Rozłączne figury

Algebra zbiorów. Relacje, funkcje, iloczyny kartezjańskie... Nieskończoność, liczby kardynalne... Aksjomatyka.
Jakub Gurak
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 1407
Rejestracja: 20 lip 2012, o 21:19
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Rzeszów
Podziękował: 66 razy
Pomógł: 83 razy

Re: Rozłączne figury

Post autor: Jakub Gurak »

Mam pytanie:

Czy dla dowodu, że dowolna rodzina przedziałów w \(\displaystyle{ \left( \RR, \le \right) }\), przedziałów rozłącznych, jest co najwyżej przeliczalna, czy potrzebny jest tutaj aksjomat wyboru :?: Doszły mnie słuchy, że nie jest tu potrzebny, tylko teraz jest pytanie jak to udowodnić (przedziałom przypisujemy liczbę wymierną ze środka, ale trzeba tutaj przypisać tylko jedną taką liczbę), jak to zrobić bez aksjomatu wyboru :?:

Przedziałów o dodatniej długości.
Ostatnio zmieniony 7 kwie 2023, o 20:39 przez Jan Kraszewski, łącznie zmieniany 1 raz.
Powód: Poprawa wiadomości.
Jan Kraszewski
Administrator
Administrator
Posty: 34296
Rejestracja: 20 mar 2006, o 21:54
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Wrocław
Podziękował: 3 razy
Pomógł: 5203 razy

Re: Rozłączne figury

Post autor: Jan Kraszewski »

Nie jest potrzebny. Potrafisz skonstruować bijekcję \(\displaystyle{ f:\NN\to\QQ}\) bez aksjomatu wyboru i za jej pomocą możesz dobrze uporządkować \(\displaystyle{ \QQ}\) (tak naprawdę wystarczy injekcja z \(\displaystyle{ \QQ}\) w \(\displaystyle{ \NN}\)). Wtedy z każdego z Twoich przedziałów wybierasz najmniejszą liczbę wymierną w tym porządku.

JK
a4karo
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 22211
Rejestracja: 15 maja 2011, o 20:55
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Bydgoszcz
Podziękował: 38 razy
Pomógł: 3755 razy

Re: Rozłączne figury

Post autor: a4karo »

Jakub po prostu nie czyta innych postów. To samo napisał Dasio11 na poprzedniej stronie.
Jakub Gurak
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 1407
Rejestracja: 20 lip 2012, o 21:19
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Rzeszów
Podziękował: 66 razy
Pomógł: 83 razy

Re: Rozłączne figury

Post autor: Jakub Gurak »

Te podstawy teorii mnogości nigdy mi się nie znudzą.
Ostatnio zaskoczył mnie fakt, że jeśli mamy dwa zbiory rozłączne \(\displaystyle{ A}\) i \(\displaystyle{ B}\), oraz dowolny zbiór \(\displaystyle{ C}\), to zbiory \(\displaystyle{ C \cap A }\) i \(\displaystyle{ B}\) są rozłączne ( do kolekcji zastanowiłem się też nad tym, czy wtedy również zbiory \(\displaystyle{ A}\) i \(\displaystyle{ C \cap B}\) są rozłączne)- ale to jest proste; a dzisiaj zrozumiałem, że prostą liczb rzeczywistych można przedstawić jako sumę rozłącznych zbiorów dwuelementowych.
Zaskoczyło mnie też lekko zadanie ze "Wstępu do Teorii Mnogości i Topologii" Wacława Sierpińskiego gdzie należało znaleźć wzajemnie jednoznaczną odpowiedniość dwóch prostokątów na płaszczyźnie. Podzielę się teraz rozwiązaniami tych ciekawych zadań.


Zauważmy najpierw, że dowolny niepusty zbiór \(\displaystyle{ X}\) może być przedstawiony jako suma wszystkich jednoelementowych podzbiorów:

\(\displaystyle{ X= \bigcup_{x \in X} \left\{ x\right\},}\)

jest to prosty fakt.

Zauważmy też, że różne zbiory jednoelementowe są rozłączne- jest to równie prosty fakt.

Natomiast przed chwilą zgłębiłem fakt ( pochodzący również z zacytowanej książki, ale ten fakt został tam podany w sposób totalnie niestrawny- gotowy wzór, bez ilustracji :twisted: , a ja to zgłębiłem i to zrozumiałem ), zrozumiałem, że prostą liczb rzeczywistych \(\displaystyle{ \RR}\) można przedstawić jako sumę dwuelementowych zbiorów rozłącznych.

Wystarczy podzielić prostą na przedziały domknięto-otwarte \(\displaystyle{ \ldots, \left[ -2,0\right) ; \left[ 0,2\right); \left[ 2,4\right); \ldots ,}\)

i liczbę postaci \(\displaystyle{ 2n+x}\), gdzie \(\displaystyle{ n \in \ZZ, x \in \left[ 0,1\right)}\) połączyć z liczbą o jeden większą, otrzymując dwuelementowy podzbiór prostej; i tak dla dowolnego \(\displaystyle{ x \in \left[ 0,1\right)}\), a następnie dla dowolnych liczb całkowitych \(\displaystyle{ n \in \ZZ}\).
Łatwo jest się przekonać, że te zbiory są rozłączne, bo kolejne dwu-jednostkowe przedziały poprzedzają następne; i ich suma to cała prosta; formalnie:

\(\displaystyle{ \bigcup_{n \in \ZZ} \bigcup_{x \in \left[ 0,1\right) } \left\{ 2n+x, 2n+x+1\right\} =\RR.}\) 8-)


Mamy też takie zadanie:
Wstęp do Teorii Mnogości i Topologii, Wacław Sierpiński, str.12, zad.2 pisze: Jak ustalić odpowiedniość wzajemnie -jednoznaczną między punktami dwóch różnych prostokątów? Jak- między punktami koła a punktami kwadratu?
Z prostokątami- mam pomysł jak to zrobić;
jeśli chodzi o podpunkt z kołem i kwadratem to tu też mam jakiś pomysł, może ktoś ma prostszy pomysł??

