3.2 Teoria degli insiemi[1YT]

Teoria degli insiemi elementare[242]

Come già spiegato nella Definizione 24, nella teoria degli insiemi si aggiunge il connettivo “\(\in \)” ; dati due insiemi \(z,y\) la formula \(x\in y\) si legge “\(x\) appartiene a \(y\)” o più semplicemente “\(x\) è in \(y\)”, e indica che \(x\) è un elemento di \(y\).

È uso indicare gli insiemi usando come variabili lettere Italiane maiuscole.

Definizione 28

[1Y8] (Svolto il 2022-10) Si aggiunge anche il connettivo \(a= b\) fra insiemi, che è vero quando

\[ ∀ x, x∈ a \iff x∈ b~ ~ . \]

Questo è l’assioma di estensionalità.

[226]Questo dice che due insiemi \(a\) e \(b\) sono uguali quando hanno gli stessi elementi; cioè, esclude che un insieme possa avere qualche altra proprietà che lo contraddistingue  1 .

Definizione 29

[227]Per comodità viene usato il connettivo \(a⊆ b\) per indicare che \(a\) è un sottoinsieme di \(b\); formalmente questo si definisce come

\[ ∀ x, x∈ a ⇒ x∈ b~ ~ . \]

\(b⊇ a\) è equivalente a \(a⊆ b\).

Ovviamente \(a=b \iff ((a⊆ b) ∧ (b⊆ a) )\). Notate che \(a⊆ a\).

Si scrive usualmente \(x\notin y\) per \(\lnot (x\in y)\), \(x\nsubseteq y\) per \(\lnot (x\subseteq y)\) e così via.

Nota 30

[1W0]Vi sono anche altri simboli usati. Alcuni testi usano \(a⊂b\) per indicare che \(a⊆b\) ma \(a≠b\) (come negli appunti [ 3 ] ); altri usano una scrittura più espressiva come \(a⊊b\) per dire che \(a⊆ b\) ma \(a≠ b\). (Alcuni persino usano \(a⊂ b\) al posto di \(a⊆ b\), purtroppo — come per esempio [ 14 ] ).

Viene inoltre definita la costante \(\emptyset \) indicato anche come \(\{ \} \) che è l’insieme vuoto, 2 caratterizzato da

\[ \forall x, \neg x\in \emptyset \quad . \]

Si dimostra che l’insieme vuoto è unico.

Si introducono dunque alcune concetti fondamentali: unione, intersezione, differenza simmetrica, insieme potenza, prodotto cartesiano, relazioni, funzioni etc.

Definizione 31

[1Y2] Data \(I\) una famiglia non-vuota di indici e dati \(C_ i\) insiemi (uno per ogni \(i∈ I\)), allora l’unione

\[ ⋃_{i∈ I}C_ i \]

è un insieme, che contiene tutti (e soli) gli elementi di tutti gli insiemi \(C_ i\); in formula 3

\[ ⋃_{i∈ I}C_ i {\stackrel{.}{=}}\{ x : ∃ i∈ I, x∈ C_ i\} \quad . \]

Nel caso siano dati solo due insiemi \(C_ 1,C_ 2\), usa scrivere \(C_ 1∪ C_ 2\) per indicare l’unione; e similmente quando sono dati finiti insiemi.

Definizione 32

[1W1] Data \(I\) una famiglia non-vuota di indici e dati \(C_ i\) insiemi (uno per ogni \(i∈ I\)), definiamo l’intersezione

\[ ⋂_{i∈ I}C_ i \]

che è l’insieme che contiene gli elementi che appartengono a tutti gli insiemi \(C_ i\) (per tutti gli \(i∈ I\)).

Nel caso siano dati solo due insiemi \(C_ 1,C_ 2\), usa scrivere \(C_ 1∩ C_ 2\) per indicare l’intersezione, e si ha

\[ C_ 1∩ C_ 2 {\stackrel{.}{=}}\left\{ x ∈ C_ 1∪ C_ 2 : x∈ C_ 1 ∧ x∈ C_ 2 \right\} \quad ; \]

e similmente quando sono dati finiti insiemi.

L’insieme potenza è definito come in 5.

