集合论相关定理

定义(). 设AB是两个集合,

A的势小于等于B(AB)当且仅当存在一个单射f:AB.

A的势小于B(AB)当且仅当ABAB.

例如:若A={a,b,c,d}, B={1,2,3,4,5}, 则AB). 因为存在一个单射:a1, b3, c4, d5.

同时,AB也成立,因为AB.

此外,ANBN都成立。

定理: A是一个集合,P(A)A的幂集,则: AP(A).

证明: 首先,因为AP(A),所以存在一个AP(A)的单射,即AA. 所以AP(A).

下面证明对于给定的任意集合A,无法找到满射函数f:AP(A). 如果存在一个A的子集,它不是A中某元素的像,命题便可得证。

通过对角化方法来构造: B={xA:xf(x)}.

就是说,对于所有的A中元素x,xB当且仅当xf(x).

显然,B包含于P(A).

对于所有x,集合Bf(x)不可能是相等,因为BA中元素不包含在f(A)里的所有元素构成。

考虑xA, 要么xf(x),要么xf(x).

前一种情况, f(x)不能等于B,因为xf(x)(假设)并且xB(B的定义).

后一种情况, f(x)也不能等于B,因为xf(x)(假设)并且xB(B的定义).

总之, f(x)不能等于B. 而前面B包含于P(A), 所以P(A)的势比A大, 即AP(A).

康托定理: NP(N).

可以看作前面已证定理的特例。

定理:(Cantor-Bernstein)AB都是任意集合,如果: AB,BA, 则有:AB.

证明: 略。

定理: NQ

证明: 可以定义一个单射f:NQ,其中f(n)=n,因此NQ.

然后定义函数g:QN. g(0)=0. 当q(Q)0时,令q=μab,其中μ=±1, a>0, b>0, gcd(a,b)=1.

g(q)=2μ+13a5b 是一个单射函数, 所以NQ.

综上,可得NQ.

定理: (0,1)R

证明: 存在一个一一映射f:(0,1)R: f(x)=tg(πxπ2). 因此(0,1)R等势,即(0,1)R.

定理: RP(N).

证明: 根据刚才的定理,本定理等同于(0,1)P(N). 不难发现k(0,1)都有完全不同的十进制展开形式: k=0.k1k2k3,其中0kn<9.

定义一个函数f:(0,1)P(N): f(r)=p1(k1+1)p2(k2+1)p3(k3+1) 其中,p1,p2,是从小往大排的素数。 不难验证,这是一个单射函数,所以(0,1)P(N).

然后,再定义一个g:P(N)(0,1). 对于任意SN,g(S)=0.S0S1S2,这里的下标n如果属于S,那么Sn取3,否则取5. 不难验证,g也是一个单向函数,所以P(N)(0,1).

综上,可得RP(N).

定理: 如果SN,那么或者S是有限集,或者SN.

简单证明: 若S是无限的,列出S的元素S0, S1, S2, ,本身就是NS的单射。

定义:(Cantor)

(1)自然数集合N的势记作0(阿列夫0).

(2)实数集合R的势记作1(阿列夫1).

定理: 0+0=0

定理: 0×0=0

接下来,将不加证明地列出一些集合论相关的公理或定理。

选择公理(Axiom of Choice): F​是一个以非空集合为元素的集合,那么存在一个函数f​使得f(A)A​对于每一个AF​. 称f​是F​的选择函数。

良序定理(Well-ordering Theorem): 自然数集的每个非空子集都有一个最小元素,即自然数在普通的大小关系下构成一个良序集。

良序定理等价于选择公理,又称策梅洛定理(Zarmelo's Theorem).

佐恩引理(Zorn's Lemma): AB是任意集合,要么AB,要么BA.

佐恩引理是良序定理的基础。

连续统假设(Continuum Hypothesis): 如果SR,那么S是可数的,要么SR.

定理(Gödel, Cohen): 如果关于集合的公理是一致的,不可能通过这些公理来证明或证否连续统假设。