diff --git a/Terzo anno/Elementi di Teoria degli Insiemi/main.pdf b/Terzo anno/Elementi di Teoria degli Insiemi/main.pdf index 492af96..20672cf 100644 Binary files a/Terzo anno/Elementi di Teoria degli Insiemi/main.pdf and b/Terzo anno/Elementi di Teoria degli Insiemi/main.pdf differ diff --git a/Terzo anno/Elementi di Teoria degli Insiemi/main.tex b/Terzo anno/Elementi di Teoria degli Insiemi/main.tex index 029c07c..f3b7d9f 100644 --- a/Terzo anno/Elementi di Teoria degli Insiemi/main.tex +++ b/Terzo anno/Elementi di Teoria degli Insiemi/main.tex @@ -1232,23 +1232,69 @@ originale in una formula esplicita: equivalenti: \begin{enumerate}[(i.)] - \item $(A, <)$ è buon ordinato. + \item $(A, <)$ è ben ordinato. \item Se $P(\cdot)$ è una formula e vale $\forall x (x \in A \rightarrow ((\forall y((y \in A \land y < x) \rightarrow P(y))) \rightarrow P(x)))$, allora $\forall x (x \in A \rightarrow P(x))$ (induzione forte). \end{enumerate} \end{problem} +\begin{solution} + Mostriamo le due implicazioni. + + \begin{enumerate}[(i.)] + \item[\fbox{(i.) $\implies$ (ii.)}] Assumiamo le ipotesi dell'induzione forte. + Sia $B = \{ a \in A \mid \lnot P(a) \}$. Se $B$ è vuoto, allora la tesi è dimostrata. Mostriamo + che questa è l'unica possibilità. \medskip + + Se per assurdo $B$ non fosse vuoto, poiché $A$ è ben ordinato, esiste $m := \min B$. Allora, essendo $m$ il minimo + $a$ per cui non vale $P(a)$, per ogni $y < m$ vale $P(y)$; pertanto, per ipotesi dell'induzione + forte, varrebbe $P(m)$, \Lightning. + + \item[\fbox{(ii.) $\implies$ (i.)}] Sia $X$ un sottinsieme di $A$ che non ammette minimo. Consideriamo la + formula $P(a) = a \notin X$, e mostriamo che $P(\cdot)$ vale in tutto $A$. Se infatti $a$ è un elemento + di $A$ i cui minoranti stretti soddisfano $P(\cdot)$, allora necessariamente deve valere $P(a)$; se così + non fosse, $a$ sarebbe un minimo di $X$, \Lightning. Dunque è soddisfatta l'ipotesi induttiva, e si + conclude che vale $P(a)$ per ogni elemento $a \in A$. Quindi $A \setminus X = A$, da cui + $X = \emptyset$. + \end{enumerate} +\end{solution} + \begin{problem}{Equivalenza tra l'induzione (debole) e il buon ordinamento su insiemi con tutti gli elementi eccetto il minimo successori}{problem-35} Sia $(A, <)$ un insieme totalmente ordinato avente minimo $0 := \min A$ tale per cui ogni elemento in $A \setminus \{0\}$ è successore. Si mostri che sono equivalenti: \begin{enumerate}[(i.)] - \item $(A, <)$ è buon ordinato. + \item $(A, <)$ è ben ordinato. \item Se $P(\cdot)$ è una formula, vale $P(0)$ e $\forall x (x \in A \rightarrow (P(x) \rightarrow P(x+1)))$, allora $\forall x (x \in A \rightarrow P(x))$ (induzione debole). \end{enumerate} \end{problem} +\begin{solution} + Mostriamo le due implicazioni, nello stesso spirito del \textit{Problema 34}. + + \begin{enumerate}[(i.)] + \item[\fbox{(i.) $\implies$ (ii.)}] Assumiamo le ipotesi dell'induzione (debole). + Sia $B = \{ a \in A \mid \lnot P(a) \}$. Se $B$ è vuoto, allora la tesi è dimostrata. Mostriamo + che questa è l'unica possibilità. \medskip + + Se per assurdo $B$ non fosse vuoto, poiché $A$ è ben ordinato, esiste $m := \min B$. Poiché vale + $P(0)$, sicuramente $m \neq 0$. Allora, $m = m' + 1$ è un successore per ipotesi; tuttavia, essendo $m' < m$, + vale $P(m')$, da cui, per ipotesi dell'induzione + forte, varrebbe $P(m' + 1)$, ossia $P(m)$, \Lightning. + + \item[\fbox{(ii.) $\implies$ (i.)