Definizione 33

[23S]Altri operatori fra insiemi sono:

  • la differenza

    \[ A⧵ B {\stackrel{.}{=}}\{ x∈ A : x∉ B\} \quad ; \]

  • se l’insieme \(A\) è chiaramente specificato dal contesto, e se \(B⊆ A\) usa anche scrivere \(B^ c{\stackrel{.}{=}}A⧵ B\); si dice che \(B^ c\) è il complementare di \(B\) in \(A\);

  • la differenza simmetrica

    \[ AΔ B {\stackrel{.}{=}}(A∪ B)⧵ (A∩ B)= (A⧵ B)∪(B⧵ A)= \{ x∈ A∪ B : x∈ A\iff x∉ B\} \quad ; \]

dove \(A,B\) sono insiemi.

E33

[1W6](Proposto il 2022-10-11) Dimostrate che \(A=B\) se e solo se \(((A⊆ B) ∧ (B⊆ A) )\). Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1W7’]

E33

[1W8]Rappresentate le operazioni

  • \(∪\) unione

  • \(∩\) intersezione

  • \(\setminus \) differenza

  • \(Δ\) differenza simmetrica

fra due insiemi usando diagrammi di Venn.

E33

[1W9]Prerequisiti:2.Usate i precedenti diagrammi di Venn per mostrare che in generale \((A∪ B)∩ C ≠ A∪ (B∩ C)\).

E33

[1WB] Mostrate che se \(X⊆ Y\) e \(Y⊆ Z\) allora \(X⊆ Z\) Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1WD’]

E33

[1W2]Spiegate perché l’operazione di unione \(A∪ B\) fra due insiemi è commutativa, e mostrate che è associativa; similmente per la intersezione; infine mostrate che l’unione distribuisce rispetto all’intersezione, e anche che l’intersezione distribuisce rispetto all’unione. Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1W3’]

E33

[1WF](Proposto il 2022-12) Considerate gli insiemi:

  • \(P\) l’insieme dei professori,

  • \(S\) l’insieme degli scienziati,

  • \(F\) l’insieme dei filosofi,

  • \(M\) l’insieme dei matematici.

Per ognuna delle seguenti frasi, scrivete una formula che la rappresenti, usando gli insieme soprascritti, l’insieme vuoto, le relazioni \(⊆,=,≠\), e le operazioni insiemistiche \(∪,∩,⧵\).

  • non tutti i professori sono scienziati

  • qualche matematico è filosofo;

  • se un filosofo non è matematico allora è professore;

  • tutti i filosofi sono scienzati o professori, ma non matematici;

  • se c’è un matematico che è anche scienziato, allora non è né filosofo né professore.

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1WG’]

E33

[1Y4]Sia \(U\) l’insieme degli esseri umani, \(A\) l’insieme degli animali e \(M\) l’insieme delle creature mortali; trasformate il seguente sillogismo in formule e dimostratelo:

ogni uomo è un animale, ogni animale è mortale, dunque ogni uomo è mortale.
E33

[1WC] Spiegate la formula \(⋃_{B∈{\mathcal P}(A)} B\) avendo a disposizione la definizione 31 dell’assioma dell’unione. Poi mostrate che \(A=⋃_{B∈{\mathcal P}(A)} B\).

Si veda anche 5 dove lo stesso risultato si ottiene partendo dall’assioma dell’unione come definito in 4 nell’assiomatica di Zermelo–Fraenkel.

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1WV’]

E33

[24P]Sia \(I,C_ i\) come in 31 e sia \(A\) un insieme; dimostrare che

\[ ⋃_{i∈ I}C_ i \subseteq A \]

se e solo se 

\[ \forall {i∈ I} , ~ C_ i \subseteq A~ . \]

Nota 34

[01J]Si distingue fra una teoria informale degli insiemi e una teoria formale degli insiemi 4

La teoria informale degli insiemi sfrutta tutte le nozioni precedentemente elencate, ma non indaga sui fondamenti, cioè sulle assiomatizzazione. Per questo approccio consigliamo il testo [ 10 ] ; o [ 32 ] per una breve discussione.

La teoria formale degli insiemi più usata è la assiomatica di Zermelo–Fraenkel, che ricapitoleremo nella prossima sezione. Si veda il Cap. 6 in  [ 13 ] (per una breve introduzione può andare bene anche [ 31 ] ).

