Om uendelighedsbegrebet - Aarhus Universitet
Om uendelighedsbegrebet - Aarhus Universitet
Om uendelighedsbegrebet - Aarhus Universitet
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Om</strong> <strong>uendelighedsbegrebet</strong><br />
Henrik Stetkær<br />
19. september 2006<br />
I disse noter vil vi diskutere <strong>uendelighedsbegrebet</strong>, specielt egenskaber<br />
ved tællelige mængder. Vi g˚ar ud fra, at læseren har et elementært kendskab<br />
til mængdelære, s˚a betydningen af et symbol som for eksempel A ∩ B er<br />
kendt.<br />
For en fuldstændigheds skyld minder vi dog i Afsnit 1 læseren om nogle af<br />
mængdelærens grundbegreber. For yderligere oplysninger om mængdelære<br />
mm henvises til [1], [2], [3] og [4]. Referencerne [1] og [3] er lettilgængelige<br />
fremstillinger af mængdelære og kardinaltal. Referencen [2] er en klassisk<br />
lærebog, der g˚ar i dybden ved at diskutere mængdelærens aksiomer. [4] er<br />
ligeledes en lærebog. Den g˚ar ogs˚a i dybden og indeholder nyere resultater<br />
end de andre.<br />
Mængdelæren skyldes Georg Cantor (1845–1918), der udformede den fra<br />
1870 og de følgende ca. 25 ˚ar. Den mødte megen modstand i sin tid, men<br />
fik ogs˚a mange tilhængere. En af tilhængerne var tidens største matematiker<br />
David Hilbert (1862–1943), der udtalte: ”Ingen skal fordrive os fra det<br />
paradis, som Cantor har skabt.” Nu er teorien almindelig anerkendt.<br />
Vi g˚ar i det følgende ogs˚a ud fra, at de naturlige tal = {1, 2, . . .} og<br />
deres elementære egenskaber som f.eks. induktionsprincippet er kendt.<br />
Symbolet OTL betyder Overladt Til Læseren.<br />
1 <strong>Om</strong> mængder<br />
1.1 <strong>Om</strong> begrebet mængde<br />
I overordentlig mange sammenhænge, praktiske s˚avel som tankemæssige,<br />
føres man til at afgrænse samlinger af objekter. Mange af sprogets gloser<br />
udtrykker, at man sammenholder en række objekter og betragter samlingen<br />
af dem. Med ordet ”lærerkollegiet” tænker man sig samlingen af alle<br />
personer, der er ansat som lærere ved en bestemt skole; med ordet ”fl˚aden”<br />
sammenfatter man søværnets skibe, osv.<br />
I matematikken kaldes en vel afgrænset samling af objekter for en mængde<br />
(p˚a engelsk ”set”), og de p˚agældende objekter kaldes mængdens elementer.<br />
Hvert af disse objekter siges at tilhøre mængden eller at være indeholdt<br />
1
i den. For at undg˚a en alt for monotont stammende terminologi (en mængde<br />
af mængder af ...) vil vi dog undertiden erstatte ordet ”mængde” med ord<br />
som ”samling”, ”familie”, ”system” eller lignende. Med ordene ”vel afgrænset”<br />
menes, at det nøje skal være fastlagt, hvilke elementer der tilhører mængden.<br />
N˚ar vi beskriver en mængde, dvs angiver dens elementer, skal det alts˚a af<br />
beskrivelsen helt klart fremg˚a, hvilke elementer der er indeholdt i mængden,<br />
og hvilke der ikke er det.<br />
Eksempler p˚a mængder er en flok duer, samlingen af stater i USA, mængden<br />
af alle primtal. Det er vigtigt at erkende, at en mængde kan være et<br />
element i en anden mængde, for det fænomen vil optræde gang p˚a gang<br />
under jeres matematikstudier. F.eks. er en linje en mængde af punkter; og<br />
mængden af alle linjer i planen er s˚aledes en mængde, hvis elementer selv er<br />
mængder.<br />
Begrebet mængde er en s˚a primitiv begrebsdannelse, at vi ikke vil søge<br />
at definere det ud fra andre begreber, men nøjes med den ovenfor givne<br />
beskrivelse, hvor vi benyttede udtryk som ”samling”, ”objekt”, ”afgrænset”,<br />
for at fremkalde den rigtige forestilling hos læseren.<br />
Lad nu X betegne en mængde. At x betegner et element, der tilhører X,<br />
skriver vi som følger: x ∈ X. Dette læses alts˚a som ”x tilhører X” eller ”x<br />
er indeholdt i X”. At x betegner et element, der ikke tilhører X, skriver vi<br />
som følger: x /∈ X.<br />
Terminologien p˚a engelsk er ”x is an element of X”, ”x is contained in<br />
X” eller ”x belongs to X”.<br />
Bemærkning 1.1. Det er en version af det græske bogstav epsilon, der indg˚ar<br />
i udtrykket ”x ∈ X”. Den benyttes s˚a ofte til at betegne ”indeholdt i”, at de<br />
fleste matematikere kun benytter den i denne mængdeteoretiske sammenhæng.<br />
De benytter ɛ eller ε, n˚ar de i andre sammenhænge har brug for det<br />
femte bogstav i det græske alfabet.<br />
Er X og Y mængder, s˚a betegner X = Y , at X og Y best˚ar af de samme<br />
elementer, alts˚a at x ∈ X ⇔ x ∈ Y .<br />
Bemærkning 1.2. Vi benytter en pil ⇒ i betydningen ”medfører”, og en<br />
dobbeltpil ⇔ i betydningen ”medfører og medføres af”.<br />
En mængde X angives undertiden p˚a følgende m˚ade: X = {. . .}, hvor<br />
man p˚a prikkernes plads tænker sig samtlige mængdens elementer anbragt.<br />
Hvis mængden f.eks. best˚ar af tallene 1, 3, 5, 7 og 9, betegner vi den med<br />
symbolet {1, 3, 5, 7, 9}. Da en mængde er karakteriseret alene ved de elementer,<br />
den indeholder, betegner symbolerne {1, 3, 5, 7, 9} og {9, 5, 3, 7, 1} den<br />
samme mængde. Dvs {1, 3, 5, 7, 9} = {9, 5, 3, 7, 1}, idet et lighedstegn mellem<br />
betegnelserne for to mængder tilkendegiver, at de to mængder best˚ar af<br />
de samme elementer.<br />
Man anvender ogs˚a en skrivem˚ade af følgende art:<br />
X = {x | . . .}, (1.1)<br />
2
hvor man p˚a prikkernes plads tænker sig angivet en egenskab, som x har,<br />
hvis og kun hvis x betegner et element, der tilhører X. Det er klart, at der<br />
for enhver mængde X gælder, at X = {x | x ∈ X}.<br />
Vi vil ogs˚a møde udtryk som {x ∈ X | S(x)}, hvor S(x) er en betingelse,<br />
som elementerne i X kan opfylde eller ikke opfylde.<br />
Som et eksempel p˚a anvendelsen af betegnelsesm˚aden (1.1) anfører vi,<br />
at {x | x helt tal, og x > 0} er mængden af alle naturlige tal.<br />
Definition 1.3. Lad X og X ′ betegne mængder. Vi siger, at X ′ er en<br />
delmængde af X og skriver X ′ ⊆ X eller X ⊇ X ′ , s˚afremt x ∈ X ′ ⇒ x ∈ X.<br />
⊇.<br />
Nogle forfattere benytter notationen ⊂ i stedet for ⊆, og ⊃ i stedet for<br />
Undertiden er det bekvemt at skrive X ⊇ X ′ i stedet for X ′ ⊆ X. De<br />
to udtryk betyder det samme. Den engelske terminologi er ”X includes X ′ ”<br />
eller ”X ′ is a subset of X”.<br />
Det er klart, at det ifølge Definition 1.3 gælder om enhver mængde X,<br />
at X ⊆ X. Det er ligeledes klart, at<br />
og at<br />
X = Y ⇔ [X ⊆ Y og Y ⊆ X],<br />
X ⊆ Y, Y ⊆ Z ⇒ X ⊆ Z.<br />
I mængdelæren har man taget højde for udtryk som X \ X (vi definerer<br />
mængdedifferens senere) ved at indføre den tomme mængde. Formelt benytter<br />
man et af mængdelærens principper, nemlig specifikationsaksiomet<br />
(Engelsk: Axiom of specification; tysk: Aussonderungsaxiom).<br />
Definition 1.4 (Specifikationsaksiomet). Til enhver mængde X og enhver<br />
betingelse S(·) er B = {x ∈ X | S(x) er sand} en mængde.<br />
Mængdelæren g˚ar ud fra, at der findes en mængde (!). Betegnes en s˚adan<br />
med A0, s˚a er den tomme mængde defineret ved ∅ = {x ∈ A0 | x = x}. Ifølge<br />
Specifikationsaksiomet er ∅ en mængde.<br />
Den tomme mængde indeholder ˚abenbart ikke nogen elementer.<br />
Lemma 1.5. Lad X være en mængde. Da er den tomme mængde en delmængde<br />
af X, dvs ∅ ⊆ X.<br />
Bevis. Vi skal vise, at ethvert element i venstre side, alts˚a i ∅, tilhører X.<br />
Men det er jo trivielt opfyldt for ethvert element fra venstre side, da der<br />
ingen er.<br />
Bemærkning 1.6. Selv om ræsonnementet i beviset for Lemma 1.5 er logisk<br />
korrekt, kan det m˚aske forekomme lidt utilfredstillende. Beviset giver et typisk<br />
eksempel p˚a et fænomen, der hyppigt optræder, nemlig at en betingelse<br />
3
er tomt opfyldt. Vi skal vise, at et eller andet udsagn, der kan være enten<br />
sandt eller falsk, om den tomme mængde er sandt. Det gør vi ved at vise, at<br />
det ikke kan være falsk. Hvordan kan det eksempelvis være falsk, at ∅ ⊆ X?<br />
Det kan kun være falsk, hvis ∅ har et element, der ikke er indeholdt i X; og<br />
det har ∅ ikke. ∅ har faktisk slet ingen elementer. Da udsagnet ∅ ⊆ X ikke<br />
er falsk, konkluderer vi, at det er korrekt.<br />
Det er klart, at der højst kan være én mængde uden elementer: Hvis ∅1<br />
og ∅2 er to s˚adanne mængder, s˚a giver argumentet i beviset for Lemma 1.5,<br />
at ∅1 ⊆ ∅2 og ∅2 ⊆ ∅1, dvs ∅1 = ∅2. Diskussionen ovenfor er til for at sikre os<br />
