Temno
Outline přednášky (not in order)
- transifinitní indukce????
- axiom výběru + důsledky (Zornovo lemma - princip maximality)
- Hlavním cílem:
- budování matematiky na pevných základech
- “nekonečna”
- problém existence nealgebraických reálných čísel
- Bijekce mezi úsečkou a čtvercem? xd
- prinicp kompaktnosti
- banach-tarského paradox
- Pokračování: nekonečné množiny (NMAI074) - na to zapomeň tpč
Stručná historie (asi useless ale chce se mi něco psát)
- Bernard Bolzano (1781-1848) - “Množina”
- George Cantor (1845 - 1918) - “Aktuální nekonečno”, diagonální metoda, kardinální čísla, uzavřená množina
- pojem množina byl chápán intuitivně - souhrn určitých a různých objektů -> prvky jsou různé, určité ::: warning
- Bertrano Russel - Russelův paradox, paradox holiče
- když holič holí všechny lidi kteří se neholí sami, holí sám sebe?
- \(a=\{x,x\notin x\}\), platí \(a\in a\)?
- nemá řešení,
- pokud je a v a, tak není v a
- pokud a není v a, tak je v a
- problém je v objektu, nemůže to být množina
- poučení: ne všechno co se dá definovat, tak ve skutečnosti existuje :::
- Beeriho paradox
- nechť \(m\) je nejmenší přirozené číslo které nejde definovat méně než 100 znaky -
- \({27}^{100}\) různých definic - maximálně tolik čísel, ale ta věta má méně než 100 písmen
- poučení: ne vše co se dá napsat má matematický smysl
Zermelo-fraenkelova teorie
- zavedli axiomatickou teorii množin
- Idea:
- množiny jsou jediné “předměty”, které mohou být prvky množin
- množiny se konstruují postupně z prázdné množiny nějakými operacemi
- Jazyk teorie množin
- dvě úrovně “běžného jazyka”
- jazyk teorie “\(x \in y\)”
- metajazyk “důkaz je příliš dlouhý”, “definovat”, “formule”
- jazyk se skládá ze symbolů
- proměnné pro množiny, \(x\), \(y\), \(x_1\) …
- binární predikátový (relační) symbol rovnosti =, náležení \(\in\)
- logické spojky - negace, disjunkce, konjunkce, ->, <->
- kvantifikátory - obecný, existenční
- závorky- (), []
- Formule
- atomické, \(x=y\), \(x\in y\)
- jsou li \(\phi\),\(\psi\) formule v metajazyce, pak \(\lnot\phi\) i \(\phi\oplus\psi\), \(\oplus\in\{\lnot,\land,\lor,\implies,\iff\}\) jsou formule
- je li \(\psi\) formule, x proměnná pak, \((\forall x)\psi\), \((\exists x)\psi\) jsou formule - vázaný/volný výskyt x
- každá formule lze dostat z atomických formulí aplikací konečně mnoha pravidel výše
- jazyk není minimální
- Rozšíření jazyka (zkratky) pro teorii
množin
- \(x \neq y := \neg(x=y)\)
- \(x\notin y := \neg(x\in y)\)
- \(x
\subseteq y :=\) x je podmnožina y
- \((\forall u)(u\in x \implies u\in y)\)
- \(x
\subset y :=\) x je vlastní podmnožina y
- \(x\subseteq y \land x\neq y\)
- časem \(\cup, \cap, \setminus, \{x_1,...,x_n\}, \emptyset, \{x \in a | \phi(x)\}\)
- dvě úrovně “běžného jazyka”
Cvičení: napiš definici prázdné množiny
Axiomy “jak se chovají logické symboly”
- axiomy výrokové logiky - \(\implies, \neg\) -např. schéma axiomů: jsou li \(\phi, \psi\) formule, pak \(\phi \implies (\psi \implies\phi)\) je axiom
- axiomy predikátové logiky - \(\forall,
\exists\)
- jsou li jsou li \(\phi, \psi\) formule, \(x\) proměnná, x není volná v \(\phi\), pak \((\forall x)(\phi\implies\psi)\implies(\phi\implies(\forall x)\psi)\)
- axiomy rovnosti
- pokud x je proměnná, pak \(x=x\)
- x,y,z jsou proměnné, R je relační symbol, pak \((x=y) \implies (\forall z)(R(x,z)\iff R(y,z))\) - axiom substituce
- speciálně v TM za R můžeme dosadit \(\in\), pak \((x=y) \implies (\forall z)(x\in y\iff y \in z)\)
- \((x=y) \implies (\forall z)(z\in x\iff z \in y)\)
Deduction rules (informally):
- from \(\psi\) and \(\psi \implies \phi\), deduce \(\phi\)
- from \(\psi\) deduce \((\forall x)\psi\)
Cvičení: dokažte že \(((x\subseteq y)\land(y\subset z)) \implies x\subset z\)
Deduction rules (informally):
- from \(\psi\) and \(\psi \implies \phi\), deduce \(\phi\)
- from \(\psi\) deduce \((\forall x)\psi\)
Axioms of set theory:
- how does the \(\in\) behaves and which sets exists
- formally 1. - 8. axioms form the Zermelo–Fraenkel theory (ZF) and adding the 9th axiom (Choice) creates extended theory called ZFC
- Axiom of existence - “a set exists”
- \(\exists x: x = x\)
- i dont fcking know why this shit is here
- Axiom of extensionality - “a set is
determined by its elements”
- \(\forall x \forall y [\forall z (z \in x \iff z \in y) \implies x = y ]\)
- Axiom of separation - “we can take all
elements from set that are of target properties”
- \(\forall z \forall \omega \exists y \forall x [x \in y \iff ((x \in y) \land \psi(x, \omega, z))]\)
- also know as Axiom of specification
- dissallows possibilites of self-reference and paradox connected with these problems
- thanks to Extensionality there exists only one such set
