Introducción
Una vez que se le ha dado un orden a los elementos de un conjunto, podemos decir más acerca de ellos. En esta entrada hablaremos de aquellos elementos con características especiales, según sean éstas los llamaremos mínimos, máximos, minimales o maximales.
Mínimos y máximos
Comenzaremos definiendo a los mínimos y máximos en un conjunto parcialmente ordenado.
Definición. Sea un orden parcial en y sea . Decimos que es elemento mínimo de en el orden si para cualquier , se tiene que .
Ejemplo.
Consideremos y sea la relación de contención en . Si consideramos , tenemos que es elemento mínimo pues para cada elemento de , se tiene que está por debajo o es igual. Más explícitamente, , y , como se muestra en el siguiente diagrama:
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Definición. Sea un orden parcial en y sea . Decimos que es elemento máximo de en el orden si para cualquier , se tiene que .
Ejemplo.
Consideremos y sea la relación de contención en . Si consideramos , tenemos que es elemento máximo pues para cada elemento de , se tiene que esta por encima o es igual a ellos. Más explícitamente, , y como se muestra en el siguiente diagrama:
Minimales y maximales
Definición. Sea un orden parcial en y sea . Decimos que es elemento minimal de en el orden si no existe tal que y .
Ejemplo.
Consideremos y sea la relación de contención en . Si consideramos , tenemos que es elemento minimal pues no existe tal que y .
Definición. Sea un orden parcial en y sea . Decimos que es elemento maximal de en el orden si no existe tal que y .
Ejemplo.
Consideremos y sea la relación de contención en . Si consideramos , tenemos que es elemento maximal pues no existe tal que y .
Diferencias entre las definiciones
Podemos preguntarnos si la definición de minimal es equivalente a la de mínimo o si la de maximal es equivalente a la de máximo. Sin embargo, va a resultar que las definiciones de minimal y maximal son más débiles que las de mínimo y máximo, respectivamente. Veamos el siguiente ejemplo que muestra que pueden existir elementos minimales sin que haya un elemento mínimo.
Ejemplo.
Consideremos el conjunto parcialmente ordenado . Veamos el siguiente diagrama:
En la imagen anterior podemos notar que y y que éstas son las únicas relaciones posibles por la definición de contención. Luego, y son minimales pues no existe tal que y ni y .
Además, no tiene elemento mínimo pues de existir tal que para todo , en particular, se tendría que . Luego, el único elemento con esta propiedad en el conjunto es y en consecuencia, . Por otro lado, por ser mínimo se tendría que , y así , es decir, , lo cual no es verdad. Por lo tanto, no existe un mínimo en el conjunto .
De este ejemplo podemos concluir que aunque un conjunto tenga minimal no necesariamente tendrá mínimo. Esto se debe a que en un conjunto puede existir más de un elemento minimal y en cambio, si un conjunto tiene mínimo, entonces éste resulta ser único, como demostraremos a continuación.
Proposición. Sea un orden parcial. Si es mínimo, entonces es único.
Demostración.
Sea un elemento mínimo, entonces para cualquier . Supongamos que también es elemento mínimo, así, para cualquier . Como , entonces y de manera similar, , pues . Por lo tanto, por la antisimetría de en .
Dado que el elemento mínimo de un orden parcial es único, le podemos asignar una notación y lo vamos a denotar como .
Ahora, veamos el siguiente ejemplo que muestra que pueden existir elementos maximales sin que haya un elemento máximo.
Ejemplo.
Consideremos el conjunto parcialmente ordenado . Veamos el siguiente diagrama:
En la imagen anterior podemos notar que y y que estás son las únicas relaciones posibles por la definición de contención. Luego, y son maximales pues no existe tal que y y y , respectivamente.
Notemos también que no tiene elemento máximo pues de existir tal que para todo , se tendría en particular que , de donde se sigue que , pues este es el único elemento con tal propiedad en el conjunto . Luego, como es máximo se sigue que , es decir, , lo cual no es verdad. Por lo tanto, el conjunto no tiene elemento máximo.
De este ejemplo podemos concluir que aunque un conjunto tenga elementos maximales no necesariamente tendrá máximo. Esto se debe a que puede existir más de un elemento maximal y, si un conjunto tiene máximo, éste resulta ser único.
Proposición: Sea un orden parcial. Si es máximo, entonces es único.
Demostración.
Sea un elemento máximo, entonces para cualquier . Supongamos que también es elemento máximo, así, para cualquier . Como , entonces y de manera similar, , pues . Por lo tanto, por la antisimetría de en .
Dado que el elemento máximo de un orden parcial es único, le podemos asignar una notación y lo vamos a denotar como
Máximo y maximal en un orden total
Ya vimos que los conceptos de elemento máximo y maximal en un orden parcial no coinciden en general, sin embargo, podríamos preguntarnos si esto mismo sucede en un orden total. En el siguiente lema veremos que en un orden total de hecho sí coinciden.
Lema: Sea un orden total. Entonces, es elemento maximal de si y sólo si es elemento máximo de .
Demostración.
Sea un orden total. Supongamos que es un elemento maximal. Sea . Luego, por ser un orden total, o . Si , entonces, por ser elemento maximal, de modo que las condiciones o pueden ser escritas como o , es decir, . Por lo tanto, para cada , y, en consecuencia, .
Si ahora suponemos que es elemento máximo, entonces, no existe con y , de lo contrario no sería máximo. Por lo tanto, es elemento maximal. Por lo tanto, es maximal si y sólo si es máximo.
Definiciones para órdenes estrictos
Definición. Sea un orden estricto en y sea . Decimos que es elemento mínimo de en el orden si para cualquier , .
Definición. Sea un orden estricto en y sea . Decimos que es elemento máximo de en el orden si para cualquier , .
Definición. Sea un orden estricto en y sea . Decimos que es elemento minimal de en el orden si no existe tal que .
Definición. Sea un orden en y sea . Decimos que es elemento maximal de en el orden si no existe tal que .
Tarea moral
La siguiente lista de ejercicios te permitirá reforzar el tema de esta sección:
Sea un conjunto parcialmente ordenado. Demuestra que si tiene máximo, entonces tiene maximal.
Sea un conjunto parcialmente ordenado. Demuestra que si tiene mínimo, entonces tiene minimal.
Muestra que si es un conjunto totalmente ordenado y tiene un elemento minimal, entonces es único.
Más adelante…
En la siguiente entrada seguiremos hablando de elementos con características especiales en un conjunto según estén ordenados. Hablaremos acerca de las cotas superiores e inferiores, así como de supremos e ínfimos.
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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»