספרים הטבעיים שנסמן } .ω = {0, 1, 2, ...העוקב של ωיהיה ,כהמשך טבעי להגדרה של פון־נוימן, האיבר } ,ω 0 = {0, 1, 2, ..., ωהעוקב של ω 0יהיה } ,ω 00 = {0, 1, 2, ..., ω, ω 0וכן הלאה. למספרים האלה שנקבל נקרא מספרים סודרים ,או בקיצור סודרים. נראה כעת מהן התכונות של המספרים של פון נוימן ונלמד מהן כיצד להגדיר את מושג המספר הסודר. האיברים של מספר nהם כל המספרים mהקטנים ממנו ,והאיברים של מספר mהם מספרים הקטנים מ ,m-ולכן קטנים גם מ n-ומכאן כי הם איברים של .nכלומר ,איבר של איבר של nהוא איבר של .nנרצה לשמור על תכונה זו בהגדרת המספרים הסודרים. כלומר נרצה להשתמש ביחס ה"איברות" ,כלומר היחס ∈. 23 סודר הגדרה :מחלקה Aנקראת טרנזיטיבית אם כל איבר של איבר של Aהוא איבר של .A כלומר אם לכל a ∈ Aמתקיים .a ⊂ A איפיון־שקול :מחלקה Aהיא טרנזיטיבית אם מתקיימים שני התנאים הבאים: .1כל איבר של Aהוא קבוצה9 . .2לכל ,a ∈ Aאם x ∈ aאז .x ∈ A S וA- T טענה :אם Aקבוצה של קבוצות טרנזיטיביות ,אז גם A קבוצות טרנזיטיביות. S הוכחה :אם u ∈ a ∈S Aאז יש B ∈ Aכך ש u ∈ a ∈ B ∈ A-ומטרנזיטיביות B נובע כי .u ∈ B ⊆ A T ,u ∈ a ∈ Bומטרנזיטיביות B מתקיים B ∈ A לכל אז u ∈ a ∈ אם ∅ =A 6 T נובע כי .u ∈ Bזה מתקיים לכל B ∈ Aולכן .u ∈ A )בהנחה שאינה ריקה( 9עקרונית כל איבר בכל קבוצה הוא קבוצה ,אלא שבקורס זה לא ראינו זאת. 78 הגדרה :נאמר כי קבוצה yהיא מספר סודר או בקיצור סודר ,אם מתקיים: y .1קבוצה טרנזיטיבית y .2קבוצה סדורה היטב על־ידי היחס ∈ נסמן סודרים בדרך־כלל באותיות .α, β, γ, δ 23.1 תכונות יסודיות משפט :כל איבר של סודר הוא סודר. הוכחה :יהי αסודר ויהי .b ∈ αמטרנזיטיביות αנובע כי ,b ⊆ αומכאן כי היחס ∈ מצומצם ל b-מסדר היטב את ,bולכן מתקיים התנאי השני להגדרת סודר. נותר להראות כי bקבוצה טרנזיטיבית .נשים לב שכל איבר ב b-הוא איבר ב,α- ולכן הוא קבוצה .יהיו .u ∈ v ∈ b ∈ αמטרנזיטיביות αנובע u ∈ v ∈ αולכן ,u ∈ αכלומר u, v, b ∈ αומטרנזיטיביות ∈ נובע .u ∈ b משפט ∅ :הוא סודר) .כל התכונות הנדרשות מתקיימות באופן ריק(. משפט :כל קבוצה טרנזיטיבית חלקית ממש לסודר ,αהיא איבר של .αבפרט אם β ⊆ αאז β = αאו .β ∈ α הוכחה :תהי b $ αטרנזיטיבית ,ויהי βהאיבר הראשון של .α\bנוכיח כי b = β באמצעות הכלה הדדית ,ומכך נסיק כי .b = β ∈ α נראה את ההכלה :β ⊆ bמתקיים כי β ∈ αולכן .β ⊂ αנשים לב שמכך שβ- ∈ ,xמכאן כי x ∈ bולכן .β ⊆ b הראשון ב α\b-אז לכל x ∈ βמתקיים / α\b נראה את ההכלה :b ⊆ βיהי .x ∈ b ⊆ αמתקיים כי x, β ∈ αולכן הם ניתנים להשוואה ב .∈-אם β ∈ xאו β = xאז מטרנזיטיביות bנובע כי β ∈ x ∈ b ולכן ,β ∈ bבסתירה לבחירת .βמכאן כי x ∈ βולכן .b ⊆ β משפט :אם αסודר אז } α ∪ {αסודר. הוכחה :הקבוצה } α ∪ {αהיא קבוצה טרנזיטיבית של סודרים ,ולכן מטענה קודמת היא סודר . ∈ αלכל סודר .α משפט/ α : ∈ ,βכי ∈ הוא יחס סדר ולכן אי־רפלקסיבי .נניח הוכחה :לכל β ∈ αמתקיים / β ∈ ,αוזו ∈ .αלכן α ∈ αגורר / α בשלילה כי ,α ∈ αנסיק כי בפרט αמקיים / α סתירה . משפט :לכל זוג סודרים α, βמתקיים כי β $ αאמ"מ .β ∈ α 79 הוכחה) :כיוון ראשון( נניח ,β $ αמטרנזיטיביות βכסודר נובע מטענה קודמת כי .β ∈ α )כיוון שני( נניח כי ,β ∈ αאז מטרנזיטיביות αנובע כי ,β ⊆ αאבל ידוע כי ∈ βולכן בהכרח .β $ α /β משפט :כל שני סודרים ניתנים להשוואה ביחס ∈. הוכחה :יהי α, βשני סודרים .