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Teoría de los Conjuntos I: Conjuntos finitos (parte II)

Por Gabriela Hernández Aguilar

Introducción

En esta entrada daremos continuación al tema de conjuntos finitos. Probaremos más resultados que se satisfacen para los conjuntos finitos y veremos cuál es la cardinalidad del conjunto potencia dada un conjunto finito.

Propiedades de los conjuntos finitos

Teorema. Sean $A$ y $B$ conjuntos tales que $B$ es finito. Si $A\subseteq B$, entonces $A$ es finito. Más aún, $|A|\leq |B|$.

Demostración. (Por inducción sobre $|B|$).

Base de inducción. Supongamos que $|B|=0$. Entonces $B=\emptyset$, por lo que $A=\emptyset$ y así, $A$ es finito y $0=|A|\leq |B|=0$.

Hipótesis de inducción. Supongamos que para $|B|=n$ se cumple que si $A\subseteq B$, entonces $A$ es finito y $|A|\leq |B|$.

Paso inductivo. Sea $B$ un conjunto finito, tal que $|B|=n+1$, veamos que si $A\subseteq B$, entonces $A$ es finito y $|A|\leq |B|$.

Sea $A\subseteq B$ arbritario.

Si $A=B$, entonces $A$ es finito y $|A|\leq |B|$.

Si $A\not=B$, entonces existe $x\in B\setminus A$. Luego, $A\subseteq B\setminus\set{x}$ y como $|B\setminus \set{x}|=n$, tenemos por hipótesis de inducción que $A$ es finito y $|A|\leq |B\setminus \set{x}|=n$. Luego entonces, $A$ es finito y $|A|\leq |B|$.

$\square$

Cardinalidad del conjunto potencia

Teorema. Si $X$ es finito, entonces $\mathcal{P}(X)$ es finito y $|\mathcal{P}(X)|=2^{|X|}$.

Nota: $2^{n}=\underbrace{2\cdot 2\cdots 2}_{n-veces}$.

Demostración. (Por inducción sobre $|X|$).

Base de inducción. Si $|X|=0$, entonces $X=\emptyset$ y así, $\mathcal{P}(X)=\set{\emptyset}$, por lo que $\mathcal{P}(X)$ es finito y $|\mathcal{P}(X)|=2^{|X|}=2^0=1$.

Hipótesis de inducción. Supongamos que si $X$ es finito tal que $|X|=n$, entonces $\mathcal{P}(X)$ es finito y $|\mathcal{P}(X)|= 2^{|X|}$.

Paso inductivo. Sea $X$ un conjunto finito tal que $|X|=n+1$. Supongamos que $X=\set{X_1,X_2, \dots, X_n, X_{n+1}}$. Luego, consideremos $X’=X\setminus \set{X_1}$, entonces $|X’|=n$ y así, $|\mathcal{P}(X’)|=2^{|X’|}$. Veamos que $\mathcal{P}(X)$ es finito y $|\mathcal{P}(X)|=2^{|X|}$, para ello veamos primero que $\mathcal{P}(X)=\mathcal{P}(X’)\cup \set{Z\in \mathcal{P}(X): X_1\in Z}$.

Procederemos por doble contención.

$\subseteq$) Sea $Y\in \mathcal{P}(X)$, entonces $Y\subseteq X$. Si $X_1\in Y$, entonces $Y\in \set{Z\in \mathcal{P}(X): X_1\in Z}$ y por lo tanto, $Y\in \mathcal{P}(X’)\cup \set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}$.

Si $X_1\notin Y$, entonces $Y\subseteq X\setminus \set{X_1}=X’$, por lo que $Y\in \mathcal{P}(X’)$ y por lo tanto, $Y\in \mathcal{P}(X’)\cup \set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}$.

Concluimos que $\mathcal{P}(X)\subseteq \mathcal{P}(X’)\cup \set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}$.

$\supseteq$) Sea $Y\in \mathcal{P}(X’)\cup \set{Z\in \mathcal{P}(X): X_1\in Z}$.

Caso 1: Si $Y\in \mathcal{P}(X’)$, entonces $Y\subseteq X’$ y como $X’\subseteq X$, entonces $Y\subseteq X$ y así, $Y\in \mathcal{P}(X)$.

