مبدأ هاوسدورف الأقصى
في الرياضيات ، يُعد مبدأ هاوسدورف الأقصى صياغة بديلة وأقدم لفرضية زورن، وقد أثبتها فيليكس هاوسدورف عام 1914 [ 1 ] . وينص هذا المبدأ على أنه في أي مجموعة مرتبة جزئيًا ، فإن كل مجموعة جزئية مرتبة كليًا تقع ضمن مجموعة جزئية مرتبة كليًا قصوى، حيث تُشير كلمة "قصوى" إلى احتواء المجموعة.
في المجموعة المرتبة جزئياً، تُسمى المجموعة الفرعية المرتبة كلياً أيضاً سلسلة. وبالتالي، ينص مبدأ القيمة القصوى على أن كل سلسلة في المجموعة تمتد إلى سلسلة قصوى.
والنتيجة المباشرة لذلك هي ليمّة زورن ، وهي أنه إذا كان لكل سلسلة من مجموعة مرتبة جزئياً حد أعلى، فإن المجموعة المرتبة جزئياً تحتوي على عنصر أقصى، وهو الحد الأعلى لسلسلة قصوى.
يُعد مبدأ هاوسدورف الأقصى أحد العبارات العديدة المكافئة لبديهية الاختيار في نظرية زيرميلو-فرانكل للمجموعات (ZF) ( بدون بديهية الاختيار). ويُعرف هذا المبدأ أيضًا باسم نظرية هاوسدورف القصوى أو مبرهنة كوراتوفسكي [ 2 ] .
إفادة
ينص مبدأ هاوسدورف الأقصى على أنه في أي مجموعة مرتبة جزئياًكل سلسلة(أي، مجموعة جزئية مرتبة ترتيبًا كليًا ) موجودة في سلسلة قصوى(أي سلسلة غير موجودة ضمن سلسلة أكبر منها بكثير)). بشكل عام، قد يكون هناك العديد من السلاسل القصوى التي تحتوي على سلسلة معينة.
يُعرّف مبدأ هاوسدورف الأقصى بصورة مكافئة بأنه في كل مجموعة مرتبة جزئياً، توجد سلسلة قصوى. (لاحظ أنه إذا كانت المجموعة فارغة، فإن المجموعة الفرعية الفارغة تُشكّل سلسلة قصوى).
ينتج هذا الشكل من الشكل الأصلي لأن المجموعة الفارغة عبارة عن سلسلة. وعلى العكس من ذلك، لاستنتاج الشكل الأصلي من هذا الشكل، انظر إلى المجموعةمن بين جميع السلاسل فيتحتوي على سلسلة معينةفي. ثميتم ترتيبها جزئياً حسب احتواء المجموعة. وبالتالي، وفقاً لمبدأ القيمة القصوى بالشكل المذكور أعلاه،يحتوي على سلسلة قصوى. يترككن اتحاد، وهي سلسلة فيلأن اتحاد مجموعة سلاسل مرتبة ترتيباً كاملاً هو سلسلة.يتضمن، وهو عنصر منأيضًا، نظرًا لأن أي سلسلة تحتوي علىيحتوي علىمثلهو اتحاد،هو في الواقع عنصر أقصى منأي، سلسلة قصوى في.
إن برهان تكافؤ مبدأ هاوسدورف الأقصى مع مبرهنة زورن يشبه إلى حد ما هذا البرهان. في الواقع، لنفترض أولًا صحة مبرهنة زورن. بما أن اتحاد مجموعة سلاسل مرتبة ترتيبًا كليًا هو سلسلة، فإن فرضية مبرهنة زورن (لكل سلسلة حد أعلى) تتحقق لـوبالتالييحتوي على عنصر أقصى أو سلسلة قصوى في.
وعلى العكس من ذلك، إذا كان مبدأ القيمة القصوى صحيحًا، فإنيحتوي على سلسلة قصوىبناءً على فرضية معضلة زورن،له حد أعلىفي. لو، ثمهي سلسلة تحتويوبالتالي، من خلال مبدأ الأقصى،؛ أي،وهكذا.
