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 为有限集,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 到 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 到 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。
当 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 和 的像集 。
若 ,不妨设 (否则找到 ,再交换 与 的对应关系即可),那么一定有 ,并且 。而 是 的真子集,所以存在 使 ,进而 ,又 ,因此 是 的真子集,矛盾。
若 ,则 。记 ,那么 ,又 ,这说明 是 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 到 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 。
记 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 但 ,于是 ,又 ,故 为 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 到 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 为 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 到 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 是 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 是 的真子集,于是可令 。
当 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 是 的真子集,知 是 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 到 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:
- ,其中 表示笛卡尔积 。
- 。
- 。 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: 为 到 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 是 的真子集,存在 使得 。记 的像集 ,一定存在 且 (否则考虑 的逆映射 ,它是 到 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 Ma和Asaf 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。
当 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 到 的单射,于是根据 Lemma 5,存在从 到 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。
若 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 知 。记 中的最小值为 ,必有 ,否则存在 ,故 ,与 的最小性矛盾。因此 是 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 与 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)