Jeśli te dwa prostokąty są podobne, to umieszczamy je tak, aby miały ten sam środek symetrii, i wtedy dowolny odcinek łączący ten środek symetrii z dowolnym punktem leżącym na brzegu prostokąta wewnętrznego, taki odcinek przeskalowujemy na odcinek będący jego przedłużeniem do przecięcia z brzegiem prostokąta zewnętrznego, oto ilustracja tego pomysłu:\(\displaystyle{ \\ }\)
Dwa prostokąty podobne.jpg
\(\displaystyle{ \\ }\)
Jeśli te dwa prostokąty nie są podobne, to wpierw przeskalowujemy drugi prostokąt, tak aby miał tą samą długość co pierwszy (podobnie jak przed chwilą to robiliśmy), a następnie, w przypadku gdy pierwszy prostokąt ma mniejszą szerokość, to każdy odcinek pionowy tego prostokąta przeskalowujemy na dłuższy odcinek pionowy, oto:

ILUSTRACJA TEJ KONSTRUKCJI: \(\displaystyle{ \\}\)
Równoliczność dwóch prostokątów.jpg
\(\displaystyle{ \\}\)
A w przypadku gdy pierwszy prostokąt jest szerszy, to podobnie każdy odcinek pionowy tego prostokąta przeskalowujemy na krótszy odcinek pionowy drugiego prostokąta.

A jeśli chodzi o koła i kwadraty, to ponieważ dowolne dwa kwadraty są podobne, to na początek przeskalowujemy kwadrat do takich rozmiarów, aby można było wpisać w nim koło, a następnie środek koła łączymy odcinkiem z dowolnym punktem na okręgu i go przedłużamy aż do brzegu kwadratu (przeskalowujemy takie promienie koła na dłuższe odcinki), oto:

ILUSTRACJA TEJ KONSRTRUKCJI:\(\displaystyle{ \\}\)
Równoliczność koła i kwadratu .jpg
\(\displaystyle{ \\}\)
Ma ktoś inny pomysł na to??

(I tak, taka matematyka mnie naprawdę kręci, bo ja prezentuje pogłębione podejście do podstaw matematyki, a nie tylko takie na łapu capu :lol: ).
Awatar użytkownika
AiDi
Moderator
Moderator
Posty: 3843
Rejestracja: 25 maja 2009, o 22:58
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Warszawa
Podziękował: 45 razy
Pomógł: 702 razy

Re: Rozłączne figury

Post autor: AiDi »

Jakub Gurak pisze: 25 kwie 2023, o 22:40 bo ja prezentuje pogłębione podejście do podstaw matematyki
Tak Ci się tylko wydaje...
Awatar użytkownika
arek1357
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 5749
Rejestracja: 6 gru 2006, o 09:18
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: blisko
Podziękował: 131 razy
Pomógł: 526 razy

Re: Rozłączne figury

Post autor: arek1357 »

Ostatnio zaskoczył mnie fakt, że jeśli mamy dwa zbiory rozłączne A i B, oraz dowolny zbiór C, to zbiory C∩A i B są rozłączne ( do kolekcji zastanowiłem się też nad tym, czy wtedy również zbiory A i C∩B są rozłączne)- ale to jest proste
Mnie to stwierdzenie też zaskakuje
ale to jest proste
Tak to fakt i powiem, że jest to mało zaskakujące...
Jakub Gurak
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 1407
Rejestracja: 20 lip 2012, o 21:19
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Rzeszów
Podziękował: 66 razy
Pomógł: 83 razy

Re: Rozłączne figury

Post autor: Jakub Gurak »

Z tych dwóch faktów o zbiorach rozłącznych wynika łatwo kolejny fakt, mówiący, że jeśli zbiory \(\displaystyle{ A}\) i \(\displaystyle{ B}\) są rozłączne, i mamy dowolne zbiory \(\displaystyle{ C}\) i \(\displaystyle{ D}\), to przekroje mnogościowe \(\displaystyle{ A\cap C}\) i \(\displaystyle{ B\cap D}\) są rozłączne- można to łatwo udowodnić.
Jan Kraszewski pisze: jak Ci nie podchodzi podręcznik, to szukasz innego, który będzie do Ciebie lepiej trafiał... Choć przy Twoich oczekiwaniach obawiam się, że może to być trudne.
Kończę już czytać książkę "Zarys topologii ogólnej" Ryszarda Engelkinga (wszystkiego tam, to nawet nie przeglądnąłem, nie jestem w stanie czytać tego kosmosu), i mam pytanie:
Jaka książkę polecacie ze wstępu do matematyki??
Uprzedzam, taka wymyślna matematyka jak w Engelkingu mnie w ogóle nie pociąga. Ja wolę nie wymyślać, a definiować i udowadniać. Mnie interesuje nawet niekoniecznie sama nieskończoność czy coś konkretnego, ale dość wszelakiego typu związki, ale proste związki. To by chyba podpadało pod logikę matematyczną, ale czysta logika też jest dla mnie mało atrakcyjna (może tam być coś ciekawego, np. równość, ale... w sumie to mało, a wszystko jest przeładowane żmudnymi znaczkami, osobiście to dla mnie jest to mało atrakcyjne). Wolę zastosowania logiki (np. w podstawach teorii mnogości), a najlepiej, takie zabawy, jak na przykład coś takiego: (profesor Marek Zaionc, autor teorii mnogości na ważniaku, wspominał o tym w swoim wykładzie): jakby układać kostki domina na płaszczyźnie, i coś tam udowadniać, chyba czy można pokryć dowolnie duży obszar płaszczyzny, takie zabawy mogłyby być fajne :) ( choć to zostało już to raczej zbadane). Albo mamy takie intuicyjnie oczywiste twierdzenie analizy zespolonej ( :o - coś mnie zainteresowało, z tego przenudnawego przedmiotu), że każda zamknięta krzywa Jordana dzieli płaszczyznę na dwa obszary, jeden jest ograniczony, a drugi jest nieograniczony( a podobno dowód tego 'oczywistego' faktu nie jest krótki, bo można podać przykład takiego 'zębatego ' obszaru, gdzie ciężko będzie rozeznać gdzie jest jego wnętrze, a gdzie jest jego zewnętrze); ale jeśli jest to zrobione w sposób elementarny, to może zapoznam się z tym niekrótkim dowodem (w liczby zespolone nie chcę mi się zagłębiać). Albo, gdy rozważymy kostkę w przestrzeni trójwymiarowej, to można badać rozkłady tej kostki na mniejsze kostki. Czyli interesują mnie pojęciowo proste treści, ale również aby udowadniać coś z tym, takie badania- odcinki na prostej, proste, półproste, prostokąty na płaszczyźnie, płaszczyzna, i udowadniać coś w związku z tym- czy ktoś poza mną interesuje się tym??