Caso 2: Si $Y\in \set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}$, entonces $Y\in \mathcal{P}(X)$.

Por lo tanto, $\mathcal{P}(X’)\cup \set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}\subseteq \mathcal{P}(X)$.

Así, $\mathcal{P}(X)=\mathcal{P}(X’)\cup \set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}$.

Luego, por hipótesis de inducción tenemos que $\mathcal{P}(X’)$ es finito y $|\mathcal{P}(X’)|=2^n$.

Además, $\set{Z\in \mathcal{P}(X)}$ es finito, más aún, $|\set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}|=|\mathcal{P}(X’)|$. Para probar este último hecho estableceremos una biyección entre $\mathcal{P}(X’)$ y $\set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}$.

Consideremos $f:\mathcal{P}(X’)\to \set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}$ dada por $f(Y)=Y\cup \set{X_1}$. Veamos que $f$ es biyectiva.

Inyectividad. Sean $A,B\in \mathcal{P}(X’)$ tales que $f(A)=f(B)$, esto es $A\cup \set{X_1}=B\cup \set{X_1}$. Luego, $A$ y $\set{X_1}$ son ajenos pues $A\subseteq X’=X\setminus \set{X_1}$; asimismo, $B$ y $\set{X_1}$ son ajenos pues $B\subseteq X’=X\setminus \set{X_1}$. De este modo, debe ocurrir que $A=B$. Por lo tanto, $f$ es inyectiva.

Sobreyectividad. Sea $Y\in \set{Z\in \mathcal{P}(X):X_1\in Z}$. Entonces $Y\subseteq X$ y $X_1\in Y$.

Veamos que existe $W\subseteq X\setminus \set{X_1}$ tal que $f(W)=Y$. Consideremos $W=Y\setminus \set{X_1}$, tenemos que $f(W)=(Y\setminus \set{X_1})\cup \set{X_1}=Y$. Por lo tanto, $f$ es sobreyectiva.

Así, $f$ es biyectiva y $|\set{Z\in \mathcal{P}(X): X_1\in Z}|=2^n$.

Por lo tanto, $|\mathcal{P}(X)|=|\mathcal{P}(X’)\cup \set{Z\in \mathcal{P}(X)}|= 2^n+2^n=2(2^n)= 2^{n+1}$. Lo que concluye nuestra prueba.

$\square$

Tarea moral

La siguiente lista de ejercicios te permitirá reforzar el contenido visto en esta sección:

  • Demuestra que si $A$ es un conjunto finito, entonces $A$ no es equipotente a ninguno de sus subconjuntos propios.
  • Si $A$ y $B$ son conjuntos finitos y ajenos, muestra que $A\cup B$ es finito y $|A\cup B|=|A|+|B|$.
  • Demuestra que si $A\subseteq B$ y $B$ es finito, entonces $|B|=|B\setminus A|+|A|$.
  • Demuestra que si $A$ y $B$ son cualesquiera conjuntos finitos, entonces $|A\cup B|+|A\cap B|=|A|+|B|$.

Más adelante…

En la siguiente entrada abordaremos a los conjuntos infinitos, esto nos acercará a preguntarnos sobre la cardinalidad de dichos conjuntos.

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Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Teoría de los Conjuntos I: Conjuntos finitos

Por Gabriela Hernández Aguilar

Introducción

Ahora que sabemos el concepto de equipotencia, en esta sección veremos a los conjuntos finitos, los cuales podremos contar según el número natural al que sean equipotentes. Además, veremos resultados acerca de la cardinalidad de la unión de dos conjuntos.

Conjuntos finitos

Definición. Sea $X$ un conjunto. Decimos que $X$ es un conjunto finito si y sólo si existe $n\in \mathbb{N}$ tal que $X\sim n$.

Ejemplo.

El conjunto $\emptyset$ es finito, pues existe una biyección entre el conjunto $\emptyset$ y $0$; a saber, la función vacía.

$\square$

Ejemplo.

