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Teoría de los Conjuntos I: Pares ordenados y producto cartesiano

Por Gabriela Hernández Aguilar

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Introducción

En esta nueva entrada hablaremos de pares ordenados. Esto nos llevará a muchas ideas importantes en teoría de conjuntos como el producto cartesiano, las relaciones, las funciones y los órdenes.

En estra entrada comenzaremos definiendo qué es un par ordenado. Estudiaremos cuándo dos pares ordenados son iguales. Veremos algunas definiciones alternativas de par ordenado que tienen la misma propiedad crucial. A partir de la idea de par ordenado, definiremos al producto cartesiano y daremos algunos ejemplos sobre este concepto.

Par ordenado

Anteriormente vimos el concepto de par no ordenado. Dados $a$ y $b$ conjuntos , podíamos construir un conjunto cuyos elementos son solamente $a$ y $b$. Sin embargo, el orden de los elementos no es importante. Si $a,b$ son conjuntos, el par no ordenado $\set{a,b}$ resulta ser igual al par no ordenado $\set{b,a}$ por el axioma de extensión.

Pero en matemáticas muchas veces necesitamos poder distiguir cuándo «$a$ va en la primera posición y $b$ va en la segunda». A continuación daremos una definición que nos permitirá hacer esto.

Definición. Sean $a$ y $b$ conjuntos. Definimos al par ordenado $(a, b)$ como el conjunto:

$(a,b)=\set{\set{a}, \set{a,b}}$.

Esta definición fue dada por Kazimierz Kuratowski en 1921. Lo que permite tener una expresión matemática que nos deja «darle orden» a las parejas. Esto es lo que enuncia de manera más precisa el siguiente resultado.

Teorema. Sean $a, b, c, d$ conjuntos, entonces $(a,b)=(c, d)$ si y sólo si $a=c$ y $b=d$.

Demostración.

$\leftarrow$] Supongamos que $a=c$ y $b=d$. Resulta que $(a,b)=\set{\set{a},\set{a,b}}=\set{\set{c}, \set{c,d}}=(c,d)$.

$\rightarrow$] Supongamos que $(a,b)=(c,d)$. Veamos que $a=c$ y $b=d$.

Caso 1: $a=b$

Si $a=b$, entonces $(a,b)=\set{\set{a}, \set{a,b}}=\set{\set{a},\set{a,a}}=\set{\set{a},\set{a}}=\set{\set{a}}$. Dado que $(a,b)=(c,d)=\set{\set{c},\set{c,d}}$ tenemos que $\set{a}=\set{c}$ y $\set{a}=\set{c,d}$, por lo que $a=c=d$. Por lo tanto, $a=c$ y $b=d$.

Caso 2: $a\not=b$

Como $\set{a}\in \set{\set{a},\set{a,b}}=\set{\set{c},\set{c,d}}$, entonces $\set{a}\in \set{\set{c}, \set{c,d}}$. Así, $\set{a}=\set{c}$ o $\set{a}=\set{c,d}$.

El caso en el que $\set{a}=\set{c, d}$ no puede ocurrir, pues de ser así $c=d=a$, de donde $(c, d)=\set{\set{c}, \set{c,d}}=\set{\set{c}}$. Además, como $(a,b)=\set{\set{a}, \set{a,b}}$ y $a\not=b$, se tiene que $(a,b)$ tiene dos elementos y $(c, d)$ tiene un elemento, por lo que no es posible que $(a,b)=(c,d)$. Así, este caso no puede ocurrir. Por lo tanto, $\set{a}=\set{c}$ y así $a=c$.

Por otro lado, como $\set{a,b}\in \set{\set{a},\set{a,b}}=\set{\set{c}, \set{c,d}}$ entonces $\set{a,b}=\set{c}$ o $\set{a,b}=\set{c,d}$.

No puede ocurrir que $\set{a,b}=\set{c}$, pues de ser así $a=b=c$, pues contradice el hecho de que $a\not =b$. Así, debe ocurrir que $\set{a,b}=\set{c,d}$. Como $a=c$, entonces $b=d$.

$\square$

La definición de Hausdorff de par ordenado

Aunque la definición que dio Kuratowski es la más conocida y es la que usaremos en nuestro curso, no es la única definición de par ordenado que existe, en el sentido de que la teoría de conjuntos nos permite dar otras definiciones que también cumplen con la propiedad crucial que demostramos en el teorema anterior. La siguiente definición fue dada por Felix Hausdorff en su texto Grundzüge der Mengenlehre de1914.

Definición. Sean $a,b$ conjuntos. Definimos

$(a,b)_{H}=\set{\set{a,\emptyset}, \set{b,\set{\emptyset}}}$.

Ejemplo.

El siguiente ejemplo muestra cómo el orden sí importa.