Poszukuje czegoś konkretniejszego niż czysta logika; jednak, takie wymyślanie, takie jak ma miejsce w tej książce Engelkinga, albo, jak jest w analizie funkcjonalnej, to mnie nie bawi, to nie dla mnie :? Dasio11 wspominał o książce Jech-a z teorii mnogości, szukałem, ale nie ma jej w mojej bibliotece, co polecacie innego z podstaw matematyki :?:

Chciałbym jeszcze podzielić się dwoma (lub trzema) dowodzikami z ważniaka.

Niech \(\displaystyle{ X}\) i \(\displaystyle{ Y}\) będą zbiorami, i niech \(\displaystyle{ f:X \rightarrow Y}\).
Wykażemy, że dla dowolnych dwóch podzbiorów dziedziny tej funkcji, wtedy obraz przekroju tych dwóch podzbiorów jest równy przekrojowi obrazów (oczywiście nie zawsze), lecz dokładnie wtedy, gdy funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest różnowartościowa (jest injekcją).

Jeśli funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest różnowartościowa, to:
KLASYCZNY DOWÓD TEGO FAKTU::    
Jeśli ta równość zachodzi dla dowolnych zbiorów \(\displaystyle{ A,B \subset X}\), to aby pokazać, że funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest różnowartościowa, to niech \(\displaystyle{ x_1, x_2 \in X}\) będą dwoma dowolnymi różnymi elementami.
Wtedy, na mocy założenia:

\(\displaystyle{ \left\{ f\left( x_1\right) \right\} \cap \left\{ f\left( x_2\right) \right\}= \stackrel{ \rightarrow }{f} \left\{ x_1\right\} \cap \stackrel{ \rightarrow }{f} \left\{ x_2\right\} = \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( \left\{ x_1\right\} \cap \left\{ x_2\right\} \right) \stackrel{x_1 \neq x_2}= \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( \emptyset\right)= \emptyset,}\)

skąd otrzymujemy: \(\displaystyle{ f\left( x_1\right) \neq f\left( x_2\right)}\) (- w przeciwnym razie, ten zbiór po lewej stronie powyższej równości byłby jednoelementowy, a więc niepusty), czyli:

\(\displaystyle{ f\left( x_1\right) \neq f\left( x_2\right),}\)

i funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest injekcją.\(\displaystyle{ \square}\) 8-)

Albo dobra, daruje sobie te dwa dowody, gorąco.
Jakub Gurak
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 1407
Rejestracja: 20 lip 2012, o 21:19
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Rzeszów
Podziękował: 66 razy
Pomógł: 83 razy

Re: Rozłączne figury

Post autor: Jakub Gurak »

Wczoraj zapisałem na kartce papieru te dwa dowody z ważniaka.
Przedstawię teraz te dwa dokładne dowody.

Wykażemy najpierw, że dla zbiorów \(\displaystyle{ X}\) i \(\displaystyle{ Y}\) oraz dla funkcji \(\displaystyle{ f:X \rightarrow Y}\), funkcja ta jest różnowartościowa, dokładnie wtedy, gdy dla dowolnego zbioru \(\displaystyle{ A_1 \subset X}\) mamy:

\(\displaystyle{ \stackrel{ \rightarrow } {f} \left( X \setminus A_1\right)= \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( X\right) \setminus \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( A_1\right).}\)

Czyli jeśli funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest różnowartościowa to zawsze zachodzi ta równość, a jak funkcja \(\displaystyle{ f}\) nie jest różnowartościowa, to może nie zachodzić ta równość.

