Demostración del Lema de Zorn

El Lema de Zorn es un principio fundamental en la teoría de conjuntos. Este lema es equivalente al Axioma de Elección y al Teorema de Zermelo, y es esencial en muchas áreas de la matemática, como el álgebra y la topología.

Por ejemplo, es utilizado para demostrar la existencia de bases en espacios vectoriales y de ideales maximales en anillos conmutativos.

Enunciado

Lema de Zorn. Si (X,≤)(X, \leq) es un conjunto preordenado en el que toda cadena está acotada superiormente. Entonces (X,≤)(X, \leq) tiene un elemento maximal.

Definiciones previas

Se dice que (X,≤)(X, \leq) es un conjunto preordenado (o proset) cuando algunos elementos pueden ser comparados a≤ba \leq b o b≤ab \leq a

Se dice que (X,≤)(X, \leq) es un conjunto parcialmente ordenado (o poset) cuando es un proset con la propiedad antisimétrica a≤ba \leq b y b≤ab \leq a ⇔\Leftrightarrow a=ba = b

Se dice que (X,≤)(X, \leq) es un conjunto totalmente ordenado (o toset) cuando es un poset con todos los elementos comparables.

En lo siguiente (X,≤)(X, \leq) es un conjunto preordenado o proset.

Sea S⊂XS \subset X. Diremos que m∈Sm \in S es un elemento maximal (resp. minimal) cuando no hay elemento de SS (estrictamente) mayor (respectivamente estrictamente menor). Formalmente, mm es maximal en SS si para todo s∈Ss \in S si m≤sm \leq s entonces m=sm = s. Análogamente para el minimal.

Sea S⊂XS \subset X. Diremos que m∈Sm \in S es el máximo (resp. mínimo) cuando es mayor (resp. menor) que todos los elementos de SS. Formalmente, mm es máximo en SS si para todo s∈Ss \in S s≤ms \leq m. Análogamente para el mínimo.

Observación: el elemento maximal/minimal no tiene por qué ser único. No confundir con el máximo/mínimo. Éste es mayor/menor que todos (y por tanto comparable) lo cual no tiene por que suceder con el elemento maximal/minimal.

Proposición. Si S⊂XS \subset X es un conjunto parcialmente ordenado o poset y tiene máximo (resp. mínimo) entonces es el único elemento maximal (resp. minimal).

Demostración
  • Sea m∈Sm \in S, si s∈Ss \in S tal que m≤sm \leq s necesariamente por ser mm máximo s≤ms \leq m y por tanto por la propiedad antisimétrica de los posets m=sm = s (mm es maximal, pues no hay elemento estrictimente mayor). □\square

  • Sea m′∈Sm' \in S, si s∈Ss \in S tal que s≤m′s \leq m' necesariamente por ser m′m' mínimo m′≤sm '\leq s y por la propiedad antisimétrica de los posets, m′=sm' = s. (m′m' es minimal pues no hay elemento estrictamente menor) □\square

  • Para la unicidad, sea mm el máximo de SS. Supongamos que existe otro elemento m′∈Sm' \in S tal que m′m' es maximal. Por ser mm el máximo, m′≤mm' \leq m. Pero m′m' es maximal, lo que implica que no puede haber un elemento mayor que m′m', entonces m=m′m = m'. Por lo tanto, mm es el único elemento maximal. □\square

  • Análogamente para el mínimo.

Definición. Se dice que A⊂XA \subset X es un conjunto bien ordenado cuando es totalmente ordenado y todo subconjunto suyo no vacío tiene mínimo. La clase de subconjuntos de XX bien ordenados se denota como Well(X)Well(X)

Definición. S⊆XS \subseteq X es un conjunto cerrado inferiormente (c.c.i) en XX si para cualquier u∈Su \in S, si v∈Xv \in X tal que v≤uv \leq u entonces v∈Sv \in S.

Observación: Todo conjunto es cerrado inferiormente en sí mismo.

Definición. C⊂XC \subset X es una cadena de XX sii por def (C,≤)(C, \leq) es totalmente ordenado.

Definición. Si CC es cadena de XX y x∈Cx \in C, entonces llamamos segmento inicial de xx en CC a los elementos de CC estrictamente menores que xx. Ic(x)={y∈C:y<x} I_c(x) = \{y \in C : y \lt x\}

Observación: los segmentos iniciales son cerrados inferiormente.

En efecto, sea u∈Ic(x)u \in I_c(x) entonces u<xu \lt x. Si v∈Xv \in X tal que v≤uv \leq u entonces v<xv \lt x y por tanto v∈Ic(x)v \in I_c(x).