El conjunto $A=\set{2,4,6,8, 10}$ es finito pues $f:A\to 5=\set{0,1,2,3,4}$ definida por medio de $f=\set{(2,0), (4,1), (6,2), (8,3), (10, 4)}$ es una función biyectiva.

$\square$

Es conveniente añadir la siguiente notación para conjuntos finitos, pues hará más fluida la escritura.

Definición. Sea $X$ un conjunto finito y $n\in\mathbb{N}$ tal que $X\sim n$. Definimos el cardinal de $X$ como el número natural al cual $X$ es equipotente, y lo denotaremos por medio del símbolo $|X|$; esto es, $|X|:=n$.

Lema. Si $X$ es finito y $y\notin X$, entonces $X\cup\set{y}$ es finito y $|X\cup \set{y}|= |X|+1$.

Demostración.

Sea $X$ finito tal que $|X|=n$, entonces existe $f:n\to X$ tal que $f$ es biyectiva.

Definimos $f’:s(n)\to X\cup \set{y}$ como

$f'(x)= \left\{ \begin{array}{lcc}
             f(x) &   si  & x \in n \\
             \\ y&  si & x=n \\
             \end{array}
   \right.$

Tenemos que $f$ es biyectiva.

En efecto, primero veamos que $f$ es inyectiva. Sean $x_1, x_2\in s(n)$ tales que $f'(x_1)=f'(x_2)$.

Caso 1: Si $x_1\in n$ y $x_2\in n$, entonces $f(x_1)=f'(x_1)=f'(x_2)=f(x_2)$. Como $f$ es inyectiva, entonces $x_1=x_2$.

Caso 2: Si $x_1= n$ y $x_2= n$, entonces $x_1=x_2$.

No ocurre que $x_1\in n$ y $x_2=n$ pues $f'(x_1)=f(x_1)\in X$ y $f'(x_2)=y\notin X$. De manera análoga, no ocurre que $x_1=n$ y $x_2\in n$.

Por lo tanto, $f’$ es inyectiva.

Veamos ahora que $f’$ es sobreyectiva.

Sea $w\in X\cup \set{y}$. Veamos que existe $x\in s(n)$ tal que $f'(x)=w$.

Caso 1: Si $w\in X$, entonces existe $x\in n$ tal que $f(x)=w$, pues $f:n\to X$ es una función sobreyectiva, así que existe $x\in s(n)$ tal que $f'(x)=f(x)=w$.

Caso 2: Si $w=y$, entonces tomamos al elemento $n\in s(n)$ y se tiene que $f'(n)=w$.

De los casos 1 y 2, concluimos que $f’$ es sobreyectiva.

Por lo tanto, $f’$ es biyectiva y así $X\cup\set{y}$ es finito; más aún, $X\cup\set{y}\sim s(n)$, es decir, $|X\cup \set{y}|=s(n)=n+1=|X|+1$.

$\square$

Teorema. Sean $X$ y $Y$ conjuntos finitos, entonces $X\cup Y$ es finito. Más aún, $|X\cup Y|\leq |X|+|Y|$.

Demostración. (Por inducción sobre $|Y|$.

Base de inducción. Si $|Y|=0$, entonces $Y=\emptyset$, así $X\cup Y=X\cup \emptyset=X$ y por lo tanto, $|X\cup Y|=|X|=|X|+0=|X|+|\emptyset|$.

Hipótesis de inducción. Ahora supongamos que si $X$ y $Y$ son finitos tales que $|X|=m$ y $|Y|=n$, entonces $X\cup Y$ es finito y $|X\cup Y|\leq |X|+|Y|$.

Paso inductivo. Veamos que si $|Y|=n+1$, entonces $X\cup Y$ es finito y $|X\cup Y|\leq |X|+|Y|$. Si para todo $y\in Y$, $y\in X$, entonces $Y\subseteq X$, por lo que $X\cup Y=X$ y, por tanto, $X\cup Y$ es finito; además, como $n\leq n+t$ para cualesquiera naturales $n$ y $t$, entonces $|X\cup Y|=|X|\leq |X|+|Y|$.

Supongamos ahora que existe $y\in Y\setminus X$. Luego, sea $Y’=Y\setminus \set{y}$. Tenemos que $|Y’|=n$ por lo que, por hipótesis de inducción, se tiene que $X\cup Y’$ es finito y $|X\cup Y’|\leq |X|+|Y’|$.

