Introducción
En la entrada anterior vimos algunas equivalencias del axioma de elección. En esta nueva entrada veremos algunas otras equivalencias del mismo axioma, pero en términos de órdenes. Estas versiones no son tan evidentes e incluso resultan sorprendentes. En muchas ramas de las matemáticas se apela a las formas equivalentes del axioma de elección que veremos a continuación, por lo que es importante tratarlas.
Familias de caracter finito
Para llegar al lema de Zorn, necesitaremos desarrollar previamente algo de teoría. La siguiente definición jugará un papel clave a lo largo de esta entrada.
Definición. Sea $\mathcal{F}$ una familia de conjuntos. Decimos que $\mathcal{F}$ es de carácter finito si dado un conjunto $A$ se tiene que $A\in\mathcal{F}$ si y sólo si todo subconjunto finito de $A$ está en $\mathcal{F}$.
Veamos los siguientes ejemplos.
Ejemplo.
Sea $\mathcal{F}$ la familia vacía. Luego, por vacuidad, un conjunto $A\in\mathcal{F}$ si y sólo si todo subconjunto finito de $A$ está en $\mathcal{F}$.
$\square$
Ejemplo.
Sea $X$ un conjunto y $\mathcal{F}=\mathcal{P}(X)$ su conjunto potencia. Luego, si $A$ es un conjunto tal que $A\in\mathcal{F}$, entonces $A\subseteq X$ y, por tanto, todo subconjunto finito de $A$ es un subconjunto de $X$, por lo que todo subconjunto finito de $A$ está en $\mathcal{P}(X)$. Ahora, sea $A$ un conjunto tal que cualquiera de sus subconjuntos finitos está en $\mathcal{P}(X)$. Veamos que $A\in\mathcal{P}(X)$, es decir, que $A\subseteq X$. Sea pues $a\in A$ cualquier elemento. Luego, $\set{a}$ es un subconjunto finito de $A$ por lo que $\set{a}\in\mathcal{P}(X)$ y, en consecuencia, $\set{a}\subseteq X$, lo cual es equivalente a que $a\in X$. Por tanto, $A\subseteq X$, lo que muestra que $A\in\mathcal{P}(X)$. De modo que para todo conjunto $X$ su conjunto potencia $\mathcal{P}(X)$ es una familia de conjuntos de carácter finito.
En el último ejemplo tenemos una familia de carácter finito no vacía que tiene al vacío como elemento, pues el conjunto potencia de cualquier conjunto siempre tiene al vacío Esto no sólo ocurre para este caso particular, si tenemos una familia no vacía de carácter finito, entonces el conjunto vacío es un elemento de dicha familia. En efecto, sea $\mathcal{F}$ cualquier familia no vacía de carácter finito. Luego, sea $A\in\mathcal{F}$. Dado que $\emptyset\subseteq A$ y $\emptyset$ es finito, entonces $\emptyset\in\mathcal{F}$.
$\square$
Un poco más adelante necesitaremos del siguiente lema. En un conjunto parcialmente ordenado $(X,\leq)$, una cadena es un subconjunto $Y$ de $X$ tal que la restricción de $\leq$ a $Y$ es un orden total. Dicho de otra forma, en $Y$ cualesquiera dos elementos son $\leq$-comparables.
Lema. Sea $\mathcal{F}$ una familia de carácter finito y sea $\mathcal{B}$ una cadena en $\mathcal{F}$ con respecto a la contención, entonces $\bigcup\mathcal{B}\in\mathcal{F}$.
Demostración.