$(\set{\emptyset,\set{\emptyset}},\set{\set{\emptyset}})_{H}=\set{\set{\set{\emptyset,\set{\emptyset}},\emptyset}, \set{\set{\set{\emptyset}},\set{\emptyset}}}$ y $(\set{\set{\emptyset}},\set{\emptyset,\set{\emptyset}})_{H}=\set{\set{\set{\set{\emptyset}},\emptyset}, \set{\set{\emptyset,\set{\emptyset}}, \set{\emptyset}}}$.

Se puede observar que los conjuntos $(\set{\emptyset,\set{\emptyset}},\set{\set{\emptyset}})_{H}\not=(\set{\set{\emptyset}},\set{\emptyset,\set{\emptyset}})_{H}$.

$\square$

Teorema. Se cumple que $(a,b)_{H}=(c,d)_{H}$ si y sólo si $a=c$ y $b=d$.

Demostración.

Supongamos que $(a,b)_{H}=(c,d)_{H}$, esto es $\set{\set{a,\emptyset}, \set{b,\set{\emptyset}}}= \set{\set{c,\emptyset}, \set{d,\set{\emptyset}}}$. Luego, $\set{a,\emptyset}\in \set{\set{c,\emptyset}, \set{d,\set{\emptyset}}}$, por lo que $\set{a,\emptyset}= \set{c,\emptyset}$ o $\set{a,\emptyset}=\set{d,\set{\emptyset}}$.

Hagamos primero el caso en el que $\{a,\emptyset\}=\{d,\{\emptyset\}\}$. En este caso, $\{b,\{\emptyset\}\}=\{c,\emptyset\}$. Como $\emptyset\neq \{\emptyset\}$, entonces la primera igualdad implica $a=\{\emptyset\}$ y $d=\emptyset$. La segunda igualdad implica $b=\emptyset$ y $c=\{\emptyset\}$. Así, en efecto tenemos $a=c$ y $b=d$.

El otro caso es que $\set{a,\emptyset}= \set{c,\emptyset}$ y $\set{b,\set{\emptyset}}= \set{d,\set{\emptyset}}$. En la primera igualdad, debemos tener entonces $a=c$, y en la segunda $b=d$.

Por lo tanto, en cualquier caso si $(a,b)_{H}=(c,d)_{H}$ entonces $a=c$ y $b=d$.

Por otro lado, si $a=c$ y $b=d$ se cumple que $(a,b)_{H}=\set{\set{a,\emptyset}, \set{b,\set{\emptyset}}}= \set{\set{c,\emptyset}, \set{d,\set{\emptyset}}} =(c,d)_{H}$.

$\square$

La definición de Wiener de par ordenado

Veamos una tercera posible definición. Esta fue dada por Norbert Wiener en 1914, en su texto A simplification of the logic of relations.

Definición. Sean $a$ y $b$ conjuntos. Definimos

$(a,b)_{W}=\set{\set{\set{a},\emptyset},\set{\set{b}}}$.

Ejemplo.

En el siguiente ejemplo mostraremos que el orden de las parejas según la definición de Wiener importa:

$(\emptyset,\set{\emptyset})_{W}=\set{\set{\set{\emptyset}, \emptyset}, \set{\set{\set{\emptyset}}}}$

y $(\set{\emptyset},\emptyset)_{W}=\set{\set{\set{\set{\emptyset}}, \emptyset}, \set{\set{\emptyset}}}$.

Dado que los conjuntos $\set{\set{\set{\emptyset}, \emptyset}, \set{\set{\set{\emptyset}}}}$ y $\set{\set{\set{\set{\emptyset}}, \emptyset}, \set{\set{\emptyset}}}$ son distintos, tenemos que $(\emptyset,\set{\emptyset})_{W}\not=(\set{\emptyset},\emptyset)_{W}$.

$\square$

Como te imaginarás, esta tercera definición también cumple que dos parejas serán iguales si y sólo si son iguales en cada entrada. La verificación de esto queda como uno de los ejercicios.

Producto cartesiano

Si tenemos conjuntos $A$ y $B$, podemos construir muchos pares ordenados $(a,b)$ tomando $a\in A$ y $b\in B$. ¿Qué obtenemos cuando consideramos a todos estos posibles pares?

Definición. Sean $A$ y $B$ conjuntos arbitrarios. Definimos al producto cartesiano de $A$ y $B$, como el conjunto:

$A\times B= \set{(x,y):x\in A\ y\ y\in B}$.

Por supuesto, para que esta definición sea correcta, debemos primero demostrar que en efecto la colección que estamos considerando es un conjunto. Esto está garantizado por la siguiente proposición.

Proposición. Si $A$, $B$ son conjuntos, entonces $A\times B$ es un conjunto.

Demostración.