DOWÓD TEGO FAKTU:

Przypuśćmy, że funkcja \(\displaystyle{ f}\) nie jest różnowartościowa.
Oznacza to, że dla pewnych różnych elementów \(\displaystyle{ x_1, x_2 \in X}\), mamy \(\displaystyle{ y:= f\left( x_1\right) = f\left( x_2\right).}\)

Niech \(\displaystyle{ A_1= X \setminus \left\{ x_1\right\}. }\)

Wtedy:

\(\displaystyle{ \stackrel{ \rightarrow}{f} \left( X \setminus A_1= A_1'\right) =\stackrel{ \rightarrow }{f} \left( \left\{ x_1\right\} \right)= \left\{ f\left( x_1\right) \right\} = \left\{ y\right\} ,}\)

a więc, z zasady równości zbiorów:

\(\displaystyle{ y \in \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( X \setminus A_1\right).}\)

Ponieważ \(\displaystyle{ x_2 \neq x_1}\), to \(\displaystyle{ x_2 \in X \setminus \left\{ x_1\right\}= A_1}\), a ponieważ \(\displaystyle{ y=f\left( x_2\right)}\), więc \(\displaystyle{ y \in \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( A_1\right)}\) , a więc \(\displaystyle{ y\not \in \stackrel { \rightarrow }{f} \left( X\right) \setminus \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( A_1\right)}\).
Wynika stąd, że zbiory \(\displaystyle{ \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( X \setminus A_1\right)}\) i \(\displaystyle{ \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( X\right) \setminus \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( A_1\right)}\) są różne, co kończy dowód jednej implikacji.

Przypuśćmy teraz, że funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest różnowartościowa.
Wtedy, dla dwóch zbiorów \(\displaystyle{ A,B \subset X}\), obraz ich przekroju jest równy przekrojowi obrazów, a stąd łatwo wynika, że obrazy rozłącznych zbiorów \(\displaystyle{ A,B \subset X}\) są rozłączne.

Aby pokazać naszą równość, to niech \(\displaystyle{ A_1 \subset X}\) i niech \(\displaystyle{ A_2= X \setminus A_1}\).

Wtedy:

\(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X\right) = \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1 \cup \left( A'_1=X \setminus A_1\right) \right)= \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1 \cup A_2\right) = \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right) \cup \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_2\right).}\)

Ponieważ, z własności dopełnienia: zbiory \(\displaystyle{ A_1}\) i \(\displaystyle{ A'_1}\) są rozłączne, więc również zbiory \(\displaystyle{ A_1}\) i \(\displaystyle{ A_2}\) są rozłączne, i ponieważ funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest różnowartościowa, więc również ich obrazy: \(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right)}\) i \(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_2\right)}\) są zbiorami rozłącznymi.

A wtedy:

\(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X\right) \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right)= \left[ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right) \cup \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_2\right) \right] \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right)= \left[ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_2\right) \cup \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right)\right] \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right)= \stackrel{ \rightarrow }{f} \left( A_2\right)= \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X \setminus A_1\right).\square}\)


Wykażemy teraz drugi fakt, tzn.:
Niech \(\displaystyle{ X}\) i \(\displaystyle{ Y}\) będą zbiorami, i niech \(\displaystyle{ f:X \rightarrow Y.}\)
Wykażemy, że funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest bijekcją, wtedy i tylko wtedy, gdy dla dowolnego zbioru \(\displaystyle{ A_1 \subset X}\) obraz dopełnienia tego zbioru jest dopełnieniem obrazu, tzn. gdy zachodzi równość:

\(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X \setminus A_1\right)= Y \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right);}\)

dla każdego zbioru \(\displaystyle{ A_1 \subset X.}\)

DOWÓD TEGO FAKTU:

Jeśli funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest bijekcją, to \(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X\right)= f_P= Y}\), i funkcja \(\displaystyle{ f }\) jest różnowartościowa, a zatem, w myśl poprzedniego faktu, dla dowolnego ustalonego zbioru \(\displaystyle{ A_1 \subset X}\), mamy:

\(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X \setminus A_1\right)= \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X\right) \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right)= Y \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right),}\)

co dowodzi implikacji: \(\displaystyle{ \Rightarrow.}\)

Przypuśćmy teraz, że zawsze zachodzi ta równość.
Niech \(\displaystyle{ A_1 \subset X}\) będzie dowolnym podzbiorem. Wtedy: \(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X \setminus A_1\right)= Y \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right).}\)

Pokażemy, że funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest funkcją 'na' zbiór \(\displaystyle{ Y.}\)
Niech zatem \(\displaystyle{ y \in Y.}\)

Jeśli \(\displaystyle{ y \in \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right) \subset \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X\right)}\), to \(\displaystyle{ y \in \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X\right)= f_P.}\)

Jeśli \(\displaystyle{ y\not \in \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right)}\), to \(\displaystyle{ y \in Y \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right)=\stackrel { \rightarrow }{f}\left( X \setminus A_1\right)}\), a więc, na mocy zasady równości zbiorów: \(\displaystyle{ y \in \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X \setminus A_1\right) \subset \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X\right)
= f_P.}\)


Z dowolności wyboru elementu \(\displaystyle{ y \in Y}\) otrzymujemy, że funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest funkcją 'na'.

A zatem \(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X\right)=Y}\), a zatem:

\(\displaystyle{ \stackrel { \rightarrow }{f}\left( X \setminus A_1\right)= Y \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right)=\stackrel { \rightarrow }{f}\left( X\right) \setminus \stackrel { \rightarrow }{f}\left( A_1\right),}\)

i, taka równość, zachodzi dla każdego zbioru \(\displaystyle{ A_1 \subset X}\); a zatem, w myśl równoważności z poprzedniego twierdzenia, otrzymujemy, że funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest injekcją. \(\displaystyle{ \square}\) :lol: 8-)
Jakub Gurak
Użytkownik
Użytkownik
Posty: 1407
Rejestracja: 20 lip 2012, o 21:19
Płeć: Mężczyzna
Lokalizacja: Rzeszów
Podziękował: 66 razy
Pomógł: 83 razy

Re: Rozłączne figury

Post autor: Jakub Gurak »