Axioma de Elección. Dado un conjunto no vacío XX, existe una función ff que asigna a cada subconjunto no vacío de XX un elemento de él.

Demostración del Teorema (Lema de Zorn).

Lema de Zorn. Si (X,≤)(X, \leq) es proset en el que toda cadena está acotada superiormente. Entonces (X,≤)(X, \leq) tiene un elemento maximal.

Supongamos que (X,≤)(X, \leq) no tiene elemento maximal y lleguemos a contradicción. Sea CC una cadena en XX, y por hipótesis u∈Xu \in X una cota superior de CC. Como no hay elemento maximal, necesariamente existe v∈Xv \in X tal que u<vu \lt v. Luego CC admite una cota superior estricta.

Utilizando el Axioma de Elección, existe una función ff que asigna a una cadena C⊂XC \subset X bien ordenada una cota superior estricta f(C)f(C).

La contradicción buscada consistirá en encontrar una cadena U⊂XU \subset X tal que f(U)∈Uf(U) \in U.

Para ello, definimos la noción de conjunto ff-inductivo.

Definición A∈Well(X)A \in Well(X) es f-inductivo si para todo x∈Ax \in A x=f(IA(x)) x = f(I_A(x))

Los conjuntos f-inductivos cumplen el siguiente lema de comparación.

Lema de Comparación. Si A,B⊂XA, B \subset X son f-inductivos y A≠BA \neq B, entonces uno es cerrado inferiormente en el otro.

Demostración

Sean A≠BA \neq B subconjuntos f-inductivos en XX.

Sea II la unión de todos los subconjuntos cerrados inferiormente (ci) en AA y en BB (en ambos).

I=⋃S ci A,BS⊂A∩B I = \bigcup_{S \ ci \ A, B}S \subset A \cap B

Sea u∈Iu \in I entonces existe SuS_u cerrado inferiormente en AA y en BB tal que u∈Suu \in S_u. Si v∈A∪Bv \in A \cup B, y v<uv \lt u entonces por ser SuS_u cerrado inferiormente en AA y en BB se sigue que v∈Su⊂Iv \in S_u \subset I. Luego II es cerrado inferiormente en AA y en BB. Además es maximal entre estos conjuntos pues cualquier SS c.i en AA y en BB está contenido en II.

Supongamos que I⊊AI \subsetneq A y I⊊BI \subsetneq B y lleguemos a contradicción.

Sea y=min⁡(A∖I)y = \min(A \setminus I) Sea z=min⁡(B∖I)z = \min(B \setminus I)

Entonces,

IA(y)=I=IB(z)I_A(y) = I = I_B(z)

IA(y)⊂I    \boxed{I_A(y) \subset I}\;\; Sea u∈IA(y)u \in I_A(y) entonces u<yu \lt y. Como y=min⁡(A∖I)y = \min(A \setminus I) necesariamente u∈Iu \in I.

IA(y)⊃I    \boxed{I_A(y) \supset I}\;\; Sea u∈I⊊Au \in I \subsetneq A luego puedo compararlo con yy. Es claro que u≠yu \neq y porque y∉Iy \notin I. Si y<uy \lt u, entonces por ser II cerrado inferiormente en AA se tendría y∈Iy \in I en contra de la def. de yy. Necesariamente u<yu \lt y. Luego u∈IA(y)u \in I_A(y).

Análogo para la otra igualdad y observamos que II es segmento inicial de AA y de BB (más fuerte que c.i)

Por ff-inductividad:

y=f(I)=z y = f(I) = z

Si consideramos I′=I∪{y}=I∪{z} I' = I \cup \{y\} = I \cup \{z\}

Sea u∈A∪Bu \in A \cup B tal que u<y=zu \lt y = z, necesariamente u∈IA(y)=IB(z)=I⊂I′u \in I_A(y) = I_B(z) = I \subset I'. Por ser II c.i en AA y en BB, esto prueba que I′I' también lo es.

Luego I∪{y}=I∪{z}I \cup \{y\} = I \cup \{z\} debería estar necesariamente en la unión II obteniendo y=z∈Iy=z \in I. Contradicción.

Por tanto, I=AI = A o I=BI = B, luego uno es cerrado inferiormente en el otro. □\square

Aplicando el Lema de comparación a la colección de conjuntos ff-inductivos llegamos a que es totalmente ordenada por la inclusión de conjuntos cerrados inferiormente.