Sean $A$ y $B$ conjuntos. Se sigue por axioma de la unión que $A\cup B$ es conjunto y por axioma del conjunto potencia tenemos que $\mathcal{P}(A\cup B)$ es conjunto. Y de nuevo, por axioma del conjunto potencia tenemos que $\mathcal{P}(\mathcal{P}(A\cup B))$ es conjunto.

Sean $a\in A$ y $b\in B$ arbitrarios. Veamos que $(a,b)\subseteq \mathcal{P}(\set{a,b})$ y $\mathcal{P}(\set{a,b})\subseteq \mathcal{P}(A\cup B)$.

En efecto, $(a,b)=\set{\set{a},\set{a,b}}$ y $\mathcal{P}(\set{a,b})=\set{\emptyset, \set{a},\set{b},\set{a,b}}$, por lo que se verifica que $(a,b)\subseteq \mathcal{P}(\set{a,b})$. La contención $\mathcal{P}(\set{a,b})\subseteq \mathcal{P}(A\cup B)$ se deduce de la propiedad más general de la potencia que dice que si $X\subseteq Y$, entonces $\mathcal{P}(X)\subseteq \mathcal{P}(Y)$.

Así, $(a,b)\subseteq \mathcal{P}(A\cup B)$, o bien $(a, b)\in \mathcal{P}(\mathcal{P}(A\cup B))$.

Luego por el esquema de comprensión, tenemos que

$$\set{x\in \mathcal{P}(\mathcal{P}(A\cup B)): \exists a\in A\exists b\in B (x=(a,b))}$$

es conjunto, pero esto es precisamente la colección $A\times B$.

$\square$

Ejemplo.

Sean $A=\set{\emptyset, \set{\emptyset}}$ y $B=\set{\set{\emptyset},\set{\set{\emptyset}}}$ conjuntos. Tenemos que:

\begin{align*}
A\times B&=\set{ \emptyset, \set{\emptyset}}\times \set{\set{\emptyset},\set{\set{\emptyset}}}\\
&=\set{(\emptyset,\set{\emptyset}), (\emptyset, \set{\set{\emptyset}}),(\set{\emptyset}, \set{\emptyset}), (\set{\emptyset},\set{\set{\emptyset}}) }.
\end{align*}

$\square$

Tarea moral

  1. Calcula el producto cartesiano de $A\times B$, $B\times A$ y $A\times C$ si $A=\set{\emptyset}$, $B=\set{\emptyset, \set{\emptyset}}$ y $C=\emptyset$.
  2. Justifica por qué para $a$ y $b$ conjuntos se tiene que $(a,b)$, $(a,b)_H$ y $(a,b)_W$ son conjuntos.
  3. Demuestra que $(a,b)_{W}=(c,d)_{W}$ si y sólo si $a=c$ y $b=d$.
  4. Si usáramos las definiciones $(a,b)_H$ y $(a,b)_W$, podríamos de manera análoga a la que creamos $A\times B$, también crear productos cartesianos $A\times_H B$ y $A\times_W B$. Justifica que en este caso también estas colecciones serían conjuntos.

Más adelante…

En la siguiente entrada demostraremos algunas de las propiedades del producto cartesiano. Veremos si para el caso de esta nueva operación para conjuntos se da la conmutatividad, la asociatividad y algunas de las propiedades que tratamos para la unión y la intersección.

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Agradecimientos

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»

Álgebra Superior I: Relaciones en conjuntos: dominio, codominio y composición

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

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Introducción

Habiendo hablado del producto cartesiano, ya tenemos los ingredientes para irnos acercando a la definición de función, pero antes de hablar de ellas, tenemos que hablar de relaciones y de algunos de sus conceptos. En esta entrada introduciremos el concepto de relación, dominio, codominio y composición entre relaciones.

Relaciones

Cuando estamos hablando de el producto cartesiano, estamos juntando las parejas posibles de elementos entre dos conjuntos. Pero quizá no nos interesen todas las parejas posibles, quizá a veces solo nos interesaría hablar de algún subconjunto de estas parejas. Por ejemplo, si tenemos los conjuntos de zapatos izquierdos y derechos denotados por $I,D$ entonces no siempre nos interesan todas las parejas posibles de zapatos, quizá solo nos interese combinar cada zapato izquierda con su par correspondiente. Para dar un ejemplo, imagina que hay tres zapatos $A,B,C$ y los conjuntos $I$ y $D$ contienen tres zapatos de cada uno de los zapatos que hay:

$I = \{I_A, I_B, I_C\} $

$D = \{D_A, D_B, D_C\} $

Si quisieramos unir cada zapato con su par, nos podemos fijar en su producto cartesiano $I \times D$, sin embargo hay elementos que sí nos van a interesar y otros que no. Por ejemplo, la pareja $(I_A,D_A)$ sí nos interesa, pues es el zapato izquierdo y derecho del zapato $A$. Por otro lado, la pareja $(I_A,D_C)$ no nos interesa, pues estamos juntando dos zapatos pero de modelos distintos. En particular, el subconjunto de $I \times D$ que describe a los tres zapatos es: $$R = \{(I_A,D_A),(I_B,D_B),(I_C,D_C)\}.$$ Este conjunto es una relación entre los conjuntos $I$ y $D$. Como podrás notar, $R \subset I \times D$, y para la definición de relación, basta con que el conjunto esté contenido en el producto cartesiano para que cumpla la definicón.

