#4Cardinalidad

4- Cardinalidad II

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Thu-29-08-2024 09:39 status: tags: Cardinalidad


Prop:Prop:

A num, B finito    ABnumerable\text{$A$ num, $B$ finito} \implies A\cup B\: numerable

Dem:Dem: Sea AB=A(BA),BA=BA\cup B=A\cup(B\setminus A),\quad B\setminus A=B' Así, s.p.d.g, AB=A\bigcap B=\emptyset

f:NAbiyectivag:nBbiyectiva\begin{array}{l} f:\mathbb{N}\to A&biyectiva \\ g:\underline{n}\to B&biyectiva \end{array}

Defino h:NABh:\mathbb{N}\to A\bigcup B

h(k)={g(k)1knf(kn)knh resulta ser biyectivah(k)=\begin{cases} g(k)&1\leq k\leq n \\ f(k-n)&k\geq n \end{cases} \quad \text{$h$ resulta ser biyectiva}

PropProp:

A,Bnumerables    A×B numerableA,B \: \text{numerables}\implies A\times B\text{ numerable}

Dem:Dem: Basta ver que N×N\mathbb{N}\times \mathbb{N} es numerable. Construimos una biyección f(n,m)=2n1.(2m1)f(n,m)=2^{n-1}.(2m-1)


Prop:Prop:

A numerable, B numerable    AB numerable\text{$A$ numerable, $B$ numerable} \implies A\bigcup B\text{ numerable}

Dem:Dem: Sea AB=A(BA),BA=BA\cup B=A\cup(B\setminus A),\quad B\setminus A=B' Así, s.p.d.g, AB=A\bigcap B=\emptyset Tomo f:NA,g:NBf:\mathbb{N}\to A,g:\mathbb{N}\to B es biyectiva. Defino h:NABh:\mathbb{N}\to A\bigcup B

h(n)={f(n)n=2kg(n)n=2k1h(n)=\begin{cases} f(n)& n=2k \\ g(n)& n=2k-1 \end{cases}

hh resulta ser biyectiva.


Prop:Prop:

Para cada nN, sea An contable.Entones A=nNAn es contable.\begin{array}{l} \text{Para cada $n\in \mathbb{N}$, sea $A_{n}$ contable.}\\ \text{Entones $A=\bigcup_{n \in \mathbb{N}}A_{n}$ es contable.} \end{array}

Unión contable de contables es contable

Dem:Dem: Quiero ver que #A0    f:AN\#A\leq\aleph_{0}\iff \exists\:f:A\to \mathbb{N} inyección. Basta ver que g:N×NA\exists\:g:\mathbb{N}\times \mathbb{N}\to A sobreyectiva. Sé que nNfn:NAn\forall n \in \mathbb{N} \exists\:f_{n}:\mathbb{N}\to A_{n} sobreyectiva. Defino g(n,m)=fn(m)g(n,m)=f_{n}(m). gg resulta ser sobreyección. Si aA,n:aAna \in A,\exists\:n:a \in A_{n} Luego m:a=fn(m)=g(n,m)\exists\:m:a=f_{n}(m)=g(n,m)

\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Prop:Prop:

A infinito, C contable     ACA\begin{array}{l} \text{$A$ infinito, $C$ contable $\implies A\cup C\sim A$} \end{array}

Dem:Dem: Suponemos que AA y CC son disjuntos. s.p.d.g., AC=A\cap C=\emptyset Como AA infinito BA\exists\:B\subseteq A numerable. (Pues #0#A\#\aleph_{0}\leq\#A) Como #BC=#B,\#B\cup C=\#B, pues unión de contables tiene cardinal 0\aleph_{0} f:BCB\exists\:f:B\cup C\to B biyección. draw-cardinalidadI-1 Defino h:ACAh:A\bigcup C\to A

h(x)={f(x)xBCxxABh(x)=\begin{cases} f(x)&x \in B\cup C \\ x&x \in A\setminus B \end{cases}

hh resulta ser biyección.