eksistensen af en tom mængde, ikke den logisk set ret trivielle éntydighed.<br />
Entydigheden gør imidlertid, at vi meningsfyldt kan bruge udtrykket den<br />
tomme mængde. Ifølge Lemma 1.5 er den tomme mængde en delmængde af<br />
enhver mængde.<br />
Definition 1.7. Lad X være en mængde, og lad x0 være et element i X,<br />
dvs x0 ∈ X. Vi indfører betegnelsen<br />
{x0} = {x ∈ X | x = x0}<br />
for den delmængde af X, der som eneste element har x0.<br />
Bemærkning 1.8. En mængde best˚aende af netop ét element kaldes for en<br />
singleton. Et eksempel p˚a en singleton er delmængden {x0} fra Definition<br />
1.7. ∅ er ikke en singleton, men {∅} er det.<br />
Bemærkning 1.9. Man skal omhyggeligt skelne mellem begreberne elementer<br />
og delmængder, fordi de ikke betyder det samme. De dertil svarende notationer<br />
∈ og ⊆ kan følgelig ikke bruges i flæng. Gør man det, s˚a kommer man<br />
helt sikkert, endda selvforskyldt, i logiske vanskeligheder, og ens resultater<br />
vil sandsynligvis være mageløst sludder. Det er nok ret oplagt at opretholde<br />
distinktionen mellem det at være et element i en mængde X og det at være<br />
en delmængde af X, s˚a længe man betragter delmængder, der indeholder<br />
mere end et enkelt element. Men logikken tilsiger os, at vi skal være konsekvente<br />
i vores diskussion af delmængder: Vi skal opretholde distinktionen<br />
for alle delmængder, ogs˚a for delmængder, der best˚ar af præcis ét element:<br />
Et element x0 i en mængde X er ikke en delmængde af X, det bliver faktisk<br />
slet ikke betragtet som en mængde i denne sammenhæng. Derfor skriver vi<br />
konsekvent x0 ∈ X og {x0} ⊆ X. Det kan tilføjes, at der selvfølgelig er<br />
en sammenhæng mellem de to forskellige begreber, nemlig at x0 ∈ X er<br />
ækvivalent med {x0} ⊆ X.<br />
Begreberne at tilhøre (∈) og at være en delmængde af (⊆) er meget<br />
forskellige. Det kan man bl.a. se af, at de har forskellige egenskaber. Det<br />
gælder f.eks. altid, at X ⊆ X. Men gælder det nogensinde, at x ∈ x? I hvert<br />
fald ikke for elementerne i nogen fornuftigt konstrueret mængde. Som et<br />
andet eksempel kan man observere, at inklusionen ⊆ er transitiv, dvs A ⊆ B<br />
4
og B ⊆ C medfører, at A ⊆ C. Det tilsvarende gælder ikke for begrebet at<br />
tilhøre (tænk p˚a superorganisationer, hvis medlemmer er organisationer).<br />
Lad os se p˚a en samling C = {X1, X2, X3} best˚aende af tre mængder X1,<br />
X2 og X3. S˚a X1, X2 og X3 er alts˚a elementerne i C. Eksempelvis kunne Xk<br />
for k = 1, 2, 3 være den ˚abne cirkelskive i 2 med centrum (0, 0) og radius<br />
k. Godt nok er X1, X2 og X3 mængder, men de er ikke delmængder af C;<br />
de er elementer i C.<br />
Øvelse 1.10. Beskriv systemet af delmængder af den tomme mængde.<br />
Øvelse 1.11. Lad M betegne mængden af alle indskrivelige firkanter i planen,<br />
og lad N betegne mængden af alle firkanter i planen, hvor summen af<br />
er par modst˚aende vinkler er 180 0 . Vis, at M = N.<br />
1.2 <strong>Om</strong> foreningsmængder<br />
Definition 1.12. Hvis C er en samling (dvs mængde) af mængder, s˚a lader<br />
vi udtrykket <br />
X∈C X betegne en ny mængde, nemlig<br />
<br />
X = {x | Der findes et X ∈ C, s˚a x ∈ X},<br />
X∈C<br />
der kaldes for foreningsmængden af samlingen C (engelsk: The union of the<br />
collection C of sets).<br />
Jeg gætter p˚a, at foreningsmængsdetegnet stammer fra U’et i Union.<br />
Hvis C = {X1, X2, . . . , Xn}, alts˚a hvis C best˚ar af de endelig mange<br />
mængder X1, X2, . . . , Xn, s˚a benytter man som regel notationen<br />
X1 ∪ X2 ∪ · · · ∪ Xn eller<br />
i stedet for <br />
X∈C X.<br />
Hvis C = {X1, X2, . . . , Xn, . . .}, alts˚a hvis C best˚ar af de uendelig mange<br />
mængder X1, X2, . . . , Xn, . . . , eller med andre ord at man har nummereret<br />
mængderne i C, s˚a benytter man som regel notationen<br />
X1 ∪ X2 ∪ · · · ∪ Xn ∪ · · · eller<br />
i stedet for <br />
X∈C X.<br />
Hvis mængderne i C er indiceret af en indeksmængde I, dvs C = {Xi |<br />
i ∈ I}, s˚a skriver man<br />
<br />
i∈I<br />
5<br />
Xi<br />
n<br />
j=1<br />
Xj<br />
∞<br />
n=1<br />
Xn
i stedet for <br />
X∈C X. Tilfældene ovenfor svarer til indeksmængderne I =<br />
{1, 2, . . . , n} og I = , henholdsvis.<br />
Lad os betragte det vigtige specialtilfælde, hvor C = {A, B} blot best˚ar<br />
af de to mængder A og B. Her benytter man betegnelsen<br />
A ∪ B i stedet for <br />
X,<br />
s˚a A ∪ B = {x | x er element i mindst én af mængderne A og B}. A ∪ B<br />
kaldes foreningsmængden af A og B.<br />
X∈C<br />
Sætning 1.13. Lad A, B og C være mængder. Da gælder<br />
(a) A ∪ ∅ = A.<br />
(b) A ∪ B = B ∪ A (kommutativitet).<br />
(c) A ∪ (B ∪ C) = (A ∪ B) ∪ C (associativitet).<br />
(d) A ∪ A = A.<br />
(e) A ⊆ B hvis og kun hvis A ∪ B = B.<br />
Bevis. OTL.<br />
Øvelse 1.14. Lad a, b ∈ X være to forskellige elementer i en mængde X.<br />
Vis, at {a} ∪ {b} = {a, b}.<br />
1.3 <strong>Om</strong> fællesmængde (= gennemsnit)<br />
Definition 1.15. Hvis C er en ikke-tom samling (dvs mængde) af mængder,<br />
s˚a lader vi udtrykket <br />
X∈C X betegne mængden<br />
<br />
X = {x | x ∈ X for ethvert X ∈ C},<br />
X∈C<br />
der kaldes for fællessmængden eller sommetider gennemsnittet (intersection<br />
p˚a engelsk) af samlingen C.<br />
Hvis C = {X1, X2, . . . , Xn}, alts˚a hvis C best˚ar af de endelig mange<br />
mængder X1, X2, . . . , Xn, s˚a benytter man som regel notationen<br />
i stedet for <br />
X∈C X.<br />
X1 ∩ X2 ∩ · · · ∩ Xn eller<br />
6<br />
n<br />
j=1<br />
Xj
Hvis C = {X1, X2, . . . , Xn, . . .}, alts˚a hvis C best˚ar af de uendelig mange<br />
mængder X1, X2, . . . , Xn, . . . , eller med andre ord at man har nummereret<br />
mængderne i C, s˚a benytter man som regel notationen<br />
X1 ∩ X2 ∩ · · · ∩ Xn ∩ · · · eller<br />
i stedet for <br />
X∈C X.<br />
Hvis mængderne i C er indiceret af en indeksmængde I, dvs C = {Xi |<br />
i ∈ I}, s˚a skriver man<br />
<br />
i∈I<br />
i stedet for <br />
X∈C X. Tilfældene ovenfor svarer til indeksmængderne I =<br />
{1, 2, . . . , n} og I = , henholdsvis.<br />
Lad os betragte det vigtige specialtilfælde, hvor C = {A, B} blot best˚ar<br />
af de to mængder A og B. Her benytter man betegnelsen<br />
A ∩ B i stedet for <br />
X,<br />
s˚a A ∩ B = {x | x er element i b˚ade A og B}. A ∩ B kaldes gennemsnittet<br />
af A og B.<br />
Xi<br />
X∈C<br />
∞<br />
n=1<br />
Xn<br />
Sætning 1.16. Lad A, B og C være mængder. Da gælder<br />
(a) A ∩ ∅ = ∅.<br />
(b) A ∩ B = B ∩ A (kommutativitet).<br />
(c) A ∩ (B ∩ C) = (A ∩ B) ∩ C (associativitet).<br />
(d) A ∩ A = A.<br />
(e) A ⊆ B hvis og kun hvis A ∩ B = A.<br />
Bevis. OTL.<br />
Definition 1.17. To mængder X1 og X2 siges at være disjunkte, s˚afremt<br />
X1 ∩ X2 = ∅.<br />
Øvelse 1.18. I denne opgave vil vi betragte en speciel familie af delmængder<br />
af 2 , nemlig de lukkede mængder.<br />
Definition 1.19. En delmængde F af 2 siges at være lukket eller afsluttet,<br />
s˚afremt den har følgende egenskab:<br />
For enhver konvergent følge x1, x2, . . . , xn, . . . → x0, hvor xn ∈ F for ethvert<br />
n ∈ , vil ogs˚a grænsepunktet x0 ∈ F .<br />
7
At følgen x1, x2, . . . , xn, . . . konvergerer mod x0 betyder følgende: Lad<br />
r > 0 være vilk˚arlig. Fra et vist trin N at regne (dvs for n ≥ N) vil alle<br />
xn’erne ligge i cirkelskiven omkring x0 med radius r. Dette skal gælde for<br />
ethvert fastholdt r > 0. Selvfølgelig afhænger N af r: Hvis cirkelskiven<br />
vælges mindre, skal vi normalt g˚a længere ud i følgen, før xn’erne ligger i<br />
cirkelskiven.<br />
(a) Gør rede for, at kvadratet [0, 1] × [0, 1] og enhedsintervallet [0, 1] × {0}<br />
begge er lukkede mængder.<br />
(b) Vis, at den ˚abne enhedscirkel {(x, y) ∈ 2 | x 2 + y 2 < 1} ikke er lukket.<br />
(c) Lad F1 og F2 være lukkede. Vis, at F1 ∩ F2 og F1 ∪ F2 er lukkede.<br />
(d) Lad {Fi | i ∈ I} være en mængde af lukkede mængder. Vis, at <br />
i∈I Fi<br />
er lukket.<br />
(e) Lad F1, F2, . . . være en følge af lukkede mængder. Er foreningsmængden<br />
F1 ∪ F2 ∪ · · · = ∞<br />
n=1 Fn altid lukket?<br />
(f) Gør rede for, at ∅ er lukket.<br />
(g) Gør rede for, at 2 er lukket.<br />
Idet Definition 1.19 ovenfor p˚a lukkede mængder kopieres til , ved at<br />
vi erstatter 2 med , skal man vise, at punkterne (c) - (g) ogs˚a holder for<br />
(i punkt (g) skal der s˚a selvfølgelig st˚a i stedet for 2 ).<br />