Wczoraj wykazałem, że przedziałów ograniczonych na prostej(o dodatniej długości), przedziałów o rozłącznych wnętrzach może być tylko co najwyżej przeliczalnie wiele (tzn. każda rodzina zbiorów prawie rozłącznych, tzn. chodzi tu nie tyle o rodzinę zbiorów rozłącznych, tylko dopuszczamy tu jeszcze przekroje jednoelementowe zbiorów tej rodziny, wtedy takie przedziały będą mogły 'stykać się' tylko na swoich końcach, każda taka rodzina jest co najwyżej przeliczalna). Udowodniłem również (i to na dwa sposoby), że każda rodzina przedziałów domkniętych (o dodatniej długości) na prostej, przedziałów prawie rozłącznych, jest co najwyżej przeliczalna. Zbadałem też (ale już mniej szczegółowo) takie dwa fakty, dowodząc, że każda rodzina prostokątów na płaszczyźnie (o dodatnim polu), prostokątów o rozłącznych wnętrzach, jest co najwyżej przeliczalna. I wykazałem podobnie, że każda rodzina kwadratów (o dodatnim polu) na płaszczyźnie, kwadratów o rozłącznych wnętrzach, jest co najwyżej przeliczalna. Przedstawię teraz dowody tych ciekawych faktów.

Niech:

\(\displaystyle{ \mathbb{B}= \left\{ A \subset \RR\Bigl| \ \left\{ \right\} \neq A \hbox{ jest przedziałem ograniczonym i } l _{A}:= \bigvee A- \bigwedge A>0 \right\};}\)

gdzie zapis \(\displaystyle{ \bigvee A}\) oznacza supremum zbioru \(\displaystyle{ A}\), a zapis \(\displaystyle{ \bigwedge A}\) oznacza infimum zbioru \(\displaystyle{ A}\); jest to rodzina niepustych przedziałów ograniczonych na prostej o dodatniej długości (gdyż ten ostatni zapis wyklucza przedziały jednopunktowe, no bo dla \(\displaystyle{ a \in \RR}\), mamy: \(\displaystyle{ \left[ a,a\right]= \left\{ a\right\}}\) , ale \(\displaystyle{ \bigvee\left\{ a\right\}=a= \bigwedge \left\{ a\right\}}\) ).

Niech \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{B}}\) będzie dowolną rodziną zbiorów z \(\displaystyle{ \mathbb{B}}\), taką, że jeśli \(\displaystyle{ A_1, A_2}\) są dwoma różnymi zbiorami tej rodziny \(\displaystyle{ \mathbb{A},}\) to ich przekrój jest co najwyżej jednoelementowy. Wykażemy, że każda taka rodzina \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) jest co najwyżej przeliczalna.

DOWÓD TEGO FAKTU:

Niech \(\displaystyle{ A \in\mathbb{A}.}\)
Ponieważ \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{B}}\), więc wtedy zbiór \(\displaystyle{ A}\) jest niepustym przedziałem ograniczonym, a więc ma on supremum \(\displaystyle{ \bigvee A}\) i ma on infimum \(\displaystyle{ \bigwedge A.}\) Wtedy również, z założenia: \(\displaystyle{ \bigvee A> \bigwedge A}\), a więc istnieje liczba wymierna \(\displaystyle{ x_A \in \QQ}\) leżąca pomiędzy nimi, a więc wtedy:
\(\displaystyle{ \bigwedge A< x _{A} < \bigvee A}\).
Ponieważ \(\displaystyle{ x_A> \bigwedge A}\), więc istnieje element \(\displaystyle{ a \in A}\), taki, że \(\displaystyle{ a< x_A}\).
DOWÓD TEGO FAKTU::    
A zatem istnieje liczba \(\displaystyle{ a \in A}\), taka że \(\displaystyle{ a<x_A.}\) Ponieważ \(\displaystyle{ x_A<\bigvee A}\), więc otrzymujemy podobnie, że istnieje liczba \(\displaystyle{ b \in A}\), taka, że \(\displaystyle{ x_A<b}\).
DOWÓD TEGO FAKTU::    
A zatem istnieje element \(\displaystyle{ b \in A}\), taki, że: \(\displaystyle{ x_A<b.}\) A zatem:

\(\displaystyle{ A\ni a<x_A<b \in A}\),

a zbiór \(\displaystyle{ A}\) jest przedziałem, więc wnioskujemy, że \(\displaystyle{ x_A \in A}\), a zatem \(\displaystyle{ x _{A} \in A \cap \QQ}\). I teraz przypisujemy:
\(\displaystyle{ A \in\mathbb{A} \stackrel{f}{ \rightarrow } x_A \in A \cap \QQ.}\)

Wykażemy, że taka funkcja \(\displaystyle{ f:\mathbb{A} \rightarrow \QQ}\) jest różnowartościowa.
W tym celu weźmy dwa różne zbiory \(\displaystyle{ A_1, A_2 \in \mathbb{B}}\), i przypuśćmy nie wprost, że: \(\displaystyle{ f\left( A_1\right)= f\left( A_2\right)}\), oznaczmy tą wartość jako \(\displaystyle{ f\left( A\right)}\). Wtedy \(\displaystyle{ f\left( A\right) \in A_1 \cap A_2}\). Mamy też, z konstrukcji liczby \(\displaystyle{ x _{A}}\), mamy: \(\displaystyle{ \bigwedge A_1<f\left( A\right)< \bigvee A_1}\), i podobnie: \(\displaystyle{ \bigwedge A_2< f(A)< \bigvee A_2.}\)
Niech:

\(\displaystyle{ A_0= \frac{ \max \left( \bigwedge A_1, \bigwedge A_2 \right) + f\left( A\right) }{2}.}\)

gdzie, dla liczb \(\displaystyle{ x,y \in \RR}\) zapis \(\displaystyle{ \max \left( x,y\right)}\) oznacza większą z liczb \(\displaystyle{ x}\) i \(\displaystyle{ y}\).
(Czyli bierzemy tutaj większy z lewych końców tych przedziałów \(\displaystyle{ A_1, A_2}\), i bierzemy wartość środkową między tym punktem a punktem \(\displaystyle{ f\left( A\right) \in \QQ}\) ).