Nella teoria assiomatica degli insiemi di Zermelo—Fraenkel tutte le variabili rappresentano insiemi, dunque le variabili non hanno un significato di verità o falsità. Per questo, nelle definizioni 7 e 20 di formula ben formata si cambia il concetto di “atomo”. Un atomo è ora una formula della forma \(a∈ b\) che ha valore di verità/falsità.

Mentre nella teoria formale tutto gli elementi del linguaggio sono insiemi, nella pratica si tende a distinguere fra gli insiemi, e gli altri oggetti della Matematica (numeri, funzioni, etc etc); per questo nel seguito useremo in genere le lettere maiuscole per indicare gli insiemi, e le lettere minuscole per indicare altri oggetti.

Assiomi di Zermelo–Fraenkel[241]

Vediamo ora brevemente gli assiomi della teoria degli insiemi di Zermelo–Fraenkel.

  1. Assioma di estensionalità, già visto sopra in 28.

  2. [014]L’insieme vuoto \(\emptyset \) è un insieme. In formule:

    \[ ∃ X : ∀ Y ¬(Y ∈ X) \]

    per il precedente assioma, \(X\) è unico, e viene denotato con \(\emptyset \)

  3. [1Y3] Assioma della coppia. Dati comunque due insiemi \(X\) e \(Y\) esiste un insieme \(Z\), rappresentato come \(Z=\{ X,Y\} \), i cui elementi sono solo \(X\) e \(Y\). In formula

    \[ ∀ X, Y ∃ Z : ∀ W (W ∈ Z) \iff (W = X) ∨ (W = Y )\quad . \]

    Di nuovo l’insieme \(Z\) è unico per effetto dell’assioma di estensionalità 28.

  4. [026] L’assioma dell’unione 5 dice che per ogni insieme \(A\) esiste un insieme \(B\) che contiene tutti gli elementi degli elementi di \(A\); in simboli,

    \[ ∀ A ∃ B, ∀ x, (x∈ B \iff (∃ y,y∈ A ∧ x∈ y))~ ~ . \]

    Si mostra che questo è unico, per effetto dell’assioma di estensionalità 28; indichiamo questo insieme \(B\) con \({\underline⋃} A\) (per non confonderlo col simbolo già introdotto prima).

    Per esempio se

    \[ A = \{ \{ 1,3,\{ 5,2\} \} , \{ 7,19\} \} \]

    allora

    \[ {\underline⋃}A = \{ 1,3,\{ 5,2\} , 7,19 \} \quad . \]

    Dati \(A_ 1,\ldots A_ k\) insiemi, sia \(D=\{ A_ 1,\ldots A_ k\} \) 6 definiamo

    \[ A_ 1∪ A_ 2\ldots ∪ A_ k {\stackrel{.}{=}}{\underline⋃}D \quad . \]

  5. [1Y1] L’assioma dell’insieme potenza dice che per ogni insieme \(A\), esiste un insieme \(\mathcal{P}(A)\) i cui elementi sono tutti e soli i sottoinsiemi di \(A\). Una formula abbreviata di definizione è

    \[ {\mathcal P}(A){\stackrel{.}{=}}\bigl\{ B:\ B⊆ A\bigr\} \quad . \]

    \(\mathcal{P}(A)\) si chiama anche insieme delle parti.

    Nel linguaggio formale degli assiomi di Zermelo-Fraenkel, l’assioma si scrive:

    \[ ∀ A, ∃\; Z, ∀ y , y ∈ Z \iff (∀ z, z ∈ y \implies z ∈ A)\quad ; \]

    questa formula comporta che l’insieme potenza \(Z\) è unico, dunque possiamo denotarlo con il simbolo \( {\mathcal{P}(A)}\) senza tema di equivoci.