Øvelse 1.20. Vis følgende to s˚akaldt distributive love, der knytter kompositionsreglerne<br />
∪ og ∩ sammen:<br />
Øvelse 1.21. Angiv mængderne<br />
(X ∪ Y ) ∩ Z = (X ∩ Z) ∪ (Y ∩ Z), (1.2)<br />
(X ∩ Y ) ∪ Z = (X ∪ Z) ∩ (Y ∪ Z). (1.3)<br />
∞<br />
{x ∈ | 0 ≤ x < 1<br />
} og<br />
n<br />
n=1<br />
∞<br />
{x ∈ | 0 < x < 1<br />
n }.<br />
Øvelse 1.22. En delmængde K af 2 siges at være konveks, s˚afremt den<br />
har følgende egenskab: For ethvert par af punkter x ∈ K, y ∈ K gælder, at<br />
ethvert punkt p˚a liniestykket [x, y], der forbinder x og y, tilhører K.<br />
Vis, at hvis A og B er to konvekse mængder, s˚a er A ∩ B ligeledes en<br />
konveks mængde.<br />
Vis, at gennemsnittet af en vilk˚arlig mængde af konvekse mængder er<br />
konveks.<br />
8<br />
n=1
1.4 <strong>Om</strong> komplementærmængde<br />
N˚ar X og Y er mængder, kan vi betragte mængden af de x, der er elementer<br />
i X, men ikke i Y . Denne mængde kalder vi for mængdedifferensen mellem<br />
X og Y eller det relative komplement til Y i X, og vi betegner den med<br />
X \ Y . S˚a<br />
X \ Y = {x ∈ X | x /∈ Y }. (1.4)<br />
Den engelske betegnelse er ”The difference between X and Y ” eller ”The<br />
relative complement of Y in X”.<br />
Bemærk, at det i denne definition ikke er nødvendigt at antage, at Y ⊆<br />
X.<br />
Ofte er det i en given sammenhæng naturligt udelukkende at betragte<br />
mængder, der er delmængder af en vis fast mængde (kaldet grundmængden<br />
eller universalmængden). N˚ar vi f.eks. arbejder med mængder af reelle tal,<br />
er grundmængden . For at skrive de fundamentale egenskaber ved komplementærdannelse<br />
op vil vi dette afsnit (og kun her) antage, at samtlige<br />
mængder, som omtales, er delmængder af en og samme grundmængde U,<br />
og at alle komplementer dannes relativt til U (U for universalmængde). I<br />
s˚adanne situationer er det lettere at underforst˚a grundmængden U end at<br />
skrive den op igen og igen; det har den yderligere fordel, at det simplificerer<br />
notationen og dermed gør formlerne mere overskuelige.<br />
Definition 1.23. N˚ar X er en delmængde af U, best˚ar U \X af de elementer<br />
i U, der ikke ligger i X. Denne mængde kalder vi X’s komplementærmængde,<br />
og vi betegner den med symbolet ∁X. Alts˚a ∁X = U \ X.<br />
De grundlæggende kendsgerninger om komplementærdannelse kan nu<br />
formuleres som følger:<br />
∁(∁X) = X, (1.5)<br />
∁∅ = U, ∁U = ∅, (1.6)<br />
X ∪ ∁X = U, X ∩ ∁X = ∅ (1.7)<br />
X ⊆ Y hvis og kun hvis ∁Y ⊆ ∁X. (1.8)<br />
De vigtigste resultater om komplementærdannelse er<br />
Sætning 1.24 (De Morgans love). Idet X og Y er delmængder af U, har<br />
vi, at<br />
∁(X ∪ Y ) = ∁X ∩ ∁Y og ∁(X ∩ Y ) = ∁X ∪ ∁Y. (1.9)<br />
Andre nyttige formler er indeholdt i den næste proposition.<br />
9
Proposition 1.25. Lad X, Y og Z være delmængder af U. Da gælder:<br />
X \ Y = X ∩ ∁Y (1.10)<br />
X ⊆ Y hvis og kun hvis X \ Y = ∅ (1.11)<br />
X \ (X \ Y ) = X ∩ Y (1.12)<br />
X ∩ (Y \ Z) = (X ∩ Y ) \ (X ∩ Z) (1.13)<br />
X ∩ Y ⊆ (X ∩ Z) ∪ (Y ∩ ∁Z) (1.14)<br />
(X ∪ Z) ∩ (Y ∪ ∁Z) ⊆ X ∪ Y (1.15)<br />
Øvelse 1.26. For to vilk˚arlige mængder X og Y definerer man deres symmetriske<br />
differens (ogs˚a kaldet deres Booleske sum) X + Y som mængden<br />
X + Y = (X \ Y ) ∪ (Y \ X)<br />
Lad X, Y og Z betegne mængder. Vis, at<br />
(a) X + Y = Y + X (kommutativitet).<br />
(b) X + (Y + Z) = (X + Y ) + Z (associativitet).<br />
(c) X + ∅ = X.<br />
(d) X + X = ∅.<br />
Øvelse 1.27. Lad {Xi | i ∈ I} være en samling af mængder, indiceret af en<br />
ikke-tom mængde I. Vis følgende generalisation af den første af De Morgans<br />
love:<br />
∁( <br />
Xi) = <br />
∁Xi.<br />
i∈I<br />
Øvelse 1.28. Lad A1, A2, . . . , An, . . . være delmængder af en grundmængde<br />
U. Definer<br />
∞ ∞<br />
lim sup An = ( Ai), (1.16)<br />
lim inf An =<br />
i∈I<br />
m=1 i=m<br />
∞ ∞<br />
( Ai). (1.17)<br />
m=1 i=m<br />
(a) Gør rede for, at lim sup An = {x ∈ U | x ∈ Ai for uendelig mange i}.<br />
(b) Gør rede for, at lim inf An = {x ∈ U | x ∈ Ai for alle i fra et vist trin }.<br />
(c) Vis, at<br />
∞<br />
An ⊆ lim inf An ⊆ lim sup An ⊆<br />
n=1<br />
10<br />
∞<br />
An. (1.18)<br />
n=1
(d) Vis, at<br />
∁(lim sup An) = lim inf ∁An og ∁(lim inf An) = lim sup ∁An. (1.19)<br />
(e) Vis, at hvis A1 ⊆ A2 ⊆ . . . ⊆ An ⊆ . . ., da er<br />
lim inf An = lim sup An =<br />
(f) Vis, at hvis A1 ⊇ A2 ⊇ . . . ⊇ An ⊇ . . ., da er<br />
lim inf An = lim sup An =<br />
∞<br />
An.<br />
n=1<br />
∞<br />
An.<br />
n=1<br />
Øvelse 1.29. Lad An for n = 1, 2, . . . betegne halvplanen<br />
(a) Vis, at<br />
(b) Vis, at<br />
lim sup An =<br />
lim inf An =<br />
2 Afbildninger<br />
An = {(x1, x2) ∈ 2 | x2 ≥ (−1) n nx1}.<br />
∞<br />
An = ∁{(x1, x2) ∈ 2 | x1 = 0 og x2 < 0}.<br />
n=1<br />
∞<br />
An = {(x1, x2) ∈ 2 | x1 = 0 og x2 ≥ 0}.<br />
n=1<br />
I dette afsnit indfører vi funktionsbegrebet med mængdelæren som grundlag.<br />
Definition 2.1. Lad X og Y være to mængder. X × Y betegner mængden<br />
af ordnede par (x, y), hvor x ∈ X og y ∈ Y .<br />
Rækkefølgen (x p˚a 1. plads, y p˚a 2. pladsen) er væsentlig. Faktisk er<br />
(y, x) slet ikke et element i X × Y , medmindre da tilfældigvis X = Y .<br />
Definition 2.2. Lad X og Y være to mængder. En funktion eller en afbildning<br />
af X ind i Y er en ordnet trippel (X, Y, f), hvor f er en delmængde af<br />
X × Y med følgende egenskab: For ethvert element x ∈ X findes der netop<br />
ét element y ∈ Y , s˚a (x, y) ∈ f.<br />
Det éntydige element y ∈ Y , for hvilket (x, y) ∈ f, betegnes med f(x).<br />
Symbolet f : X → Y benyttes ofte som en forkortelse for ”f er en<br />
afbildning af X ind i Y ”.<br />
X kaldes for funktionens domæne eller definitionsomr˚ade, og Y for dens<br />
codomæne.<br />
11
P˚a engelsk kaldes en funktion/afbildning for ”function”/”mapping” eller<br />
bare ”map”.<br />
N˚ar man taler om en funktion, s˚a er dens domæne X og dens codomæne<br />
Y indbygget i funktionen i kraft af Definition 2.2, der jo specificerer b˚ade X<br />
og Y . Ofte underforst˚as X og Y , s˚a man i stedet for at tale om funktionen<br />
(X, Y, f) blot taler om funktionen f. En reel funktion f : X → kan<br />
selvfølgelig anskues som en funktion, der tager komplekse værdier, idet ⊆<br />
, men vi skelner alts˚a mellem den reelle og den komplekse funktion, fordi<br />
de har forskellige codomæner.<br />
Oftest bruges ordet funktion om en afbildning af en mængde X ind de<br />
reelle eller komplekse tal, medens ordet afbildning bruges for et vilk˚arligt<br />
codomæne.<br />
Delmængden f af X × Y er f = {(x, f(x)) ∈ X × Y | x ∈ X}, s˚a en<br />
funktion f : X → Y kan defineres ved, at vi til ethvert x ∈ X angiver<br />
værdien f(x) ∈ Y . Ofte møder man vendingen ”funktionen f defineret ved<br />
f(x) = . . ., x ∈ X”, hvor . . . er et eller andet udtryk i x, der giver et<br />
element i Y . Med vendingen menes funktionen f = {(x, y) ∈ X × Y | y =<br />
f(x)} (principielt dog triplen (X, Y, f)). F.eks. mener man med ”funktionen<br />
f defineret ved f(x) = x 3 , x ∈ ”, funktionen {(x, y) ∈ 2 | y = x 3 }.<br />
Undertiden skriver man funktionen f som x ↦→ f(x), x ∈ X. F.eks. betyder<br />
x ↦→ x 3 , x ∈ , funktionen f defineret ved f(x) = x 3 , x ∈ .<br />
I visse sammenhænge bruges der andre ord for afbildninger. F.eks. n˚ar<br />
man, givet en mængde X, betragter en følge {x1, x2, . . .} i X. Følgen tilordner<br />
til ethvert n ∈ elementet xn i X, s˚a der er dermed faktisk tale<br />
om funktionen f : → X givet ved f(n) = xn, n ∈ . En følge er alts˚a<br />
en funktion med de naturlige tal som definitionsomr˚ade. For en afbildning<br />
mellem vektorrum benytter man ofte glosen ”operator” i stedet for glosen<br />
”funktion”.<br />
En ofte mødt definition p˚a funktion er, at en funktion f : X → Y er en<br />
regel eller forskrift, der til ethvert element i X tilordner netop ét element i<br />
Y . I indeværende fremstilling er vi imidlertid utilfredse med ordene ”regel”<br />
og ”forskrift”, idet de er vage og ikke defineret mængdeteoretisk. Begrebet<br />
funktion som defineret i Definition 2.2 giver mening til disse vage termer.<br />
Men vi definerer alts˚a funktionsbegrebet, før vi benytter disse ord for en<br />
funktion. Vi kan og vil imidlertid benytte dem fra nu af.<br />
Lad f1 : X1 → Y1 og f2 : X2 → Y2 være to funktioner. Vi bemærker, at<br />