أمثلة
إذا كانت A أي مجموعة من المجموعات، فإن العلاقة "مجموعة جزئية فعلية من" هي ترتيب جزئي صارم على A. لنفترض أن A هي مجموعة جميع المناطق الدائرية (داخل الدوائر) في المستوى. تتكون إحدى المجموعات الفرعية المرتبة كليًا القصوى من A من جميع المناطق الدائرية التي مركزها نقطة الأصل. وتتكون مجموعة فرعية أخرى مرتبة كليًا قصوى من جميع المناطق الدائرية المحصورة بدوائر مماسة من اليمين لمحور الصادات عند نقطة الأصل.
إذا كانت (x 0 , y 0 ) و (x 1 , y 1 ) نقطتين في المستوىنُعرّف (x₀ , y₀ ) < (x₁ , y₁ ) إذا كان y₀ = y₁ و x₀ < x₁ . هذا ترتيب جزئي لـحيث تكون نقطتان قابلتين للمقارنة فقط إذا كانتا تقعان على نفس الخط الأفقي. المجموعات المرتبة كليًا القصوى هي خطوط أفقية في.
طلب
باستخدام مبدأ هاوسدورف الأقصى، يمكننا إثبات أن كل فضاء هيلبرتتحتوي على مجموعة فرعية متعامدة قصوىكما يلي. [ 3 ] (يمكن التعبير عن هذه الحقيقة بالقول إن(مثل فضاءات هيلبرت.)
يتركلتكن مجموعة جميع المجموعات الجزئية المتعامدة من فضاء هيلبرت المعطىوهي مرتبة جزئيًا وفقًا لمبدأ احتواء المجموعة. وهي غير فارغة لأنها تحتوي على المجموعة الفارغة، وبالتالي، وفقًا لمبدأ الحد الأقصى، فإنها تحتوي على سلسلة قصوى.. يترككن اتحادسنُبين أنها مجموعة جزئية متعامدة قصوى. أولاً، إذافيثم إماأوأي أن أي عنصرين متميزين معطيين فييتم تضمينها في بعضفيوبالتالي فهما متعامدان مع بعضهما البعض (وبالطبع،هي مجموعة جزئية من كرة الوحدة فيثانيًا، إذابالنسبة للبعضفي، ثملا يمكن أن يكون فيوهكذاهل السلسلة أكبر من، وهو تناقض.
لغرض المقارنة، إليك برهان على نفس الحقيقة باستخدام ليمّة زورن. كما سبق، ليكنلتكن مجموعة جميع المجموعات الجزئية المتعامدة من. لوهي سلسلة فيثم اتحادوهي أيضًا متعامدة معيارية بنفس الحجة المذكورة أعلاه، وبالتالي فهي حد أعلى لـوبالتالي، وفقًا لمبدأ زورن،يحتوي على عنصر أقصى(إذن، الفرق هو أن المبدأ الأقصى يعطي سلسلة قصوى بينما تعطي ليمّة زورن عنصرًا أقصى بشكل مباشر.)
البراهين
الدليل 1
إن فكرة البرهان تعود أساساً إلى زيرميلو، وتتمثل في إثبات الشكل الضعيف التالي لفرضية زورن ، انطلاقاً من بديهية الاختيار . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
اللمة — دعلتكن مجموعة تتكون من مجموعات جزئية من مجموعة ثابتةبحيثيستوفي الخصائص التالية:
- غير فارغ.
- اتحاد كل مجموعة جزئية مرتبة ترتيبًا كليًا منهو في، حيث يكون الترتيب متعلقًا باحتواء المجموعة.
- لكل مجموعةفي، كل مجموعة فرعية منهو في.
ثميحتوي على عنصر أقصى فيما يتعلق باحتواء المجموعة.
(تنبثق ليمّة زورن نفسها أيضًا من هذا الشكل الضعيف). وينتج مبدأ القيمة القصوى مما سبق، لأن مجموعة جميع السلاسل فييستوفي الشروط المذكورة أعلاه.
بحسب بديهية الاختيار، لدينا دالةبحيثبالنسبة لمجموعة الطاقةل.
لكل، يتركليكن مجموعة الكلبحيثهو في. لوثم دعوإلا، فليكن
ملحوظةيكون عنصرًا أقصى إذا وفقط إذاوبالتالي، نكون قد انتهينا إذا استطعنا إيجادبحيث.