- usage: \(\{x, x \in a \land \psi(x)\}\) shorter version: \(\{x \in a; \psi(x)\}\)
- definition of set operators using Separation:
- \(a \cup b = \{x \in a; x \in b\}\)
- \(a \\ b = \{x \in a; x \notin b\}\)
- \(\emptyset = \{x \in a; x \neq x\}\) - a can be any set
- Axiom of pairing - “for every pair of
sets a, b, there exists z, whose
elements are exactly a and b”
- \(\forall x \forall y \exists z ((x \in z) \land (y \in z))\)
- Def.: unordered pair: simply a set of
size two
- such as \(\{a, b\}\) or \(\{a, a\} = \{a\}\)
- Def.: ordered pair: gradually
increasing set of sets with elements from the pair
- example: \((a, b) = \{\{a\}, \{a, b\}\}\)
- beware: \((a, a) = \{\{a\}, \{a, a\}\} = \{\{a\}, \{a\}\} = \{\{a\}\}\)
- lemma: \((x, y) = (u, v) \iff (x = u \land y =
v)\)
- proof: -\((\Leftarrow)\) if \(x =
u\) then \(\{x\} = \{u\}\) from
Extensionality and if \(y = v\) then \(\{x, y\} =
\{u, v\} \implies \{\{x\}, \{x, y\}\} = \{\{u\}, \{u,
v\}\}\)
- \((\Rightarrow)\) if \(\{\{x\},
\{x, y\}\} = \{\{u\}, \{u, v\}\}\), then \(\{x\} =
\{u\}\) or \(\{x\} = \{u, v\}\),
either way \(u = x\)
- \(\{u, v\} = \{x\}\) or
\(\{u,
v\} = \{x, y\}\), therefore either \(\{v =
x\}\) or \(\{v = y\}\)
- if \(v = y\) then we’re done
- if \(v = x\) then \(v = u = x = y\) and we’re done as well
- \(\{u, v\} = \{x\}\) or
\(\{u,
v\} = \{x, y\}\), therefore either \(\{v =
x\}\) or \(\{v = y\}\)
- \((\Rightarrow)\) if \(\{\{x\},
\{x, y\}\} = \{\{u\}, \{u, v\}\}\), then \(\{x\} =
\{u\}\) or \(\{x\} = \{u, v\}\),
either way \(u = x\)
- proof: -\((\Leftarrow)\) if \(x =
u\) then \(\{x\} = \{u\}\) from
Extensionality and if \(y = v\) then \(\{x, y\} =
\{u, v\} \implies \{\{x\}, \{x, y\}\} = \{\{u\}, \{u,
v\}\}\)
- Axiom of union - “union over the
elements of a set is a set”
- for any set of sets F {{{F}}}, there is a set A {A} containing every element that is a member of some member of F {{{F}}}
- \(\forall \mathcall\{F\} \exists A \forall Y \forall x [(x \in Y \land Y \in mathcal\{F\}) \imples x \in A]\)
- Axiom of the power set - “there exists
a set z, whose elements are all subsets of a”
- \(\forall x \exists y \forall z (z \subsetq x \implies z \in y)\)
HERE INSERT HONZA 3
Janek 4
Relations
\(x<=_R y\) means \((x,y) \in R\)
Ordering \(R\) is linear (on A) if \(R\) is a trichotmic relation (on \(A\)). That means that every pair of elements in \(A\) is comparable.
\(R'\) is a strict ordering (ostré uspořádání) if \(R'\) is of the form \(R - Id\) where R is an ordering.
- it becomes antireflexive, antisymmetric and transitive.
- antisymmetric is implied from the other two.
\(x <_{R} y\) means \((x,y) \in R\)
Examples of ordering - (natural numbers, <=) - (V, inclusion <=) - (natural numbers, |) - (R^2 (complex numbers), <=_{lex})
R is an ordering on class A, let X A We say that a A is (with respect to R and A) - majaorant (upper bound) - majoranta, horní mez of the class X if \((\forall x in X)(x \in_r a)\) - maximal element of X iff a X A(x in X)(a <_R x) (maximální prvek) - maximum element (largest) of X if \(a \in X\) and a is a majorant (největší) - supremum of X if a is the smallest element of the class of all majorants of X - smallest defined symetrically
- minorant, minimal element, minumum element, infimum
maxium -> maximal, if R is linear, maximal -> maximum and there is at most one maximal there is alwats at most one maximum and at most one supremum
notation a = max_R(X) a = sup_r(X)
X is bounded from above in A if there exists a majorant of X in A, similart from below (sdola) (shora omezená) X is lower set in A if (x X)(y A)(y <=_r x y X) “with every element it containt all smaller elements” (dolní množina) - x A, then (, x] is {y, yA \and y <=_R x} - principal ideal determined by x
:::observation R is an ordering on A, then for arbitrary x, y A we have x <=_R y (, y] :::
remark construction of R from Q: Dedekind’s cuts: x : X is a lower set with respect to classical ordering and if sup(x) exists then sup(X) X for example Q prunik s (-inf, q) is not a ded. cut Q prunik s (-inf, q] is a ded. cut Q prunik s (-inf, square root of 2] is a ded. cut
ordering R on class A is a well-ordering (dobré) if every nonempty subset of A has a smallest element with respect to R
Exercise: weire this definition using a formula observation: well ordering is a hereditary property (IF b A then R is well ordering also on B) Observation: every well ordering is linear
exercise: find some sets on which E sjednoceno Id is a Well ordering
Comparing cardinalities (mohutnost) Set x has cardinality smaller than or equal to the cardinalty of Y, x <= y if there exists and indective mapping of x into y