מתקיים כי α ∩ βטרנזיטיבית וחלקית לשתיהן ולכן היא סודר. אם α ∩ β ∈ αוגם ,α ∩ β ∈ βאז נקבל כי ,α ∩ β ∈ α ∩ βבסתירה לכך שסודר אינו שייך לעצמו. לכן בהכרח מתקיימת אחת משתי האפשרויות הבאות: α ∩ β = αוגם ,α ∩ β = βואז α = βוסיימנו. α ∩ β = αוגם α ∩ β ∈ βואז ,α ∈ βאו באופן סימטרי ,β ∈ αוסיימנו .T משפט :אם Aמחלקה לא ריקה של סודרים ,אז Aהיא סודר ,והיא האיבר המינימלי של Aתחת הסדר ∈. T α =:הוא סודר ,שכן הוכחנו שחיתוך כזה הוא קבוצה הוכחה :מתקיים כי A טרנזיטיבית והצמצום של היחס ∈ ל α-הוא סדר טוב. נשים לב שלכל β ∈ Aמתקיים ,α ⊆ βולכן ממשפט קודם נובע כי α = βאו .α ∈ β האיבר המינימלי של ,Aאחרת מתקיים אם יש β ∈ Aכך ש α = β-אז T β α ∈ β ∈ Aלכל β ∈ Aולכן ,α ∈ A = αבסתירה לכך שסודר לא שייך לעצמו . משפט :מחלקת כל הסודרים שנסמן Onסדורה היטב על־ידי ∈. הוכחה :כדי להראות שקבוצה סדורה היטב יש להראות כי מוגדר עליה יחס סדר, כלומר אי־רפלקסיבי וטרנזיטיבי ,וכן שהסדר הזה מלא ,כלומר כל זוג איברים ניתן להשוואה ,וכן שלכל תת־קבוצה שלה יש איבר מינימלי. יחס הסדר שמוגדר על Onבאמצעות ∈ הוא אי־רפלקסיבי כי הוכחנו שתמיד∈ αוטרנזיטיבי מטרנזיטיביות הסודרים ,שכן אם α ∈ β ∈ γאז .α ∈ γ /α הוכחנו שכל זוג סודרים ניתן להשוואה ביחס ∈ ,ולכן זה סדר מלא.T קיום איבר מינימלי נובע מכך שהוכחנו כי Aמינימלי לכל קבוצה Aלא ריקהשל סודרים . מסקנה :כל קבוצה טרנזיטיבית של סודרים היא סודר. 80 הוכחה :הטרנזיטיביות נתונה ,ומכיוון שהיא חלקית למחלקת הסודרים ,צמצום הסדר ∈ של מחלקת הסודרים אליה מהווה סידור היטב שלה ב .∈- S מסקנה :אם Aמחלקה לא ריקה של סודרים ,אז Aהיא סודר ,והיא החסם העליון של Aתחת הסדר ∈ .כלומר הוא הסודר הראשון שגדול או שווה מכל הסודרים ב.A- S הוכחה :מתקיים כי Aהוא סודר ,שכן הוכחנו שאיחוד של קבוצות טרנזיטיביות הוא קבוצה טרנזיטיבית ,ומכיוון שכל איבריה סודרים נסיק ממשפט קודם שהיא סודר. קל לראות שזה חסם מלעיל ,נראה שהוא חסם מלעיל מינימלי .אם βסודר ⊆ γלכל ,γ ∈ Aולכן המקיים γ ∈ βSלכל ,γ ∈ Aנובע מטענה קודמת כי S β . A ⊆ βשוב לפי אותה טענה קודמת נסיק כי . A ∈ β מסקנה :מחלקת הסודרים Onהיא מחלקה ממש. הוכחה :לו Onהייתה קבוצה אז היא הייתה סודר ,שכן היא טרנזיטיבית ומוגדר עליה יחס סדר טוב ∈ .לכן היא עצמה מוכלת בקבוצת כל הסודרים ,Onכלומר ,On ∈ Onוזאת בסתירה לכך שאף סודר לא מוכל בעצמו . 23.2 מיון כל הסודרים הסודרים כולם מתחלקים לשלושת הסוגים הבאים: • הסודר ∅ n o • כל הסודרים העוקבים .כלומר }α ∈ On|∃β∈On α = β ∪ {β • כל הסודרים הגבוליים .כלומר כל הסודרים שאינם ∅ ואינם עוקבים. משפט α :סודר גבולי אמ"מ ∅ = α 6וגם לכל β ∈ αקיים γכך שמתקיים β ∈ γ ∈ α )שלושתם שונים(. הוכחה) :כיוון ראשון( נניח כי αסודר גבולי .כלומר ∅ = α 6והוא לא עוקב של אף סודר אחר. = },β ∪ {β מאחר ו α 6= ∅-קיים סודר .β ∈ αמאחר ו α-אינו עוקב נובע כי 6 α ולכן בהכרח .β ∪ {β} ∈ αלכן תחת הסימון במשפט נקבל }.γ = β ∪ {β )כיוון שני( נניח שעבור סודר αמתקיים התנאי במשפט .ראשית נתון כי ∅ =α 6 ולכן נותר להראות ש α-אינו עוקב. נניח בשלילה ש α-עוקב ,כלומר } α = β ∪ {βל β-סודר כלשהו .לכן מתקיים ,β ∈ αומהתנאי במשפט נובע שקיים סודר γכך שמתקיים β ∈ γ ∈ αושלושתם שונים ,וזאת בסתירה לכך ש α-העוקב של .β 81 הגדרה :סודר נקרא מספר טבעי אם הוא ∅ או אם כל סודר קטן ממנו הוא ∅ או עוקב. טענה :אם nמספר טבעי קל לראות כי n + 1גם מספר טבעי. אם nמספר טבעי קל לראות שכל m < nמספר טבעי. מיון כל הקבוצות הסדורות היטב 23.3 נראה כי מיון כל הקבוצות הסדורות היטב זהה למיון כל הסודרים. משפט :כל קבוצה סדורה היטב איזומורפית לסודר יחיד .αסודר זה מכונה טיפוס הסדר של .A הוכחה: .1תהי Aקבוצה סדורה היטב .