إصلاحفينسميها مجموعة جزئيةبرج (فوق)) لو
- هو في.
- اتحاد كل مجموعة جزئية مرتبة ترتيبًا كليًاهو في، حيث يكون مصطلح "مرتب تمامًا" فيما يتعلق بتضمين المجموعة.
- لكلفي،هو في.
يوجد برج واحد على الأقل؛ في الواقع،هو نفسه برج. دعأن يكون تقاطع جميع الأبراج، وهو برج آخر.
والآن، سنعرضتم ترتيبها بالكامل. نقول مجموعةوهو قابل للمقارنة فيإذا كان لكلفي، أيضاًأو. يتركلتكن مجموعة جميع المجموعات فيوالتي تتشابه فينحن ندعيهو برج. من السهل التحقق من الشرطين 1 و2. أما بالنسبة للشرط 3، فلنفرضفييُعطى ثم يُتركليكن مجموعة الكلفيبحيث إماأو.
نحن ندعيهو برج. الشرطان 1 و2 سهل التحقق منهما. بالنسبة للشرط 3، لنفترضكن في. لوثم بما أنوهو قابل للمقارنة في، أيضاًأوفي الحالة الأولى،هو فيفي الحالة الثانية، لديناوهذا يعني إماأو(هذه هي اللحظة التي احتجنا فيها إلى اختزال مجموعة إلى عنصر واحد باستخدام بديهية الاختيار لتعريف.) في كلتا الحالتين، لديناهو فيوبالمثل، إذا، نرىهو في. لذلك،هو برج. الآن، بما أنوهو نقطة تقاطع جميع الأبراج،وهذا يعنيوهو قابل للمقارنة فيأي، موجود فيوبهذا يكتمل إثبات الادعاء بأنهو برج.
وأخيراً، بما أنهو برج يقع فيلديناوهذا يعنيتم ترتيبها بالكامل.
يترككن اتحادبحلول الساعة الثانية،هو فيثم بحلول الساعة الثالثة،هو في. منذهو اتحاد،وبالتالي.
وجودفيبحيثكما يُعطى ذلك مباشرةً من خلال نظرية بورباكي-ويت (انظر § البرهان 2 )، والتي تنص على أنلها نقطة ثابتة. من ناحية أخرى، يثبت البرهان أعلاه في الواقع الحالة التالية كحالة خاصة، وهي ذات أهمية مستقلة إلى حد ما.
اللمة — دعكن مجموعة مرتبة ومجموعة جميع السلاسل فيإذن، لا توجد دالةبحيث يكون لكل،يمثل حدًا أعلى صارمًا لـ.
في الواقع، إذا كان الأمر كذلكموجود، نحن نحددوما سبقيُعطي تناقضًا كما يلي:. هذه اللمة بدورها تستلزم مباشرة نظرية بورباكي-ويت؛ انظر نظرية بورباكي-ويت#البرهان 3 .
للاطلاع على برهان بديل (لبرهان بورباكي-ويت)، انظر أيضًا برهان النظرية 3.1 (بورباكي-ويت) في مبرهنة زورن [ 7 ] . ما نسميه هنا برجًا هو نفسه مجموعة استقرائية-s هناك. هذا البرهان مطابق تمامًا لبرهان مبرهنة زورن في كتاب لانغ للجبر [ 8 ] .
الدليل الثاني
تنص نظرية بورباكي -ويت على
- يتركليكن مجموعة جزئية مرتبة غير فارغة حيث يكون لكل سلسلة حد أعلى أدنى (أي قيمة عليا ). عندئذٍ كل دالةبحيثلكلفيله نقطة ثابتة.
