作为一个正在自学抽象代数的抽象人,我翻开课本看了三页,遇到一个概念——循环群。

然后我试图证明有限循环群的一个性质,证着证着遇到一个问题:什么是有限集

emmmmm我还真不知道。

不知道的问题就要研究研究,写一篇文章作为总结。

本文的讨论都基于 ZFC 公理系统(包括选择公理)。


有限集

对有限集的朴素理解来自可数性:能数过来的集合就是有限集。

严谨一点说,我们可以这样定义有限集:

Def 1. 如果一个集合 可以和集合 建立一一映射,称 有限集,同时把 叫做 的元素数,记作 。另外规定空集 也是有限集,

与之对应,不是有限集的集合叫做无限集


无限集

如果再从朴素的理解去考虑,无限集就是数不过来的集合。

也就是说,存在一个无穷的编号序列可以给其一个子集编号。于是可以这样定义无限集:

Def 2. 如果一个集合 存在从 的单射,称 为无限集。

刚才在有限集一节,我们说不是有限集的集合就是无限集。这两种定义方式看起来不太一样,现在我们需要证明它们的等价性。

Th 1. 按照 Def 1 和 Def 2 的定义方式,一个集合不是有限集就是无限集。

要解决这个问题其实并不容易,因为上面两个定义都涉及到自然数集,而不是纯粹的集合论问题。


有限集的集合论定义

我们重新用纯粹集合论的语言给出有限集的另一种定义:

Def 3. 如果集合 满足对于任何 的真子集 ,都不存在 的单射,则称 为有限集。

在 Def 3 里没有特别规定空集,但是依然可以保证空集是有限集。(想一想,为什么?)

同样,我们需要证明 Def 1 与 Def 3 的等价性。

我们先引入一个引理。

Lemma 1. 对于集合 ,不存在其到其真子集的单射。

证明:使用数学归纳法。当 时, 的真子集只有 ,显然成立。

时,假设 Lemma 1 对 成立。此时若集合 存在一个到其真子集的单射 ,那么构造映射 ,使得 。记 的像集 的像集

,不妨设 (否则找到 ,再交换 的对应关系即可),那么一定有 ,并且 。而 的真子集,所以存在 使 ,进而 ,又 ,因此 的真子集,矛盾。

,则 。记 ,那么 ,又 ,这说明 的真子集,矛盾。

综上,由数学归纳原理,可知 Lemma 1 成立。

Th 2. Def 1 是 Def 3 的充分条件。

证明:如果存在一个 Def 1 定义的有限集 不满足 Def 3,显然 不为空集,那么相当于存在集合 有一个到真子集的单射。根据 Lemma 1,这不可能。

必要性难以直接证明,等到我们先研究完其他问题再回来讨论。


无限集的集合论定义

之所以采用 Def 3 的方式定义有限集,是因为它有个优点:Def 3 的否定就是无限集的定义。

Def 4. 如果集合 存在一个 的真子集 和存在 的单射,则称 为无限集。

这种定义方式最早由戴德金(R. Dedekind)给出,他证明了 Def 2 和 Def 4 的等价性。

先引入几个引理。

Lemma 2. 如果一个集合的子集是 Def 4 定义的无限集,那么这个集合也是 Def 4 定义的无限集。

证明:记集合 的子集 是 Def 4 定义的无限集,那么存在 的真子集 和其之间的单射 。接下来我们构造一个 到其真子集的单射

的像集 ,对于任意 ,若 ,令 ,若 ,令 。显然 为单射。记 的像集 。由 为真子集知存在元素 ,于是 ,又 ,故 的真子集,证毕。

Lemma 3. 对于 Def 4 定义的无限集 ,如果集合 存在从 的一一映射,则集合 也是 Def 4 定义的无限集。

证明:记一一映射 及其逆映射 ,由于 存在到其真子集的单射 ,可以找到一个 到其真子集的单射 。对于任意 ,令 。不难证明 到其真子集的单射。

Lemma 4. 对于 Def 4 定义的无限集 ,如果集合 存在从 的单射,则集合 也是 Def 4 定义的无限集。

证明:由 Lemma 2 及 Lemma 3 即证。

接下来证明 Def 2 与 Def 4 的等价性。有了上面的工作,充分性就容易证明了。

Th 3. Def 2 是 Def 4 的充分条件。

证明:易知自然数集 满足 Def 4(可构造 )。由 Lemma 4 可知,满足 Def 2 的集合都满足 Def 4。

接着证明必要性。

Th 4. Def 2 是 Def 4 的必要条件。

证明:记集合 满足 Def 4。我们先证明这样一个结论:对于任意自然数 ,存在 的非空子集 ,使得 的真子集( ),且其补集 是 Def 4 定义的无限集。

使用数学归纳法。当 时,存在 到其真子集的单射 ,由于 的真子集,于是可令

时,假设命题对 成立。由于 为 Def 4 定义的无限集,存在 到其真子集的单射 ,由 Lemma 4 知 也是 Def 4 定义的无限集,同上可令 ,根据 的真子集,知 的真子集。

