הגדרות
יהיו A,B קבוצות. נסמן ∣A∣≤∣B∣ אם קיימת f:A→B חח"ע.
קבוצה A נקראת בת-מנייה, אם ∣A∣≤ℵ0, כאשר ℵ0=∣N∣.
בנות מנייה - Z,{1,2,3},Q,N. כל קבוצה סופית היא בת מניה.
לא בנות מנייה - R,(0,1),P(N).
i∈B⋃Ai
יקרא בן מנייה אם B היא קבוצה בת מנייה.
איחוד בן מנייה של קבוצות בנות מניה הוא קבוצה בן מנייה.
תהא {A1,…,An} קבוצה סופית של קבוצות בנות-מנייה.
הוכיחו כי המכפלה הקרטזית A1×A2×⋯×An קבוצה בת מנייה.
רעיון ההוכחה:
- נוכיח שאם A,B בנות מנייה, אזי A×B בת מניה.
- נכליל את הטענה באינדוקציה.
הוכחה:
יהיו A,B קבוצות ב"מ. לאור כך, ניתן לרשום A={a0,a1,…}.
נניח ש-A אינסופית, ההוכחה במקרה ש-A סופית - זהה.
A×B={(a,b)∣a∈A∧b∈B}={(ai,b)∣i∈N,b∈B}
={(a0,b)∣b∈B}∪{(a1,b)∣b∈B}∪…
=i∈N⋃{(ai,b)∣b∈B}=i∈N⋃({ai}×B)
נוכיח כי לכל i∈N, {ai}×B ב"מ. יהי i∈N. נגדיר f:{ai}→B×B באופן הבא:
∀b∈B:f((ai,b))=b
הפונקציה חח"ע כי אם (ai,b1)=(ai,b2) אז b1=b2 מהגדרת זוג סדור ולכן f((ai,b1))=f((ai,b2)) ו-f חח"ע.
הפונקציה f מקיימת קיום ויחידות כי כל איבר (ai,b) נשלח ל-b שקיים ויחד.
הראנו כי קיימת פונקציה חח"ע מ-{ai}×B לקבוצה ב"מ, ולכן, לפי משפט, {ai}×B ב"מ.
הצגנו את A×B כאיחוד ב"N של קבוצות ב"מ ולכן A×B ב"מ.
כעת, נוכיח שלכל n∈N, אילו A1,…,An ב"מ ⇐ A1,…,An ב"מ.
בסיס: n=1 - המכפלה הקרטזית היא A1 והיא ב"מ מהגדרה.
צעד: נניח כי A1×⋯×An ב"מ ל-n טבעי כלשהו, ונראה ש-A1×⋯×An+1 ב"מ.
נסמן A=A1×⋯×An ו-B=An+1. אנו יודעים כי A היא ב"מ מהנחת האינודקציה ו-B ב"מ מהנתון.
לכן, לאור מה שהוכחנו הנ"ל, A×B ב"מ.
∎
מכפלה קרטזית סופית היא מספר סופי של קבוצות שמוכפלות - הקבוצות הן לאו דווקא סופיות.
דרכי הוכחה שקבוצה היא ב"מ
- מראים פונקציה f:A→N חח"ע. (ישירות מהגדרה)
- מראים f:A→B חח"ע כש-B ב"מ.
- מראים f:N→A על (ואז לפי משפט יש g:A→N חח"ע)
- משתמשים במשפט איחוד ב"מ של קבוצות ב"מ הוא קבוצה ב"מ.
- משתמשים במשפט שהוכחנו עכשיו: מכפלה קרטזית סופית של קבוצות ב"מ היא קבוצה ב"מ.
הוכיחו כי הקבוצה הבאה ב"מ.
C=i∈N+⋃{0,1}i
רעיון: נוכיח כי לכל i∈N הקבוצה {0,1}i ב"מ, ואז מהמשפט שאיחוד ב"מ של קבוצות ב"מ הוא קבוצה ב"מ נקבל ש-C ב"מ.
הוכחה:
יהי i∈N+. {0,1}i היא מכפלה קרטזית סופית של {0,1} שהיא ב"מ, ולכן, מהמשפט שהוכחנו {0,1}i ב"מ.
∎
הבחנה בין סימונים דומים
- קבוצה בחזקת קבוצה - AB - קבוצת הפונקציות מ-B ל-A.
- יחס בחזקת מספר - Ri כאשר i∈Z - Ri=R∘R∘…
- קבוצה בחזקת מספר - Ai עבור i∈N: Ai=A×⋯×A.
מתכון להוכחה שהקבוצה B אינה בת מנייה בעזרת לכסון
- נניח בשלילה כי B היא בת מנייה ⇐ מההגדרה, קיימת פונקציה חח"ע מ-B ל-N.
- לפי משפט, קיימת פונקציה h:N→B על.
- נראה שקיים x∈B כך שלכל n∈N מתקיים h(n)=x.
[תוכן]
- הראנו שקיים x∈B שאינו בתמונה של h - סתירה לכך ש-h על.
- לכן, B אינה בת מנייה.
תרגיל (כנראה יופיע במבחן או בבחן אמצע)
תהא B={0,1}N(כלומר, B היא קבוצת הפונקציות מ-N ל-{0,1}).
הראו בעזרת לכסון ש-B אינה ב"מ.
הוכחה:
נניח בשלילה כי B בת מנייה ⇐ מההגדרה, קיימת פונקציה חח"ע מ-B ל-N. ⇐ לפי משפט, קיימת h:N→B על.
נראה כי קיימת g∈B כך שלכל n∈N מתקיים h(n)=g. נסמן לכל n∈N: h(n)=fn.
הערה (ענן המחשבות של אביב צנזור)
h(0)=f0h(1)=f1f2⋮g000111101120010………
נבחר לכל איבר ב-g קלט במקום המתאים ב-h ואז נשים בו אחד שהוא בטוח שונה ממנו - כדי ש-g יהיה בטוח שונה בתא אחד מכל שורה.
נניח, בתא הראשון נבחר 1 שכן ב-f0 במקום ה-0 יש 0.
נגדיר g:N→{0,1} באופן הבא:
∀n∈N:g(n)=1−fn(n)={10fn(n)=1fn(n)=1
לכל n∈N, fn היא פונקציה מ-N ל-{0,1} ולכן g מקיימת קיום ויחידות ושולחת לאיבר ב-{0,1} מכיוון ש-1−0=1 ו-1−1=0. בנוסף, על פי הגדרת B מתקיים g∈B.
לכל n∈N, מתקיים כי g(n)=1−fn(n)=fn(n). לכן, משוויון פונקציות fn=g כנדרש.
הראנו כי g∈B כך ש-g אינה בתמונה של -h, בסתירה לכך ש-h על. לכן, B אינה ב"מ.
∎