T.C. ÇANAKKALE ONSEKİZ MART ÜNİVERSİTESİ

Transkript

1 T.C. ÇANAKKALE ONSEKİZ MART ÜNİVERSİTESİ DERS: CEBİRDEN SEÇME KONULAR KONU: KARDİNAL SAYILAR ÖĞRETİM GÖREVLİLERİ: PROF.DR. NEŞET AYDIN AR.GÖR. DİDEM YEŞİL HAZIRLAYANLAR: DİRENCAN DAĞDEVİREN ELFİYE ESEN

2 Önsöz Sonlu bir kümenin eleman sayısının ne demek olduğunu herkes bilir. Örneğin, {0, 2, 6, 7, 13} kümesinin 5 elmanı vardır. Kardinal sayılar ile sonsuz bir kümenin eleman sayısı sözlerini anlamlandırıp sonsuzluğu derecelendireceğiz. Örneğin doğal sayılar kadar tam sayılar olacak ama doğal sayılardan daha fazla gerçel sayı olacak. İlk aşamada bazı kümelerin sonlu, bazı kümelerinse sonsuz olduklarını söyleyebiliriz. Örneğin {0, 2, 6, 7, 13} kümesi sonludur ama doğal sayılar kümesi N sonsuzdur. Sonlu bir kümenin eleman sayısının ne demek olduğu belli: Kümenin her elemanına 1 den başlayarak ardışık numaralar verilir, verilen en son numara kümenin eleman sayısıdır. Peki, sonsuz bir kümenin eleman sayısı ne olabilir? Çoğu kişi bu soruya sonsuz yanıtını verir. Doğru elbet, sonsuz bir kümede sonsuz sayıda eleman vardır. Biz de Kardinaller ile doğal sayılardan daha fazla gerçel sayı olduğunu ancak tamsayıların doğal sayılar kadar olduğunu da söyleyeceğiz. Öte yandan tamsayıların doğal sayılar kadar olduğunu söylemek, yani ne bir fazla ne bir eksik! Bu biraz şaşırtıcı. Ne de olsa her doğal sayı bir tamsayıdır ama her tamsayı (örneğin -1) bir doğal sayı değildir. Bariz biçimde daha fazla tam sayı varken doğal sayı kadar tamsayı vardır demek saçma bulunabilir. Bunu ilk olarak Galile farketmiştir. Galile, 0, 2, 4, 6 gibi çift sayıları ikiye bölerek 0, 1, 2, 3 gibi doğal sayılarla eşleştirmiş ve çift sayılarla doğal sayıların aynı sayıda olmaları gerektiğini söylemiştir. Böylece galile sonsuzlukla yapılan aritmetiğin bambaşka türden aritmetik olması gerektiği sonucuna varmıştır. Uzun bir süre altkümelerin üstkümelerden daha az sayıda elemanı olduğu düşünüldü. İlk kez Öklid tarafından yazılı olarak ifade edilen ve çok da yanlış olmayan bu parça bütünden küçüktür düşüncesi, 19 uncu yüzyılın sonunda Cantor bugün herkes tarafından değeri ve doğruluğu kabul edilen ama büyük tartışmalara neden olan büyüklük/küçüklük tanımını verdi.

3 KARDİNAL SAYILAR Tanım 1.1 : A ve B kümeleri için bir A B 1-1 ve örten dönüşüm varsa A ile B eşgüçlüdür denir. Bu durum A B ile gösterilir. Teorem 1.1 : Verilen bir küme ailesi üzerinde eşgüçlü olma bağıntısı bir denklik bağıntısıdır. İspat : S bir küme ailesi olsun. (S, ) bir denklik bağıntısıdır. (i) A S için I A : A A a a birim dönüşümü 1-1 ve örtendir. O halde A A dır. (ii) A B ise f : A B birebir, örten dönüşümü vardır. O zaman f 1 : B A dönüşümü vardır. Üstelik birebir ve örtendir. O halde B A dır. (iii) A B be B C olsun. f : A B ve g : B C birebir ve örten dönüşümleri vardır. Dolayısıyla gf : A C dönüşümü yazılabilir. Üstelik bu dönüşüm birebir ve örtendir. O halde A C dır. Örnek 1. 1 : R nin ( π, π ) açık aralığı ile eşgüçlü olduğunu gösteriniz. 2 2 Çözüm 1.1 : arctanx : R ( π, π ) dönüşümü birebir ve örtendir.o halde R ( π, π ) dır

4 Örnek 1.2 : (0,1) aralığı ile tüm reel sayılar kümesi R eşgüçlüdür. Gösteriniz. Çözüm 1.2 : (0,1) aralığını bir yarı çember şeklinde bükerek tam orta noktasında sayı eksenine teğet olacak biçimde yerleştirelim. O zaman yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi yarı çemberin merkezinden çizilen ışınlar yarı çember üzerindeki noktalar ile sayı ekseni üzerindeki noktalar arasında birebir, örten bir fonksiyon tanımlar. Böylece (0,1) R olduğu görülür. Örnek 1.3 : C 1 = { (x,y) x 2 + y 2 = a 2 }, C 2 = { (x,y) x 2 + y 2 = b 2 } 0<a<b olmak üzere C 2 C 1 dir. Gösteriniz. Çözüm 1.3 : Yarıçapları farklı iki çemberi merkezleri orjinde olacak şekilde dik koordinat sistemine yerleştirelim. Merkezden çizilen ve C 1, C 2 çemberlerini kesen ışınlar C 2 çemberi üzerindeki noktalar ile C 1 çemberi üzerindeki noktalar arasında birebir ve örten bir fonksiyon tanımlar. Yani ; x C 2 için f : C 2 C 1 dir.