Luego, dado que $y\notin Y’$ y $y\notin X$, entonces, $y\notin X\cup Y’$, y así por el lema anterior, tenemos que $(X\cup Y’)\cup\set{y}$ es finito y

\begin{align*}
|(X\cup Y’)\cup \set{y}|&=|X\cup Y’|+1\\
&\leq |X|+|Y’|+1\\
&=|X|+n+1=|X|+|Y|.
\end{align*}

Por lo tanto, $X\cup Y$ es finito y $|X\cup Y|\leq |X|+|Y|$, siempre que $X$ y $Y$ son conjuntos finitos.

$\square$

Teorema. Si $\mathcal{F}$ es finito y para cualquier $X\in \mathcal{F}$, $X$ es finito. Entonces $\bigcup\mathcal{F}$ es finito.

Demostración. (Por inducción sobre la cardinalidad de $\mathcal{F}$).

Base de inducción. Si $|\mathcal{F}|=0$, entonces $\mathcal{F}=\emptyset$. Así, se cumple por vacuidad, que si cualquier $X\in \mathcal{F}$ es finito, entonces $\bigcup \mathcal{F}$ es finito. Más aún, $\bigcup \mathcal{F}=\emptyset$ y $|\bigcup \mathcal{F}|=0$.

Hipótesis de inducción. Supongamos que si $|\mathcal{F}|=n$ y para cualquier $X\in \mathcal{F}$, $X$ es finito, se cumple que $\bigcup\mathcal{F}$ es finito.

Paso inductivo. Veamos que si $|\mathcal{F}|=n+1$ y para cualquier $X\in \mathcal{F}$, $X$ es finito, entonces $\bigcup\mathcal{F}$ es finito.

Sea $X\in\mathcal{F}$ y definamos $\mathcal{F’}:=\mathcal{F}\setminus X$. Tenemos que cualquier elemento de $\mathcal{F’}$ es finito y que $|\mathcal{F}’|=n$, por lo que por hipótesis de inducción se cumple que $\bigcup\mathcal{F’}$ es finito.

Ahora, por el lema, tenemos que $\bigcup\mathcal{F}’\cup X$ es finito.

Afirmación. $\bigcup\mathcal{F}=\bigcup\mathcal{F}’\cup X$.

Demostración de la afirmación.

Sea $x\in\bigcup \mathcal{F}$, entonces existe $Y\in \mathcal{F}$ tal que $x\in Y$.

Caso 1: Si $Y=X$, entonces $x\in X$ y por lo tanto, $x\in \bigcup\mathcal{F}’\cup X$.

Caso 2: Si $Y\not=X$, entonces $Y\in \mathcal{F}’$ y así, $x\in \bigcup\mathcal{F}’$, lo cual implica que $\bigcup\mathcal{F}\subseteq \bigcup\mathcal{F}’\cup X$.

Ahora, como $\mathcal{F’}\subseteq\mathcal{F}$ y $X\in\mathcal{F}$, entonces $\bigcup\mathcal{F’}\cup X\subseteq\mathcal{F}$.

Así, $\bigcup \mathcal{F}=\bigcup\mathcal{F}’\cup X$. Por lo tanto, $\bigcup\mathcal{F}$ es finito. Lo que concluye nuestra prueba.

$\square$

,

Tarea moral

La siguiente lista de ejercicios te permitirá reforzar el contenido visto en esta sección.

  • Sea $X$ un conjunto finito y $x\in X$. Si $|X|=n+1$, demuestra que $X\setminus\set{x}$ es finito y que $|X\setminus\set{x}|=n$.
  • Prueba que si $X$ y $Y$ son conjuntos finitos, entonces $X\cap Y$ también es finito.
  • Si $A$ y $B$ son conjuntos finitos, prueba que $A\setminus B$ también es finito.

Más adelante…

En la siguiente entrada continuaremos con el contenido de esta sección, probaremos más propiedades sobre los conjuntos finitos y a su vez hablaremos acerca de la cardinalidad del conjunto potencia.

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Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»