Løsningsforslag til noen oppgaver om Zorns lemma

Like dokumenter
Partielle ordninger, Zorns lemma og utvalgsaksiomet

MAT1140: Partielle ordninger, Zorns lemma og utvalgsaksiomet

Zorns lemma og utvalgsaksiomet

Løsningsforslag øving 6

Lineær uavhengighet og basis

Tillegg til kapittel 11: Mer om relasjoner

(a) R n defineres som mengden av kolonnevektorer. a 1 a 2. a n. (b) R n defineres som mengden av radvektorer

Lineærtransformasjoner

Hint til oppgavene. Uke 34. Uke 35. Fullstendige løsningsforslag finnes på emnesidene for 2017.

Analysedrypp I: Bevis, mengder og funksjoner

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

LO118D Forelesning 3 (DM)

Rang og Vektorrom. Magnus B. Botnan NTNU. 4. august, 2015

Vektorrom. Kapittel 7. Hva kan vi gjøre med vektorer?

Analysedrypp I: Bevis, mengder og funksjoner

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

Oblig 1 - MAT Oppgave 1. Fredrik Meyer. Vi lar α > 1 og x 1 > α. Vi definerer en følge (x n ) ved. x n+1 = α + x n 1 + x n.

Løsningsforslag Øving 9 TMA4140 Diskret matematikk Høsten i for i = 0, 1, 2, 3, 4, og så er W 4 svaret

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

(3/2)R 2+R 3 R 1 +R 2,( 2)R 1 +R 3 ( 2)R 1 +R 4 6/5R 3 +R 4 1/5R 3

Mer om mengder: Tillegg til Kapittel 1. 1 Regneregler for Booleske operasjoner

4.4 Koordinatsystemer

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

Løsningsforslag øving 7

TMA4110 Eksamen høsten 2018 EKSEMPEL 1 Løsning Side 1 av 8. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer: x 1 7x 4 = 0

GENERELLE VEKTORROM. Hittil har vi bare snakket om vektorrom av type

MAT 1110: Bruk av redusert trappeform

x 1 x 2 x = x n b 1 b 2 b = b m Det kan være vanskelig (beregningsmessig) og bearbeide utrykk som inneholder

Utvalgsaksiomet, velordningsprinsippet og Zorns lemma

Egenverdier og egenvektorer

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MNF130 VÅREN 2010 OPPGAVE 1

5.8 Iterative estimater på egenverdier

Emne 12 Mengdelære. ( bokstaven g er ikke et element i mengden B ) Betyr: B er mengden av alle positive oddetall.

MAT1030 Diskret Matematikk

Kapittel 5: Mengdelære

INVERST FUNKSJONSTEOREM MAT1100 KALKULUS

Vektorligninger. Kapittel 3. Vektorregning

Eksamensoppgave i TMA4150 Algebra

Dagens plan. INF3170 Logikk. Mengder. Definisjon. Notasjon. Forelesning 0: Mengdelære, Induksjon. Martin Giese. 23. januar 2008.

Prøveunderveiseksamen i MAT-INF 1100, H-03

Forslag til løsninger, TMA4150 Algebra, 29. mai 2018 Side 1 av 5

To mengder S og T er like, S = T, hvis de inneholder de samme elementene. Notasjon. Mengden med elementene a, b, c og d skrives ofte {a, b, c, d}.

UNIVERSITETET I OSLO. Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

MAT1030 Forelesning 10

Grublegruppe 19. sept. 2011: Algebra I

Notat om Peanos aksiomer for MAT1140

MAT1030 Diskret Matematikk

Kapittel 5: Mengdelære

4.1 Vektorrom og underrom

Notat med oppgaver for MAT1140

4.1 Vektorrom og underrom

4.1 Vektorrom og underrom

UNIVERSITETET I OSLO

Notat 05 for MAT Relasjoner, operasjoner, ringer. 5.1 Relasjoner

INF1080 Logiske metoder for informatikk. 1 Små oppgaver [70 poeng] 1.1 Grunnleggende mengdelære [3 poeng] 1.2 Utsagnslogikk [3 poeng]

UNIVERSITET I BERGEN

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

INF1080 Logiske metoder for informatikk. 1 Små oppgaver [70 poeng] 1.1 Grunnleggende mengdelære [3 poeng] 1.2 Utsagnslogikk [3 poeng]

Eksamen MAT H Løsninger

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA1202/MA6202 VÅR 2010

Løsningsforslag til prøveunderveiseksamen i MAT-INF 1100, H-03

Løsningsforslag oblig. innlevering 1

Injektive og surjektive funksjoner

Kapittel 5: Relasjoner

Analysedrypp II: Kompletthet

Løsning til prøveeksamen i MAT2400, V-11

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

Gauss-eliminasjon og matrisemultiplikasjon

Notat om kardinalitet for MAT1140 (litt uferdig)

Oppgave 1 (25 %) - Flervalgsoppgaver

Om forholdet mellom produkt og barysentrisk oppdeling av simplisialkomplekser

MAT1030 Forelesning 12

Løsningsforslag: Deloppgave om heuristiske søkemetoder ALGKON 2002, ordinær eksamen

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

Noen løsningsforslag/fasitsvar

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser høsten 2009.