Lema de Union de Conjuntos c.i. - Sea {Pα:α∈A}\{ P_\alpha: \alpha \in A\} una colección de subconjuntos de XX, cada uno con un buen-orden ≤α\leq_\alpha, tal que para cualquier α,β\alpha, \beta, uno de PαP_\alpha, PβP_\beta (cada uno con su orden) es cerrado inferiormente en el otro. - Sea PP la unión ∪α Pα\cup_\alpha \ P_\alpha, con el orden x≤yx \leq y sii por def. x≤αyx \leq_\alpha y en algún PαP_\alpha que contenga a ambos.

Entonces PP está bien ordenado por ≤\leq, con cada PαP_\alpha cerrado inferiormente en PP

Demostración
  • Observamos que ≤\leq está bien definido y es un orden total. Sean x,y∈Px, y \in P, entonces x∈Pαx \in P_\alpha e y∈Pβy \in P_\beta para ciertos α,β\alpha, \beta, donde uno de Pα,PβP_\alpha, P_\beta es segmento inicial del otro. Sin pérdida de generalidad, suponemos Pα⊂PβP_\alpha \subset P_\beta entonces x,yx, y son comparables en PβP_\beta.

  • Sea u∈Pαu \in P_\alpha y v∈Pv \in P, entonces v∈Pβv \in P_\beta para cierto β\beta. Supongamos además v≤uv \leq u. Por hipótesis, uno de Pα,PβP_\alpha, P_\beta es cerrado inferiormente en el otro. Si PαP_\alpha es c.i en PβP_\beta, se sigue que v∈Pαv \in P_\alpha. Por el contrario, si PβP_\beta es c.i en PαP_\alpha trivialmente v∈Pαv \in P_\alpha. Luego cada PαP_\alpha es cerrado inferiormente en PP.

  • Si ∅≠T⊂P\emptyset \neq T \subset P entonces T∩Pα≠∅T \cap P_\alpha \neq \emptyset para cierto α\alpha luego hay un mínimo t∈T∩Pαt \in T \cap P_\alpha con respecto a ≤α\leq_\alpha. Este tt es mínimo en TT con respecto a ≤\leq. Para s∈Ts \in T con s≤ts \leq t, por ser PαP_\alpha c.i en PP necesariamente s∈Pαs \in P_\alpha. Así s∈T∩Pαs \in T \cap P_\alpha y por def. de mínimo t≤αst \leq_\alpha s. Por tanto, t≤st \leq s. □\square

Corolario En las condiciones del lema anterior, se verifica que para cualquier x∈Px \in P de donde x∈Pαx \in P_\alpha IPα(x)=IP(x) I_{P_\alpha}(x) = I_P(x)

Demostración

Sea y∈IPα(x)y \in I_{P_\alpha}(x) entonces y∈Pα⊂Py \in P_\alpha \subset P tal que y<xy \lt x. Luego y∈IP(x)y \in I_P(x). Sea y∈IP(x)y \in I_P(x) entonces y∈Py \in P tal que y<xy \lt x. Como PαP_\alpha es c.c.i en PP por el Lema de Union de c.i, se tiene que y∈Pαy \in P_\alpha y por tanto y∈IPα(x)y \in I_{P_\alpha}(x) □\square

Así, la unión UU de todos los conjuntos f-inductivos es por el Lema de Unión de c.c.i un conjunto bien ordenado. (U∈Well(X)U \in Well(X)).

Además, sea x∈U=⋃S f−indS x \in U = \bigcup_{S \ f-ind} S

entonces existe SxS_x ff-inductivo tal que x∈Sxx \in S_x por lo que x=f(ISx(x))=f(IU(x)) x = f(I_{S_x}(x)) = f(I_U(x))

usando el Corolario del Lema de Union de c.c.i.

Luego UU es el subconjunto ff-inductivo maximal.

Considerando su cota superior estricta f(U)f(U) entonces U′=U∪{f(U)}U' = U \cup \{f(U)\} está totalmente ordenado por estarlo UU y por ser u<f(U)u \lt f(U) para todo u∈Uu \in U. Además,

IU′(f(U))=IU∪{f(U)}(f(U))=U I_{U'}(f(U)) = I_{U\cup \{f(U)\}}(f(U)) = U

luego

f(IU′(f(U)))=f(U) f(I_{U'}(f(U))) = f(U)

concluyendo que U′=U∪{f(U)}U' = U \cup \{f(U)\} es un conjunto ff-inductivo que estaría necesariamente en el maximal obteniendo f(U)∈Uf(U) \in U en contra de la def. f(U)f(U) como cota superior estricta de UU. □\square

Referencias

  1. Miller, Arnold W. "Zorn's Lemma." Digital Commons @ Kennesaw State University, 2013. Zorn's Lemma PDF

  2. nLab: Zorn's Lemma Prueba del Lema de Zorn en nLab