f1 = f2, hvis og kun hvis X1 = X2, Y1 = Y2 og f1(x) = f2(x) for ethvert<br />
x ∈ X1 = X2.<br />
Definition 2.3. Lad f : X → Y være en afbildning af X ind i Y , og lad X ′<br />
være en delmængde af X. Ved restriktionen af funktionen f til X ′ forst˚as<br />
funktionen (X ′ × Y ) ∩ f = {(x ′ , f(x ′ )) ∈ f | x ′ ∈ X ′ } med definitionsomr˚ade<br />
X ′ og codomæne Y . Den betegnes f |X ′.<br />
Restriktionen f |X ′ er principielt en anden funktion end f, idet de to<br />
12
funktioners definitionsomr˚ader er forskellige, nemlig henholdsvis X ′ og X.<br />
Definition 2.4. Lad X, Y og Z være mængder, lad f : X → Y være en<br />
afbildning af X ind i Y , og g : Y → Z være en afbildning af Y ind i Z.<br />
Sammensætningen g ◦ f er den afbildning af X ind i Z som er givet ved<br />
(g ◦ f)(x) = g(f(x)), x ∈ X. Med andre ord er sammensætningen triplen<br />
(X, Z, g ◦ f), hvor g ◦ f = {(x, z) ∈ X × Z | z = g(f(x))}.<br />
Det engelske ord for sammensætning er ”composition”.<br />
En meget vigtig egenskab ved operationen sammensætning af funktioner<br />
er dens associativitet:<br />
Sætning 2.5. Lad X, Y , Z og W være mængder, lad f : X → Y være en<br />
afbildning af X ind i Y , g : Y → Z en afbildning af Y ind i Z, og h : Z → W<br />
en afbildning af Z ind i W . Da er h ◦ (g ◦ f) = (h ◦ g) ◦ f.<br />
Definition 2.6. Lad X og Y være to mængder, og lad f : X → Y være en<br />
afbildning af X ind i Y .<br />
(a) For A ⊆ X er f(A) = {f(a) | a ∈ A}. Det er en delmængde af Y .<br />
(b) f’s billedmængde (”image” p˚a engelsk) er en vis delmængde af Y , nemlig<br />
f(X) = {f(x) | x ∈ X}.<br />
(c) Hvis f(X) = Y , siges f at være en surjektion eller at være surjektiv.<br />
Man siger ogs˚a kort, at f er p˚a. At en afbildning er surjektiv vil sige, at<br />
der til ethvert y ∈ Y findes mindst ét x ∈ X s˚a f(x) = y.<br />
Eksempel 2.7. (a) Funktionen f : → givet ved f(x) = x 3 , x ∈ , er<br />
en surjektion.<br />
(b) Funktionen f : → givet ved f(x) = sin x, x ∈ , er ikke surjektiv.<br />
Dens billedmængde er nemlig [−1, 1], som er en ægte delmængde af .<br />
(c) Funktionen f : → givet ved f(x) = x 2 , x ∈ , har billedmængden<br />
[0, ∞[. Den er heller ikke p˚a.<br />
Man skal skelne mellem en funktion og dens billedmængde; det sted, der<br />
nok mest frister til sammenblanding, er i omgangen med kurver. En kurve<br />
er pr definition en kontinuert afbildning γ : I → n af et interval I ind i<br />
n , men ofte tænker man p˚a kurven som punktmængden γ(I).<br />
Definition 2.8. Lad X og Y være to mængder, og lad f : X → Y være en<br />
afbildning af X ind i Y . Lad Y0 være en delmængde af Y . Urbilledet af Y0<br />
ved f er en vis delmængde af X, nemlig<br />
f −1 (Y0) = {x ∈ X | f(x) ∈ Y0}. (2.1)<br />
P˚a engelsk hedder det ”the pre-image of Y0 under f”.<br />
13
Eksempel 2.9. Betragt funktionen f : → givet ved f(x) = x 2 , x ∈ .<br />
Her er f −1 ([1, 4]) = [1, 2]∪[−2, −1], f −1 ({1}) = {±1}, og f −1 (]−∞, −1[) =<br />
∅.<br />
Definition 2.10. Ved potensmængden P(X) for mængden X forst˚ar man<br />
mængden af alle delmængder af X.<br />
P˚a engelsk: ”The power set of X”.<br />
Hvis eksempelvis X = {a, b}, s˚a er P(X) en mængde med 4 elementer,<br />
idet P(X) = {∅, {a}, {b}, {a, b}}.<br />
Det fremg˚ar af definitionen p˚a urbillede, at n˚ar f : X → Y , s˚a er f −1 en<br />
afbildning af P(Y ) ind i P(X).<br />
Vi pointerer, at f −1 (Y0) er en delmængde af X, ikke et element i X,<br />
og at f −1 (Y0) er defineret for enhver delmængde Y0 af Y . Vi skal i Afsnit 3<br />
møde en anden betydning af symbolet f −1 , nemlig som den inverse funktion,<br />
uden disse egenskaber. Principielt burde man selvfølgelig benytte forskellig<br />
notation for forskellige begreber, men det gør man i dette tilfælde alts˚a ikke.<br />
Det overlades dermed læseren til ud fra sammenhængen at afgøre, hvilken<br />
af de to betydninger f −1 har.<br />
Betragt for eksempel den reelle funktion h, der til ethvert punkt i Danmark<br />
tilordner dets højde over havoverfladen. Et topografisk kort over Danmark<br />
viser punkterne med samme højde som en niveaukurve (eventuelt med<br />
flere forskellige komponenter). Niveaukurven svarende til højden y over havoverfladen<br />
er mængden h −1 ({y}). Pointen er, at h −1 ({y}) er en mængde.<br />
Det er nok værd at overveje, hvilke sammenhænge der er mellem billedmængder<br />
og urbilleder. Den næste sætning angiver nogle af dem.<br />
Sætning 2.11. Lad f : X → Y være en afbildning af X ind i Y .<br />
(a) Hvis B ⊆ Y , s˚a vil f −1 (∁B) = ∁(f −1 (B)), hvor komplementærmængderne<br />
tages relativt til Y og X henholdsvis.<br />
(b) Hvis B ⊆ Y , s˚a vil f(f −1 (B)) ⊆ B.<br />
(c) Hvis f er surjektiv og B ⊆ Y , s˚a vil f(f −1 (B)) = B.<br />
(d) Hvis A ⊆ X, s˚a er A ⊆ f −1 (f(A)).<br />
(e) Hvis f er injektiv [defineres nedenfor] og A ⊆ X, s˚a er A = f −1 (f(A)).<br />
Bevis. OTL.<br />
Definition 2.12. Lad X og Y være to mængder, og lad f : X → Y være en<br />
afbildning af X ind i Y . Afbildningen f siges at være en injektion, at være<br />
injektiv eller kort skrevet 1 − 1, s˚afremt der for ethvert y ∈ Y er højst ét<br />
x ∈ X, s˚a f(x) = y.<br />
14
I Lemma 2.13 angiver vi nogle betingelser, der kan være nyttige, n˚ar man<br />
skal afgøre, om en given afbildning er injektiv.<br />
Lemma 2.13. Lad X og Y være to mængder, og lad f : X → Y være en<br />
afbildning af X ind i Y . Da er følgende fire udsagn ækvivalente:<br />
(a) f er en injektion.<br />
(b) For alle x1, x2 ∈ X gælder, at hvis f(x1) = f(x2), s˚a er x1 = x2.<br />
(c) For alle x1, x2 ∈ X gælder, at hvis x1 = x2, s˚a er f(x1) = f(x2).<br />
(d) For ethvert y ∈ Y best˚ar urbilledet f −1 ({y}) af højst ét element.<br />
Bevis. OTL.<br />
Eksempel 2.14. (a) Funktionen f : → givet ved f(x) = x 3 , x ∈ ,<br />
er b˚ade surjektiv og 1 − 1.<br />
(b) Funktionen f : → givet ved f(x) = x 2 , x ∈ , er hverken surjektiv<br />
eller 1 − 1.<br />
(c) Funktionen f : → givet ved f(x) = arctan x, x ∈ , er 1 − 1, men<br />
ikke p˚a.<br />
(d) Funktionen f : → givet ved f(x) = x sin x, x ∈ , er p˚a, men ikke<br />
1 − 1.<br />
Eksempel 2.15. Lad I være et interval. Lad f : I → være strengt<br />
voksende, dvs<br />
Da er f injektiv.<br />
[ x, y ∈ I og x < y ] ⇒ f(x) < f(y).<br />
Definition 2.16. Lad X0 være en delmængde af X. Ved inklusionsafbildningen<br />
af X0 ind i X forst˚as afbildningen i : X0 → X givet ved i(x) = x for<br />
x ∈ X0.<br />
En inklusionsafbildning er injektiv.<br />
Definition 2.17. Lad X og Y være to mængder, og lad f : X → Y være en<br />
afbildning af X ind i Y . Afbildningen f siges at være bijektiv, s˚afremt den<br />
er b˚ade surjektiv og injektiv. En bijektiv afbildning kaldes for en bijektion.<br />
Definition 2.18. To mængder X og Y siges at have samme kardinalitet,<br />
s˚afremt der findes en bijektion f : X → Y af X p˚a Y .<br />
15
Øvelse 2.19. Vis, at afbildningen<br />
f(x) =<br />
er en bijektion af intervallet ]0, 1[ p˚a .<br />
2x − 1<br />
, x ∈ ]0, 1[,<br />
2x(1 − x)<br />
Øvelse 2.20. Forklar hvorfor multiplikation med 2 ikke definerer en bijektion<br />
af p˚a , n˚ar multiplikationen dog definerer en bijektion af p˚a<br />
.<br />
Øvelse 2.21. Vis, at afbildningen (m, n) ↦→ 2 m−1 (2n − 1) er en bijektion af<br />
× p˚a .<br />
Øvelse 2.22. Bevis de følgende p˚astande om sammensætning af funktioner:<br />
(a) Sammensætningen af to injektioner er en injektion.<br />
(b) Sammensætningen af to surjektioner er en surjektion.<br />
(c) Sammensætningen af to bijektioner er en bijektion.<br />
Øvelse 2.23. Lad X, Y og Z være mængder, lad f : X → Y være en<br />
afbildning af X ind i Y , og lad g : Y → Z være en afbildning af Y ind i Z.<br />
Lad h = g ◦ f.<br />
Afgør, hvilke af de følgende 4 p˚astande, der er sande. Giv beviser for de<br />
sande p˚astande og modeksempler for de falske.<br />
(a) Hvis h er injektiv, s˚a er f injektiv.<br />
(b) Hvis h er injektiv, s˚a er g injektiv.<br />
(c) Hvis h er surjektiv, s˚a er f surjektiv.<br />
(d) Hvis h er surjektiv, s˚a er g surjektiv.<br />
Øvelse 2.24. Lad f : X → Y være en afbildning af X ind i Y . Lad X1 og<br />
X2 være delmængder af X, og lad Y1 og Y2 være delmængder af Y .<br />
Afgør, hvilke af de følgende 4 p˚astande, der er sande. Giv beviser for de<br />
sande p˚astande og modeksempler for de falske.<br />
f(X1 ∪ X2) = f(X1) ∪ f(X2) (2.2)<br />
f(X1 ∩ X2) = f(X1) ∩ f(X2) (2.3)<br />