נגדיר ברקורסיה פונקציה F : A → On להיות } .F (x) = {F (y) |y < xכלומר ,האיבר המינימלי של Aמועתק ל ,∅-והאיבר ) F (xהוא אוסף כל הסודרים המתאימים לאיברים קטנים מ.x- נוכיח ש F (x)-סודר לכל .x ∈ Aראשית לכל y < xהקבוצה )F (y היא סודר מהנחת האינדוקציה ,ולכן } F (x) = {F (y) |y < xהיא קבוצת סודרים .זו קבוצה טרנזיטיבית ,כי איבר כללי של ) F (xהוא ) F (yעבור y < xכלשהו ,ולכן מההגדרה נובע: )F (y) = {F (z) |z < y} ⊂ {F (z) |z < x} = F (x הקבוצה ) Range (Fהיא קבוצה טרנזיטיבית שאיבריה סודרים ,ולכן היא עצמה סודר. מתקיים כי Fשומרת סדר ,שכן אם y < xאז ) F (y) ⊂ F (xכפי שנובע מההגדרה .לכן Fאיזומורפיזם של Aעל הסודר ) Range (Fשנסמן .α .2נראה כי αיחיד .נניח בשלילה כי Aאיזומורפית לזוג סודרים α, β המקיימים .β ∈ αבאופן כללי מתקיים כי βהיא קבוצה סדורה היטב ולכן היא איזומורפית לרישא ממש של הקבוצה הסדורה היטב ,αומכאן נקבל כי Aאיזומורפית גם ל α-וגם לרישא ממש של ,αוזאת סתירה . משפט :יהיו A, Bקבוצות סדורות היטב ,שאיזומורפיות לסודרים α, βבהתאמה. אזי Bאיזומורפית לרישא )ממש( של Aאמ"מ ) β ∈ αממש ,בהתאמה(. למה :אם F : A → Bאיזומורפיזם של קבוצות סדורות היטב ונניח כי A0 ⊂ A רישא ממש של ,Aאז ] F [A0רישא ממש של .B 82 הוכחה :ראשית נראה כי ] F [A0רישא של .Bיהיו ] ,u < v ∈ G [A0נרצה להראות ] .u ∈ F [A0 מהנתון ] v ∈ F [A0נובע שיש x ∈ A0כך ש .v = F (x)-מכיוון ש F -על Bנובע שיש y ∈ Aכך ש.u = f (y)- נניח בשלילה כי ,x ≤ yאז נקבל כי ,v = F (x) ≤ F (y) = uבסתירה להנחה ,u < vולכן בהכרח .y < xמהנתון ש A0 -רישא נובע כי ∈ y < x A0אז y ∈ A0ולכן ] ,u = F (y) ∈ F [A0כנדרש . הוכחה :יהיו G : β → B ,F : α → Aאיזומורפיזמים. .F G−1 מתקיים כי ראשון( אם ,β ∈ αנתבונן באיזומורפיזם : B → A )כיוון −1 −1 ] .F G [B] = G F [B] = G [βמהלמה נובע כי ] G [βרישא של ,Bולכן GF −1היא איזומורפיזם של Bעל רישא של .A )כיוון שני( נניח כי H : B → A0איזומורפיזם ,כאשר A0 ⊂ Aרישא .מתקיים כי ) ,Range (G) = B = Dom (Hולכן ההעתקה HG : β → α0היא איזומורפיזם, כאשר α0היא טיפוס הסדר של ,A0ולכן ,α0 ∈ αומכאן כי βהוא טיפוס הסדר של רישא של .α 23.4 משפט הרטוגס הגדרה :יהי <Aיחס כלשהו על ,Aותהי F : A → Bהעתקה חח"ע ועל. נאמר כי היחס המושרה על Bעל־ידי <Aבאמצעות ,Fהוא היחס המסומן <B המוגדר להיות: }<B = {F (x) <B F (y) |x <A y במקרה שבו <Aיחס סדר טוב על ,Aאז היחס המושרה <Bהוא יחס סדר טוב על .B משפט :לכל קבוצה Aקיים סודר αכך ש .α A-כלומר א"א לשכן את αבתוך .A הוכחה :תהי Aקבוצה .נתבונן בקבוצה Wהמוגדרת להיות קבוצת כל הסודרים של הסידורים הטובים של קבוצות חלקיות ל.A- S נגדיר β = Wוכן } .α = β ∪ {βמתקיים כי αגדול מכל איברי ,Wשכן β הוא חסם עליון שלהם. נניח בשלילה כי ,α Aכלומר יש העתקה חח"ע מהצורה .F : α → B ⊂ A נתבונן ביחס הסדר הטוב המושרה על־ידי Fבקבוצה ,Bותחת יחס זה מתקיים כי Fהיא איזומורפיזם של הסודר αעל קבוצה Bסדורה היטב ,ולכן αהוא טיפוס הסדר של ,B ⊂ Aומכאן כי ,α ∈ Wבסתירה לכך ש α-גדול מכל איברי .W 83 חלק IX צורות שקולות של אקסיומת הבחירה בפרק זה נראה שאקסיומת הבחירה מופיעה בצורות שונות ,מה שמצביע על כך שזאת אקסיומה טבעית של תורת הקבוצות המופיעה בהקשרים רבים ושונים זה מזה. כפי שראינו בפרק הקודם ,עולם הקבוצות שאפשר לסדרן בסדר טוב הוא עולם הרבה יותר נוח מאשר עולם כל הקבוצות .כאשר יש סדר טוב על קבוצה הוא מאפשר לנו לטפל באיבריה טיפול אינדיבידואלי בזה אחר זה ,וזה מתבטא במיוחד במשפטי ההוכחה באינדוקציה וההגדרה ברקורסיה .