Jeśli \(\displaystyle{ \max \left( \bigwedge A_1; \bigwedge A_2\right) = \bigwedge A_1,}\)
to wykażemy, że \(\displaystyle{ A_0 \in A_1}\).
Wtedy podstawiając za to maksimum, otrzymujemy: \(\displaystyle{ A_0= \frac{\bigwedge A_1+ f\left( A\right) }{2}}\). Mamy \(\displaystyle{ A_0> \bigwedge A_1}\), a zatem istnieje liczba \(\displaystyle{ a \in A_1}\), taka, że \(\displaystyle{ a<A_0}\) ( uzasadniamy to dowodem nie wprost, w sposób podobny jak wcześniej). A zatem istnieje element \(\displaystyle{ a \in A_1}\), taki, że \(\displaystyle{ a<A_0}\). Wtedy:

\(\displaystyle{ A_1\ni a < A_0< f\left( A\right) \in A_1}\).

Ponieważ zbiór \(\displaystyle{ A_1}\) jest przedziałem, więc wnioskujemy, że \(\displaystyle{ A_0 \in A_1}\).

Wykażemy teraz, że \(\displaystyle{ A_0 \in A_2}\).
Mamy \(\displaystyle{ A_0> \bigwedge A_1 \ge \bigwedge A_2}\), a zatem \(\displaystyle{ A_0> \bigwedge A_2}\). A zatem istnieje liczba \(\displaystyle{ b \in A_2}\), taka, że \(\displaystyle{ b<A_0}\). Wtedy:

\(\displaystyle{ A_2\ni b< A_0<f\left( A\right) \in A_2}\),

i ponieważ zbiór \(\displaystyle{ A_2}\) jest przedziałem, więc możemy wnioskować, że \(\displaystyle{ A_0 \in A_2.}\)

A zatem \(\displaystyle{ A_0 \in A_1 \cap A_2}\), i mamy \(\displaystyle{ f\left( A\right) \in A_1 \cap A_2}\), więc ponieważ \(\displaystyle{ A_0< f(A)}\), więc \(\displaystyle{ A_0 \neq f\left( A\right)}\), a zatem przekrój \(\displaystyle{ A_1 \cap A_2}\) jest co najmniej dwuelementowy, co daje sprzeczność z naszym założeniem.

Jeśli \(\displaystyle{ \max \left( \bigwedge A_1, \bigwedge A_2\right) = \bigwedge A_2}\), to w sposób podobny uzasadniamy, że \(\displaystyle{ A_0 \in A_2}\), i następnie uzasadniamy, w sposób symetryczny jak powyżej, że \(\displaystyle{ A_0 \in A_1}\), a zatem \(\displaystyle{ A_0 \in A_1 \cap A_2}\). Mamy \(\displaystyle{ f\left( A\right) \in A_1 \cap A_2}\), więc ponieważ \(\displaystyle{ f\left( A\right) \neq A_0}\) (bo \(\displaystyle{ A_0< f\left( A\right)}\)), więc przekrój \(\displaystyle{ A_1 \cap A_2}\) jest co najmniej dwuelementowy, co również daje sprzeczność z naszymi założeniami.

Wobec czego funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest różnowartościowa.
A zatem \(\displaystyle{ \left| \mathbb{A}\right| \le \left| \QQ\right| = \left| \NN\right|}\), czyli rodzina \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) jest co najwyżej przeliczalna\(\displaystyle{ .\square}\)

Przejdźmy do naszego drugiego problemu:
Niech:
\(\displaystyle{ \mathbb{S}= \left\{ \left[ a,b\right] \Bigl| \ a,b \in \RR, a<b\right\},}\)
będzie rodziną wszystkich przedziałów domkniętych o dodatniej długości.
I niech \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{S}}\) będzie dowolną rodziną zbiorów z \(\displaystyle{ \mathbb{S}}\), taką, że dla każdych dwóch różnych zbiorów z \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) ich przekrój jest co najwyżej jednoelementowy. Wykażemy, że każda taka rodzina \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) jest co najwyżej przeliczalna.

PROSTY DOWÓD TEGO FAKTU:

Ten fakt wynika z poprzedniego faktu:

Niech:

\(\displaystyle{ \mathbb{B}= \left\{ A \subset \RR\Bigl| \ \left\{ \right\} \neq A \hbox{ jest przedziałem ograniczonym i } l _{A}:= \bigvee A- \bigwedge A >0 \right\};}\)

będzie poprzednio rozważaną rodziną przedziałów ograniczonych.
Wystarczy zatem pokazać, że: \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{B}.}\)
W tym celu wykazujemy, że \(\displaystyle{ \mathbb{S} \subset \mathbb{B}.}\)
Jeśli mamy przedział domknięty \(\displaystyle{ \left[ a;b\right]}\) z rodziny \(\displaystyle{ \mathbb{S}}\), to jest to niepusty (\(\displaystyle{ a \in \left[ a,b\right]}\) ) podzbiór zbioru \(\displaystyle{ \RR}\), jest to przedział ograniczony, i \(\displaystyle{ l _{\left[ a,b\right] }= \left( \bigvee \left[ a,b\right]\right) - \bigwedge \left[ a,b\right]= b-a>0.}\) A zatem \(\displaystyle{ \left[ a,b\right] \in \mathbb{B}}\), i \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{S} \subset \mathbb{B}}\), tak więc \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{B}.}\)
I mamy, z założenia, to, że każde dwa różne zbiory tej rodziny \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) mają przekrój co najwyżej jednoelementowy. Stosując zatem poprzedni fakt, otrzymujemy: \(\displaystyle{ \left| \mathbb{A}\right| \le \left| \NN\right|.\square}\)