f −1 (Y1 ∪ Y2) = f −1 (Y1) ∪ f −1 (Y2) (2.4)<br />
f −1 (Y1 ∩ Y2) = f −1 (Y1) ∩ f −1 (Y2) (2.5)<br />
Øvelse 2.25. Idet f : X → Y skal man vise følgende:<br />
(a) Hvis g : Y → X og g ◦ f er identiteten p˚a X, dvs (g ◦ f)(x) = x for<br />
ethvert x ∈ X, s˚a er f injektiv og g er surjektiv.<br />
16
(b) En nødvendig og tilstrækkelig betingelse for, at f(A∩B) = f(A)∩f(B)<br />
for alle delmængder A og B af X, er, at f er 1 − 1.<br />
(c) En nødvendig og tilstrækkelig betingelse for, at f(X \ A) ⊆ Y \ f(A) for<br />
alle delmængder A af X, er, at f er 1 − 1.<br />
(d) En nødvendig og tilstrækkelig betingelse for, at Y \ f(A) ⊆ f(X \ A) for<br />
alle delmængder A af X er, at f er surjektiv.<br />
Øvelse 2.26. I Øvelse 1.18 indførte vi begrebet lukkede mængder i 2 og<br />
. Lad F være en lukket delmængde af , og lad f : 2 → være en<br />
kontinuert funktion. Vis, at f −1 (F ) er en lukket delmængde af 2 .<br />
Øvelse 2.27. Lad f : X → Y . Idet {Yi}i∈I er en mængde af delmængder<br />
af Y , skal man vise, at f −1 : P(Y ) → P(X) opfører sig eksemplarisk med<br />
hensyn til foreningsdannelse og fællesmængdedannelse, dvs vise, at<br />
f −1 ( <br />
Yi) = <br />
f −1 (Yi), og (2.6)<br />
i∈I<br />
i∈I<br />
f −1 ( <br />
Yi) = <br />
f −1 (Yi) (2.7)<br />
i∈I<br />
i∈I<br />
I Øvelse 2.24 har vi mødt disse formler i det specialtilfælde, hvor mængden<br />
{Yi}i∈I kun har to elementer (kaldet Y1 og Y2 i Øvelse 2.24).<br />
3 <strong>Om</strong> inverse funktioner<br />
Lad f : X → Y være injektiv. Givet y ∈ f(X) findes der pr. definition af<br />
billedmængden f(X) et element x ∈ X, s˚a f(x) = y. Injektiviteten sikrer<br />
os, at der højst findes ét, s˚a alt i alt findes der netop ét x ∈ X, s˚a f(x) = y.<br />
Dette fører os frem til definitionen af den inverse funktion til f.<br />
Definition 3.1. N˚ar f : X → Y er injektiv, definerer vi en funktion f −1 :<br />
f(X) → X ved, at f −1 (f(x)) = x for ethvert x ∈ X. Funktionen f −1 kaldes<br />
for den inverse funktion til f.<br />
En bijektion f : X → Y er injektiv, og f −1 : Y → X er en bijektion af<br />
Y p˚a X.<br />
Definition 3.2. Hvis X er en mængde, lader vi iX : X → X betegne den<br />
identiske funktion p˚a X. Den er defineret ved, at iX(x) = x for ethvert<br />
x ∈ X.<br />
Lemma 3.3. Lad f : X → Y være injektiv. Da gælder:<br />
(a) f er en bijektion af X p˚a f(X), n˚ar vi opfatter f som en funktion fra<br />
X p˚a f(X).<br />
17
(b) f −1 er en bijektion af f(X) p˚a X, og (f −1 ) −1 (x) = f(x) for ethvert<br />
x ∈ X.<br />
(c) f −1 ◦ f = iX. Her opfatter vi f som en funktion fra X p˚a f(X).<br />
(d) f ◦ f −1 = i f(X).<br />
Bevis. OTL.<br />
Øvelse 3.4. Lad f : X → Y .<br />
(a) Lad g : Y → X opfylde, at g ◦ f = iX. Vis, at f er injektiv. Angiv f −1<br />
udtrykt ved f og g.<br />
(b) Lad h : Y → X opfylde, at f ◦ h = iY . Vis, at f er surjektiv.<br />
Lad f : X → Y . I princippet er det misbrug af notationen, at vi skriver<br />
f −1 for den inverse funktion. Vi har nemlig allerede indført en anden<br />
betydning af f −1 , nemlig i forbindelse med begrebet urbillede. Læseren m˚a<br />
derfor selv af sammenhængen tyde, hvilken mening symbolet f −1 har. Der<br />
er selvfølgelig væsentlige forskelle p˚a de to betydninger, blandt andet kan<br />
vi danne urbilleder for enhver funktion f, medens vi kun kan tale om den<br />
inverse funktion, n˚ar f er injektiv. Derudover er urbillederne delmængder af<br />
X, medens værdierne af den inverse funktion er elementer i X. Der er dog en<br />
sammenhæng mellem de to betydninger for en injektiv funktion f : X → Y ,<br />
idet<br />
f −1 ({y}) = {f −1 (y)} for ethvert y ∈ f(X).<br />
Vi overlader det til læseren at tyde, hvorn˚ar symbolet f −1 i ovenst˚aende<br />
formel benyttes i forbindelse med begrebet urbillede, og hvorn˚ar det refererer<br />
til den inverse funktion.<br />
Af hensyn til en senere anvendelse (beviset for Bernsteins ækvivalenssætning<br />
6.1) noterer vi følgende resultat om sammenhængen mellem de to<br />
betydninger af f −1 :<br />
Lemma 3.5. Lad g : Y → X være en injektiv afbildning af mængden Y ind i<br />
mængden X. Lad B ⊆ g(Y ). Da er urbilledet g −1 (B) lig med billedmængden<br />
{g −1 (b) | b ∈ B}, hvor g −1 ses som en afbildning fra g(Y ) ind i Y . Alts˚a<br />
g −1 (B) = {g −1 (b) | b ∈ B}, (3.1)<br />
hvor venstre side af (3.1) er urbilledet af B under g og højre side er billedet<br />
af B ved funktionen g −1 .<br />
Bevis. OTL.<br />
18
4 <strong>Om</strong> endelige mængder<br />
Først lidt notation: For ethvert n ∈ lader vi [1, n] = {k ∈ | 1 ≤ k ≤ n}.<br />
Definition 4.1. En mængde X siges at være endelig, hvis den er tom eller<br />
hvis der findes en bijektion af X p˚a [1, n] for et eller andet n ∈ . En<br />
mængde siges at være uendelig, hvis den ikke er endelig.<br />
Proposition 4.2. Lad X være en endelig mængde, og lad m, n ∈ . Hvis<br />
der findes bijektioner af X p˚a [1, m] og p˚a [1, n], s˚a er m = n.<br />
Bevis. Vi kan antage, at X = [1, m]. Herefter benytter vi induktion efter<br />
m.<br />
Vi benytter Proposition 4.2 til at definere, hvad vi forst˚ar ved størrelsen<br />
af en endelig mængde:<br />
Definition 4.3. Lad X være en endelig mængde. Antal elementer i X er<br />
0, hvis X = ∅, og ellers det éntydig bestemte n ∈ , for hvilket der findes<br />
en bijektion af X p˚a [1, n]. Antal elementer i X betegnes med |X|.<br />
Lemma 4.4. Hvis X er en endelig mængde og a /∈ X, s˚a er X ∪ {a} ogs˚a<br />
endelig, og |X ∪ {a}| = |X| + 1.<br />
Bevis. Induktion efter |X|.<br />
Proposition 4.5. Lad A være en delmængde af en endelig mængde X. Da<br />
er A selv endelig, og |A| ≤ |X|. Hvis A X (dvs A ⊆ X og A = X), s˚a er<br />
|A| < |X|.<br />
Bevis. Ang˚aende den første del af propositionen s˚a kan og vil vi antage, at<br />
X har formen X = [1, n]. Den første del bevises herefter ved induktion, hvor<br />
induktionsantagelsen er ”Hvis A ⊆ [1, n], s˚a er A endelig og |A| ≤ n”. Den<br />
anden del er s˚a et korollar af Lemma 4.4.<br />
Eksempel 4.6. Mængden N er en uendelig mængde. Det samme gælder<br />
enhver mængde, der har som en delmængde.<br />
Vi bemærker, at afbildningen n ↦→ n + 1 er en bijektion af p˚a \ {1},<br />
s˚a og \ {1} har samme kardinalitet. Hvis er endelig, f˚ar vi af Lemma<br />
4.4, at || = |\{1}|+1 = ||+1, hvilket giver modstriden 0 = 1. Dermed<br />
har vi set, at er uendelig.<br />
Den sidste p˚astand i Eksempel 4.6 følger af Proposition 4.5, kombineret<br />
med, at N er uendelig, hvilket jo netop er vist.<br />
Øvelse 4.7. (a) Lad A1 og A2 være endelige mængder. Vis, at A1∪A2 ogs˚a<br />
er endelig.<br />
(b) Lad A1, A2, . . . , An, hvor n ∈ , være (endelig mange) endelige mængder.<br />
Vis, at A1 ∪ A2 ∪ · · · ∪ An ogs˚a er endelig.<br />
19
Øvelse 4.8. Lad A og B være to disjunkte, endelige mængder. Vis, at A∪B<br />
er en endelig mængde, og at |A ∪ B| = |A| + |B|.<br />
Øvelse 4.9. Lad x0 ∈ X, hvor X er en uendelig mængde. Vis, at X \ {x0}<br />
er en uendelig mængde.<br />
Øvelse 4.10. Lad f : X → Y , hvor X og Y er to endelige mængder med det<br />
samme antal elementer. Vis, at f er injektiv, hvis og kun hvis f er surjektiv.<br />
5 <strong>Om</strong> numerable mængder<br />
Definition 5.1. Lad X være en mængde.<br />
(a) X siges at være numerabel, s˚afremt X og har samme kardinalitet, dvs<br />
at der findes en bijektion af X p˚a .<br />
(b) X siges at være tællelig eller højst numerabel, s˚afremt X er endelig eller<br />
numerabel.<br />
(c) X siges at være overtællelig, s˚afremt X ikke er tællelig.<br />
Numerabel oversættes til countably infinite eller countable p˚a engelsk.<br />
Visse forfattere bruger ordet countable i betydningen tællelig, s˚a det er en<br />
god idé at checke forfatterens definition af countable.<br />
At en mængde X er tællelig, betyder billedligt, at dens elementer kan<br />
stilles som en liste: Lad f : [1, n] → X eller f : → X være en bijektion,<br />
alt efter om X er endelig eller uendelig. P˚a elementet f(1) klasker vi et<br />
mærkat, hvorp˚a der st˚ar Nr. 1, p˚a f(2) klasker vi et mærkat, hvorp˚a der<br />
st˚ar Nr. 2, osv. Ethvert element f˚ar et mærkat, da f er p˚a; og det f˚ar ikke<br />
to forskellige, da f er 1 − 1. Hvis mængden er endelig, dvs vi har med<br />
bijektionen f : [1, n] → X at gøre, bruger vi blot n mærkater. Hvis den er<br />
uendelig, s˚a f˚ar vi brug for alle numrene 1, 2, . . .. Vi har hermed f˚aet sat<br />