יתר על כן ,כאשר יש סדר טוב על שתי קבוצות אז הן ניתנות להשוואה במובן שקיימת העתקה חד חד ערכית של אחת מהן לתוך השניה, וכתוצאה מזה הסדר החלקי של העוצמות הופך להיות סדר מלא. 24 משפט הסידור הטוב )אה"ב( לכל קבוצה יש סדר טוב. הוכחה :תהי Aקבוצה ותהי Cפונקציית בחירה על קבוצת החזקה ) ,P (Aויהי αסודר ∈ .end המקיים .α ⊀ Aקיים כזה ממשפט הרטוגס .יהי / A נגדיר ברקורסיה פונקציה } ,F : α → A ∪ {endכך שלכל סודר :β ∈ α ( C (A\ {F (γ) |γ ∈ β}) {F (γ) |γ ∈ β} $ A = )F (β end otherwise לא ייתכן שלכל β ∈ αמתקיים ,{F (γ) |γ ∈ β} $ Aכי אז Fחח"ע ,כלומר היא שיכון של αבתוך ,Aבסתירה לבחירת .αלכן קיים δ ∈ αסודר מינימלי המקיים .F (δ) = end לפי הגדרת ) F (δמתקיים כי } ,A ⊆ {F (γ) |γ ∈ δולכן נקבל כי F δהיא שיכון של δעל .Aלכן הסדר הטוב של הסודר δמשרה סדר טוב על ,Aכלומר Aסדורה היטב . משפט :משפט הסידור הטוב גורר את אקסיומת הבחירה. תהי Aקבוצה .ממשפט הסידור הטוב נובע שקיים יחס < שמסדר היטב את הוכחהS : . A לכל ∅ 6= X ∈ Aנגדיר פונקציה ,C (X) = minimum of Xואם ∅ = Xאז ∈ aכלשהו .קל לראות כי Cפונקציית בחירה ,כנדרש . C (X) = aעבור / A מסקנה :משפט הסידור הטוב שקול לאקסיומת הבחירה. 84 25 משפט השוואת העוצמות/הקבוצות )אה"ב( כל זוג קבוצות ניתנות להשוואה. הוכחה :ממשפט הסידור הטוב ,ששקול לאקסיומת הבחירה ,נובע כי ניתן לסדר את A, Bהיטב .נניח כי α, βהם טיפוסי הסודרים המתאימים ,ידוע כי מחלקת כל הסודרים סדורה היטב ,ולכן α, βניתנים להשוואה ,והיחס עליהם יקבע בהתאמה את היחס על .A, B משפט :משפט השוואת העוצמות/הקבוצות גורר את אקסיומת הבחירה. הוכחה :נוכיח שהוא גורר את משפט הסידור הטוב. תהי Aקבוצה כלשהי ויהי αסודר המקיים .α ⊀ Aקיים כזה ממשפט הרטוגס. ממשפט השוואת העוצמות/קבוצות נובע אם־כן שמתקיים ,A ≺ αכלומר קיים שיכון .F : A → αאם כך F −1משרה סדר טוב על ,Aכנדרש . מסקנה :משפט השוואת העוצמות/קבוצות שקול לאקסיומת הבחירה. 26 הלמה של צורן )אה"ב( הגדרה :תהי Aקבוצה סדורה חלקית .אומרים כי קבוצה חלקית B ⊆ Aהיא שרשרת, אם Bסדורה מלא ביחס הסדר המצומצם אליה. טענה :תהי Aקבוצה סדורה חלקית ,ישנה שרשרת מקסימלית B ⊆ Aסדורה היטב. כלומר תת־קבוצה סדורה קווית היטב ,שאינה חסומה מלעיל ממש בתוך .A הוכחה :אם ∅ = Aנבחר ∅ = .Bאם Aאינה ריקה ,תהי Cפונקציית בחירה על ) ,P (Aוכן עבור כל תת־קבוצה D ⊆ Aנגדיר את ) H (Dלהיות קבוצת החסמים מלעיל ממש של .D ∈ endונגדיר ברקורסיה ממשפט הרטוגס קיים סודר γהמקיים .γ ⊀ Aיהי / A פונקציה מהצורה } F : γ → A ∪ {endלהיות: ( ∅ =C (H (F [β])) for F [β] ⊆ A H (F [β]) 6 = )F (β end otherwise נגדיר את δלהיות הסודר המינימלי המקיים δ ≤ γוגם F [δ] = endאם אכן קיים סודר שמקיים שני תנאים אלה ,ואחרת נגדיר .δ = γנוכיח שהפונקציה F δהיא שיכון של δבתוך .A ממינימליות δנובע שקיים סודר λ < δהמקיים F [λ] ∈ Aולכן .F [λ] ⊆ A מתקיים כי ) F (λחסם מלעיל ממש של הקבוצה } ,{F (α) |α < λולכן לכל 85 β < λמתקיים ) .F (β) < F (λקל לראות כי F δפונקציה שומרת סדר, ולכן ] F [δהיא שרשרת סדורה היטב וכן היא חח"ע. כעת נשים לב שמבחירת γשיקיים γ ⊀ Aנובע שלא ייתכן δ = γולכן .