MAT1140 Strukturer og argumenter

MAT Onsdag 7. april Lineær uavhengighet (forts. 1.8 Underrom av R n, nullrom, basis MAT Våren UiO. 7.

En rekke av definisjoner i algebra

Matematikk for IT, høsten 2016

MAT1140: Kort sammendrag av grafteorien

UNIVERSITETET I OSLO

LO510D Lin.Alg. m/graf. anv. Våren 2005

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 5

Basis, koordinatsystem og dimensjon

4.4 Koordinatsystemer

MA1201/MA6201 Høsten 2016

R for alle a A. (, så er a, En relasjon R på en mengde A er en Ekvivalensrelasjon hvis den er refleksiv, symmetrisk og transitiv.

Relasjoner. Ekvivalensrelasjoner. En relasjon R på en mengde A er en delmengde av produktmengden. La R være en relasjon på en mengde A.

LØSNINGSFORSLAG UNIVERSITETET I OSLO. Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Oppgave 1 Mengdelære (10 poeng)

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

10 Radrommet, kolonnerommet og nullrommet

Notater fra forelesning i MAT1100 torsdag

MAT3000/ Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse

Oppgaver MAT2500. Fredrik Meyer. 11. oktober 2014

Lineære likningssystemer og matriser

Transkript:

Løsningsforslag til noen oppgaver om Zorns lemma Fredrik Meyer Her er et løsningsforslag på Oppgave 3 og Oppgave 5 i notatet om Zorns lemma. De to første oppgavene ble gjort på plenum. Oppgave 1. Vi skal vise at alle uendeligdimensjonale vektorrom har en basis. La V være et vektorrom over R (muligens uendelig-dimensjonalt). La E V være en delmengde. Vi sier at a 1 e 1 +... + a n e n er en lineær kombinasjon fra E om alle e i uavhengig om for hver gang vi har a 1 e 1 +... + a n e n = 0 E. Vi sier at E er lineært ( e i E), så medfører dette at a i = 0 for i = 1,..., n. La U være mengden av lineært uavhengige delmengder av V. Ordne U med. Da er U en partielt ordnet mengde. a) Vis at alle kjeder i U har en øvre skranke i U. b) Bruk Zorns lemma til å vise at U må ha et maksimalt element E max. c) Vis at ethvert element i v V kan skrives som en lineærkombinasjon v = a 1 e 1 +... a n e n med e i E max. Dette viser at E max er en såkalt Hamel-basis for V. a) La {E i } i I være en kjede av lineært uavhengige mengder i V. Dette betyr at om i < j, så er E i E j. Så en øvre skranke må inneholde alle de lineært uavhengige mengdene E i. Vi definerer derfor E = i I E i. 1

Dette er en (muligens uendelig) delmengde av V. Vi må vise at den er lineært uavhengig for at den skal være en øvre skranke for kjeden. Så anta at vi har a 1 e 1 +... + a n e n = 0 e i E (1) At e i E, betyr det finnes en n i slik at e i E ni. Men E er unionen av slike, så alle e i for i = 1,..., n er inneholdt i E j for j = max{n i }. Dermed foregår relasjonen (1) i E j. Og E j er lineært uavhengig, så vi må ha at alle a i = 0. Dermed er E en øvre skranke for {E i } i I, altså en lineært uavhengig mengde som inneholder alle elementene i kjeden. b) Vi har akkurat vist at alle kjeder i U har en øvre skranke i U, og det følger da ved Zorns lemma at U har et maksimalt element E max. c) Anta at det ikke stemmer. Nemlig, anta at det finnes en ikke-null v V som ikke kan skrives som en lineærkombinasjon med elementer fra E max. Da påstår jeg at dette motsier at E max er en maksimal lineært uavhengig mengde. For vi kan lage E = E max { v}. Denne er ekte større enn E max, og lineært uavhengig: for anta vi har a e+b v = 0 med e Span{E max }. Vi kan ikke ha a = 0, for da får vi v = 0. Men om b 0, vil v være i spennet av E max, som vi antok den ikke gjorde. Så vi må ha b = 0. Men E max er lineært uavhengig, så a = 0 også. Dermed er E lineært uavhengig, og ekte større enn E max. Dette er en motsigelse, så vi må faktisk ha at v er med i spennet til E max. Punktene over er et bevis for at ethvert vektorrom har en Hamel-basis. Siden man ikke støter på uendeligdimensjonale vektorrom så ofte, her er et eksempel å ha i tankene: Example 0.1. La V = C (R) være mengden av glatte funksjoner f : R R (husk at glatt betyr at alle de deriverte er kontinuerlige funksjoner). Dette er et vektorrom (siden du kan legge sammen to funksjoner og gange med skalarer). Resultatet over sier da at det finnes en undelig mengde funksjoner E slik at alle andre funksjoner f V kan skrives som en lineærkombinasjon av disse. Dette er litt rart. Vi tar én oppgave til. 2