}] Sia $X$ un sottinsieme di $A$ che non ammette minimo. Consideriamo la + formula $P(a) = \forall b( b \leq a \implies a \notin X)$, e mostriamo che $P(\cdot)$ vale in tutto $A$. + + Essendo $0$ il minimo di $A$, chiaramente vale $P(0)$ -- altrimenti $X$ ammetterebbe come minimo $0$ stesso. + Inoltre, se vale $P(x)$, $x+1$ è un elemento + di $A$ i cui minoranti stretti soddisfano $P(\cdot)$, e dunque necessariamente deve valere $P(x+1)$; se così + non fosse, $x+1$ sarebbe un minimo di $X$, \Lightning. Dunque è soddisfatta l'ipotesi induttiva, e si + conclude che vale $P(a)$ per ogni elemento $a \in A$. Quindi $A \setminus X = A$, da cui + $X = \emptyset$. + \end{enumerate} +\end{solution} + \begin{problem}{Caratterizzazione dei buon ordinamenti con i segmenti iniziali}{problem-36} Sia $(A, <)$ un insieme totalmente ordinato. Si dimostri che $(A, <)$ è ben ordinato se e solo se ogni suo segmento iniziale proprio è generato da un elemento $a \in A$. @@ -1284,15 +1330,36 @@ originale in una formula esplicita: \end{solution} \begin{problem}{Gli insiemi totalmente ordinati finiti sono isomorfi a un $(n, \in)$}{problem-38} - Sia $(A, <)$ un insieme totalmente ordinato finito. Si dimostri che se $\abs{A} \cong \abs{n}$, allora - $(A, <) \cong (n, \in)$. + Sia $(A, <)$ un insieme totalmente ordinato e finito. Si dimostri che se $\abs{A} \cong \abs{n}$, allora + $(A, <) \cong (n, \in)$, e che dunque ammette massimo e minimo. \end{problem} +\begin{solution} + Mostriamo la tesi per induzione su $n$. + + \begin{enumerate} + \item[$\boxed{n = 0}$] Se $A$ è vuoto, la tesi è banale. + \item[$\boxed{n + 1}$] Sia $\abs{A} \cong \abs{n + 1}$. Allora esiste un elemento $a \in A$ tale per + cui $\abs{A \setminus \{a\}} = \abs{n}$. Allora, per ipotesi induttiva, dacché $A \setminus \{a\}$ è + ancora totalmente ordinato e finito, $(A \setminus \{a\}, <) \cong (n, \in)$. Pertanto $A \setminus \{a\}$ ammette + un massimo $a' := \max A \setminus \{a\}$. È immediato verificare che $a^* = \max \{a, a'\}$ è un massimo di $A$, + e dunque si può estendere un isomorfismo tra $A \setminus \{a^*\}$ e $n$ mandando $a^*$ in $n \in n+1$, completando + il passo induttivo. + \end{enumerate} +\end{solution} + \begin{problem}{La restrizione di un isomorfismo d'ordine ai segmenti generati è ancora un isomorfismo}{problem-39} Sia $\varphi : (A, <) \rightarrow (B, \prec)$ un isomorfismo tra due insiemi ben ordinati. Si dimostri che $\restr{\varphi}{A_a} : \left(A_a, \restr{<}{A_a}\right) \rightarrow \left(B_{\varphi(a)}, \restr{\prec}{B_{\varphi(a)}}\right)$ è ancora un isomorfismo. \end{problem} +\begin{solution} + È sufficiente verificare che $\restr{\varphi}{A_a}$ ha come immagine $B_{\varphi(a)}$ (essendo restrizione è necessariamente ancora + iniettiva, e preserva l'ordine). Sia $b' < \varphi(a)$. Essendo $\varphi$ un isomorfismo, esiste $a' \in A$ tale per cui + $\varphi(a') = b'$. Se fosse $a' \geq a$, si avrebbe $b' \geq \varphi(a)$, dacché $\varphi$ preserva l'ordine, \Lightning. + DUnque $a' \in A_a$, da cui la tesi. +\end{solution} + \begin{problem}{Caratterizzazione degli insiemi totalmente ordinati isomorfi a $(\omega, \in)$}{problem-40} Sia $(A, <)$ un insieme totalmente ordinato e infinito. Si mostri che sono equivalenti: @@ -1303,6 +1370,29 @@ originale in una formula esplicita: \end{enumerate} \end{problem} +\begin{solution} + Dimostriamo le implicazioni (i.) $\implies$ (ii.) $\implies$ (iii.) $\implies$ (i.), da cui + deriva la tesi. + + \begin{enumerate}[(i.)] + \item[\fbox{(i.) $\implies$ (ii.)