δ < γ אבל הראינו כי F (δ) = endולכן ] F [δהיא שרשרת לא חסומה מלעיל ממש ב .A- טענה )הלמה של צורן( :תהי Aקבוצה סדורה חלקית שבה לכל שרשרת יש חסם מלעיל, אזי יש ב A-איבר מקסימלי. הערה היסטורית" :הלמה של צורן" אינה "למה" ,שכן כפי שנראה היא שקולה לאקסיומת הבחירה ,והיא גם לא של המתמטיקאי מקס צורן ,שכן מי שהבין לראשונה את השקילות בינה לבין אקסיומת הבחירה היה המתמטיקאי פליקס האוסדורף, בתחילת המאה ה־ .20עקרון זה מכונה "הלמה של צורן" מכיוון ששימש בשנות ה 30-של המאה ה־ 20את מקס צורן בהוכחת טענות שונות באלגברה ,למשל שלכל מרחב ווקטורי יש בסיס. הוכחה :מהטענה הקודמת נובע שקיימת B ⊆ Aשהיא שרשרת סדורה היטב שאינה חסומה מלעיל ממש ב.A- מצד שני ,מההנחה בלמה של צורן נובע שלכל שרשרת סדורה היטב יש חסם מלעיל ,ולכן קיים x ∈ Aחסם מלעיל של .Bלכן בהכרח xהוא חסם מלעיל לא ממש .כלומר הוא מקסימום של השרשרת הסדורה היטב .B כעת נשים לב ש x-הוא בהכרח מקסימלי ב ,A-שכן לא היה x < yאז yהיה בפרט גם חסם מלעיל ממש של .B משפט :הלמה של צורן גוררת את אקסיומת הבחירה. הוכחה :נוכיח שהלמה של צורן גוררת את משפט השוואת העוצמות/קבוצות ששקול לאקסיומת הבחירה. .1יהיו A, Bקבוצות ,נרצה למצוא פונקציה חח"ע .F : A → Bנגדיר את Dלהיות קבוצת כל הפונקציות החח"ע שתחומן חלקי ל A-וטווחן בתוך ,B ונגדיר סדר חלקי על קבוצה זו באמצעות יחס ההכלה. .2נוכיח שמתקיים התנאי הנדרש בלמה של צורן ,שבקבוצה Dלכל שרשרת יש חסם מלעיל. S S ⊆ Sשרשרת ,נראה כי Sהוא חסם מלעיל של .Sקל לראות תהי D כי SמקיפהSכל פונקציה ב ,S-לכן נותר להראות שהיא עצמה פונקציה משמע קיימות פונקציות G1 , G2 ∈ S חח"ע .יהיו .hx, yi , hx, zi ∈ SS S המקיימות hx, yi ∈ G1 ∈ Sוכן ,hx, zi ∈ G2 ∈ Sולכן אם נניח ללא הגבלת הכלליות ) G1 ⊆ G2שכן שתיהן שייכות לשרשרת סדורה קווית על־ידי הכלה( נסיק כי hx, yi , hx, zi ∈ G2ולכן מחח"ע G2ינבע כי .y = z 86 .3אם כך ,מהלמה של צורן נובע שיש ב D-איבר מקסימלי .כלומר קיימת פונקציה חח"ׂע Fהמקיימת Dom (f ) ⊆ Aוכן .Range (F ) ⊆ Bמהמקסימליות של Fנובע שבהכרח מתקיים Dom (f ) = Aאו ,Range (F ) = Bכלומר Fהיא הפונקציה המבוקשת . מסקנה :הלמה של צורן שקולה לאקסיומת הבחירה. 26.1 קיום בסיס למרחב ווקטורי )שימוש בלמה של צורן( הגדרות: .1יהי Vמרחב ווקטורי .נגדיר את vכצירוף לינארי של קבוצה ,W ⊆ Vאם הוא ניתן לביטוי כסכום סופי של ווקטורים מ.W - .2קבוצה W ⊆ Vנקראת בלתי־תלויה אם כל v ∈ Wאינו צרוף לינארי של }.W \ {v קל לראות שתת־קבוצה W ⊆ Vהיא בלתי־תלויה אמ"מ כל תת־קבוצה סופית שלה היא בלתי־תלויה. .3תת־קבוצה W ⊆ Vנקראת בסיס של ,Vהיא היא בלתי תלויה ,וכל v ∈ V הוא צרוף לינארי של .W משפט )אה"ב( :לכל מרחב ווקטורי יש בסיס. הוכחה: .1תהי Qקבוצת כל תת הקבוצות הבלתי־תלויות במרחב ,Vונגדיר עליה יחס סדר חלקי על־ידי יחס ההכלה. .2נוכיח שמתקיים בה התנאי הנדרש בלמה של צורן ,שלכל שרשרת יש חסם מלעיל. S תהי Sשרשרת ב .Q-נוכיח כי Sחסם מלעיל של .Sראשית קל לראות כי בלתי־תלויה ב ,Q-לכן נותר להראות שהיא עצמה Sמקיפה כל תת־קבוצה S קבוצה בלתי־תלויה .תהי ,{s1 , s2 , ..., sn } ⊆ Sנוכיח כי קבוצה זו בלתי־ תלויה .נשים לב שלכל 1 ≤ i ≤ nקיימת קבוצה Tiהמקיימת .si ∈ Ti ∈ S אם כך הקבוצה {T1 , T2 , ..., Tn } ⊆ Sולכן סדורה ויש לה איבר מקסימלי Tjשמכיל את כל ,siכך שמתקיים ,{s1 , s2 , ..., sn } ⊆ Tj ∈ Sומכיוון ש S-בלתי־תלויה נובע כי } {s1 , s2 , ..., snבלתי־תלויה. .3אם כך ,מהלמה של צורן נובע שיש ב Q-איבר מקסימלי שנסמן .Pמתקיים כי P ∈ Qולכן Pקבוצה בלתי־תלויה .נוכיח כי Pהיא בסיס של .V יהי .v ∈ Vנניח בשלילה כי vאינו צירוף לינארי של איברים ב ,P -אזי הקבוצה } P ∪ {vבלתי־תלויה ,אבל היא מקיפה את Pולכן זו סתירה למקסימליות .P 87 חלק X הסודרים כעוצמות 27 מונים הגדרה :תהי Aקבוצה |A| .