numre p˚a elementerne, s˚a vi kan stille dem op efter nummerorden p˚a en<br />
liste.<br />
Som et eksempel p˚a en numerabel mængde fremhæver vi<br />
Eksempel 5.2. Mængden er numerabel.<br />
Eksempel 5.3. × er numerabel. Dette blev vist i Øvelse 2.21, hvor der<br />
endda blev angivet en eksplicit bijektion af × p˚a .<br />
Eksempel 5.4. er numerabel. Idet vi definerer f : ∪ {0} → ved, at<br />
f(0) = 0, og<br />
f(2n − 1) = n og f(2n) = −n for n = 1, 2, . . . ,<br />
f˚ar vi en bijektion af ∪{0} p˚a . Det overlades nu til læseren at konstruere<br />
en bijektion af p˚a .<br />
20
Sætning 5.5. Enhver delmængde af en tællelig mængde er selv tællelig.<br />
Bevis. Lad M ⊆ N, hvor N er tællelig, dvs endelig eller numerabel. Idet<br />
enhver delmængde af en endelig mængde selv er endelig (Proposition 4.5),<br />
har vi det ønskede, n˚ar N er endelig. Tilbage er blot det tilfælde, hvor N er<br />
numerabel.<br />
Her ser vi først p˚a det specialtilfælde, hvor N = , s˚a M er en delmængde<br />
af . Vi er færdige, hvis M er endelig, s˚a vi antager, at M ikke er<br />
endelig. I s˚a fald definerer vi en afbildning f : → M p˚a følgende vis:<br />
f(1) = det mindste element i M, alts˚a min M.<br />
f(2) = min[M \ {f(1)}].<br />
.<br />
f(n + 1) = min[M \ ({f(1)} ∪ {f(2)} ∪ · · · ∪ {f(n)})]<br />
.<br />
Det er klart, at f(1) < f(2) < . . .. Processen kan ikke stoppe, for i s˚a fald<br />
ville det for et eller andet n ∈ gælde, at M = {f(1)}∪{f(2)}∪· · ·∪{f(n)},<br />
s˚a M var endelig.<br />
Da f(1) < f(2) < . . ., er f injektiv. Det er ogs˚a klart, at vi f˚ar alle<br />
elementer i M med. Det betyder, at f er en bijektion af p˚a M, dvs M er<br />
numerabel. Vi har alts˚a vist sætningen, n˚ar M er en delmængde af .<br />
Lad os herefter betragte det generelle tilfælde, hvor M er en delmængde<br />
af en numerabel mængde N, der ikke nødvendigvis er . Lad φ : N → <br />
være en bijektion; en s˚adan findes, ford i N er numerabel. Nu er φ(M) ⊆<br />
φ(N) = . Ifølge det netop viste, er φ(M) tællelig, dvs enten endelig eller<br />
numerabel.<br />
Hvis φ(M) er tom, s˚a er M det ogs˚a, og dermed er M endelig. Hvis<br />
φ(M) er endelig, men ikke tom, s˚a findes der en bijektion ψ : φ(M) → [1, n]<br />
for et eller andet n ∈ . Som en sammensætning af bijektioner er ψ ◦ φ|M :<br />
M → [1, n] selv en bijektion. Dermed er M endelig. Tilfældet, hvor φ(M) er<br />
numerabel, behandles p˚a samme m˚ade som det endelige tilfælde; blot skal<br />
[1, n] erstattes med .<br />
Eksempelvis er mængden af primtal numerabel; der er jo uendelig mange<br />
primtal.<br />
Sætning 5.6. Lad f : X → Y . Hvis X er tællelig, s˚a er billedmængden<br />
f(X) ogs˚a tællelig.<br />
Bevis. Vi kan antage, at X = (Overvej dette!), s˚a det gør vi. Vi definerer<br />
en afbildning g : f() → ved, at<br />
g(y) = min{n ∈ | f(n) = y}, y ∈ f().<br />
21
Bemærk, at mængden {n ∈ | f(n) = y} ikke er tom, n˚ar y ∈ f(), s˚a vi<br />
ikke i definitionen af g tager minimum over den tomme mængde. Bemærk<br />
dernæst, at g : f() → er injektiv, idet mængderne {n ∈ | f(n) = y1}<br />
og {n ∈ | f(n) = y2} er disjunkte, n˚ar y1 = y2. Det følger (overvej<br />
dette!), at g er en bijektion af f(X) p˚a sit billede g(f(X)) ⊆ . Dette<br />
billede er en tællelig mængde (Sætning 5.5), dvs der findes en bijektion<br />
φ : g(f(X)) → I, hvor I enten er et interval [1, n] eller . Den sammensatte<br />
afbildning φ ◦ g : f(X) → I er en bijektion (som en sammensætning af<br />
bijektioner) af f(X) p˚a I. Heraf følger sætningen.<br />
Sætning 5.7. Enver endelig foreningsmængde af tællelige mængder er selv<br />
tællelig.<br />
Bevis. Vi nøjes med at bevise det tilfælde, hvor der er tale om to mængder X<br />
og Y . Det generelle tilfælde følger nemlig derefter umiddelbart ved induktion<br />
efter antallet af mængder (OTL).<br />
Vi overlader det til læseren at diskutere de tilfælde, hvor en eller begge<br />
mængder X og Y er endelige (det sidste er klaret i Øvelse 4.7), s˚a vi vil her<br />
alts˚a fra nu af antage, at b˚ade X og Y er numerable. Der findes derfor en<br />
bijektion f : → X af p˚a X og en bijektion g : → Y af p˚a Y . Vi<br />
definerer nu en afbildning F af \ {0} p˚a X ∪ Y ved<br />
<br />
f(n) for n > 0<br />
F (n) =<br />
g(−n) for n < 0<br />
Da \ {0} er tællelig (Sætning 5.5), er billedmængden F ( \ {0}) = X ∪ Y<br />
ogs˚a tællelig ifølge Sætning 5.6.<br />
Eksempel 5.8. Mængden af rationale tal er numerabel. Hermed et bevis<br />
for denne p˚astand:<br />
Vi minder først om, at de rationale tal er alle brøker m/n, hvor m og n<br />
er hele tal on n = 0. Mængden af rationale tal er ikke endelig, idet den<br />
numerable mængde er en delmængde af .<br />
Vi har i Eksempel 5.3 set, at × er numerabel. Idet afbildningen<br />
(p, q) ↦→ p/q er en surjektiv afbildning af × p˚a de positive rationale tal,<br />
er disse en tællelig mængde (Sætning 5.6). Det samme gælder s˚a mængden<br />
{r ∈ | r > 0} ∪ {0} (ifølge Sætning 5.7). Afbildningen r ↦→ −r er en<br />
bijektion af {r ∈ | r > 0} p˚a {r ∈ | r < 0}, s˚a de negative rationale tal<br />
er ogs˚a en tællelig mængde. Det ses s˚a fra Sætning 5.7, at foreningsmængden<br />
= {r ∈ | r > 0} ∪ {0} ∪ {r ∈ | r < 0} er tællelig. Da ikke er<br />
endelig, er dermed numerabel.<br />
En sidebemærkning: At de rationale tal er en tællelig mængde, kan give<br />
resultater, der i første omgang strider mod ens intuition. Betragt de rationale<br />
tal i enhedsintervallet ]0, 1[. Det er ifølge Sætning 5.5 en tællelig mængde, s˚a<br />
lad ]0, 1[ ∩ = {r1, r2, . . .}. Læg for ethvert n ∈ et interval In af længde<br />
22
2 −n 10 −6 omkring rn. S˚a vil ]0, 1[ ∩ ⊆ ∞<br />
n=1 In. Disse intervallers samlede<br />
længde er (ulighedstegn, idet der kan være overlap) ≤ ∞<br />
n=1 2−n 10 −6 =<br />
10 −6 . Det kan være svært at se, hvordan det kan være, at vi ikke f˚ar hele<br />
enhedsintervallet ]0, 1[ med, idet der jo i ethvert, selv nok s˚a lille, delinterval<br />
af ]0, 1[ ligger rationale tal.<br />
Eksempel 5.9. De reelle tal er ikke en tællelig mængde.<br />
Hermed et bevis for denne p˚astand. Det er indirekte, s˚a vi antager, at<br />
er tællelig, og fører denne antagelse til en modstrid. Ifølge Sætning 5.5<br />
er enhver delmængde af tællelig under vores antagelse, s˚a det er nok at<br />
fremvise en delmængde, der ikke er tællelig. Som den p˚agældende delmængde<br />
tager vi de reelle tal, der kan skrives som uendelige decimalbrøker p˚a formen<br />
0, c1c2 . . ., hvor det for ethvert n ∈ gælder, at cn = 3 eller cn = 4. Da det<br />
er en tællelig mængde, kan den skrives op p˚a en liste<br />
r (1) = 0, c (1)<br />
1 c(1)<br />
2 . . . c (1)<br />
n . . .<br />
r (2) = 0, c (2)<br />
1 c(2)<br />
2 . . . c (2)<br />
n . . .<br />
r (3) = 0, c (3)<br />
1 c(3)<br />
2 . . . c (3)<br />
n . . .<br />
.<br />
r (n) = 0, c (n)<br />
1 c(n)<br />
2 . . . c (n)<br />
n . . .<br />
.<br />
Ethvert element i vores delmængde optræder alts˚a p˚a listen ovenfor. Vi f˚ar<br />
den ønskede modstrid ved at finde et element r fra delmængden, der ikke<br />
optræder p˚a listen. Vi definerer<br />
ved, at<br />
cn =<br />
r = 0, c1c2 . . . cn . . .<br />
<br />
4 hvis c (n)<br />
n = 3<br />
3 hvis c (n)<br />
n = 4.<br />
(5.1)<br />
Lad nu n ∈ være vilk˚arlig. Vi ser, at r = r (n) , da de to tal r og r (n) jo er<br />
forskellige i hvert fald p˚a plads nr. n, idet den ene i kraft af konstruktionen<br />
(5.1) af r der har cifferet 3 og den anden cifferet 4. Da n ∈ er vilk˚arlig,<br />
gælder det for ethvert n ∈ , at r = r (n) . Dermed optræder r ikke p˚a listen.<br />
Bemærkning 5.10. Resultatet i Eksempel 5.9 blev først bevist af Cantor<br />
(7. december 1873). Det meget snedige argument i Eksempel 5.9 for overtælleligheden<br />
skyldes ogs˚a ham og kaldes derfor Cantors diagonalfølge-argument.<br />
Det er dog meget senere (1890). Cantors diagonalfølge-argument bruges ogs˚a<br />
i andre sammenhænge.<br />
23
Bemærkning 5.11. Eksempel 5.9 viser, at der er flere reelle tal end rationale.<br />
Vi kan endda konkludere, at der findes overtælleligt mange irrationale tal<br />
(hvordan det?). Men vi f˚ar ikke noget at vide om individuelle tal, s˚a vi er<br />
nødt til at søge tilflugt til andre metoder for at f˚a vist, at tal som √ 2, e<br />
og π er irrationale. At √ 2 er irrational, blev vist allerede ca. 500 f. Kr. af<br />