\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Lema:Lema:

R(0,1)\begin{array}{l} \text{$\mathbb{R}\sim(0,1)$} \end{array}

Dem:Dem:

R(1,1)(0,1)xx1+xyy+12\begin{array}{l} \mathbb{R}\sim(-1,1)&\sim(0,1) \\ x \mapsto \frac{x}{1+|x|} \\ &y \mapsto \frac{y+1}{2} \end{array}

Teorema:Teorema:

R no es numerable\text{$\mathbb{R}$ no es numerable}

Dem:Dem: Por absurdo, basta ver que (0,1)(0,1) no es numerable. Suponiendo que existe biyección entre R\mathbb{R} y (0,1)(0,1).

(0,1)={a1,a2,a3,}(0,1)=\{ a_{1},a_{2},a_{3},\dots \} Tenemos que buscar un número (0,1)\in(0,1) tal que no le corresponde ningún aia_{i} Escribamos:

ai=0,ai1,ai2,ai3a_{i}=0,a_{i1},a_{i2},a_{i3}\dots

El desarrollo es así pues ai(0,1)    0<ai<1,aia_{i} \in(0,1)\implies0<a_{i}<1,a_{i} es un número decimal entre 00 y 11 Este es un desarrollo decimal de ai,a_{i}, con aij{0,,9}a_{ij} \in \{ 0,\dots,9 \} no todos simultáneamente 99, pues 0,999999=10,999999\dots=1, con j0j\gg0

a1=0,a11,a12,a13a2=0,a21,a22,a23a3=0,a31,a32,a33\begin{array}{l} a_{1}=0,a_{11},a_{12},a_{13}\dots \\ a_{2}=0,a_{21},a_{22},a_{23}\dots \\ a_{3}=0,a_{31},a_{32},a_{33}\dots \end{array}

Defino a=0,b1b2b3,conbj{1,,8}{ajj}a=0,b_{1}b_{2}b_{3}\dots, \:\quad con\: b_{j}\in \{ 1,\dots,8\} \setminus \{ a_{jj} \} Elijo uno cualquiera. Así a(0,1), y ademaˊbaiiNa\in(0,1),\text{ y además } b\neq a_{i}\:\forall i \in \mathbb{N} pues bjajjb_{j}\neq a_{jj} Como hemos supuesto que que (0,1)(0,1) es numerable. Entonces existe biyección f:N(0,1)iN:f(i)=ai(0,1)f:\mathbb{N}\to(0,1)\:|\: \exists\:i\in \mathbb{N}:f(i)=a_{i}\in(0,1) Y como baiib\neq a_{i}\:\forall i, entonces no existe tal ii. Llegamos a una contradicción. Por lo tanto (0,1)(0,1) no es numerable. Se sigue entonces que R\mathbb{R} no es numerable.

\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Hipótesis del continuo

Si 0#Ac=#REntonces #A=0 oˊ #A=c\begin{array}{l} \text{Si $\aleph_{0} \leq \#A\leq c=\#\mathbb{R}$} \\ \text{Entonces $\#A=\aleph_{0}$ ó $\#A=c$} \end{array}

No vale usar esta hipótesis para los ejercicios


Recordar: P(X)={A:AX}\text{Recordar: $P(X)=\{ A:A\subseteq X \}$}

Obs:Obs: #X#P(X)\#X\leq\#P(X), pues tenemos f:XP(X)f:X\to P(X)

f(x)={x},iny.f(x)=\{ x \}, iny.

Teorema:CantorTeorema: \: Cantor

#X<#P(X)\#X<\#P(X)

Dem:Dem: Por absurdo. Por el contrario, supongamos que g:XP(X)\exists \:g:X\to P(X) sobreyectiva.