لا تعتمد النظرية المذكورة أعلاه في حد ذاتها على بديهية الاختيار . ومع ذلك، يمكن استخدامها مع بديهية الاختيار لإثبات مبدأ هاوسدورف الأقصى على النحو التالي. خذأن تكون مجموعة جميع السلاسل في مجموعة مرتبة جزئياًوهي نفسها مجموعة مرتبة جزئيًا بالنسبة لاحتواء المجموعات. وهي غير فارغة لأنها تتضمن المجموعة الفارغة. كذلك، اتحاد سلسلةهو الحد الأعلى الأدنى: من الواضح أنه حد أعلى، وإذايمثل الحد الأعلى لـ، ثمالآن، لكل سلسلةفي، يتركلتكن مجموعة جميع الحدود العليا الصارمة لـ. يترك
لتكن دالة اختيار يضمن وجودها بديهية الاختيار، ثم عرّفبواسطة
بحسب نظرية بورباكي-ويت، يوجد عنصرفيبحيثوهذاهي سلسلة قصوى في.
البرهان من نظرية الترتيب الجيد
يتركلتكن مجموعة جميع السلاسل فيباستخدام نظرية الترتيب الجيد ، نجد ترتيبًا جيدًاعلىسنقوم بإنشاء الدالة
بشكل متكرر فيما يتعلق بـكما يلي. [ 9 ] لعنصرفيلنفترض أننا أعطينا دالة عشوائية
ثم دع
إذا كانت المجموعة الموجودة على اليمين مرتبة ترتيبًا تامًا؛ أي عنصر منووإلا. إذاإذا كان مطلوبًا منها أيضًا أن تستوفي الشرط التكراري المذكور أعلاه، فإن نظرية التكرار المتسامي تضمن أن هذا يُعرّف الدالةبشكل فريد (باختصار، إذاهو- أصغر عنصر، مجالالمجموعة أعلاه هي المجموعة الفارغة، وبالتالييتم تحديدها بشكل فريد، وبشكل عام، يضمن شرط التكرار التفرد.يُستخدم لتعريفنلاحظ
- صورةمرتبة تمامًا، فيما يتعلق بتضمين المجموعة.
- لوهي سلسلة تحتوي، ثملكل.
في الواقع، (1) صحيح لأنه إذا، ثم
والذي يحتويكمجموعة جزئية. (2) صحيح لأن
هي سلسلة لأنها مجموعة جزئية من سلسلة.
وأخيرًا، وفقًا لـ (1)، الاتحادصورةهي سلسلة وهي قصوى وفقًا للمعادلة (2)، لأنه إذاسلسلة أخرى، إذنلكل.
ملحوظات
- ↑ مور 1982 ، ص 168.
- ↑ كيلي 1955 ، ص 33.
- ↑ رودين 1986 ، النظرية 4.22.
- ↑ هالموس 1960 ، § 16.
- ↑ رودين 1986 ، الملحق
- ↑ براون، كين. "الرياضيات 6310: مبرهنة زورن" (ملف PDF) . قسم الرياضيات، جامعة كورنيل . تاريخ الاسترجاع: 25-06-2026 .
- ↑ "معضلة زورن في nLab" . ncatlab.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-06-2026 .
- ↑ الملحق 2، النظرية 2.1، في سيرج، لانغ (2002). "الجبر" . نصوص الدراسات العليا في الرياضيات . doi : 10.1007/978-1-4613-0041-0 . ISSN 0072-5285 .
- ↑ PlanetMath، برهان على تكافؤ ليمّة زورن، ونظرية الترتيب الجيد، ومبدأ هاوسدورف الأقصى
مراجع
- هالموس ، بول (1960). نظرية المجموعة الساذجة . برينستون، نيوجيرسي: شركة د. فان نوستراند.أُعيد طبعه بواسطة دار نشر سبرينغر-فيرلاغ، نيويورك، 1974. رقم الكتاب المعياري الدولي (ISBN) 0-387-90092-6(طبعة سبرينغر-فيرلاغ).
- كيلي، جون (1955). الطوبولوجيا العامة . فون نوستراند.
- مور، غريغوري (1982). بديهية زيرميلو للاختيار . سبرينغر.
- مونكرز، جيمس (2000). الطوبولوجيا . بيرسون.
- ملحق من كتاب رودين، والتر (1986). التحليل الحقيقي والمركب (سلسلة دولية في الرياضيات البحتة والتطبيقية) . ماكجرو هيل. رقم ISBN 978-0-07-054234-1.
للمزيد من القراءة
- بديهية الاختيار
- المبادئ الرياضية
- نظرية النظام