Dado que $\mathcal{F}$ es de carácter finito basta mostrar que cada subconjunto finito de $\bigcup\mathcal{B}$ está en $\mathcal{F}$. Sea $F$ un subconjunto finito de $\bigcup\mathcal{B}$. Luego, para cada $x\in F$ existe $B_x\in\mathcal{B}$ tal que $x\in B_x$. Dado que $F$ es finito existe un natural $n$ y una función biyectiva $f:n\to F$, por lo que podemos expresar a $F$ como el conjunto $\set{f(m):m\in n}$. Luego, $F\subseteq\cup_{m\in n}B_{f(m)}$. Ahora, como $\mathcal{B}$ es una cadena, entonces existe $m_0\in n$ tal que $B_{f(m)}\subseteq B_{f(m_0)}$ para todo $m\in n$, así que $F\subseteq B_{f(m_0)}$. Finalmente, como $B_{f(m_0)}\in\mathcal{F}$ y $F$ es un subconjunto finito de $B_{f(m_0)}$, entonces $F\in\mathcal{F}$. Esto muestra que $\bigcup\mathcal{B}\in\mathcal{F}$.
$\square$
El lema de Tukey-Teichmüller
Para probar el siguiente teorema debemos asumir que el axioma de elección se cumple. El resultado que enunciamos a continuación John W. Tukey lo enuncia y demuestra en su tesis doctoral en 1939.
Teorema. (Lema de Tukey-Teichmüller). Toda familia no vacía de carácter finito tiene un elemento $\subseteq$-maximal.
Demostración.
La prueba será por contradicción. Supongamos entonces que existe una familia no vacía $\mathcal{F}$ de carácter finito tal que no tiene elementos $\subseteq$-maximales. Luego, para cada $F\in\mathcal{F}$ definamos $\mathcal{A}_F=\set{E\in\mathcal{F}:F\subset E}$, es decir, $\mathcal{A}_F$ es el conjunto de todos los elementos de $\mathcal{F}$ que contienen propiamente a $F$. Dado que $\mathcal{F}$ no tiene elementos $\subseteq$-maximales, para cada $F\in\mathcal{F}$ el conjunto $\mathcal{A}_F$ es no vacío.
Sea $\mathcal{E}=\set{\mathcal{A}_F:F\in\mathcal{F}}$, la cual es una famila no vacía de conjuntos no vacíos. Por el teorema de la entrada anterior sobre algunas de las equivalencias del axioma de elección, existe una función $f:\mathcal{F}\to\mathcal{E}$ de tal forma que $f(F)\in\mathcal{A}_F$ para todo $F\in\mathcal{F}$. Luego, como $f(F)\in\mathcal{A}_F$ para cada $F\in\mathcal{F}$, entonces $F\subset f(F)$ para todo $F\in\mathcal{F}$.
Utilizando esta función $f$ diremos que una subfamilia $\mathcal{G}$ de $\mathcal{F}$ es $f$-inductiva si tiene las siguientes propiedades:
- $\emptyset\in\mathcal{G}$.
- $A\in\mathcal{G}$ implica $f(A)\in\mathcal{G}$.
- Si $\mathcal{B}$ es una $\subseteq$-cadena contenida en $\mathcal{G}$, entonces $\bigcup\mathcal{B}\in\mathcal{G}$.
Dado que $\mathcal{F}$ es una familia de carácter finito no vacía tenemos que $\emptyset\in\mathcal{F}$. Ahora, si $F\in\mathcal{F}$, entonces $f(F)\in\mathcal{F}$ por la elección de la función $f$. Finalmente, si $\mathcal{B}$ es una $\subseteq$-cadena contenida en $\mathcal{F}$, entonces, por el lema previo, $\bigcup\mathcal{B}\in\mathcal{F}$. Así pues, $\mathcal{F}$ es una subfamilia de $\mathcal{F}$ que es $f$-inductiva. Consecuentemente, la familia de conjuntos $\set{\mathcal{G}\subseteq\mathcal{F}:\mathcal{G}\ \textnormal{es $f$-inductiva}}$ es no vacía. Podemos considerar así al conjunto $\mathcal{G}_0:=\bigcap\set{\mathcal{G}\subseteq\mathcal{F}:\mathcal{G}\ \textnormal{es $f$-inductiva}}$.