pythagoræikeren Hippasus fra Metapontum. Dermed modsagde han den pythagoræiske<br />
doktrin om, at alt kan beskrives ved hele tal. Overleveringen<br />
beretter, at han gjorde opdagelsen ombord p˚a et skib, og at de andre pythagoræere<br />
smed ham overbord for hans kætteri. At π er irrational, blev først<br />
vist af J. H. Lambert i 1761.<br />
Sætning 5.12. Lad X1, X2, . . . være en følge af tællelige mængder. Da er<br />
deres foreningsmængde ∞<br />
n=1 Xn ogs˚a en tællelig mængde.<br />
Bevis. Vi nøjes med at skitsere et bevis. Lad<br />
X1 = {x (1)<br />
1 , x(1) 2<br />
X2 = {x (2)<br />
1 , x(2) 2<br />
, . . .},<br />
, . . .},<br />
. (5.2)<br />
Xn = {x (n)<br />
1<br />
.<br />
, x(n) 2<br />
, . . .},<br />
Vi skal opstille foreningsmængden ∞<br />
n=1 Xn i en følge. Det gør vi efter skemaet<br />
1 3 6 10 . . .<br />
↗ ↗ ↗ ↗<br />
2 5 9 · . . .<br />
↗ ↗ ↗ ↗<br />
4 8 · · . . .<br />
↗ ↗ ↗ ↗<br />
7 · · · . . .<br />
↗ ↗ ↗ ↗<br />
· · · · . . .<br />
(5.3)<br />
Med denne ordning bliver de første otte elementer i foreningsmængden<br />
x (1)<br />
1 , x(2) 1 , x(1) 2 , x(3) 1 , x(2) 2 , x(1) 3 , x(4) 1 , x(3) 2 .<br />
Hvis et element i foreningsmængden optræder flere gange i (5.2), skal vi<br />
kun medtage det første gang, vi møder det. Endvidere skal vi overspringe de<br />
pladser i (5.3), hvortil der ikke svarer noget element, enten det nu skyldes,<br />
at der st˚ar en endelig mængde i den p˚agældende række, eller at følgen af<br />
mængder er endelig.<br />
24
Bevis. Hermed et andet bevis: Lad<br />
X1 = {x (1)<br />
1 , x(1) 2<br />
X2 = {x (2)<br />
1 , x(2) 2<br />
, . . .},<br />
, . . .},<br />
. (5.4)<br />
Xn = {x (n)<br />
1<br />
.<br />
, x(n) 2<br />
, . . .},<br />
Vi kan antage, at følgen X1, X2, . . . er numerabel, idet Sætning 5.7 klarer<br />
det endelige tilfælde.<br />
Hvis Xn er endelig, lader vi s(n) betegne nummeret p˚a det sidste element<br />
i Xn.<br />
Vi betragter delmængden X af × , defineret ved, at (n, m) ∈ × <br />
er et element i X, hvis og kun hvis m ≤ s(n) i det tilfælde, hvor Xn er<br />
endelig (hvis Xn er uendelig, er der ingen betingelser p˚a m). Mængden X<br />
er tællelig (Eksempel 5.3 kombineret med Sætning 5.5). Afbildningen f :<br />
X → ∞ n=1 Xn givet ved f(n, m) = x (n)<br />
m er surjektiv, s˚a tilbage st˚ar blot at<br />
henvise til Sætning 5.6.<br />
Eksempel 5.13. Hilberts Hotel (se internettet).<br />
Eksempel 5.14. Et komplekst tal siges at være et algebraisk tal, s˚afremt<br />
det er rod i en ligning<br />
anx n + an−1x n−1 + · · · + a1x + a0 = 0, (5.5)<br />
hvor n ∈ ∪ {0}, an, an−1, . . . , a1, a0 ∈ og an = 0.<br />
Ethvert rationalt tal er algebraisk. Som irrationale tal, der er algebraiske,<br />
kan nævnes √ 2, 2 + √ 3 og 5 3 + 3√ 2 (Vis, at disse tal er algebraiske!).<br />
Sætning 5.15. Mængden af algebraiske tal er tællelig.<br />
Bevis. En bestemt ligning (5.5) har endelig mange rødder, nemlig højst n<br />
indbyrdes forskellige rødder. Heraf følger, at mængden Aq best˚aende af alle<br />
rødder i alle ligninger (5.5), for hvilke<br />
|an| + |an−1| + . . . + |a1| + |a0| = q, (5.6)<br />
q = 1, 2, 3, . . ., er endelig; der er jo kun endelig mange ligninger (5.5), der<br />
opfylder betingelsen (5.6). Da<br />
A =<br />
∞<br />
Aq,<br />
q=1<br />
er A en tællelig mængde (Sætning 5.12).<br />
25
Heraf følger, at der er flere end tælleligt mange tal, der ikke er algebraiske.<br />
S˚adanne tal kaldes transcendente tal. Som eksempler p˚a transcendente<br />
tal kan nævnes π, grundtallet e for den naturlige logaritme og 2 √ 2 . Beviser<br />
for, at π og e er transcendentale, blev først givet af henholdsvis Hermite<br />
(1873) og Lindemann (1882); senere har man fundet simplere beviser. At<br />
2 √ 2 er transcendent, blev vist i 1934 af Gelfond. I 1966 viste A. Baker følgende:<br />
Lad a være et algebraisk tal med a = 0 og a = 1, og lad b være et<br />
irrationalt algebraisk tal. S˚a er a b et transcendent tal.<br />
Øvelse 5.16. Lad X være endelig og lad Y være numerabel. Vis, at X ∪ Y<br />
er numerabel.<br />
Øvelse 5.17. Lad X og Y være tællelige mængder. Vis, at X × Y ogs˚a er<br />
tællelig.<br />
Øvelse 5.18. Vis, at mængden {(q1, q2) ∈ 2 | q1, q2 ∈ } er numerabel.<br />
Øvelse 5.19. Lad X betegne en mængde af parvis disjunkte intervaller i<br />
. Vis, at X er tællelig, dvs X blot indeholder tælleligt mange intervaller,<br />
ikke overtælleligt mange.<br />
Øvelse 5.20. Lad f : [0, 1] → være en voksende funktion, dvs s ≤ t<br />
medfører f(s) ≤ f(t). Vis, at mængden af f’s diskontinuitetspunkter er<br />
tællelig.<br />
6 Generelle resultater om mængder<br />
Vi har i foreg˚aende afsnit udledt en række resultater om tællelige mængder.<br />
Endvidere har vi i Eksempel 5.9 set, at de reelle tal er en overtællelig<br />
mængde, s˚a ikke bare eksisterer overtællelige mængder, men nogle af dem er<br />
vigtige. Det spørgsm˚al melder sig nu, om vi i al almindelighed kan sige noget<br />
fornuftigt om mængder, der ikke nødvendigvis er tællelige. Er de m˚aske<br />
for store, komplicerede og forskelligartede til, at vi udlede nogen generelle<br />
resultater om dem? Vi skal i indeværende afsnit se, at vi faktisk kan sige<br />
noget fornuftigt og interessant om mængder i al almindelighed, ogs˚a selv om<br />
vi ikke indskrænker os til de tællelige mængder.<br />
Lad os for to mængder X og Y skrive |X| ≤ |Y |, s˚afremt der findes<br />
en injektiv afbildning af X ind i Y . I givet fald siger vi, at X har mindre<br />
kardinalitet end Y . Det er en udvidelse af, hvad vi har skrevet for endelige<br />
mængder. Hvis X og Y har samme kardinalitet, skriver vi |X| = |Y |. Vi<br />
skriver |X| < |Y |, s˚afremt der b˚ade gælder, at |X| ≤ |Y | og at |X| = |Y |.<br />
Det er klart, at |X| ≤ |X|. Det er ogs˚a oplagt, at hvis |X| ≤ |Y | og |Y | ≤ |Z|,<br />
s˚a er |X| ≤ |Z|, idet en sammensætning af to injektioner selv er en injektion.<br />
Hvad der bestemt ikke er helt klart, er følgende sætning.<br />
26
Sætning 6.1 (Felix Bernsteins ækvivalenssætning, 1897). Lad X og Y være<br />
to mængder. Hvis |X| ≤ |Y | og |Y | ≤ |X|, s˚a er |X| = |Y |, dvs X og Y har<br />
samme kardinalitet.<br />
Bemærkning 6.2. Ækvivalenssætningen kaldes ogs˚a Cantor-Bernsteins ækvivalenssætning,<br />
fordi Cantor var den første til at formulere den, og Felix<br />
Bernstein (1878-1956) den første til at bevise den. Den kaldes ogs˚a undertiden<br />
Bernstein-Schröders ækvivalenssætning, fordi logikeren Ernst Schröder<br />
(1841-1902) mente at have bevist den.<br />
Lidt standard notation, før vi g˚ar i gang med beviset for Bernsteins<br />
ækvivalenssætning:<br />
Hvis X er en mængde og φ : X → X er en afbildning af mængden ind i<br />
sig selv, s˚a sætter vi<br />
φ 0 = iX, φ 1 = φ og induktivt φ n = φ ◦ φ n−1 for n = 2, 3 . . . . (6.1)<br />
Bevis for Bernsteins ækvivalenssætning. At |X| ≤ |Y | betyder, at der findes<br />
en injektiv afbildning f : X → Y . Der er ikke givet noget om, at den skulle<br />
være surjektiv; det behøver den faktisk ikke at være. Tilsvarende findes der<br />
en injektiv afbildning g : Y → X, da |Y | ≤ |X|.<br />
Nedenfor regnes komplementærmængder i forhold til X og Y henholdsvis.<br />
Vi f˚ar brug for en vis delmængde A af X, nemlig<br />
A =<br />
∞<br />
(g ◦ f) n (X \ g(Y ))<br />
n=0<br />
= (X \ g(Y )) ∪ (g ◦ f)(X \ g(Y )) ∪ (g ◦ f) 2 (X \ g(Y )) ∪ · · · . (6.2)<br />
Vi noterer tre egenskaber ved A:<br />
(i) ∁A ⊆ g(Y ).<br />
(ii) A = (g ◦ f)(A) ∪ (X \ g(Y )).<br />
(iii) f(A) = g −1 (A) og ∁f(A) = g −1 (∁A). Bemærk, at højre side g −1 (∁A)<br />
er billedet af ∁A ved afbildningen g −1 : g(Y ) → Y (Lemma 3.5).<br />
Ad (i): Af (6.2) fremg˚ar det, at A ⊇ X \ g(Y ). Heraf følger (i), f.eks. ved at<br />
man tager komplementærmængder med hensyn til X.<br />
Ad (ii): Af definitionen (6.2) p˚a A f˚ar vi, at<br />
(g ◦ f)(A) = (g ◦ f)(X \ g(Y )) ∪ (g ◦ f) 2 (X \ g(Y )) ∪ · · · ,<br />
hvilket er A p˚anær det første led p˚a højresiden af (6.2). Tilføjes X \ g(Y )<br />
p˚a begge sider, f˚as (ii).<br />
27
Ad (iii): Den sidste del af (iii) følger af den første ved komplementærmængdedannelse<br />
(cf. Sætning 2.11(a)), s˚a vi kan koncentrere os om den første<br />
del.<br />
⊆) Lad f(a), hvor a ∈ A, være et vilk˚arligt element i venstre side f(A).<br />
Vi skal vise, at f(a) ∈ g −1 (A), dvs at g(f(a)) ∈ A. Men g(f(a)) = (g◦f)(a) ∈<br />
(g ◦ f)(A), s˚a det er klart fra (ii).<br />