Definición. Sean $X$ y $Y$ dos conjuntos, una relación entre los conjuntos $X$ y $Y$ es un subconjunto $R$ del producto cartesiano $X \times Y$: $$R \subset X \times Y $$

Definición. Si $R$ es una relación de $X$ en $Y$, diremos que $x$ está relacionado con $y$ bajo la relación $R$ si la pareja $(x,y) \in X \times Y$ y $(x,y) \in R$.

Con esta última definición, podemos notar que el zapato izquierdo $A$ ($I_A$) está relacionado con el zapato derecho $A$ ($D_A$) bajo la relación $R$, pues la pareja $(I_A,D_A)$ pertenece a la relación $R$.

En nuestro ejemplo anterior, mostramos una relación entre $I$ y $D$. Otros ejemplos de relaciones entre $I$ y $D$ son los siguientes:

$\{(I_B,D_A),(I_C,D_B),(I_C,D_A)\},$
$\{(I_C,D_B)\}$
$\{(I_A,D_A),(I_C,D_B)\}$
$\emptyset$
$I \times D$

Dominio y codominio de relaciones

Vamos ahora a trabajar con el conjunto de los números enteros $\mathbb{Z}$. Y trabajaremos con el producto cartesiano $\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}$. Llamemos a este producto cartesiano $\mathbb{Z}^2$ que es la forma en que comúnmente se le denota al producto cartesiano entre el mismo conjunto (en este caso $\mathbb{Z}$) en la literatura.

Ahora, consideremos la siguiente relación entre los conjuntos: $$R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: (x \text{ es múltiplo de 3} )\land (y = 2x) \} $$

Y notemos que algunos ejemplos de elementos de esta relación son: $\{ (3,6),(0,0),(-3,-6),(3^{10},2*3^{10}) ,(-300,-600)\} \subset R$. Gráficamente, podemos ver la relación en la siguiente imagen:

Del lado izquierdo corresponden los elementos $x$ de las parejas $(x,y) \in R$ y del lado derecho los elementos $y$. Notemos que del lado izquierdo (los elementos $x$), no consideramos todos los elementos. Por ejemplo, los números $\{-5,-4,-2,-1,1,2,4,5\}$ no forman ninguna pareja, pues en la definición de nuestro conjunto, solo estamos considerando los múltiplos de $3$ del lado izquierdo de la relación. A estos números que sí forman parejas del lado izquierdo, les llamamos dominio.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$. El dominio de la relación $R$ es $$Dom(R) = \{x \in X: \exists y \in Y \text{ tal que } (x,y) \in R\}$$

Notemos que siempre pasará que $Dom(R)\subset X$, otra definición que no hay que confundir con la de dominio es la de contradominio, al que nos referimos como el conjunto $Y$.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$. El contradominio de $R$ es el conjunto $Y$.

En nuestro ejemplo anterior, $$Dom(R)=\{x \in X: x \text{ es múltiplo de 3}\}$$.

Esto es cierto, pues las parejas de la relación $R$ son aquellas parejas de la forma $(3n,6n)$, pues pedimos que del lado izquierdo estén los múltiplos de $3$ (todo múltiplo de $3$ puede escribirse como algún número entero $n$ multiplicado por $3$), y del lado izquierdo el doble del número que escribimos del otro lado (si del lado izquierdo está $3n$ entonces del derecho estará $2*3n=6n$). Así que el dominio son aquellos números que forman alguna pareja, es decir, los múltiplos de $3$.

Por otro lado, el contradominio es $\mathbb{Z}$. Ahora, podemos preguntarnos en un concepto análogo a la idea de los elementos $y$ para los cuales existe un elemento $x$ de forma que $(x,y)$ pertenezca a la relación, para eso, podemos observar que los únicos elementos de $Z$ que pertenecen a alguna pareja del lado derecho son $\{\dots,-12,-6,0,6,12,\dots\}$, es decir, los múltiplos de $6$, de manera que podríamos hablar de que este conjunto es la imagen de la relación $R$.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$. La imagen de $R$ es: $$Im(R) = \{y \in Y: \exists x \in X \text{ tal que } (x,y) \in R\}$$