Veamos que $\mathcal{G}_0$ es $f$-inductiva. Primero, como $\emptyset\in\mathcal{G}$ para toda subfamilia $f$-inductiva de $\mathcal{F}$, entonces $\emptyset\in\mathcal{G}_0$. Ahora, si $A\in\mathcal{G}_0$, entonces $A\in\mathcal{G}$ para toda familia $f$-inductiva de $\mathcal{F}$, por lo que, por definición de subfamilia $f$-inductiva, $f(A)\in\mathcal{G}$ para toda familia $f$-inductiva de $\mathcal{F}$ y, por ende, $f(A)\in\mathcal{G}_0$. Por último, si $\mathcal{B}$ es un $\subseteq$-cadena contenida en $\mathcal{G_0}$, entonces $\mathcal{B}$ es una $\subseteq$-cadena contenida en cada subfamilia $f$-inductiva de $\mathcal{F}$, por lo que $\bigcup\mathcal{B}$ pertenece a cada una de estas subfamilias $f$-inductivas y, consecuentemente, $\bigcup\mathcal{B}\in\mathcal{G}_0$. Esto muestra que $\mathcal{G}_0$ es $f$-inductiva.
Por el párrafo anterior tenemos que toda subfamilia $f$-inductiva de $\mathcal{F}$ contiene a $\mathcal{G}_0$. Lo que haremos ahora es probar que $\mathcal{G}_0$ es una $\subseteq$-cadena, es decir, que para cualesquiera $A$ y $B$ elementos de $\mathcal{G}_0$ se tiene que $A\subseteq B$ o $B\subseteq A$.
Definamos el conjunto $$\mathcal{H}=\{A\in\mathcal{G}_0:\textnormal{si $B\in\mathcal{G}_0$ y $B\subset A$, entonces $f(B)\subseteq A$}\}.$$
Notemos que $\mathcal{H}$ es no vacío. En efecto, si consideramos $A=\emptyset$, entonces $A\in\mathcal{H}$, ya que si $B\in\mathcal{G}_0$ es un subconjunto propio de $A$, entonces, por vacuidad, $f(B)\subseteq A$, pues $\emptyset$ no tiene subconjuntos propios.
Veamos ahora que para cualquier $A\in\mathcal{H}$ y cualquier $C\in\mathcal{G}_0$, se cumple que $C\subseteq A$ o $f(A)\subseteq C$. Sea pues $A\in\mathcal{H}$ cualquier elemento. Definamos $\mathcal{G}_A=\set{C\in\mathcal{G}_0:C\subseteq A\ o\ f(A)\subseteq C}$. Notemos que si $C\in\mathcal{G}_A$, entonces $C\subseteq A$ o bien, $f(A)\subseteq C$ por lo que $A\subseteq C$, ya que $A\subset f(A)$. Así que para probar que $A\subseteq C$ o $C\subseteq A$ para cualquier $C\in\mathcal{G}_0$, basta probar que $\mathcal{G}_A=\mathcal{G}_0$.
Lo que haremos será mostrar que $\mathcal{G}_A$ es una subfamilia de $\mathcal{F}$ que es $f$-inductiva. Primero, como $\emptyset\in\mathcal{G}_0$ y $\emptyset\subseteq A$, entonces $\emptyset\in\mathcal{G}_A$. Luego, si $C\in\mathcal{G}_A$, entonces o bien $C\subset A$ o $C=A$ o $f(A)\subseteq C$. Si $C\subset A$, entonces $f(C)\subseteq A$ pues $A\in\mathcal{H}$. Si $C=A$, entonces $f(A)=f(C)$ y por tanto $A\subseteq f(A)=f(C)$. Si $f(A)\subseteq C$, entonces $A\subseteq C$ y, por ende, $A\subseteq f(C)$, ya que $C\subset f(C)$. En cualquier posibilidad tenemos que $f(C)\subseteq A$ o $f(A)\subseteq f(C)$, lo que implica que $f(C)\in\mathcal{G}_A$. Sea ahora $\mathcal{B}$ una cadena en $\mathcal{G}_A$. Si $C\subseteq A$ para todo $C\in\mathcal{B}$, entonces $\bigcup\mathcal{B}\subseteq A$. Si existe $C\in\mathcal{B}$ tal que $f(A)\subseteq C$, entonces $f(A)\subseteq\bigcup\mathcal{B}$, pues $C\subseteq\bigcup\mathcal{B}$. Como estas son las únicas posibilidades, concluimos que o bien $\bigcup\mathcal{B}\subseteq A$ o $f(A)\subseteq\bigcup\mathcal{B}$ y, por tanto, $\bigcup\mathcal{B}\in\mathcal{G}_A$. Estas propiedades muestran que $\mathcal{G}_A$ es una subfamilia de $\mathcal{F}$ que es $f$-inductiva.