⊇) Lad omvendt y ∈ g −1 (A) være et vilk˚arligt element i venstre side.<br />
At y ∈ g −1 (A) betyder, at g(y) ∈ A. Af (ii) ser vi, at g(y) ∈ (g ◦ f)(A),<br />
idet g(y) ikke ligger i nr. 2 led p˚a højre side af (ii). Der findes s˚a et a ∈ A,<br />
s˚a g(y) = (g ◦ f)(a) = g(f(a)). Da g er injektiv, er y = f(a). Dermed er<br />
y ∈ f(A), og (iii) er eftervist.<br />
Vi betragter herefter afbildningen h : X → Y givet ved<br />
h(x) =<br />
<br />
f(x) for x ∈ A<br />
g −1 (x) for x ∈ ∁A.<br />
(6.3)<br />
Det bør bemærkes, at ∁A ⊆ g(Y ), s˚a den nederste linje i udtrykket for h<br />
er meningsfyldt. Det blev imidlertid allerede bemærket i punkt (i) ovenfor.<br />
Vi hævder, at h er en bijektion af X p˚a Y , dvs h er b˚ade injektiv og<br />
surjektiv.<br />
Da s˚avel f som g −1 er injektive, kan injektiviteten af h kun g˚a galt, hvis<br />
der findes a ∈ A og b ∈ ∁A, s˚a f(a) = g −1 (b). Men det kan ikke lade sig gøre,<br />
for f(a) ∈ f(A) og g −1 (b) ∈ ∁f(A) (det sidste ifølge den anden p˚astand i<br />
(iii)).<br />
Hvad surjektiviteten ang˚ar, s˚a ser vi umiddelbart fra de to tilfælde i<br />
definitionen (6.3) af h, at h(X) ⊇ f(A) og h(X) ⊇ g −1 (∁A), s˚a<br />
h(X) ⊇ f(A) ∪ g −1 (∁A).<br />
N˚ar vi heri indsætter, at g −1 (∁A) = ∁f(A) (punkt (iii) ovenfor), f˚ar vi, at<br />
h(X) ⊇ f(A) ∪ ∁f(A) = Y , dvs h er surjektiv.<br />
Korollar 6.3. Lad X, Y og Z være tre mængder, som opfylder, at X ⊆<br />
Y ⊆ Z og at |X| = |Z|. Da er |X| = |Y | og |Y | = |Z|.<br />
Bevis. Idet inklusionsafbildningen X → Y er injektiv, er |X| ≤ |Y |. Da<br />
|X| = |Z|, findes der en bijektion φ : Z → X af Z p˚a X. Lad i : Y → Z<br />
betegne inklusionsafbildningen. Sammensætningen φ ◦ i : Y → X er en<br />
injektiv afbildning (en sammensætning af to injektive afbildninger), s˚a |Y | ≤<br />
|X|. Korollaret følger nu af Bernsteins ækvivalenssætning.<br />
Sætning 6.4 (Cantors sætning). Lad X være en mængde. Da er |X| <<br />
|P(X)|.<br />
28
Bevis. Det er klart, at |X| ≤ |P(X)|: Afbildningen x ↦→ {x} af X ind i P(X)<br />
er nemlig 1 − 1.<br />
At |X| = |P(X)| giver vi et indirekte bevis for. Vi antager, at der gælder<br />
lighedstegn, og fører denne antagelse til en modstrid. At der gælder<br />
lighedstegn, betyder, at der findes en bijektion f af X p˚a P(X). Betragt<br />
nu delmængden A = {x ∈ X | x /∈ f(x)}. Da f er surjektiv, findes der et<br />
a ∈ X, s˚a f(a) = A. Der er nu to muligheder<br />
(i) a ∈ A. I dette tilfælde har vi pr definition af A, at a /∈ f(a); og da<br />
f(a) = A, at a /∈ A. Men det strider mod tilfældets overskrift, der er<br />
a ∈ A. Dermed optræder dette tilfælde alts˚a ikke, og vi har<br />
(ii) a /∈ A tilbage. Da f(a) = A, har vi i dette tilfælde, at a /∈ f(a). Pr<br />
definition af A har vi dermed, at a ∈ A. Men det strider mod tilfældets<br />
overskrift, der er a /∈ A.<br />
Vi f˚ar alts˚a en modstrid.<br />
Cantors sætning har som konsekvens, at der ikke er nogen største mængde<br />
i den forstand, at alle andre kan indlejres i den via en injektion. Hvis X<br />
er en s˚adan største mængde, s˚a er P(X) jo endnu større.<br />
Den næste sætning (Sætning 6.5) giver os, at har mindst kardinalitet<br />
blandt alle uendelige mængder i den forstand, at || ≤ |X| for enhver<br />
uendelig mængde X.<br />
Sætning 6.5. Enhver uendelig mængde indeholder en numerabel delmængde.<br />
Bevis. Kald den uendelige mængde X. Lad x1 være et vilk˚arligt valgt element<br />
i X. Restmængden X1 = X \{x1} er ikke tom; lad x2 være et vilk˚arligt<br />
valgt element i X1. Restmængden X2 = X1 \ {x2} er ikke tom; lad x3 være<br />
et vilk˚arligt valgt element i X2. Restmængden X3 = X2 \ {x3} er ikke tom;<br />
lad x4 være et vilk˚arligt valgt element i X3. Osv.<br />
Da X er uendelig, er restmængden Xn = X \ {x1, x2, . . . , xn} ikke tom<br />
for noget n, s˚a udvælgelsesprocessen kan fortsættes ubegrænset. Mængden<br />
{x1, x2, . . .} er en numerabel delmængde af X.<br />
Sætning 6.6. Hvis N er en tællelig mængde og U en uendelig mængde, s˚a<br />
har U og U ∪ N samme kardinalitet.<br />
Bevis. Ifølge Sætning 6.5 har U en numerabel delmængde. Vi lader D =<br />
{u1, u2, . . . , un, . . .} betegne en s˚adan.<br />
Da U ∪ N = U ∪ (N \ U), kan vi i kraft af Sætning 5.5 antage, at U og<br />
N er disjunkte.<br />
Lad os først antage, at N er endelig. Hvis N er tom, s˚a er resultatet<br />
trivielt, s˚a lad os antage, at N ikke er tom og dermed kan skrives p˚a formen<br />
29
N = {a1, a2, . . . , aM}, hvor M ∈ . Vi definerer afbildningen f : U ∪N → U<br />
ved forskriften<br />
⎧<br />
⎪⎨ u for u ∈ U \ D<br />
f(u) = un+M for u = un, hvor n = 1, 2, . . .<br />
⎪⎩<br />
for u = ai, i = 1, 2, . . . , M.<br />
ui<br />
Vi overlader det til læseren at eftervise, at f er en bijektion af U ∪ N p˚a U.<br />
Det næste og sidste tilfælde er det, hvor N er numerabel, dvs N har<br />
formen N = {a1, a2, . . . , an, . . .}. Her definerer vi en afbildning f : U ∪ N →<br />
U ved forskriften<br />
⎧<br />
⎪⎨ u for u ∈ U \ D<br />
f(u) = u2n for u = un, hvor n = 1, 2, . . .<br />
⎪⎩<br />
u2n−1 for u = an, n = 1, 2, . . . .<br />
Vi overlader det til læseren at eftervise, at f er en bijektion af U ∪ N p˚a U.<br />
Øvelse 6.7. I denne opgave skal vi indse, at 2 og har samme kardinalitet.<br />
Det blev bevist af Cantor i 1877, og det forbløffede ham ˚abenbart.<br />
I hvert fald skrev han i et brev til kollegaen Dedekind følgende om dette<br />
overraskende resultat: ”Je le vois, mais je ne le crois pas.”<br />
Vi vil først vise, at enhedskvadratet ]0, 1] 2 og enhedsintervallet ]0, 1] har<br />
samme kardinalitet, dvs at der findes en bijektion af ]0, 1] 2 p˚a ]0, 1[.<br />
(a) Gør rede for, at ethvert tal i ]0, 1] p˚a netop én m˚ade kan skrives som en<br />
uendelig decimalbrøk, som ikke ender med lutter nuller.<br />
(b) Lad x ∈ ]0, 1]. Med udgangspunkt i skrivem˚aden fra punkt (a) skriver vi<br />
x p˚a formen x = 0, x1x2 . . ., hvor x1, x2, . . . dog ikke altid er decimalerne,<br />
men er fastlagt som følger:<br />
x1 = de første cifre efter kommaet til og med det første ciffer = 0,<br />
x2 = de følgende cifre til og med det næste, der er = 0,<br />
osv.<br />
Eksempelvis har vi for tallet x = 0, 021800045 . . ., at x1 = 02, x2 = 1,<br />
x3 = 8, x4 = 0004 og x5 = 5.<br />
Vi definerer nu en afbildning Φ : ]0, 1] 2 → ]0, 1] som følger: Idet x ∈ ]0, 1]<br />
og y ∈ ]0, 1] skrives som ovenfor, alts˚a x = 0, x1x2 . . . og y = 0, y1y2 . . .,<br />
sætter vi Φ(x, y) = 0, x1y1x2y2 . . ., hvor grupperne anføres skiftevis.<br />
Vis, at Φ : ]0, 1] 2 → ]0, 1] er en bijektion.<br />
(c) Hvad g˚ar galt med argumentet, hvis x1, x2, . . . og y1, y2, . . . betegner<br />
decimalerne?<br />
30
(d) Vis, at 2 og har samme kardinalitet.<br />
Bemærkning 6.8. Hermed et par bemærkninger til Øvelse 6.7.<br />
• Det kan bevises, at der ikke findes nogen kontinuert bijektion af ]0, 1] 2<br />
p˚a ]0, 1], s˚a afbildningen Φ : ]0, 1] 2 → ]0, 1] ovenfor er alts˚a ikke kontinuert.<br />
Det følger af en avanceret sætning, der g˚ar under navnet Brouwer’s<br />
Theorem on Invariance of Domain. Se [1, Side B 77] for et elementært<br />
bevis for, at Φ : ]0, 1] 2 → ]0, 1] ikke kan være kontinuert.<br />
• Den italienske matematiker Guiseppe Peano (1858–1932) fandt i 1890<br />
en kontinuert afbildning af [0, 1] ind i [0, 1] 2 (dvs en kurve i [0, 1] 2 ),<br />
der er p˚a. Den er ikke 1 − 1.<br />
Øvelse 6.9. Vis, at mængden af alle irrationale tal har samme kardinalitet<br />
som .<br />
Litteratur<br />
[1] Bundgaard, S.: ”Nogle Grundlæggende Begrebsdannelser inden for Matematikken,<br />
Kapitel I–VI. Definitioner og Sætninger.” Elementærafdelingen<br />
nr. 5A. Matematisk Institut. <strong>Aarhus</strong> <strong>Universitet</strong>. 1959/60.<br />
”Nogle Grundlæggende Begrebsdannelser inden for Matematikken, Kapitel<br />
I–VI. Eksempler og Opgaver.” Elementærafdelingen nr. 5B. Matematisk<br />
Institut. <strong>Aarhus</strong> <strong>Universitet</strong>. 1959/60.<br />
[2] Halmos, Paul R.: ”Naive Set Theory.” Van Nostrand Company, Inc.<br />
Princeton, New Jersey. Toronto. London. 1960.<br />
[3] Heiede, T. og Helms, H.J., Mængdelære og transfinite kardinaltal I–III.<br />
Nordisk Matematisk Tidsskrift 10 (1962), 11–51, 108–136, 169–190.<br />
[4] Hrbacek, K. and Jech, T.: ”Introduction to Set Theory.” Marcel Dekker,<br />
Inc. New York and Basel. 1978.<br />
31