Wykażemy ten fakt również innym sposobem (bo taki sposób był moim pierwotnym zamierzeniem, pomysłem zapoczątkowanym przed zrobieniem tego pierwszego dowodu, więc oczywiście dopiero przystępując do drugiego faktu zacząłem podejrzewać, że wynika on z pierwszego faktu, a pierwotny pomysł był inny); oto:

DRUGI DOWÓD TEGO FAKTU:

Niech:

\(\displaystyle{ \mathbb{A ^{'} }= \left\{ \left( a,b\right)= \left[ a,b\right] \setminus \left\{ min \left[ a,b\right] =a; max \left[ a,b\right]=b \right\}\Bigl| \ \left[ a,b\right] \in \mathbb{A}\right\}. }\)

Czyli z przedziałów domkniętych z rodziny \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) usuwamy ich końce otrzymując rodzinę odpowiednich im przedziałów otwartych.
Wykażemy, że rodzina \(\displaystyle{ \mathbb{A'}}\) jest rodziną zbiorów rozłącznych.
W tym celu weźmy dwa różne przedziały otwarte \(\displaystyle{ \left( a_1, b_1\right); \left( a_2; b_2\right) \in \mathbb{A'}}\), i pokażmy, że są one rozłączne. W tym celu wyznaczmy ich przekrój. Mamy: \(\displaystyle{ \left( a_1, b_1\right) \cap \left( a_2, b_2 \right) \subset \left[ a_1, b_1\right] \cap \left[ a_2, b_2\right] \subset \left\{ b_1\right\},}\)
co otrzymujemy, na mocy naszego założenia, mówiącego, że każde dwa różne zbiory z rodziny \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) mają przekrój co najwyżej jednoelementowy. Ale \(\displaystyle{ b_1\not \in \left( a_1, b_1\right)}\), bo \(\displaystyle{ b_1\not< b_1}\), a zatem tym bardziej \(\displaystyle{ b_1\not \in \left( a_1, b_1\right) \cap \left( a_2, b_2\right)}\), a zatem przekrój \(\displaystyle{ \left( a_1, b_1\right) \cap \left( a_2, b_2\right)}\) jest pusty, a zatem przedziały otwarte \(\displaystyle{ \left( a_1, b_1\right)}\) i \(\displaystyle{ \left( a_2, b_2\right)}\) są rozłączne, i rodzina \(\displaystyle{ \mathbb{A'}}\) jest rodziną zbiorów rozłącznych.
Ponieważ jest to rodzina przedziałów otwartych, to pewien znany fakt, daje, że jest ona co najwyżej przeliczalna.
Definiujemy teraz funkcję: \(\displaystyle{ f:\mathbb{A} \rightarrow \mathbb{A'}}\), daną jako:
\(\displaystyle{ f\left( A\right)= A \setminus \left\{ min \left( A\right); max \left( A\right) \right\}= \left[ a,b\right] \setminus \left\{ a,b\right\} = \left( a,b\right) \subset \RR.}\)
Wykażemy, że funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest różnowartościowa.
W tym celu weźmy dwa różne zbiory tej rodziny \(\displaystyle{ A_1, A_2 \in \mathbb{A}}\), i pokażmy, że przypisane im zbiory \(\displaystyle{ f\left( A_1\right)}\) i \(\displaystyle{ f\left( A_2\right)}\) są różne. Z założenia mamy, że przekrój \(\displaystyle{ A_1 \cap A_2}\) jest co najwyżej jednoelementowy. Z definicji funkcji \(\displaystyle{ f}\) otrzymamy, że zbiory \(\displaystyle{ f\left( A_1\right)}\) i \(\displaystyle{ f \left( A_2\right)}\) są rozłączne i niepuste, a zatem różne, czyli: \(\displaystyle{ f\left( A_1\right) \neq f\left( A_2\right)}\).
A zatem funkcja \(\displaystyle{ f}\) jest różnowartościowa.
A zatem \(\displaystyle{ \left| \mathbb{A}\right| \le \left| \mathbb{A'}\right| \le \left| \NN\right|}\), czyli rodzina \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) jest co najwyżej przeliczalna\(\displaystyle{ .\square}\) :P :lol:

Zbadałem też wczoraj (ale już mniej szczegółowo) poniższy problem:

Niech:

\(\displaystyle{ \mathbb{S}= \left\{ \left[ a,b\right] \Bigl| \ a,b \in \RR, a<b\right\}}\);

i niech:

\(\displaystyle{ \mathbb{B} = \left\{ A \times B\Big| \ A,B \in \mathbb{S}\right\} = \left\{ A \times B\Bigl| \ \left( A,B\right) \in \mathbb{S} \times \mathbb{S} \right\};}\)

będzie rodziną prostokątów o dodatnim polu.
I niech \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{B}}\) będzie dowolną rodziną zbiorów z \(\displaystyle{ \mathbb{B}}\), taką, że dla dowolnych dwóch różnych zbiorów \(\displaystyle{ A_1, A_2 \in \mathbb{A}}\) ich wnętrza są rozłączne. Wykażemy, że rodzina \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) jest co najwyżej przeliczalna.