En consecuencia, $\mathcal{G}_0\subseteq\mathcal{G}_A$. Luego, por definición tenemos que $\mathcal{G}_A\subseteq\mathcal{G}_0$ y, por consiguiente, tenemos la igualdad $\mathcal{G}_0=\mathcal{G}_A$.
Así pues, para todo $A\in\mathcal{H}$ y cualquier $C\in\mathcal{G}_0$, o bien $C\subseteq A$ o $A\subseteq C$.
Para terminar de probar que $\mathcal{G}_0$ es una cadena basta probar que $\mathcal{H}$ es una subfamilia $f$-inductiva de $\mathcal{F}$. Primero, ya vimos que $\emptyset\in\mathcal{H}$. Ahora, sea $A\in\mathcal{H}$ y sea $B\in\mathcal{G}_0$ cualquier elemento tal que $B\subset f(A)$. Dado que $B\in\mathcal{G}_A=\mathcal{G}_0$, entonces $B\subseteq A$ o $f(A)\subseteq B$, pero hemos supuesto que $B\subset f(A)$, por lo que es imposible que $f(A)\subseteq B$ y, en consecuencia, $B\subseteq A$. Luego, si $B\subset A$, entonces $f(B)\subseteq A$ pues $A\in\mathcal{H}$ y, por tanto, $f(B)\subseteq f(A)$. Si $B=A$, entonces $f(B)=f(A)\subseteq f(A)$. Por lo tanto, $f(B)\subseteq f(A)$. Esto muestra que $f(A)\in\mathcal{H}$. Para finalizar, sea $\mathcal{B}$ una $\subseteq$-cadena de $\mathcal{H}$. Sea $B\in\mathcal{G}_0$ cualquier elemento tal que $B\subset\bigcup\mathcal{B}$. Si existe $C\in\mathcal{B}$ tal que $B\subseteq C$, entonces $B\subset C$ o $B=C$, en el primer caso tendríamos que $f(B)\subseteq C$, porque $C\in\mathcal{H}$, y por ende que $f(B)\subseteq\bigcup\mathcal{B}$; supongamos ahora que $B=C$, entonces, $B\in\mathcal{H}$ (pues $C$ es un elemento de $\mathcal{H}$) y $\bigcup\mathcal{B}\in\mathcal{G}_0=\mathcal{G}_B$. Así, $\bigcup\mathcal{B}\subseteq B$ o $f(B)\subseteq\bigcup\mathcal{B}$, pero $\bigcup\mathcal{B}\subseteq B$ es imposible pues asumimos que $B\subset\bigcup\mathcal{B}$, por lo que debe ocurrir necesariamente que $f(B)\subseteq\bigcup\mathcal{B}$. De modo que si existe $C\in\mathcal{B}$ tal que $B\subseteq C$, entonces $f(B)\subseteq\bigcup\mathcal{B}$. Supongamos ahora que $B\nsubseteq C$ para todo $C\in\mathcal{B}$. Ahora, como $B\in\mathcal{G}_0$ y $\mathcal{G}_0=\mathcal{G}_C$ para todo $C\in\mathcal{B}\subseteq\mathcal{H}$, entonces $B\in\mathcal{G}_C$ para todo $C\in\mathcal{B}$. Consecuentemente, $B\subseteq C$ o $f(C)\subseteq B$ para cada $C\in\mathcal{B}$, pero asumimos ahora que $B\nsubseteq C$ para todo $C\in\mathcal{B}$, por lo que $f(C)\subseteq B$ para todo $C\in\mathcal{B}$ y, por consiguiente, $C\subseteq B$ para todo $C\in\mathcal{B}$, lo cual implica que $\bigcup\mathcal{B}\subseteq B$ pero esto contradice el hecho de que $B\subset\bigcup\mathcal{B}$. De modo que, necesariamente, debe existir $C\in\mathcal{B}$ tal que $B\subseteq C$, lo cual vimos implica que $f(B)\subseteq\bigcup\mathcal{B}$. Esto demuestra que $\bigcup\mathcal{B}\in\mathcal{H}$. Por lo tanto, $\mathcal{H}$ es una subfamilia de $\mathcal{F}$ que es $f$-inductiva.