הוא הסודר המינימלי ששווה־עוצמה ל.A- קל לראות שלכל ,Aהסודר | |Aאינו שווה־עוצמה לאף סודר קטן ממנו. הגדרה :סודר מונה או בקיצור מונה ,הוא סודר שאינו שווה־עוצמה לאף סודר קטן ממנו. קל לראות שהמונים הם העוצמות | |Aשהגדרנו. משפט :כל סודר סופי הוא מונה ,וכן ωמונה. משפט :כל מונה אינסופי הוא סודר גבולי. הוכחה :יהי αמונה אינסופי ,ונניח בשלילה כי .α = β + 1הסודר βבהכרח אינסופי שכן αאינסופי .לכן ω ∈ βומכאן .ω ⊆ β מכיוון ש β-מקיף קבוצה בת־מניה נובע כי ,α = β + 1 = β ∪ {β} ≈ βכלומר αשווה־עוצמה לסודר קטן ממנו ,בסתירה להיות αמונה . משפט :לכל מונה αקיים מונה .α < β הוכחה :ממשפט הרטוגס נובע שקיים סודר γשאינו משתכן ב .α-נבחר | .β = |γלא ייתכן β ≤ αשכן קיימת העתקה חח"ע של γעל ,βולכן היינו יכולים לשכן את γבתוך ,αבסתירה לבחירת .γ S S משפט :אם Aקבוצה של מונים אז החסם העליון Aמונה .נהוג לסמן . A = sup A S הוכחה :נסמן .α = Aאם α ∈ Aסיימנו .אם לא ,נסמן | β = |αונוכיח כי .α = β אם לכל γ ∈ Aמתקיים ,γ ≤ βאז גם α ≤ βולכן בהכרח ,α = βכלומר α מונה. אם לעומת זאת קיים γ ∈ Aהמקיים ,β < γנקבל כי ,β < γ ≤ αומכיוון ש α ≈ β-נסיק כי ,γ ≈ βבסתירה להיות γמונה . 27.1 מושג העוצמה )גישה מחודשת( אם מניחים את אקסיומת הבחירה ששקולה למשפט הסידור הטוב ,אז כל קבוצה ניתנת לסידור טוב .מכיוון שקיים איזומורפיזם בין כל קבוצה סדורה היטב לסודר שלה ,משמע כל קבוצה שוות־עוצמה לסודר שלה ,ומכאן שהיא שוות־עוצמה למונה המתאים. 88 לכן אנחנו יכולים להגדיר את העוצמה של קבוצה ,Aשנסמן | ,|Aכעוצמת המונה היחיד ששווה־עוצמה ל.A- 28 הפונקציה ℵ הגדרה :נגדיר ברקורסיה פונקציה ℵממחלקת הסודרים למחלקת המונים באופן הבא: .ℵ0 = ωלכל סודר ,αאם αעוקב נסמן α = β + 1ונגדירSאת ℵαלהיות = 10 .ℵ המונה המינימלי שגדול מ ,ℵβ -ואם αגבולי נגדיר }{ℵβ |β < α α טענה: .1תהי F : On → Onפונקציה המקיימת ) F (α) < F (α + 1לכל סודר ,αולכל סודר גבולי βמקיימת ) F (α) ≤ F (βעבור כל ,α < βאזי F פונקציה עולה )שומרת סדר(. .2תהי F : On → Onפונקציה עולה ,אזי לכל סודר αמתקיים )α ≤ F (α הוכחה: .1נוכיח באינדוקציה על γשלכל α < γמתקיים ).F (α) < F (γ במקרה ש γ-עוקב נסמן .γ = β + 1לכן לכל α < γמתקיים α ≤ β ומהנחת האינדוקציה ומהנתון על Fמתקיים = )F (α) ≤ F (β) < F (β + 1 ).F (γ במקרה ש γ-גבולי אז לכל α < γמתקיים α + 1 < γולכן נסיק < )F (α ).F (α + 1) ≤ F (γ .2נוכיח באינדוקציה על .αעבור α = 0ודאי מתקיים ).0 ≤ F (0 במקרה ש α-עוקב נסמן .α = β + 1מהנחת האינדוקציה נובע ≤ β ) F (β) < F (β + 1) = F (αומכיוון ש α-עוקב נובע ≤ α = β + 1 ).F (α במקרה ש α-גבולי ,מהנחת האינדוקציה לכל β < αמתקיים < )β ≤ F (β ) F (αולכן ) .α ≤ F (α מסקנה: .1הפונקציה ℵעולה ,שכן מתקיים ℵα < ℵα+1לפי ההגדרה. .2לכל סודר αמתקיים .α ≤ ℵα 10ביטוי זה אכן מגדיר מונה ,כפי שהוכחנו בטענה קודמת. 89 משפט :הטווח של הפונקציה ℵהוא מחלקת כל המונים האינסופיים .כלומר כל מונה אינסופי הוא ℵαלסודר אינסופי αכלשהו. ברור שכל ℵαלסודר אינסופי αכלשהו הוא מונה אינסופי ,ולכן נסיק ממשפט זה שיש זהות בין מחלקת המונים האינסופיים לבין מחלקת האלפים. אם מניחים את אקסיומת הבחירה ,אז כל העוצמות הן מונים ולכן כל העוצמות הן בעצם האלפים. הוכחה :יהי αמונה אינסופי .מטענה קודמת מתקיים α ≤ ℵαולכן הקבוצה } {β|α ≤ ℵβ אינה ריקה .יהי βהסודר המינימלי המקיים .α ≤ ℵβנוכיח כי α = ℵβוזה יספיק כי ) .α = ℵβ ∈ Range (ℵנדון בשלושה מקרים: אם β = 0אז α ≤ ℵ0 = ωומאינסופיותו נובע כי .α = ω = ℵ0 אם βעוקב נסמן ,β = γ + 1ומהגדרתו כמינימלי מתקיים ,ℵγ < αולכן נסיקמההגדרה כי הסודר ℵγ+1 = ℵβהוא המונה המינימלי שגדול מ ℵγ -ומכאן כי .