    Notate che

    \[ (∀ z, z ∈ y \implies z ∈ A) \]

    si può abbreviare con \(y⊆ A\) e dunque l’assioma può essere scritto come

    \[ ∀ A, ∃\; Z, ∀ y , y ∈ Z \iff ( y ⊆ A)\quad ; \]

    usando poi l’estensionalità, si ottiene che

    \[ Z=\{ y: ( y ⊆ A)\} \quad . \]
  6. Assioma dell’infinito (si veda 86)

  7. [1Y0]L’assioma di specificazione, che recita

    Se \(A\) è un insieme, e \(P(x)\) è una proposizione logica, allora \(\{ x∈ A:P(x)\} \) è un insieme.

    Formalmente, ponendo \(B=\{ x∈ A:P(x)\} \),

    \[ \forall X, X\in B \iff X\in A\land P(x)\quad . \]

    Questo assioma evita il paradosso di Russel: sia \(A\) l’insieme degli \(x\) tali che \(x∉ x\), allora non si ha né \(A∈ A\) né \(A∉ A\).

  8. Assioma di buona fondazione, o di regolarità (si veda 13)

  9. Assioma di rimpiazzamento

(Abbiamo omesso le definizioni dell’ “Assioma di rimpiazzamento”; si puo trovare in Cap.1 Sez.16 in  [ 3 ] oppure Cap. 1 in [ 14 ] ).

Vi è un ulteriore assioma, l’Assioma della scelta: questo sarà discusso in Sez. ??.

Nota 35

[2DX] Si indica usualmente con la sigla "ZF" la teoria basata sugli assiomi Zermelo–Fraenkel; si indica con "ZFC" la teoria data dagli assiomi di Zermelo–Fraenkel con l’aggiunta dell’assioma della scelta.

Nota 36

[01M] È di uso comune questa dicitura: “sia \(I\) un insieme non vuoto di indici, sia \(A_ i\) una famiglia di insiemi indicizzata da \(i∈ I\)”; questa, nella teoria assiomatica, andrebbe scritta come “sia \(I\) un insieme non vuoto, sia \(X\) un insieme, sia \(A:I→{\mathcal P}(X)\) una funzione; scriveremo \(A_ i\) al posto di \(A(i)\)”. (Con questa scrittura si ha che gli \(A_ i\) sono tutti sottoinsiemi di \(X\)).

E36

[23W]La notazione in 4 differisce da quella usuale, che è \(⋃_{i∈ I}C_ i\), dove \(I\) è una famiglia di indici non-vuota e \(C_ i\) sono insiemi; come visto in 31.

Come potete definire \(⋃_{i∈ I}C_ i\) usando l’assioma dell’unione presentato in 4? (Sugg. rileggete la nota 36)

Alla fine dovreste ottenere

\begin{equation} \forall x, x\in ⋃_{i∈ I}C_ i \iff ∃ i∈ I, x\in C_ i\quad . \label{eq:unione_ simpl_ in_ logica} \end{equation}
37

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’027’]

E36

[23T](Proposto il 2022-10-11) (Svolto il 2022-10-25) Mostrate che la definizione di intersezione 32 è ben posta, usando gli assiomi Z-F. Alla fine mostrate anche che

\begin{equation} ∀ x, x∈ ⋂_{i∈ I}C_ i \iff \left(I≠∅ ∧ ∀ i∈ I, x∈ C_ i\right)\quad . \label{eq:inters_ in_ logica} \end{equation}
38

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’23V’]

E36

[252]Prerequisiti:2,4,7,26. Sia dato un insieme \(A\) non vuoto; definite \(B\) come l’insieme che contiene tutti gli elementi che stanno in tutti gli elementi di \(A\). Scrivete una formula ben formata che definisca \(B\), mostrate che \(B\) è un insieme e mostrate che è unico; per simmetria con l’assioma 4 lo indicheremo con

\[ B = \underline⋂ A\quad . \]

È legato alla usuale notazione dalla relazione

\[ \underline⋂ A = ⋂ _{x\in A} x \quad . \]

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’254’]

E36

[247]Prerequisiti:1,2.(Svolto il 2022-10-25) Ora che avete correttamente definito l’unione 32 e l’intersezione 31 usando gli assiomi Z-F, dite quale valore assumono

\[ ⋂_{i∈ I}C_ i \]

e

\[ ⋃_{i∈ I}C_ i \]

quando \(I\) è l’insieme vuoto. Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’249’]

E36

[028]Prerequisiti:4. Usando la definizione di \({\underline⋃}\) presentata in 4, mostrate che \(A={\underline⋃}({\mathcal P}(A))\).

