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選出公理 ( 選択公理 )

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直積集合

λ∈ΛAλ に 関するつぎ の命題は 自明である: (∃λ∈Λ such that Aλ =∅)⇒

λ∈Λ

Aλ =∅

つぎ の命題はこの命題の裏(=逆の対偶)であるが,

λ∈ΛAλ の定義において, 本質 的な意味を持つ:

(∀λ∈Λ, Aλ =∅)⇒

λ∈Λ

Aλ =∅

添字集合 Λ の元が 有限個であれば, Λ = {1,2,· · · , n} と考え, 各 Ai から 1 つず つ元 ai を選ぶことにより, (a1, a2, . . . , an)∈n

i=1Aiが 得られ, 上の命題が 成立す る. また, Λ の元が 無限個であっても,

λ∈ΛAλ = ∅ であれば, a ∈

λ∈ΛAλ を 1 つ選び,定値写像λ →aを考えることにより,

λ∈ΛAλ の元が 得られ,上の命題が 成立する. しかし, 一般の場合には問題が 生じ る. 実際,上の命題を書き直すと, つ ぎ のようになる:

(AC) (∀λ∈Λ, Aλ =∅)⇒ ∃f : Λ→

λ∈Λ

Aλ such that ∀λ∈Λ, f(λ)∈Aλ

ここでは,各 λ∈Λ に対し て, 一度に aλ ∈ Aλ を 選び 出す(あるいは 選択する)写 像f :λ →aλが 存在する18 ことを主張し ており,各 λ∈Λに対し て aλ ∈Aλ が 取 れ るとい うことだけではない. 集合論におけ るこの命題(AC)を選出公理(あるい は選択公理) [Axiom of Choice]といい, 写像 f を (Aλ)λ∈Λに対する選出関数(ある いは 選択関数)[choice function]とい う.

つぎ の命題は 選出公理から 容易に 導け る:

• 全射f :X →Y に 対し て, 写像g :Y →X で f◦g = idY となるものが 存在 する. このとき,g は 単射である.

証明 gは 集合族(f−1(y))yY に 対する選出関数とし て得られ る.

注意: Y が 有限集合の場合には,帰納法で示せる(演習3.6). また,上の命題か ら選出公理を導けて,上の命題は選出公理と同値になることが分かる. 実際, の命題を仮定すれば,X=

λ∈Λ{λ} ×Aλ,Y =

λ∈ΛAλ とし,f :X →Y 射影prY : Λ×Y →Y X上への制限として,上の命題を適用して, (Aλ)λ∈Λ の選出関数が 得られ る.

単射に 関し ては, 選出公理を用いずに, つぎ の命題が 示せる:

• 単射f :X →Y に 対し て, 写像g :Y →Xで g◦f = idX となるものが 存在 する. このとき,g は 全射である.

証明 f :X f(X)は 全単射であるから,逆写像f−1:f(X)Xが ある x0X 1つ取り,つぎ のように g:Y X を 定義すれば よい:

g(y) =

f1(y) ifyf(X), x0 ifyY \f(X)

上の 2 つの命題からつぎ の定理が 得られ る:

定理 4.2 集合 X, Y に 対し て, X から Y への単射が 存在するための必要十分条 件は, Y から X への全射が 存在することである.

18§3.1 の「 集合に よる 写 像の 定義 」に よれば, λ Λ に 対し て, Γ

{λ} ×

λ∈ΛAλ

= Γ

{λ} ×Aλ

が 一点集合となるΓが 存在するということである.

演習 4.1 選出公理を用いて, つぎ を示せ:

(1) 各 λ ∈Λ に 対し てAλ =∅であれば, 各射影 prλ0 :

λ∈ΛAλ →Aλ0 は 全射で ある.

(2) 各 λ∈Λに 対し てAλ =∅であれば,命題 4.1(1)の逆が 成立する. すなわち,

λ∈Λ

Aλ

λ∈Λ

Bλ ⇒ ∀λ ∈Λ, Aλ ⊂Bλ

ヒント (1)選出公理により存在が 保証され る(aλ)λ∈Λ

λΛAλを 用いて,任意の xAλ に 対し て, prλ(y) =xとなるy

λΛAλを 作れ. (2)を 示すのに(1)が 適用できる.

演習 4.2 集合Λの元によって添字付けられた空でない集合の間の写像fλ :Xλ → Yλ に対し て,f :

λ∈ΛXλ

λ∈ΛYλ を,つぎ のように 定義する:

∀x = (xλ)λ∈Λ

λ∈Λ

Xλ, f(x) = (fλ(xλ))λ∈Λ

λ∈Λ

Yλ

λ∈ΛXλ prλ

f //

λ∈ΛYλ prλ

Xλ fλ

//Yλ

このとき, 選出公理を用いて, つぎ を示せ: (1) f が 全射 ⇔ ∀λ∈Λ, fλ が 全射 (2) f が 単射 ⇔ ∀λ∈Λ, fλ が 単射

ヒント (1): 演習4.1(1)を 参照.

: y= (yλ)λΛ

λΛYλ に 対し て,選出公理により,

λΛfλ−1(yλ)=.

(2) : x= x Xλ に 対し て, yλ = x, yλ =x とな るよ うなy = (yλ)λ∈Λ, y = (yλ)λ∈Λ

λ∈ΛXλを作りf が 単射であることを適用. ここで,y,y λ以外の座 標を 決めるには 演習 4.1(1)を 参照.

: (xλ)λ∈Λ= (xλ)λ∈Λ

λ∈ΛXλ であれば, λΛ,xλ=xλ なので,fλが 単射 であることを 適用.

演習 4.3 A を 空で な い 集合, W を 2 つ以 上元を 持つ集 合と すると き, 写像 f : X → Y に 対し て, f : XA → YA と f : WY → WX を, つぎ のように 定義 する:

∀g ∈XA, f(g) =f◦g および ∀h∈WY, f(h) =h◦f A

g

 f◦g

??

??

??

??

??

XA

f

66 YA

X f //Y

X

h◦f

??

??

??

??

??

f //Y

h



WX

f

vv WY

W このとき, つぎ を示せ:

(1) f が 全射 ⇔ f が 全射 (⇒を示すのに 選出公理が 必要) (2) f が 単射 ⇔ f が 単射

(3) f が 全射 ⇔ f が 単射 (4) f が 単射 ⇔ f が 全射

ヒント (1) : h YA に 対し て, fg = hとな るよ うな g XA , a A, g(a)f−1(h(a))を 満たす.

: y Y に 対し て,cyYA cy(a) =yとなる定値写像とすれば, 条件が 適用で きる. (cy の存在に A=が 必要)

(2): g=g XAとすれば,a0A,g(a0)=g(a0).

: x=x X に 対し て,cx, cx XAをそれぞれ cx(a) =x,cx(a) =x となる定 値写像とすれば,条件が 適用できる.

(3): h=h WY とすれば,y0Y, h(y0)=h(y0).

: (背理法)f が 全射でなければ, y0Y \f(X). W が 異な る2 元を 持つことを 用いて,h(y0)=h(y0)h(y) =h(y) (y=y0)となるh, hWY を作り,fが 単 射であることに 矛盾を 出す.

(4) : g WX に 対し て, hf =g とな るよ うな h WY , y =f(x) Y h(y) =h(f(x)) =g(x)でなければ ならない.

: x0=x1X に 対し て,W が 異なる2 元を 持つことを用いて,g(x0)=g(x1) なるgWX を 作り, fが 全射であることを 適用.

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