#3Cardinalidad

3- Cardinalidad I

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Tue-27-08-2024 09:06 status: tags: Cardinalidad


Cardinalidad entre conjuntos

Def:Def:

A,B conjuntos. Decimos que tienen el mismo cardinal si f:AB biyectiva.\text{$A,B$ conjuntos. Decimos que tienen el mismo cardinal si $\exists\:f:A\to B$ biyectiva.}

Not:Not: ABA\sim B ó #A=#B\#A=\#B


Ejercicios

  • NZ\mathbb{N}\sim \mathbb{Z}: Sea f:NZf:\mathbb{N}\sim \mathbb{Z}
f(n)={kn=2kkn=2k+1f(n)=\begin{cases} k & n=2k \\ -k & n=2k+1 \end{cases}

Demostrar la biyectividad.


  • NQ+=Q(0,+)\mathbb{N}\sim \mathbb{Q}^{+}=Q\cap(0,+\infty) Tengo que enumerar a todos los racionales positivos 12341\quad 2\quad 3\quad 4\dots 122232\frac{1}{2}\quad \frac{2}{2}\quad \frac{3}{2}\dots 1323\frac{1}{3}\quad \frac{2}{3}\dots Construyo la funciónff diagonalmente:
f:NQ:f(1)=1,f(2)=2,f(3)=12,f(4)=3f:\mathbb{N}\to \mathbb{Q}: f(1)=1,f(2)=2,f(3)=\frac{1}{2},f(4)=3\dots

Prop:Prop: \sim es una relación de equivalencia en el "conjunto de todos los conjuntos": Es decir que reflexiva, simétrica, y transitiva.

Dem:Dem:

  • Transitividad: f:ABf:A\to B y g:BCg:B\to C biyectivas     gof:AC\implies gof:A\to C biyectiva

Not:Not:

YX={ff:XY}Y^{X}=\{ f\:|\: f:X\to Y \}

Lema:Lema: Supongamos que AC,BDA\sim C,B\sim D

  1. A×BC×DA\times B\sim C\times D
  2. funciones de AA a B:BADCB:B^{A}\sim D^{C}
  3. Si AB=CD=    AUBCUDA\cap B=C\cap D=\emptyset \implies AUB\sim CUD

dem. 3) Tomo f:AC,g:BDf:A\to C,g:B\to D biyecciones Defino h:AUBCUDh:AUB\to CUD

h(x)={f(x)xAg(x)xBh(x)= \begin{cases} f(x)& x \in A\\ \\ g(x)& x \in B \end{cases}

Esta bien definida:

AB= es biyectivaA\cap B=\emptyset \text{ es biyectiva}
  • NQ\mathbb{N}\sim \mathbb{Q} Basta ver que ZQ\mathbb{Z}\sim \mathbb{Q} (Pues NZ\mathbb{N}\sim \mathbb{Z}) Basta ver que Z{0}Q{0}\mathbb{Z}-\{ 0 \}\sim \mathbb{Q}-\{ 0 \} Basta ver que NQ+,NQ\mathbb{N}\sim \mathbb{Q}^{+},-\mathbb{N}\sim \mathbb{Q}^{-} La primera está demostrada. Veamos la tercera

defino g:NQg:-\mathbb{N}\to \mathbb{Q}^{-}

g(k)=f(k)g(k)=-f(-k)

con f:NQ+f:\mathbb{N}\to \mathbb{Q}^{+}


Notacioˊn:Notación:

nN,n={1,,n},0=n \in \mathbb{N},\underline{n}=\{ 1,\dots,n \},\underline{0}=\emptyset

def:def: Sea AA un conjunto.

  1. AA es finito si nN0\exists n \in \mathbb{N}_{0} con AnA\sim \underline{n}, denotamos #A=n\#A=n
  2. AA es numerable si ANA\sim \mathbb{N}, denotamos k#A=0k\#A=\aleph_{0}
  3. AA es contable si es finito o numerable
  4. AA es infinito si no es finito

PropProp

AB,B finito.Entonces A es finito y #A<#B\begin{array}{l} \text{$A\subset B,B$ finito.}\\ \text{Entonces $A$ es finito y $\#A< \#B$} \end{array}