}] È sufficiente verificare la tesi su $(\omega, \in)$, per il quale + ogni segmento iniziale proprio è finito per definizione, dacché un tale segmento è necessariamente + un elemento di $\omega$. + + \item[\fbox{(ii.) $\implies$ (iii.)}] Mostriamo la contronominale. + Se esistesse un sottoinsieme infinito di $A$ con massimo $M$, + allora il segmento iniziale $A_M \supseteq A$ sarebbe infinito. Non può essere $A_M = A$, dal momento che + si avrebbe $M < M$, \Lightning. Dunque $A_M$ è un segmento iniziale proprio infinito. + + \item[\fbox{(iii.) $\implies$ (i.)}] Sia $X \neq \emptyset$ un sottinsieme di $A$. Sia $x$ un elemento di $X$. + I minoranti deboli di $x$ appartenenti a $X$ ammettono massimo ($x$ stesso), dunque formano un sottinsieme + finito. Allora tali minoranti ammettono minimo (vd. \textit{Problema 38}), e tale minimo è un minimo di $X$. Dunque $A$ è ben ordinato. + Essendo infinito, $A$ non può essere isomorfo a un segmento iniziale di $\omega$; né $\omega$ può essere isomorfo + a un segmento iniziale di $A$, dato che altrimenti esisterebbe un sottinsieme infinito con massimo in $A$. Pertanto, + per la tricotomia dei buoni ordini, l'unica possibilità rimasta è $(A, <) \cong (\omega, \in)$. + \end{enumerate} +\end{solution} + \begin{problem}{Il tipo d'ordine di $A + \{*\}$ è il più piccolo di quelli che maggiorano il tipo d'ordine di $A$}{problem-41} Si mostri che per ogni insieme ben ordinato $(B, \prec)$ con $\ot(A) < \ot(B)$ si ha $\ot(A + \{*\}) \leq \ot(B)$. \end{problem} @@ -1362,6 +1452,25 @@ originale in una formula esplicita: $\bigcap A$ corrisponde al minimo $\min A$. \end{problem} +\begin{solution} + Mostriamo i due risultati separatamente. + + \begin{enumerate} + \item Sicuramente, $\forall \alpha \in A$, $\bigcap A \subseteq \alpha$, e quindi $\bigcap A$ è un minorante + debole di $A$. Se $A$ ha due elementi distinti, allora $\bigcap A$ necessariamente deve essere sottinsieme stretto + di un elemento $\alpha \in A$, e quindi $\bigcap A \in \alpha$; pertanto, per transitività $\bigcap A \in A$, e + dunque $\bigcap A$ è proprio il minimo cercato. Se $A$ ha un solo elemento, la tesi è banale poiché + $\bigcap A$ coincide con tale elemento. + + \item $\bigcup A$ è ben ordinato su $\in$, essendo un insieme di ordinali, grazie al punto (i.) (gli ordinali sono insiemi + di ordinali). Inoltre $\bigcup A$ è transitivo, dacché $x \in \bigcup A$ vuol dire che esiste un $\alpha \in A$ tale + per cui $x \in \alpha$, e dunque, se $y \in x$, allora $y \in x \in \alpha$, da cui $y \in \alpha$ per la transitività di + $\alpha$, e quindi $y \in \bigcup A$. Mostriamo ora che è l'estremo superiore di $A$. Chiaramente $\bigcup A$ è un + maggiorante debole; inoltre se $\alpha \subseteq B$ per ogni $\alpha \in B$, allora $\bigcup \alpha \subseteq B$, + completando la dimostrazione. + \end{enumerate} +\end{solution} + \begin{problem}{$\omega_1$ è il più piccolo ordinale avente cardinalità maggiore di quella di $\omega$}{problem-46} Si mostri che $\omega_1 = \{ \alpha \text{ ordinale} \mid \abs{\alpha} \leq \abs{\omega} \}$ è il più piccolo ordinale avente cardinalità maggiore di quella di $\omega$. \end{problem}