E36

[248](Svolto il 2022-10-25) Dati \(X\) insieme e \(I,C_ i\) come in 32 e 31, mostrate che

\begin{equation} X\setminus \left( ⋂_{i∈ I}C_ i\right) = ⋃_{i∈ I}(X\setminus C_ i)\quad . \label{eq:setminus_ inter_ union} \end{equation}
39

Cosa succede quando \(I\) è l’insieme vuoto?

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’24B’]

E36

[1W4](Proposto il 2022-12) Se \(A\) è un insieme di \(n\) elementi (\(n≥ 0\) numero naturale) allora quanti elementi vi sono in \(\mathcal{P}(A)\)?

E36

[023] Scrivete esplicitamente \(\mathcal{P}\mathcal{P}\mathcal{P}(∅)\). Quanti elementi ha? Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1WX’]

E36

[1Y9] Siano dati \(a,b,x,y\).

  1. Mostrate che nell’ipotesi

    \[ \{ a,b\} = \{ x,y\} \]

    si ha che

    \[ (a= b)\iff (x= y) \iff a=b=x=y \quad . \]
  2. Deducete in particolare che se

    \[ \{ a\} = \{ x,y\} \]

    allora \(a=x=y\).

  3. Mostrate poi che se ipotizziamo che i quattro elementi \(a,b,x,y\) non siano tutti uguali, allora si ha

    \[ \{ a,b\} = \{ x,y\} \]

    se e solo se \(a=x∧ b=y\) oppure \(a=y∧ b=x\).

Per mostrare quanto sopra siate più precisi possibile: usate l’assioma di estensionalità 28, l’assioma della coppia 3 e le tautulogie mostrate nella sezione precedente (o altre relazioni logiche elementari). Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1YB’]

E36

[01N](Svolto il 2022-10-25) Prerequisiti:9. La coppia ordinata viene definita come

\[ (x,y){\stackrel{.}{=}}\{ \{ x\} ,\{ x,y\} \} \quad ; \]

(notate che l’assioma della coppia 3 ci garantisce che questa è una buona definizione); mostrate che

\begin{equation} (a,b)=(x,y) \iff (a=x\wedge b=y)\quad .\label{eq:identita_ coppia} \end{equation}
40

(Prima soluzione che non usa 9) Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1WZ’] )

(Seconda soluzione che usa 9) Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1YC’] )

E36

[1YD]Prerequisiti:9,13. Immaginiamo una diversa definizione per la coppia ordinata, definita come

\[ ⟬x,y ⟭{\stackrel{.}{=}}\{ x,\{ x,y\} \} \quad ; \]

mostrate che

\begin{equation} ⟬a,b⟭=⟬x,y⟭\iff (a=x∧ b=y)\quad .\label{eq:identita_ pseudocoppia} \end{equation}
41

Per mostrarlo vi servirà 13. Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1YF’]

E36

[029](Svolto il 2022-10-25) Mostrate che, dati \(a_ 1,\ldots a_ k\) insiemi, esiste un insieme che contiene tutti e soli questi elementi. Questo insieme viene solitamente indicato con \(\{ a_ 1,\ldots a_ k\} \).

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’02B’]

E36

[01R] (Svolto il 2022-10-25) L’assioma di buona fondazione (detto anche assioma di regolarità) della teoria di Zermelo–Fraenkel dice che ogni insieme non vuoto \(X\) contiene un elemento \(y\) che è disgiunto da \(X\); in formula

\[ ∀ X, X≠ ∅ ⇒ (∃ y\, (y∈ X)∧ (X∩ y=∅))~ ~ \]

(ricordiamo che ogni oggetto nella teoria è un insieme, dunque \(y\) è un insieme). Usando questo assioma provate questi fatti.

  • Non esiste un insieme \(x\) che sia elemento di se stesso cioè per cui \(x∈ x\).

  • Più in generale non esiste una famiglia finita \(x_ 1,\ldots x_ n\) per cui \(x_ 1∈ x_ 2∈ \ldots ∈ x_ n ∈ x_ 1\).