Como consecuencia del párrafo anterior tenemos que $\mathcal{G}_0\subseteq\mathcal{H}$, pero por definición sabemos que $\mathcal{H}\subseteq\mathcal{G_0}$, lo cual implica $\mathcal{G}_0=\mathcal{H}$.
De esta serie de argumentos tenemos que si $A,B\in\mathcal{G}_0$, entonces $A\in\mathcal{H}$ y $B\in\mathcal{G}_A$, por lo que $B\subseteq A$ o bien $f(A)\subseteq B$, es decir, $B\subseteq A$ o $A\subseteq B$. Por lo tanto, cualesquiera dos elementos de $\mathcal{G}_0$ son $\subseteq$-comparables y, en consecuencia, $\mathcal{G}_0$ es una $\subseteq$-cadena.
Consideremos ahora $M=\bigcup\mathcal{G_0}$, el cual es un elemento de $\mathcal{G_0}$ por ser $\mathcal{G}_0$ $f$-inductiva y una subcadena de sí misma. Ahora para todo $A\in\mathcal{G}_0$ se tiene que $A\subseteq\bigcup\mathcal{G}_0=M$. Por otro lado, como $M\in\mathcal{G}_0$, entonces $f(M)\in\mathcal{G}_0$ y, por tanto, $f(M)\subseteq M$; sin embargo, como $M\in\mathcal{F}$, entonces $M\subset f(M)$, pero esto es una contradicción.
Dado que esta contradicción viene de suponer que $\mathcal{F}$ no tiene un elemento $\subseteq$-maximal, concluimos que $\mathcal{F}$ sí tiene un elemento $\subseteq$-maximal.
$\square$
El principio maximal de Hausdorff
Pasemos ahora a un resultado muy cercano al lema de Zorn, demostrado por Felix Hausdorff en 1914. Se obtiene rápidamente al aplicar el lema de Tukey-Teichmüller.
Teorema. (Principio Maximal de Hausdorff). Cualquier conjunto no vacío y parcialmente ordenado tiene una cadena $\subseteq$-maximal.
Demostración.
Sea $A\neq \emptyset$ y $\leq$ un orden parcial para $A$. Sea $\mathcal{C}=\set{B\subseteq A:B\ \textnormal{es una cadena}}$. Recordemos que $B\subseteq A$ es una cadena en $A$ si cualesquiera dos elementos en $B$ son comparables con el orden de $A$.
Lo que queremos probar es que existe $C\in\mathcal{C}$ tal que ningún otro elemento de $\mathcal{C}$ contiene propiamente a $C$. Para ello probaremos que $\mathcal{C}$ es una familia no vacía de carácter finito y aplicaremos el lema de Tukey-Teichmüller para concluir que $\mathcal{C}$ tiene un elemento $\subseteq$-maximal.
Supongamos que $B\in\mathcal{C}$ es cualquier elemento. Luego, sea $B’\subseteq B$ un conjunto finito. Veamos que $B’$ es una cadena en $A$, es decir, que cualesquiera dos elementos de $B’$ son comparables con el orden de $A$. Si $B’=\emptyset$, por vacuidad $B’$ es una cadena en $A$. Asumamos ahora que $B’\not=\emptyset$ y sean $a,b\in B’$ cualesquiera elementos. Luego, como $a,b\in B’$, entonces $a,b\in B$ y como $B$ es una cadena en $A$, entonces $a$ y $b$ son comparables con el orden de $A$, y esto muestra que $B’$ es también una cadena en $A$, por lo que $B’\in\mathcal{C}$.