ℵβ = ℵγ+1 ≤ αאבל מתקיים גם אי השוויון ההפוך ולכן .α = ℵβ אם βגבולי ,לכל γ < βמתקיים ,ℵγ < αשכן אם היה γ < βהמקיים α ≤ ℵγזו הייתה Sסתירה למינימליות βביחס לתכונה הנ"ל .לכן מתקיים ,ℵβ = {ℵγ |γ < β} ≤ αושוב מאי השוויון ההפוך נקבל כי .ℵβ = α חיבור אלפים 28.1 משפט :לכל סודר αמתקיים ,ℵα + ℵα = ℵαאו במילים אחרות .ℵα · 2 = ℵα הוכחה: ℵα = ℵα · 1 ≤ ℵα · 2 ≤ ℵα · ℵα = ℵα כאשר השוויון האחרון נובע מהמשפט הבא. מסקנה :לכל זוג סודרים α, βמתקיים } ,ℵα + ℵβ = ℵmax{α,βולכל nטבעי מתקיים .ℵα + n = ℵα למה :תהי hA, <iקבוצה סדורה היטב .נגדיר יחס סדר ∗< על הקבוצה A × Aבאופן הבא: hx, yi <∗ hu, viאם מתקיים } 11 max {x, y} < max {u, vאו כאשר = }max {x, y } max {u, vאם מתקיים hx, yi < hu, viבסדר המילוני השמאלי. מתקיים כי ∗< שהגדרנו הוא סדר טוב על .A × A הוכחה נוספת :נראה שכל סודר גבולי הוא איחוד של שתי קבוצות סודרים זרות, שאיזומורפיות לסודר .מכיוון שכל מונה הוא סודר גבולי נסיק כי .ℵα = ℵα + ℵα 11כאשר בוחרים את הגדול מבין השנים באמצעות הסדר <. 90 הגדרה :לכל סודר αו n-טבעי ,נגדיר את α + nברקורסיה על nבאופן הבא: ,α+0 = αוכן } .α+(n ∪ {n}) = (α + n)∪{α + nאמנם ניתן להגדיר באופן כללי חיבור בין סודרים ,ולא רק חיבור של סודרים סופיים ,אולם לא נצטרך יותר מזה כאן. למה: .1לכל αולכל m < nטבעיים מתקיים .α + m < α + n ]הוכחה באינדוקציה על [.n .2לכל α < βסודרים כאשר βסודר גבולי ,לכל nטבעי מתקיים .α + n < β ]הוכחה באינדוקציה על ,nונזכור שסודר αהוא גבולי אמ"מ לכל γ < αקיים סודר δהמקיים [.γ < δ < α הגדרה :נגדיר ברקורסיה פונקציה limשתחומה הוא מחלקת הסודרים :לכל סודר αשהוא 0או גבולי ,נגדיר ,lim (α) = αואם αסודר עוקב נסמן α = β + 1ונגדיר ).lim (α) = lim (β נגדיר ברקורסיה פונקציה Finשתחומה הוא מחלקת הסודרים :לכל סודר α שהוא 0או גבולי ,נגדיר ,Fin (α) = 0ואם αסודר עוקב נסמן α = β + 1 ונגדיר .Fin (α) = Fin (β) + 1 הרעיון של ההגדרות הללו הוא ש lim (α)-הוא המספר הגבולי הגדול ביותר שקטן או שווה ל ,α-וכן ) Fin (αהוא השארית ,כלומר המרחק של αמסודר גבולי זה. למה: .1לכל סודר αמתקיים ).α = lim (α) + Fin (α ]הוכחה באינדוקציה על [.α .2לכל α, βסודרים מתקיים lim (α) < lim (β)] ⇐⇒ α < βאו אם ) lim (α) = lim (βוגם )[Fin (α) < Fin (β ]נובע מהלמה הקודמת[. משפט :כל סודר גבולי λהוא איחוד של שתי קבוצות סודרים זרות ,שכל אחת מהן היא מטיפוס הסודר .λ הוכחה :עבור } i ∈ {0, 1נגדיר פונקציה .Fi (α) = lim (α) + 2 · Fin (α) + i כל אחת משתי הפונקציות הללו שומרת סדר לפי הלמה הקודמת ,ולכן היא איזומורפיזם של λעל ) ,Range (Fiומכאן שטיפוס הסדר של ) Range (Fi הוא .λ נשים לב שטווחי שתי הפונקציות חלקיים ל λ-לפי חלק 2של הלמה הראשונה, ומחלק 2של הלמה השנייה נובע כי אלו קבוצות זרות .מחלק 1של הלמה השנייה נובע שאיחוד של שתיהן הוא כל .λ הערה :למעשה כל סודר λהוא איחוד של שתי קבוצות סודרים זרות שכל אחת מהן היא מטיפוס הסודר λאמ"מ λהוא 0או גבולי. 91 המשפט האחרון הראה את הכיוון ⇒ .נראה שאם λהוא איחוד של שתי קבוצות סודרים שכל אחת מהם מטיפוס הסודר λאז הן בהכרח לא זרות. נניח כי F0 , F1 : λ → λשתי פונקציות שומרות סדר בעלות טווחים זרים. הראינו שמתקיים עבור פונקציות כאלה ) .α ≤ Fi (αאם λהוא עוקב נסמן ,λ = µ + 1ואז מתקיים ,µ ≤ Fi (µ) < λולכן בהכרח ),µ = Fi (µ כלומר µאיבר משותף בטווחי שתי הפונקציות ,בסתירה לכך שהם זרים . 