  • Inoltre non esiste una successione \(x_ 1,\ldots x_ n,\ldots \) di insiemi per cui \(x_ 1∋ x_ 2 ∋ x_ 3 ∋ x_ 4\ldots \).

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’01S’]

[UNACCESSIBLE UUID ’01T’]

[UNACCESSIBLE UUID ’01V’] [01W] Prerequisiti:13.(Svolto il 2022-10-25) Mostrate che per ogni \(x\) esiste un \(y\) tale che \(y∉ x\) Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’01X’] [01Y] Mostrate invece che l’assioma dell’infinito, e la conseguente costruzione dei numeri naturali vista in Sez. 3.8, comporta che esiste una successione \(x_ 1,\ldots x_ n,\ldots \) di insiemi per cui \(x_ 1∈ x_ 2∈ x_ 3 \ldots \). Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’01Z’] [020] Prerequisiti:3.(Svolto il 2022-10-25) Dato \(A\) insieme non vuoto mostrate che esiste una bigezione \(f:A→ B\) fra \(A\) e un insieme \(B\) disgiunto da \(A\).

Più in generale sia \(I\) un insieme non vuoto di indici, sia \(A_ i\) una famiglia di insiemi non vuoti indicizzata da \(i∈ I\);  7 mostrare che esistono bigezioni \(f_ i:A_ i→ B_ i\), dove gli insiemi \(B_ i\) godono della proprietà \(∀ i∈ I,∀ j∈ I, B_ i∩ A_ j=∅\) e se \(j≠ j\) anche \( B_ i∩ B_ j=∅\).

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’021’] [022]Prerequisiti:5.

Mostrate che \(X⊆ Y\) se e solo se \({\mathcal P}(X) ⊆ {\mathcal P}(Y)\). Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’1WW’] [024]Usando la definizione di coppia \((a,b)\) come \(\{ \{ a\} ,\{ a,b\} \} \) mostrate che, dati due insiemi \(x,y\) , per ogni \(a∈ x,b∈ y\) si ha

\[ (a,b) ∈ {\mathcal P} {\mathcal P} (x∪ y)~ ~ . \]

Usate questo fatto e l’assioma di separazione per giustificare assiomaticamente la definizione del prodotto cartesiano \(x× y \).

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’025’]

Nota 42

[27F]Nell’esercizio 12 gli elementi sono identificati tramite le variabili \(a_ 1,\ldots a_ k\) che avremmo potuto anche denominare con altre lettere come \(a,b,c,d,\ldots \). Se però pensiamo a \(a_ 1,\ldots a_ k\ldots \) come a valori di una funzione \(a_ i=a(i)\), \(a:I\to X\) allora l’insieme \(\{ a_ 1,\ldots a_ k\ldots \} \) esiste (per un qualsiasi insieme \(I\) di indici) perché è l’immagine della funzione \(\{ a_ 1,\ldots a_ k\ldots \} =\{ x\in X:\exists i\in I, x=a_ i\} \).

Lemma di Zorn, Assioma della Scelta, Teorema di Zermelo[23R]

Vi sono tre enunciati fondamentali nella teoria degli insiemi, il Lemma Zorn, l’Assioma della Scelta, e il Teorema di Zermelo. Si dimostra, all’interno dell’assiomatica di Zermelo–Fraenkel, che questi sono equivalenti. Si veda in Cap. 1 in [ 3 ] per una presentazione basata sui principi sopra definiti. 8

Il primo esercizio ci presenta alcune fondamentali maniere equivalenti di esprimere l’Assioma della Scelta.

E42

[02H]Prerequisiti:36, 4,3 . Sia \(I\) un insieme non vuoto di indici, sia \(A_ i\) una famiglia di insiemi non vuoti indicizzata da \(i∈ I\). Ricordiamo che, per definizione, il prodotto cartesiano \(∏_{i∈ I}A_ i\) è l’insieme delle funzioni \(f:I→ ⋃_{i∈ I}A_ i\) tali che \(f(i)∈ A_ i\) per ogni \(i∈ I\).

Mostrate che le seguenti sono formulazioni equivalenti dell’assioma della scelta.

  • Il prodotto cartesiano di una famiglia non vuota di insiemi non vuoti è non vuoto.