Imagen Directa e Imagen Inversa

Ahora, tomemos a los conjuntos $A=\{0,2,3,5,6,7,8,9\}$ y $B=\{-6,-1,2,3,4,6,7,12,21\}$ veamos que $A \times B \subset \mathbb{Z}^2$ pues ambos son subconjuntos de números enteros. El siguiente concepto que vamos a presentar, va a ser la imagen directa e inversa. Para esto, consideremos nuevamente nuestra relación $R$ de la sección anterior. Veamos que los elementos de $A$ que pertenecen al dominio de $R$ son $\{0,3,6,9\}$ esto pues $\{(0,0),(3,6),(6,12),(9,18)\} \subset R$. Definamos la imagen directa de $A$ como los elementos en la imagen de $R$ con la restricción de que únicamente consideremos elementos de $A$ del lado izquierdo.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos, $A \subset X$ y $R$ una relación de $X$ en $Y$. La imagen directa de $A$ es el conjunto: $$Im[A]=\{y \in Y: \exists x \in A \text{ tal que }(x,y) \in R\}$$

Compara esta definición con la definición de imagen, lo único que estamos cambiando es el conjunto al que pertencen las $x$.

De manera similar, tenemos un concepto similar para $B$, en donde restringiremos ahora el dominio. Para esto, nota que las parejas de $R$ que tienen su imagen en $B$ son $\{(-3,-6),(3,6),(6,12)\}$. Y el concepto de imagen inversa, serán aquellos elementos del dominio de $R$ los cuales están relacionados con algún elemento de $B$.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos, $B\subset Y$ y $R$ una relación de $X$ en $Y$. La imagen inversa de $B$ es el conjunto: $$Im^{-1}[B]=\{x \in X: \exists y \in B \text{ tal que }(x,y) \in R\}$$

De esta, manera:

$$Im[A]=\{0,6,12,18\},$$ $$ Im^{-1}[B]=\{-3,3,6\}.$$

A continuación, vamos a introducir una última definición de esta entrada, que da la idea intuitiva de juntar distintas relaciones.

Composición de funciones

Ahora, veremos la siguiente relación entre el conjunto de zapatos izquierdos $I$ y conjunto de zapatos derechos $D$:

$$R = \{(x,y) \in I \times D: x \text{ es del mismo color que }y\} $$

Y la relación entre zapatos derechos y el conjunto $P$ de pantalones:

$$ T = \{(x,y) \in D \times P:x \text{ es del mismo color que }y\} $$

Estas relaciones solo nos están juntando colores de prendas, la primera nos junta zapatos del mismo color y la tercera relaciones el color de los zapatos derechos con el del pantalón.

Así que por si ejemplol tuvieramos los colores rojo, amarillo y azul entre zapatos izquierdos, derechos y pantalones, entonces la primera relación tendría al zapato izquierdo rojo $I_R$, el zapato derecho rojo $D_R$ y el pantalón rojo $P_R$, de manera que $(I_R,D_R) \in R \land (D_R,P_R) \in T$. ¿Podemos establecer la conexión entre los zapatos izquierdos y los pantalones? Pues con esta pareja, resulta que de alguna manera el zapato $D_R$ une a los dos elementos mediante dos relaciones distintas. La primera relación tiene como contradominio el conjunto $D$ mientras que la segunda lo tiene como dominio.

De la misma manera, podemos conectar el zapato izquierdo azul $I_A$ con algún pantalón de la siguiente manera:

  1. Notamos que $I_A$ está relacionado con el zapato derecho azul $D_A$ mediante la relación $R$.
  2. Observamos que a su vez el zapato $D_A$ está relacionado con el pantalón azul $P_A$ mediante $T$.

De esta manera, podemos encontrar alguna conexión del zapato $I_A$ al pantalón $P_A$ viendo que hay una relación entre $I_A$ con $D_A$ y de $D_A$ con $P_A$. Así que podríamos definir una relación entre los zapatos izquierdos y los pantalones a través de las relaciones $R$ y $T$. Definamos esta relación como $R \circ T$ de la siguiente manera:

$$T \circ R = \{(x,y) \in I \times P: \exists z \in D \text{ tal que }\big( (x,z) \in R \land (z,y) \in T\big) \} $$

Lo que queremos decir con esta expresión, es que los elementos de la relación $T \circ R$ son los elementos $(x,y)$ de tal forma que existe una forma de conectar $(x,y)$ mediante un elemento $z$ de tal forma que $x$ está relacionado con $y$ mediante la relación $T \circ R$ si existe un elemento $z$ que los conecta, es decir, si existe $z$ en $Im(R) \cap Dom(T)$ de tal forma que $(x,z) \in R$ y $(z,y) \in T$.

Definición. Sean $X,Z,Y$ tres conjuntos, $R$ una relación de $X$ en $Z$ y $T$ una relación de $Z$ en $Y$. La relación composición de $R$ con $T$ es la relación:
$$T \circ R = \{ (x,y) \in X \times Y: \exists z \in Z\big( (x,z) \in R \land (z,y) \in T\big)$$

Veamos ahora un ejemplo de nuevo con los número enteros. Considera la relación que ya habíamos visto anteriormente, dada por: $$R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: (x \text{ es múltiplo de 3} )\land (y = 2x) \} $$ Nota ahora, que como dijimos anteriormente, estos son las parejas de la forma $(3n,6n)$ de manera que otra forma de escribir el conjunto es $$R = \{(3n,6n): n \in \mathbb{Z} \} $$.