28.2 כפל אלפים משפטℵα · ℵα = ℵα : הוכחה :באינדוקציה על .αנרצה לסדר את כל איברי ℵα × ℵαבטיפוס סדר ,ℵαומכך ינבע המשפט. נגדיר סדר טוב על ℵα × ℵαבאמצעות יחס הסדר ∗< שהגדרנו. תהי F : ℵα × ℵα → γאיזומורפיזם ל γ-סודר כלשהו ,ויהי .δ < γמתקיים כי ) δ = F (ξ, ηעבור . (ξ, η) ∈ ℵα × ℵαנגדיר ζ = max {ξ, η} + 1ונגדיר את Wלהיות קבוצת איברי ℵα × ℵαהקטנים מהזוג ) (ξ, ηבסדר ∗< .נשים לב שמתקיים .W ⊆ ζ × ζ אם ζסופי אז גם Wסופית. אם ζאינסופי ,אז מתקיים כי ζ = β + 1או ζ = η + 1ולכן .ζ < ℵαלכן עבור λ < αכלשהו מתקיים |ζ| = ℵλולכן נסיק כי .|W | ≤ |ζ| · |ζ| = ℵλ · ℵλ מהנחת האינדוקציה נסיק כי ,ℵλ · ℵλ = ℵλולכן .|W | ≤ ℵλ < ℵα מכאן שבכל מקרה מתקיים |W | < ℵαולכן |δ| < ℵαכלומר .δ < ℵα מכאן שמתקיים Range (F ) = γ ≤ ℵαומכאן כי ,ℵα · ℵα ≤ ℵαולכן בהכרח מתקיים שוויון . מסקנה :לכל זוג סודרים α, βמתקיים }.ℵα · ℵβ = ℵmax{α,β מסקנה: .1לכל β ≤ αולכל 2 ≤ nמתקיים: ℵα ℵ β n = 2ℵβ = 2 ℵα = 2ℵα = (2n )ℵα = 2ℵα ℵα ℵα .2לכל αולכל 2 ≤ a ≤ 2ℵαמתקיים ) .a(2 ) = 2(2 92 ℵα 2 ℵα 28.3 חזקת אלפים )או :השערת הרצף( בניגוד לחיבור וכפל של אלפים שנתנו תוצאות ברורות ,פעולת החזקה שונה לגמרי. השאלה התעוררה ביחס ל 2ℵ0 -שהיא עוצמת המספרים הממשיים .ממשפט קנטור נובע שמתקיים ,ℵ0 < 2ℵ0אולם לא ברור האם ,2ℵ0 = ℵ1כלומר שהעוצמה 2ℵ0היא העוקב של ℵ0ואין עוצמה ביניהן. השערת הרצף אומרת שמתקיים ,2ℵ0 = ℵ1כלומר עוצמת 2ℵoהיא עוצמת המונה העוקב של ℵ0ולא גדולה ממנו .השערת הרצף המוכללת אומרת שלכל αמתקיים .2ℵα = ℵα+1 מייסד תורת הקבוצות גאורג קנטור השקיע מאמצים בניסיון להוכיח את השערת הרצף, אך נכשל .בשנות ה־ 40של המאה ה־ 20הוכיח קורט גדל שמאקסיומות תורת הקבוצות אי־אפשר לסתור את השערת הרצף המוכללת ,ובשנות ה־ 60הוכיח פול כהן שמאקסיומות תורת הקבוצות אי־אפשר להוכיח את השערת הרצף המוכללת .כלומר השערת הרצף המוכללת אינה תלויה באקסיומות תורת הקבוצות. 28.4 חיבור וכפל אינסופיים )או :אי־שוויון צרמלו־קניג; אה"ב( תהי Iקבוצת אינדקסים ,ויהיו {bi }i∈I ,{ai }i∈Iסודרים .אם מתקיים ai < biלכל ,i ∈ Iאז: X Y < ai bi i∈I i∈I הערה :זו הכללה של משפט קנטור ,שכן בהינתן קבוצה ,Aנבחר bj = 2 ,aj = 1לכל j ∈ Aונקבל: X X Y Y = ||A =1 < aj = bj |2 = 2|I j∈A j∈A j∈A j∈A הוכחה :נניח שלכל i ∈ Iהקבוצות Bi ,Aiזרות ומקיימות .|Bi | = bi ,|Ai | = ai P Q כדי להראות i∈I ai < Si∈I biיש להראות שלא קיימת העתקה על מהצורה . i∈I Ai → ×i∈I Biתהי Fהעתקה כנ"ל ונראה שהיא לא יכולה להיות על. לשם כך נבנה בשיטת האלכסון איבר w ∈ ×i∈I biשאינו בתמונה של .Fכלומר ∈ .w ] / F [Ai לכל i ∈ Iנגדיר את הפונקציה giשמצומצמת לתחום Aiושמעתיקה כל איבר לרכיב ה i-של התמונה של Fשלו .כלומר כל x ∈ Aiמועתק על־ידי Fלווקטור אינסופי שנסמן ) ,(F (x)1 , F (x)2 , ...אז עבור giנגדיר .gi (x) = F (x)i ∈ Bi אם־כך התמונה של giהוא קבוצת הרכיבים הi-־ים של ] .F [Ai 93 מהנתון שמתקיים | |Ai | < |Biנובע שבהכרח הפונקציה giאינה על ,ולכן ∅ = .Bi \Range (gi ) 6באמצעות פונקציית בחירה נקבע את wלהיות הווקטור האינסופי ) (w1 , w2 , ...כך שלכל i ∈ Iיתקיים ) .wi ∈ Bi \Range (giקל לראות ∈ wולכן Fאינה על . שמתקיים כי ] / F [Ai מסקנות: .1מתקיים ,ℵω < ℵℵω0שכן לכל n ∈ ωמתקיים ,ℵn < ℵωולכן נסיק לפי א"ש צרמלו־קניג: X Y = ℵω < ℵn ℵω = ℵℵω0 n∈ω n∈ω ℵ .2מתקיים ,2ℵ0 6= ℵωשכן מצד אחד 2ℵ0 0 = 2ℵ0 ·ℵ0 = 2ℵ0כפי שהראינו לעיל ,אולם מצד שני מהמסקנה האחרונה נובע ,ℵℵω0 > ℵωולכן לא יכול להיות .ℵω = 2ℵ0 94