Cantor-Schröder-Bernsteinの定理
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1 準備
1.1 空集合、2項関数
word(,s) …
\(\emptyset\)∅. …
\(\emptyset = \{ x \mid {\perp} \}\) ∅.' …
\(x = \emptyset \Longleftrightarrow \not\exists y \, ( y \in x )\) \(\blacktriangleleft\) \(\mathbb{W}.\)word(ss,s) …
\(\cup\) \(\cap\) \(\mathop\setminus\)∪. …
\(X \cup Y = \{ x \mid x \in X \mathbin{\rm o\!r} x \in Y \}\) ∩. …
\(X \cap Y = \{ x \in X \mid x \in Y \}\) ∖. …
\(X \mathop\setminus Y = \{ x \in X \mid x \notin Y \}\) 1.2 順序対、直積
word(ss,s)F …
\(\mathsf{pr}\)abbr …
\(\langle X , Y \rangle\) ≈
\(\mathsf{pr} ( X , Y )\) word(s,s) …
\(\triangleleft\) \(\triangleright\)◁. …
\(\triangleleft \langle x , y \rangle = x\) ▷. …
\(\triangleright \langle x , y \rangle = y\) pr:0 …
\(\langle x_{0} , y_{0} \rangle = \langle x_{1} , y_{1} \rangle \Longleftrightarrow x_{0} = x_{1} , y_{0} = y_{1}\) \(\blacktriangleleft\) \(\mathbb{W}.\)word(ss,s) …
\(\times\)^^pr. …
\(X \times Y = \{ \langle x , y \rangle \mid x \in X , y \in Y \}\) word(ss,s) … *^ap
*^ap. …
\(R ( A ) = \{ y \mid \exists x \in A . \langle x , y \rangle \in R \}\) \(R(A)\) は \(A\) の \(R\) による像。主定理の説明では \(R[A]\) と書く。
1.3 写像、集合の大きさ比較
\(X \to Y\) は \(X\) から \(Y\) への写像全体の集合(写像は順序対の集合)。矢印の上の I・S・IS は単射・全射・全単射を表す。
word(ss,s) …
\(\to\) \(\stackrel{\rm I}\to\) \(\stackrel{\rm S}\to\) \(\stackrel{\rm IS}\to\)→. …
\(X \to Y = \{ f \subset X \times Y \mid \forall x \in X . \exists! y \, \langle x , y \rangle \in f \}\) →I. …
\(X \stackrel{\rm I}\to Y = \{ f \in X \to Y \mid \forall y \, ! x \, \langle x , y \rangle \in f \}\) →S. …
\(X \stackrel{\rm S}\to Y = \{ f \in X \to Y \mid \forall y \in Y . \exists x \, \langle x , y \rangle \in f \}\) →IS. …
\(X \stackrel{\rm IS}\to Y = ( X \stackrel{\rm I}\to Y ) \cap ( X \stackrel{\rm S}\to Y )\) word(ss,p) …
\(\stackrel{\#}=\) \(\stackrel{\#}\le\)=#. …
\(X \stackrel{\#}= Y \Longleftrightarrow X \stackrel{\rm IS}\to Y \neq \emptyset\) ≤#. …
\(X \stackrel{\#}\le Y \Longleftrightarrow X \stackrel{\rm I}\to Y \neq \emptyset\) word(vs,(s,s))F …
\(\mathsf{fn}\)abbr …
\(\lceil x \mapsto X \rfloor\) ≈
\(\mathsf{fn} ( x , X )\) 2 主定理
単射 \(f : X \to Y\)、\(g : Y \to X\) に対して \(\Phi(B) = (X \setminus g[Y]) \cup g[f[B]]\) とする。
\(\Phi(B) \subset B\) を満たす集合 \(B\) すべてに属する \(X\) の元を集めて \(A\) とする(\(B = X\) が候補の1つ)。
\(\Phi\) は包含を保つ。各候補 \(B\) で \(A \subset B\),\(\Phi(A) \subset \Phi(B) \subset B\) より \(\Phi(A) \subset A\)。
もう一度包含を保つことから \(\Phi(A)\) も候補になり \(A \subset \Phi(A)\)。
よって \(\Phi(A) = A\) で、\(g\) の単射性から \(g(y) \in A \iff y \in f[A]\)。
\(A\) の上では \(f\)、\(X \setminus A\) の上では \(g\) の逆を使って \(f' : X \to Y\) を作る。
\(f'\) は \(A\) を \(f[A]\) へ、\(X \setminus A\) を \(Y \setminus f[A]\) へ全単射に移す。
\(X \stackrel{\#}\le Y \stackrel{\#}\le X \Longrightarrow X \stackrel{\#}= Y\) \(\blacktriangleleft\) \(\mathbb{W}.\) ,ax_s