Oppgave 2 (Eksamen 2013). La X være en uendelig mengde. En ikke-tom familie F av delmengder av X kalles et filter dersom 1. F. 2. Om F F og G F, så er F G F. 3. Om G F og F F, så er G F. Et filter F er et ultrafilter dersom for alle A X, så er enten A F eller A c F. a) Vis at dersom x X, så er et ultrafilter. b) Vis at er et filter, men ikke et ultrafilter. F x = {F X x F } F = {F X F c er endelig }. c) Anta at C er en totalt ordnet ikke-tom mengde av filtre (det vil si, hvis F, G C, så er enten F G eller G F). Vis at H = F er et filter. d) Anta at F er et filter, og at G X er en delmengde slik at verken G F eller G c F. Vis at er et filter. F C F G = {H X det finnes F F slik at F G H} e) Vis at for ethvert filter F finnes det et ultrafilter U slik at F U. a) Vi har altså at F x er alle delmengdene av X som inneholder x. Det er klart at F x. Også om både F, G inneholder x, så gjør også F G det. Så betingelse 2 er oppfylt. I tillegg: om x F og G F, så er det klart at også x G. Dermed er G F x. Så F x er et filter. At det er et ultrafilter er også lett å se: enten er x A eller så er x A. 3

b) Vi ser altså på mengden F som består av ko-endelige mengder, det vil si, mengder som har endelig komplement. Siden X er uendelig, er det klart at F. La nå både F og G ha endelig komplement. Da er (F G) c = F c G c ved de Morgan s lov. Derfor, om både F c og G c er endelig, så er også (F G) c det. Så punkt 2 er oppfylt. For punkt 3, merk at om F c er endelig, og G F, så er G c F c, og dermed må også G F. Dermed er F et filter. Vi skal nå vise at det ikke er et ultrafilter. Siden X er uendelig, finnes det en injektiv funksjon f : N X. La A være bildet av alle partallene, nemlig A = f(2n), og la B være bildet av oddetallene: B = f(2n + 1). Da er A og B uendelige mengder som er disjunkte. For at F skal være et ultrafilter, må enten A eller A c være i F. Vi har at A F, siden B A c, som er uendelig. På samme vis er A c F, siden A = A cc, som er uendelig. c) Igjen, vi må sjekke de tre betingelsene for et filter. Siden C, er det klart at H. Anta nå at F H og G H. Da er F mathcalf for et filter F og G G for et annet filter G. Men C var total-ordnet, så vi har enten F G eller G F. Uten tap av generalitet kan vi anta at F G. Dermed er både F og G inneholdt i G. Men G er et filter, så F G G. Så F G H. Anta nå at G F og at F H. Da er Da er F F for en F C. Men F er et filter, så G F H. Dermed er H et filter. d) Merk først følgende observasjon: vi må ha F G for alle F F. For hvis vi hadde hatt F G =, så ville F G c. Men F er et filter, og da impliserer punkt 3 at G c F, noe vi vet det ikke er. Dermed må vi ha F G. Dette impliserer at punkt 1 stemmer, for om F G, så ville det eksistert F F slik at F G =. Men det gjør det ikke. La nå H 1 og H 2 være med i F G. Da finnes det F 1 slik at F 1 G H 1 og det finnes F 2 slik at F 2 G H 2. Men da er (F 1 F 2 ) G H 1 H 2, og siden F 1 F 2 F, impliserer dette at H 1 H 2 F G. 4

La nå H 2 H 1 og anta at H 1 F G. Da finnes det F F slik at F G H 1. Men H 1 H 2, så F G H 2 også. Dermed er H 2 F G. Så F G er et filter. e) Dette er en typisk anvendelse av Zorns lemma. La D være mengden av alle filtre på X som inneholder F og ordne denne ved inklusjon. Fra oppgave c) vet vi at alle kjeder i D har en øvre skranke i D. Det følger fra Zorns lemma at D har et maksimalt element U. Vi må vise at U er et ultrafilter. Så la A X og anta A U. Vi må vise at da er A c U. Anta for motsigelse at dette ikke stemmer, og se på filteret U A fra oppgave d). Det er da ikke vanskelig å se at vi må ha U U A og at dette er en streng inklusjon, fordi U A inneholder A. Dette motsier at U A var maksimal. Vi må derfor ha at A c U. Så U er et ultrafilter. Zorns lemma er oppkalt etter Max Zorn (1906-1993). Han jobbet med algebra, gruppeteori og numerisk analyse. Han tok doktorgraden i Tyskland 1930 og fikk en undervisningsstilling, men måtte rømme landet i 1933 på grunn av nazist-direktiver. Han flyttet til USA, og jobbet på Yale og UCLA. Deretter var han professor på Universitetet i Indiana fra 1946 til 1970, da han pensjonerte seg. 5