  • Data una famiglia \(A_ i\) come sopra, tale che gli insiemi sono non vuoti, e a due a due disgiunti, esiste un sottoinsieme \(B\) di \(⋃_{i∈ I}A_ i\) tale che, per ogni \(i∈ I\), \(B∩ A_ i\) contenga un unico elemento.

  • Sia \(S\) un insieme, allora esiste una funzione \(g: {\mathcal P}(S) \to S\) tale che \(g(A) \in A\) per ogni \(A \in {\mathcal P}(S)\) non vuoto.

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’02J’]

Nota 43

[02K] Attenzione! Supponiamo come sopra che gli insiemi \(A_ i\) siano non vuoti. Questo si scrive formalmente come \(∀ i∈ I,∃ x∈ A_ i\). Intuitivamente questo ci porta a dire che l’elemento \(x\) dipende da \(i\), e dunque che \(x=x(i)\). Questo passo, per quanto intuitivo, è esattamente l’assioma della scelta.

E43

[2GF] Trovate \(I\) un insieme non vuoto di indici, e per ciascun \(i∈ I\) un insieme \(A_ i\) non vuoto, per i quali non esiste un sottoinsieme \(B\) di \(⋃_{i∈ I}A_ i\) tale che, per ogni \(i∈ I\), \(B∩ A_ i\) contenga un unico elemento. Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’2GG’]

E43

[2BZ]Prerequisiti:13.Consideriamo la teoria degli insiemi di Zermelo-Fraenkel e questo enunciato:

Dati \(A,B\) insiemi non vuoti per cui esista \(g:B→ A\) una funzione surgettiva, allora esiste una funzione iniettiva \(f:A→ B\) tale che \(g◦ f=\text{Id}_ A\).

Dimostrate che questo enunciato implica l’Assioma della Scelta. Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’2C0’]

E43

[02D] Sia \(V\) uno spazio vettoriale reale. Sia \(B⊆ V\). Una combinazione lineare finita \(v\) di elementi di \(B\) è equivalentemente definita come

  • \(v=∑_{i=1}^ nℓ_ i b_ i\) dove \(n=n(v)∈ℕ\), \(ℓ_ 1,\ldots , ℓ_ n∈ℝ\) e \(b_ 1,\ldots ,b_ n\) sono elementi di \(B\);

  • \(v=∑_{b∈ B} 𝜆(b) b\) dove \(𝜆:B→ℝ\) ma inoltre \(𝜆(b)≠ 0\) solo per un numero finito di \(b∈ B\).

Chiamiamo \(Λ⊆ ℝ^ B\) l’insieme delle funzioni \(𝜆\) (come sopra usate) che sono non nulle solo per un numero finito di argomenti; \(Λ\) è uno spazio vettoriale: per questo la seconda definizione è meno intuitiva ma è più facile da maneggiare.

Diremo che \(B\) genera \(V\) se ogni \(v∈ V\) si scrive come combinazione lineare finita di elementi di \(B\).

Diremo che i vettori di \(B\) sono linearmente indipendenti se \(0=∑_{b∈ B} 𝜆(b) b\) implica \(𝜆≡ 0\); o equivalentemente che, dati \(n≥ 1\), \(ℓ_ 1,\ldots , ℓ_ n∈ℝ\) e \(b_ 1,\ldots ,b_ n∈ B\) tutti diversi, la relazione \(∑_{i=1}^ nℓ_ i b_ i=0\) implica \(∀ i≤ n,ℓ_ i=0\).

Diremo che \(B\) è una base algebrica (anche nota come base di Hamel) se valgono entrambe le proprietà.

Se \(B\) è una base allora la combinazione lineare che genera \(v\) è unica (cioè vi è un’ unica funzione \(𝜆∈Λ\) per cui \(v=∑_{b∈ B} 𝜆(b) b\)).

Mostrate che ogni spazio vettoriale ha una base algebrica. Mostrate più in generale che per ogni \(A,G⊆ V\), con \(A\) famiglia di vettori linearmente indipendenti e \(G\) generatori, esiste una base algebrica \(B\) con \(A⊆ B⊆ G\).