Ahora considera la siguiente relación $T$:$$T = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: x = y+1\}$$

Algunos elementos de esta relación son: $\{(3,2),(7,6),(1,0),(-9,-10)\}$. Gráficamente se ve de la siguiente manera:

Y si te das cuenta, únicamente son los números de la forma $(n+1,n)$. Por lo que podríamos escribir esta relación como $$T = \{(n+1,n): n \in \mathbb{Z} \} $$.

Ahora veamos cómo se ve la composición $T \circ R$. Para ello, tomemos un elemento de la relación $R$. Por ejemplo, $(3,6) \in R$. Ahora notemos que de igual forma, $(6,5)$ pertenece a la relación $T$. De manera que $(3,5) \in T \circ R$. En general, un elemento de la relación $R$ se escribe como $(3n,6n)$, y un elemento de la relación $T$, como dijimos al principio del párrafo, es de la forma $(n+1,n)$ o lo que es lo mismo, $(n,n-1)$. Y enseguida nota que si tomamos un número entero $n$, entonces $(3n,6n) \in R$ y $(6n,6n-1) \in T$. De esta manera, podemos escribir a la composición de $R$ con $T$ como el conjunto: $$ T \circ R = \{(3n,6n-1): n \in \mathbb{Z}\}$$

Más adelante…

En la siguiente entrada seguiremos hablando de las relaciones entre conjuntos y veremos algunos tipos de relaciones especiales que tendrán algunas propiedades interesantes. También hablaremos un poco más de relaciones de un conjunto en sí mismo, este tipo de relaciones ya las hemos visto, sin embargo, veremos más propiedades que pueden cumplir estas. Esto nos servirá para hablar después de órdenes entre conjuntos.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Sea $$R=\{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: x+y=0\}$$ y la relación$$T=\{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: x-y=0\}.$$Encuentra:
    • $Dom(R)$
    • $Im(R)$
    • Escribe todos los elementos de $T \circ R$
    • Encuentra $Im[\{1,2,3,4,5\}]$ sobre la relación $R$
    • Encuentra $Im^{-1}[\{-1,-2,-3,-4,-5\}]$ sobre la relación $T$
  2. Demuestra que si $R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: (x \text{ es múltiplo de 3} )\land (y = 2x) \} $, entonces $$R = \{(3n,6n): n \in \mathbb{Z} \} $$
  3. La recta $\mathcal{L}$ con pendiente $m$ e intersección $b$ con el eje $y$ en los números enteros es el conjunto: $$\mathcal{L}=\{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: mx+b=y\} $$ Encuentra $\mathcal{L_1}\cap \mathcal{L_2}$ donde $\mathcal{L_1}$ es la recta con $m=1,b=0$ y $\mathcal{L_2}$ es la recta con $m=-1,b=2$.

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Agradecimientos

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»

Álgebra Superior I: Parejas ordenadas y producto cartesiano de conjuntos

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

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Introducción

En la primera unidad revisamos los conceptos básicos de la teoría de conjuntos. Estos nos permitirán a partir de ahora manejar conjuntos con los operadores que vimos y nos permitirán armar nueva teoría a partir de ellos. En esta unidad nos enfocaremos en las relaciones y funciones. Estas son maneras de «agrupar» unos conjuntos con otros y serán útiles no solo en este curso, sino que en muchos otros que se basan en la idea de las funciones entre conjuntos.

Agrupando zapatos

Empecemos considerando una tienda de zapatos muy disfuncional, pues no se preocupa por hacer coincidir sus zapatos derechos con los izquierdos. Describimos al conjunto $D = \{d_1,d_2, \dots, d_n\}$ como los $n$ zapatos derechos que tiene la tienda, y por $I = \{ i_1, i_2, \dots i_m\}$ como los $m$ zapatos izquierdos. Nota que al ser una tienda poco organizada, puede ser que haya distinto número de zapatos derechos que de izquierdos (puede pasar que $m \neq n$). Cuando un cliente llega a la tienda, el mismo cliente tiene la posibilidad de elegir su par de zapatos. El primer cliente llega y elige el zapato derecho $d_3$ con el zapato izquierdo $i_2$, y eso está permitido, pues la tienda deja que los clientes eligan sus pares como quieran. Llamemos a este par de zapatos, el par $(d_3,i_2)$. Esto es lo que nos va a dar una idea intuitiva de lo que llamaremos parejas ordenadas, que en términos simples es considerar elementos de dos conjuntos y agruparlos en una misma expresión. A continuación damos su definición conjuntista.