Dem:Dem: Por inducción en #B\#B

  • #B=0\#B=0, joya. ∄A\not\exists A
  • #B=1,A={},#A=0    #A<#B\#B=1,A=\{ \},\#A=0\implies\#A<\#B
  • k    k+1:k\implies k+1:, sea f:Bk+1f:B\to \underline{k+1} biyección Sea b0=f1(k+1)b_{0}=f^{-1}(k+1) Tengo dos casos para definir AA:
  1. A=B{b0}A=B\setminus\{b_{0} \} Aca no necesito la hipótesis inductiva, y se cumple la biyección. Luego fA:Akf|_{A}:A\to \underline{k} es biyección. Es decir la aplicación de ff sobre el conjunto AA.
  2. Si AB{b0}=B´A\neq B\setminus\{ b_{0} \}=B´ A´=A{b0}A´=A\setminus\{ b_{0} \} Así, ABA'\subset B', fB:Bkf|_{B'}:B' \to \underline{k} es biyección. Por HI, g:Al\exists g:A' \to \underline{l} biyección. y como l<k.l<k. Defino
G:Al+1,G(a)={g(a)aAl+1a=b0G:A\to \underline{l+1},G(a)=\begin{cases} g(a) & a\in A' \\ \\ l+1 & a=b_{0} \end{cases}

AA resulta ser finito pues encontramos biyección y #A=l+1<#B=k+1\#A=l+1<\#B=k+1 Corolario:Corolario:

B finito     ∄AB con AB\text{$B$ finito $\implies \not\exists A\subset B$ con $A\sim B$}

En particular, Z\mathbb{Z} es infinito. Luego, N\mathbb{N} lo es.


Prop:Prop:

AB,B numerable. Si A es infinito, es numerable.\text{$A\subseteq B, B$ numerable. Si $A$ es infinito, es numerable.}

Dem:Dem: Idea: A tiene primer elemento por principio. y vamos a querer enumerar los elementos de AA. Supongo sin perdida de generalidad, B=NB=\mathbb{N}(Como ejercicio ver porque elegí N\mathbb{N}) Defino f:NAf:\mathbb{N}\to A recursivamente.

  • f(1)=min(A)f(1)=min(A)
  • f(n+1)=min{A{f(1),,f(n)}},{f(1),,f(n)}f(n+1)=min\{ A\setminus \{ f(1),\dots,f(n) \} \}, \{ f(1),\dots,f(n) \}\neq \emptyset pues AA infinito

Esto implica que f(n+1)f(k)knf(n+1)\neq f(k)\quad\forall k\leq n

Como ejercicio, mostrar que ff es biyección

Orden entre conjuntos

DefDef

A,B conjuntos. Decimos que #A#B si f:aB inyectiva.\text{$A,B$ conjuntos. Decimos que $\#A\leq\#B$ si $\exists f:a\to B$ inyectiva.}

Ejemplos:

  1. Si AB,#A#BA\subseteq B,\#A\leq\#B, tengo f:ABf(x)=xf:A\to B\:|f(x)=x inyectiva.
  2. #Q#N\#\mathbb{Q}\leq\#\mathbb{N}, anteriormente vimos que existe biyección. Luego, existe inyección f:QNf:\mathbb{Q}\to \mathbb{N}.
  3. En general, #A=#B    #A#B#B#A\#A=\#B\implies\#A\leq\#B \land\#B\leq\#A

Prop:Prop:

#A#B    g:BA sobreyectiva\text{$\#A\leq\#B\iff \exists g:B\to A$ sobreyectiva}

Dem:Dem: )\Rightarrow) Sea f:ABf:A\to B inyectiva. Y tomo a0Aa_{0}\in A auxiliar. Defino

g(b)={ab=f(a)a0ccg(b)=\begin{cases} a & b=f(a) \\ a_{0} & cc \end{cases}

gg está bien definida pues ff es inyectiva Así, gof=idAgof=id_{A}. Ver además que si gofgof es sobreyectiva entones gg también es sobreyectiva.

)\Leftarrow) Sea aAa\in A. bB\exists b\in B con a=g(b)a=g(b). Y defino f(a)=bf(a)=b. Acá uso el axioma de elección. (Para cada elemento de A un b). Así, gof=idAgof=id_{A}. Como gofgof es inyectiva, entonces ff es inyectiva.


Prop:Prop:

A infinito     0#A\text{$A$ infinito $\implies \aleph_{0}\leq\#A$}

Dem:Dem: Defino recursivamente:

  • f(1)f(1) un elemento cualquiera de AA
  • f(n+1)f(n+1) un elemento cualquiera de A{f(1),,f(n)}A\setminus \{ f(1),\dots,f(n) \}\neq \emptyset pues AA infinito Así, ff es inyectiva pues f(n+1)f(k)knf(n+1)\neq f(k)\quad\forall k\leq n

Prop:Prop:

#A#B y #B#C    #A#C\text{$\#A\leq\#B$ y $\#B\leq\#C\implies \#A\leq\#C$}

Composición de inyectivas da inyectiva.


Teorema

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