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’02G’]

La dimostrazione in generale necessita del Lemma di Zorn; anzi, questo enunciato è equivalente all’ Assioma della Scelta; questo è stato dimostrato da A. Blass in [ 7 ] ; si veda anche Part 1 §6 [ 22 ] .

E43

[02M]Difficoltà:*. 9 Considerate lo spazio quoziente

\[ {\mathbb X}=\{ a:ℕ→ℕ \} / ∼ \]

dove \(\{ a:ℕ→ℕ \} =ℕ^ℕ\) sono tutte le successioni a valori naturali, e dove definiamo \(a∼ b\) sse \(a_ k= b_ k\) definitivamente in \(k\).

Definiamo l’ordinamento

\[ a⪯ b \iff ∃ n \mbox{ s.t. } ∀ k≥ n, a_ k≤ b_ k \]

cioè \(a⪯ b\) quando \(a_ k≤ b_ k\) definitivamente. Questa è un preordine e

\[ a\sim b \iff (a⪯ b\land b⪯ a) \]

e dunque passa al quoziente dove diviene un ordine, si veda Prop. 82.

Sia ora \(a^ k\) una successione crescente di successioni, cioè \(a^ k⪯ a^{k+1}\); notiamo che essa è limitata superiormente da \(b\) definito come

\[ b_ n = \sup _{h,k≤ n} a^ k_ h ~ . \]

Possiamo dunque applicare il Lemma di Zorn a \(({\mathbb X},⪯)\) per dire che esistono massimali.

Dati \(a,b\) definiamo

\[ a∨ b = (a_ n∨ b_ n )_ n \]

allora è facilmente verificato che \(a⪯ a∨ b\). Questo ci dice che l’ordinamento è diretto, si veda 55.

Concludiamo dunque che \(({\mathbb X},⪯)\) ha un unico massimo, per 2.

Questo però è falso, perché se si prende una qualsiasi successione \(a\), la successione \((a_ n+1)_ n\) è più grande di \(a\).

Qual è l’errore nel ragionamento precedente? Cosa si può dunque concludere riguardo a \(({\mathbb X},⪯)\)?

Moltri altri esercizi necessitano del Lemma di Zorn, dell’Assioma della Scelta, o del Teorema di Zermelo; ne citiamo alcuni: 13, 111, 2, 2, 2, 2.

Nota 44

[02C]“L’assioma della scelta è ovviamente vero, il principio del buon ordinamento ovviamente falso, e che si può dire del lemma di Zorn?” – Jerry Bona 10

Questa è una barzelletta 11 : anche se i tre enunciati sono matematicamente equivalenti, molti matematici trovano che l’assioma della scelta sia intuitivo, il principio del buon ordinamento sia controintuitivo, e Il lemma di Zorn sia troppo complesso per qualsiasi intuizione.

[UNACCESSIBLE UUID ’02N’]

[UNACCESSIBLE UUID ’02P’]

[UNACCESSIBLE UUID ’02Q’]

[UNACCESSIBLE UUID ’02R’]


  1. Si potrebbe immaginare una teoria degli insiemi in cui le parentesi possono essere “rosse” o “blu”, e l’uguaglianza fra insiemi si ha quando gli elementi e i colori sono gli stessi. Nella teoria usuale le parentesi sono sempre nere.
  2. Nella teoria assiomatica di Zermelo–Fraenkel l’esistenza di \(\emptyset \) è un assioma.
  3. Questa è una versione più maneggevole dell’assioma ufficiale. La definizione ufficiale si trova in 4.
  4. Si veda l’introduzione al Cap. 6 in   [ 13 ] per una discussione che confronta questi due approcci.
  5. Questa è la versione “ufficiale” di Zermelo–Fraenkel. Spesso però viene usata la versione semplificata 31
  6. L’esistenza di questo insieme sarà dimostrata in 12
  7. Cf. 36
  8. Questa teoria si trova in molti libri di Logica, come ad esempio [ 13 , 14 , 11 ] , ma il linguaggio e i metodi lì usati potrebbero essere troppo avanzati rispetto al livello richiesto per questo testo.
  9. Originalmente pubblicato in https://dida.sns.it/dida2/Members/mennucci/curiosa/
  10. Come citato in: [ 16 ] .
  11. Paragrafo citato da [ 50 ] .