Definición. Sean $X$ y $Y$ dos conjuntos. Una pareja ordenada de $X$ y $Y$ es una pareja de dos términos $x \in X$ y $y \in Y$ escrita mediante la expresión $(x,y)$. En términos de conjuntos se define como: $$(x,y) = \{ \{ x\}, \{x,y \} \} $$

El nombre de pareja ordenada viene del hecho de que los dos elementos a considerar respetan un orden de conjuntos, esto quiere decir a que si nos referimos a la pareja ordenada $(x,y)$ de $X$ con $Y$, eso significa que $x \in X \land y \in Y$. Por lo que la pareja $(y,x)$ no es la misma, puesto que esta es una pareja de $Y$ con $X$. Además nota que hay un «orden», pues en su expresión conjuntista, el término $x$ aparece en los dos conjuntos que conforman $(x,y)$, mientras que $y$ solo aparece una vez.

Digamos ahora que $n=4$ y $m=2$, de manera que los zapatos derechos son $D = \{ d_1,d_2,d_3,d_4 \}$ y los izquierdos son $I = \{ i_1,i_2 \}$. Entonces los zapatos que se pueden formar de estos conjuntos son:

$$\{ (d_1,i_1), (d_1,i_2), (d_2,i_1), (d_2,i_2), (d_3,i_1), (d_3,i_2), (d_4,i_1), (d_4,i_2) \} $$

Y como posiblemente te habrás imaginado, los distintos zapatos que se pueden formar con esos conjuntos, corresponden a las distintas parejas ordenadas entre $X$ y $Y$.

Igualdad entre parejas ordenadas

Ahora vamos a definir cuándo diremos que dos pares de parejas ordenadas (zapatos) son el mismo. Para esto observa que en la vida cotidiana, diríamos que dos pares son iguales si el zapato derecho de un par es exactamente el mismo que el zapato derecho del otro par, de la misma manera que el izquierdo de uno será el mismo izquierdo del otro. Anotemos eso como una proposición que habrá que demostrar.

Proposición. Sean $X$ y $Y$ dos conjuntos y $(x,y),(x’, y’)$ dos parejas ordenadas de $X$ con $Y$. Entonces las parejas son la misma ($(x,y)=(x’,y’)$) si y solo si $(x=x’) \land (y=y’)$.

Demostración. $\Rightarrow)$ Para demostrar la primera implicación, notemos que por hipótesis $(x,y)=(x’,y’)$. Esto quiere decir que $$\{\{ x\} ,\{x,y \} \} = \{\{ x’\} ,\{x’,y’ \} \} $$. Para $x$ tenemos dos casos:

Caso 1. $x =y$

En este caso, notemos que $\{\{ x\} ,\{x,y \} \} = \{\{x\}\}$. Al tener este conjunto un único elemento, entonces $\{\{ x’\} ,\{x’,y’ \} \}$ también tiene un único elemento, ya que de otra manera no serían el mismo conjunto. Enseguida, se sigue que $\{\{x\}\} = \{\{x’\}\}$. Donde se tiene que $x=x’$. Ahora notemos que al ser $x=y$, entonces $x’=y’$ y puesto que $\{\{x’\}\} = \{\{ x’\} ,\{x’,y’ \} \}$ entonces $x’=y’$.

Caso 2. $x \neq y$

Ahora, si son distintos, tenemos que $$(x,y) = \{ \{x\}, \{ x,y\} \}$$. Notemos ahora que $\{ \{x\}, \{ x,y\} \} = \{ \{x’\}, \{ x’,y’\} \}$ son conjuntos con ambos dos elementos. Al ser estos conjuntos iguales, entonces cada elemento de un conjunto está en el otro, es decir $\{x\} \in \{ \{x’\}, \{ x’,y’\} \}$ y $\{x,y\} \in \{ \{x’\}, \{ x’,y’\} \}$. Ahora, como $\{x\} \in \{ \{x’\}, \{ x’,y’\} \}$ entonces $(\{x\} = \{x’\} ) \lor (\{x\} = \{x’,y’\})$, al ser $\{x’\}$ el único elemento con un elemento, entonces deducimos que $\{x\} = \{x’\}$. De manera análoga $\{x,y\} = \{x’,y’\}$.

Ahora, como $\{x\} = \{x’\}$ entonces $x=x’$. Y después como $\{x,y\} = \{x’,y’\}$, podemos sustituir $x$ por $x’$, pues son el mismo elemento. Así, $\{x’,y\} = \{x’,y’\}$. Y nota que esto significa que $y=y’$, pues tenemos la igualdad de conjuntos. De esta manera $x=x’$ y $y=y’$ como se quería demostrar.