Pues #X#P(X)\#X\geq\#P(X)

Definimos:

A={xX:x∉g(x)}P(X)A=\{ x \in X: x \not\in g(x) \} \in P(X)

Pues AA resulta ser subconjunto de P(X)P(X), también notar que g(x)g(x) devuelve un conjunto, por eso puede pasar que x∉g(x)x\not\in g(x)

Luego aX\exists a\in X con A=g(a)A=g(a). Porque gg es sobreyectiva, por lo tanto todo subconjunto tiene preimagen. Así, aA    a∉g(a)=Aa\in A\iff a\not\in g(a)=A.

aA    a∉Aa\in A\iff a\not\in A

Claramente un absurdo.

Usamos esta propiedad:#A#B    g:BA sobreyectiva\boxed{ \begin{array}{c} \text{Usamos esta propiedad:}\\ \text{$\#A\leq\#B\iff \exists g:B\to A$ sobreyectiva} \end{array} }

Obs:Obs:

P(N)RLuego R no es numerable\begin{array}{c} P(\mathbb{N})\sim \mathbb{R} \\ \text{Luego $\mathbb{R}$ no es numerable} \end{array}

Dem:Dem:

#N=0<P(N)R0<R\begin{array}{c} \#\mathbb{N}=\aleph_{0}<P(\mathbb{N})\sim \mathbb{R} \\ \aleph_{0}<\mathbb{R} \end{array}

Prop:Prop:

P(X){0,1}XP(X)\sim \{ 0,1 \}^{X}

Corolario:Corolario:

#RR>c\#\mathbb{R}^{\mathbb{R}}>c

Dem:Dem:

c=#R<Por cantor#P(R)=#{0,1}Rpues {0,1}R#RRc=\#\mathbb{R}\underset{\text{Por cantor}}{<}\#P(\mathbb{R})=\#\{ 0,1 \}^{\mathbb{R}}\underset{\text{pues $\{ 0,1 \}\subseteq \mathbb{R}$}}{\leq}\#\mathbb{R}^{\mathbb{R}} \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Prop:Ley exponencialProp: \text{Ley exponencial}

AB×C(AB)CA,B,C conjuntos\begin{array}{l} A^{B\times C}\sim(A^B)^{C} \quad \forall A,B,C\text{ conjuntos} \end{array}

Dem:Dem: Defino:

Φ:AB×C(AB)C\Phi:A^{B\times C}\to(A^{B})^{C} Φ(f)(AB)C\Phi (f)\in (A^{B})^{C} Φ(f)(c)AB\Phi (f)(c)\in A^{B}     Φ(f)(c)(b)=f(b,c)PuesfAB×C\begin{array}{l} \implies\Phi(f)(c)(b)=f(b,c) \\ Pues \quad f\in A^{B\times C} \end{array}

Entonces Φ\Phi es biy, más aún,:

ϕ:(AB)CAB×C\phi:(A^{B})^{C}\to A^{B\times C} ϕ(g)(b,c)=g(c)(b)es su inversapuesg(c)AB\begin{array}{l} \phi(g)(b,c)=g(c)(b)\quad \text{es su inversa} \\ pues \quad g(c)\in A^{B} \end{array}

Queda como ejercicio que componer ϕ\phi y Φ\Phi da la identidad.

\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Corolario:Corolario:

#RQ=c\#\mathbb{R}^{\mathbb{Q}}=c

Demo:Demo:

RQP(N)Q({0,1}N)Qx Ley{0,1}N×Q{0,1}NP(N)R\mathbb{R}^{\mathbb{Q}}\sim P(\mathbb{N})^{\mathbb{Q}}\sim(\{ 0,1 \}^{\mathbb{N}})^{\mathbb{Q}}\underset{\text{x Ley}}{\sim}\{ 0,1 \}^{\mathbb{N}\times \mathbb{Q}}\sim \{ 0,1 \}^{\mathbb{N}}\sim P(\mathbb{N})\sim \mathbb{R} \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Citas y Comentarios

Agregar o quitar cosas finitas a conjuntos infinitos, no hace gran diferencia. El cardinal del conjunto de las funciones continuas es igual c.. La próxima veremos "espacios métricos", tema más importante de la materia. Se recomendaron los libros:

  • Lages Lima, 1.1, 1.2, 1.3, 3.1

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