Supongamos ahora que $B$ es un conjunto tal que cualquiera de sus subconjuntos finitos está en $\mathcal{C}$. Ciertamente $B\subseteq A$, pues si $a\in B$, entonces $\set{a}\in\mathcal{C}$, es decir, $\set{a}$ es una cadena en $A$, por lo que $a\in A$. Ahora, si $a,b\in B$, entonces $\set{a,b}\in\mathcal{C}$ y, por tanto, $\set{a,b}$ es una cadena en $A$, es decir, $a$ y $b$ son comparables con el orden de $A$. Por tanto, $B$ es una cadena en $A$, ya que cualesquiera dos de sus elementos son comparables con el orden de $A$.
Esta serie de argumentos muestra que $\mathcal{C}$ es una familia de conjuntos de carácter finito. Por el lema de Tukey-Teichmüller, $\mathcal{C}$ tiene un elemento $\subseteq$-maximal, es decir, existe una cadena en $A$ $\subseteq$-maximal.
$\square$
El lema de Zorn
Finalmente enunciaremos y demostraremos una de las versiones más usadas del axioma de elección: el conocido lema de Zorn. Este resultado fue demostrado por Max Zorn en 1935 (y de manera independiente por Kazimierz Kuratowski en 1922). Para nuestra demostración usaremos el principio maximal de Hausdorff.
Teorema. (Lema de Kuratowski-Zorn). Cualquier conjunto parcialmente ordenado y no vacío en el cual toda cadena tiene una cota superior tiene un elemento maximal.
Demostración.
Sea $(A,\leq)$ un conjunto parcialmente ordenado no vacío en el que toda cadena tiene una cota superior. Por el principio maximal de Hausdorff el conjunto $A$ tiene una cadena $\subseteq$-maximal. Sea pues $C\subseteq A$ una cadena $\subseteq$-maximal de $A$. Luego, por hipótesis, existe $a\in A$ cota superior de $C$, es decir, $c\leq a$ para todo $c\in C$. Ahora, notemos que $a$ es maximal con respecto a $\leq$, ya que si existiera $x\in A$ tal que $a<x$, entonces $x\not=a$ y $x\notin C$, por lo que $C\cup\set{x}$ sería una cadena en $A$ que contiene propiamente a $C$ y esto contradice la maximalidad de $C$ con respecto a la contención en el conjunto de cadenas de $A$. Por lo tanto, $a$ es un elemento maximal en $A$.
$\square$
Tarea moral
- Prueba que la intersección de un sistema de familias $f$-inductivas es una familia $f$-inductiva.
- Sea $X$ un conjunto. Prueba que si $X$ puede ser bien ordenado, entonces $\mathcal{P}(X)$ puede ser linealmente ordenado. (Sugerencia: dados $A,B\in\mathcal{P}(X)$ considera al mínimo de $A\Delta B$).
- Demuestra que para cualesquiera dos conjuntos $A$ y $B$, o bien existe una función inyectiva $f:A\to B$, o bien existe una función inyectiva $g:B\to A$.
- Demuestra que la colección $\mathcal{F}$ de subconjuntos finitos de $\mathbb{N}$ no es de caracter finito.
Más adelante…
En la siguiente entrada comenzaremos probando un resultado algo antintuitivo: que cualquier conjunto puede ser bien ordenado. Por ejemplo, a $\mathbb{R}$ se le podrá dar un orden de manera que cualquier subconjunto no vacío tenga mínimo. ¡Esto es muy difícil de imaginar! Sobre todo si pensamos en el orden usual de $\mathbb{R}$. El resultado que probaremos será existencial (y no constructivo), así que aunque tengamos la garantía de que dicho buen orden existe, no podremos saber muy bien cuál es.
Entradas relacionadas
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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»