$\Leftarrow)$. Ahora supongamos que $x=x’$ y $y=y’$. Al tener esta igualdad, entonces $\{x\}=\{x’\}$ y además $\{x,y\} = \{ x’,y’\}$ pues tienen los mismos elementos. De esta forma, los siguientes conjuntos son iguales:$$ \{\{ x\} ,\{x,y \} \} = \{\{ x’\} ,\{x’,y’ \} \}.$$ Por lo tanto $(x,y)=(x’,y’)$

$\square$

Algunos ejemplos de parejas ordenadas que sí son la misma:

  • $(1,4) = (1,4) $
  • $(\frac{1}{2}, 0) = (1- \frac{1}{2}, 9 -9) $
  • $(\{x:P(x)\}, \{x: R(x) \land \neg R(x) \}) = (\{x: P(x) \land P(x) \}, \emptyset) $

Algunos ejemplos de parejas ordenadas que no son la misma:

  • $(1,4) \neq (4,1)$
  • $(1,0) \neq (1, \{0\})$
  • $(\{x: P(x)\}, \{x: P(x) \}) \neq (\{x: P(x) \land R(x)\}, \{x: \neg P(x) \})$

Producto Cartesiano

Hemos hablado ya de las parejas ordenadas particulares entre dos conjuntos. Sin embargo, al estar hablando de parejas ordenadas entre dos conjuntos, realmente el término que usaremos de ahora en adelante será el de producto cartesiano.

Definición. Sean $X$ y $Y$ dos conjuntos. El producto cartesiano $X \times Y$ entre $X$ y $Y$ es el conjunto: $$X \times Y = \{(x,y): (x \in X) \land (y \in Y) \}. $$

De esta manera, volviendo al ejemplo de los zapatos, en párrafos anteriores mencionamos un caso particular en donde $D = \{ d_1,d_2,d_3,d_4 \}$ y $I = \{ i_1,i_2 \}$, entonces:

$$D \times I = \{ (d_1,i_1), (d_1,i_2), (d_2,i_1), (d_2,i_2), (d_3,i_1), (d_3,i_2), (d_4,i_1), (d_4,i_2) \}. $$

Otro ejemplo, podríamos considerarlo tomando $X = \{1, \{1,2\} \}, Y = \{\emptyset, \text{perro}, 1\}$. Entonces:

\begin{align*}
&X \times Y = \{ (1,\emptyset), (1,\text{perro}),(1,1),(\{1,2\},\emptyset),(\{1,2\},\text{perro}), (\{1,2\},1)\} \\
&Y \times X = \{ (\emptyset,1), (\text{perro},1),(1,1),(\emptyset,\{1,2\}),(\text{perro},\{1,2\}), (1,\{1,2\}) \} \\
\end{align*}

Como puedes observar, aquí vemos que no es lo mismo $X \times Y$ que $Y \times X$, de hecho no coinciden en casi ningún elemento, salvo uno:

$(X \times Y) \cap (Y \times X) = \{ (1,1)\}.$

Así que hay que tener cuidado en el orden del producto cartesiano, pues como pudiste ver, no conmutan.

Otra cosa que podemos observar es que tampoco es asociativo el producto cartesiano. Esto quiere decir que no es lo mismo por ejemplo $\mathbb{Z} \times (\mathbb{Z} \times \mathbb{Z})$ que $(\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}) \times \mathbb{Z}$. Para convencerte de esto, observa cómo son los elementos del primer conjunto y del segundo conjunto. Para empezar, un elemento de $\mathbb{Z} \times (\mathbb{Z} \times \mathbb{Z})$ es $(1,(1,1))$ mientras que un elemento del segundo es $((1,1),1)$, que no son el mismo elemento. Y de manera general, no es lo mismo para $a,b,c \in \mathbb{Z}$ la pareja $(a,(b,c))$ que la pareja $((a,b),c)$ pues siempre la primera componente de la primera pareja es un número, mientras que de la segunda, es una pareja ordenada.

Más adelante…

En la siguiente entrada, vamos a ver algunas propiedades del producto cartesiano. Algunas de las cuales ya hemos revisado en esta entrada, añadiendo otras sobre cómo se comportan con los conectores entre conjuntos.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. ¿Cuántas parejas ordenadas hay en el producto cartesiano de $X \times Y$ si $X$ y $Y$ tienen un número finito de elementos?
  2. Demuestra que si $X,Y$ son dos conjuntos no vacíos, entonces $X \times Y = Y \times X$ si y solo si $X=Y$
  3. ¿Cómo es $ \emptyset \times Y$? ¿Cuántos elementos tiene?
  4. Encuentra el producto cartesiano $X \times X$ donde $X = \{x \in \mathbb{Z} : (x \leq 20)\land (x \ \text{es un número primo)} \}$
  5. Encuentra el producto cartesiano de $X \times Y$ donde $X= \{1, 5, 10 \}$ y $Y = X \times X$

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Agradecimientos

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»