SZKIC DOWODU TEGO FAKTU:

Pzypisujemy:

\(\displaystyle{ A\in \mathbb{A}\stackrel {f} { \rightarrow } \left\langle x,y\right\rangle \in A \cap \left( \QQ \times \QQ\right);}\)
zbiorowi tej rodziny przypisujemy punkt z jego środka o obu współrzędnych wymiernych, i pokazujemy, że taka funkcja \(\displaystyle{ f:\mathbb{A} \rightarrow \QQ \times \QQ\sim \NN}\), jest różnowartościowa.
Nie może ona dwóm różnym zbiorom tej rodziny przypisywać tego samego punktu, bo ponieważ taka funkcja zbiorowi przypisuje punkt z jego wnętrza, to wnętrza tych zbiorów by się przecinały- sprzeczność. Wobec czego jest to funkcja różnowartościowa.
A zatem: \(\displaystyle{ \mathbb{A} \le \left| \QQ \times \QQ\right|= \left| \NN\right|.\square}\)

I ostatni nasz problem:

Niech:

\(\displaystyle{ \mathbb{S}= \left\{ \left[ a,b\right]\Bigl| \ a,b \in \RR, a<b \right\};}\)

i dla przedziału domkniętego tej rodziny \(\displaystyle{ \left[ a,b\right] \in \mathbb {S}}\), niech: \(\displaystyle{ l _{\left[ a,b\right] }= b-a}\), taką liczbę nazwijmy długością przedziału domkniętego \(\displaystyle{ \left[ a,b\right]}\).
Niech:

\(\displaystyle{ \mathbb{B} _{0}= \left\{ A \times B\Bigl| \ A,B \in \mathbb{S}\right\}= \left\{ A \times B\Bigl| \ \left( A,B\right) \in \mathbb{S} \times \mathbb{S} \right\};}\)

będzie rodziną prostokątów (o dodatnim polu); i niech:

\(\displaystyle{ \mathbb{B}= \left\{ \left( A \times B\right) \in \mathbb{B}_0: \ l _{A}= l _{B} \right\} ;}\)

będzie rodziną prostokątów o tych samych długościach obu osi, a więc rozważamy tutaj rodzinę kwadratów.
Wykażemy, że dowolna rodzina \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{B}}\) kwadratów, taka, że każde dwa różne zbiory tej rodziny mają rozłączne wnętrza, jest co najwyżej przeliczalna.

PROSTY DOWÓD TEGO FAKTU:

Wynika to z poprzedniego faktu:
Wystarczy sprawdzić, czy \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{B_0}.}\) W tym celu wystarczy zauważyć, że z definicji rodziny \(\displaystyle{ \mathbb{B}}\) otrzymujemy: \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{B} \subset \mathbb{B_0}}\), a więc \(\displaystyle{ \mathbb{A} \subset \mathbb{B_0}}\). I każde dwa różne zbiory rodziny \(\displaystyle{ \mathbb{A}}\) mają rozłączne wnętrza, stosując zatem poprzedni fakt, otrzymujemy: \(\displaystyle{ \left| \mathbb{A}\right| \le \left| \NN\right|.\square}\)

Zauważmy jeszcze, że istotnie da się utworzyć rodzinę przeliczalnie wielu kwadratów o rozłącznych wnętrzach, w tym celu wystarczy wziąć:

\(\displaystyle{ \mathbb{A}= \left\{ \left[ x,x+1\right] \times \left[ 0,1\right]\Bigl| \ x \in \ZZ \right\}}\);

Wtedy, dla liczby całkowitej \(\displaystyle{ x \in \ZZ}\), mamy: \(\displaystyle{ Int\left( \left[ x,x+1\right] \times \left[ 0,1\right] \right)= \left( x,x+1\right) \times \left( 0,1\right)}\), a zatem, dla \(\displaystyle{ x_1 \neq x_2}\) wnętrza \(\displaystyle{ Int \left( \left[ x_1, x_1+1\right] \times \left[ 0,1\right] \right)}\) i \(\displaystyle{ Int \left( \left[ x_2, x_2+1\right] \times \left[ 0,1\right] \right)}\) są rozłączne.\(\displaystyle{ \square}\) 8-)

Na przyszłość zostawiam sobie zbadanie problemu ile można umieścić kostek w przestrzeni trójwymiarowej o rozłącznych wnętrzach oraz ile można umieścić sześcianów o rozłącznych wnętrzach w przestrzeni trójwymiarowej ... 8-)

Na koniec dodam, że mamy takie dwa fakty:
Każdy ciąg \(\displaystyle{ f:\NN \rightarrow \RR}\) rosnący ograniczony z góry jest zbieżny;
Każdy ciąg \(\displaystyle{ f:\NN \rightarrow \RR}\) malejący ograniczony z dołu jest zbieżny;

Oto:

PROSTY DOWÓD PIERWSZEGO Z TYCH DWÓCH FAKTÓW:

Zbiór wartości \(\displaystyle{ f_P}\) ciągu \(\displaystyle{ f}\) jest z założenia ograniczony od góry, i jest niepusty (wyraz \(\displaystyle{ f_0}\) jest jego elementem), a zatem ma supremum \(\displaystyle{ S \in \RR}\). A supremum ciągu rosnącego jest jego granicą\(\displaystyle{ .\square}\)
Podobnie dowodzimy drugiego faktu (gdyż infimum ciągu malejącego jest jego granicą).
A najpiękniejsza granica to jest to złota proporcja:
\(\displaystyle{ \frac{ \sqrt{5}+1 }{2}= 1+ \frac{1}{1+ \frac{1}{1+ \frac{1}{1+\ldots} } } \approx 1,62.}\) :mrgreen:
ODPOWIEDZ