综上,由数学归纳原理,知命题成立。

接下来,我们记差集 ), ,易知 非空。根据选择公理,可以在其中选出一列元素 ,且显然两两不同。于是令 ,就找到了 的一个单射,证毕。


再看有限集

现在无限集的两种定义已经统一了,我们再来看 Def 1 对 Def 3 的必要性。

Th 5. Def 1 是 Def 3 的必要条件。

按照惯例,先引入几个引理。

Lemma 5. 两个非空集合之间一定存在一方到另一方的单射。

证明:我们使用有序对集合的方式来表示映射。定义 是从非空集合 到非空集合 的一个映射,如果:

  1. ,其中 表示笛卡尔积
  2. 。 如果 还满足 ,称 为单射。

现在考虑两个非空集合 ,假设不存在单射 ,我们要证明存在单射

考虑 的所有非空子集到 的单射组成的集合 ,也即 ,在其上定义偏序关系为集合的包含关系。

对于 的一个全序子集 ,可以找到一个平凡上界 ,接下来我们证明 。任取 ,一定存在 使得 。由于 是全序的,所以 间存在包含关系,不妨设 ,那么根据 可知 ,故

根据佐恩引理,可知 存在最大元。记其中一个为 ,并记 的定义域 ,显然 。下证: 的单射。

是单射已经由 的定义保证。只需证明 即可。若不然,那么 的真子集,存在 使得 。记 的像集 ,一定存在 (否则考虑 的逆映射 ,它是 的单射,矛盾),此时记 ,有 ,并且 ,而 ,这与 的最大性矛盾,证毕。

(此证明的最初版本出自StackExchange的用户Mengfan MaAsaf Karagila,向两位表示感谢。)

Lemma 6. 自然数集的一个有上界的非空子集是 Def 1 定义的有限集。

证明:记这样的一个集合为 ,对 的最大值 使用数学归纳法。当 时,满足条件的集合只有 ,这显然是有限集。

时,假设 Lemma 6 对 的最大值为 的情形成立,那么考虑集合 ,显然 的最大值小于 ,于是 为有限集,存在一一对应 ,其中 。构造映射 ,使 ,易知 为一一映射,证毕。

Th 6. 不存在既不是有限集也不是无限集的集合。其中有限集按照 Def 1 定义。

证明:如果一个集合 不是无限集,按照 Def 2,不存在从 的单射,于是根据 Lemma 5,存在从 的一个单射 。考虑 的像集 ,根据 Lemma 3, 不是无限集。下证 存在上界。

不存在上界,也即 ,因此集合 非空,而 ,因此 存在最小值,记作

构造 到其子集 的映射 ,使 ,不妨令 为像集 ,那么由 。记 中的最小值为 ,必有 ,否则存在 ,故 ,与 的最小性矛盾。因此 的真子集。下面说明 为单射。

若存在不同的 使 ,不妨设 ,那么 ,与 的最小性矛盾。因此 为单射。这就找到了一个从 到其真子集的单射,于是 为无限集,矛盾。

因此, 一定存在上界。根据 Lemma 6, 为有限集。而 之间可以建立一一映射,于是 也为有限集,证毕。

不知大家有没有注意到,上面这个命题我写的是 Th 6 而不是 Lemma 7。事实上,在完成 Th 6 的证明后,Th 5(必要性)已经得到了证明

我们只需要一点形式逻辑的推导:

Th 6 说明 Def 1 和 Def 2 必有一个成立,于是当 Def 1 不成立时,Def 2 成立,因此 Def 4 成立,Def 3 不成立。即 Def 1 不成立推出 Def 3 不成立,这等价于 Def 3 成立推出 Def 1 成立。


结语

本来以这会是一个简单的问题,没想到最后变得这么复杂……

可能是因为选择公理的使用,也可能是因为我选择的证明路径太复杂了。

如果大家有更加简单的方法,欢迎在评论区说出来。

(封面来源:BV1K5411n7Vn