5 Not 1.1 : dır. Lemma 1. 1 : I 0 =, I 1 = { 1 }, I 2 = { 1, 2 },, I n = { 1, 2, 3,, n } olsun. Buna göre I n I m m =n dir. İspat : n = m olsun. n = m I n = I m I n I m dır. I n I m olsun. f : I n I m birebir, örten bir dönüşüm vardır. O halde n = m dir. Tanım 1.2 : A I n ise A kümesinin n elemanı vardır. Böyle bir A kümesine sonlu küme denir. Tanım 1.3 : Bir A kümesinin A ile gösterilen kardinal sayısı eşgüçlülük bağıntısına göre A nın içinde bulunduğu denklik sınıfıdır. B = C B C Kardinal sayıları α, β, γ, gibi harfler ile göstereceğiz. Not 1.2 : B I n, I n = { 1,2,, n } olduğundan B sonlu n elemanlıdır. B I n dir.

6 Bazı Özellikler (i) Her kümenin bir tek kardinal sayısı vardır. (ii) A = B A B (iii) Sonlu bir kümenin kardinal sayısı, içindeki eleman sayısıdır. B sonlu B I n Not 1.3 : N doğal sayılar kümesinin kardinali ℵ 0 ( alef sıfır ) ile gösterilir. Tanım 1.4 : N ile eşgüçlü olan bir kümeye sayılabilir küme denir. Örnek 1.4 : N = { 1, 2, 3, } sayılabilir kümedir. Gösteriniz. Çözüm 1. 4 : N = { 0, 1, 2, } N = { 1, 2, 3, } f N N n n + 1 dönüşümünü tanımalayalım. f, 1-1 midir? m, n N için f(m) = f(n) m+1 = n+1 m = n olur. O halde f dönüşümü birebirdir. f, örten midir? x N için x = (x-1) + 1 = f(x-1) olacak biçimde x-1 N vardır. Bunu x N için yapabiliriz. O halde f dönüşümü örtendir. Yani, N N olur. Dolayısıyla N sayılabilirdir. Örnek 1.5 : Z, tamsayılar kümesi sayılabilir midir? Çözüm 1.5 : Z = { 0, 1, -1, 2, -2, 3, -3,, n, n, } olmak üzere n-1-2n 0, k = 0 f : Z N f(k) = 2n 1, k = n (n N ) 2n, k = n (n N ). O halde Z N dır. Yani Z sayılabilirdir. fonksiyonu birebir ve örtendir

7 Tanım 1.5 : α ve β iki kardinal sayı olsun. A ile B iki ayrık küme ve A = α, B = β olsun. Buna göre ; α + β = A B olarak tanımlanır. α.β = A x B olarak tanımlanır. (Burada A ile B nin ayrık olması gerekmez ) Uyarı 1.1 : Kardinal sayılarda toplama işlemi iyi tanımlıdır. İspat : A = α, B = β, A B = alalım. A A ve B B olsun.buna göre ; Φ : A A ve γ : B B birebir ve örten dönüşümleri vardır. θ A B A B x φ(x), x A y γ(y), y B dönüşümünü tanımlayalım. θ örtendir. x A B x A veya x B x A x = ϕ(x) olacak biçimde x A vardır. ( ϕ örtendir.) x B x = γ(y) olacak biçimde y Bvardır. ( γ örtendir.) Yani x A B ise θ(z) = x olacak şekilde bir z A B vardır. Dolayısıyla θ örtendir. θ birebirdir. x, x A B için x, x A ϕ(x) = ϕ(x ) x = x x, x B γ(x) = γ(x ) x = x (ϕ, 1-1 dir.) (γ, 1-1dir.) x A, x B ϕ(x) A ve γ(x ) B, A B = olduğundan ϕ(x) = γ (x ) olamaz. Dolayısıyla θ birebirdir. O halde A B A B olur. Yani A B = A B dır.

8 Uyarı 1.2 : Kardinal sayılarda çarpma işlemi iyi tanımlıdır. İspat : θ A x B A x B (x, y) (φ(x), γ(x)) dönüşümünü tanımlayalım. θ örtendir. (x, y ) A x B x A ve y B olur. x A için ϕ örten olduğundan ϕ(x)=x olacak biçimde x A vardır. y B için γ örten oluğundan γ(y) = y olacak biçimde y B vardır. (x, y ) = ( ϕ(x), γ(y)) = θ(x, y) olacak biçimde (x, y) A x B vardır. Dolayısıyla θ dönüşümü örtendir. θ birebirdir. (x, y), (z, t) A x B olsun. θ(x, y)=θ(z, t) ( ϕ(x), γ(y) ) = ( ϕ(z), γ(t) ) ϕ(x) = ϕ(z) ve γ(y) = γ(t) x=z (ϕ, 1-1) ve y=t ( γ, 1-1 ) (x, y) = (z, t) Dolayısıyla θ dönüşümü birebirdir. O halde A x B A x B olur. Yani A x B = A x B dır. Lemma 1.2 : I n = n ve I m = m ise I n + I m = n + m dir. İspat : I n = { 1, 2,, n }, I m = { 1, 2,, m } B = { b 1, b 2,, b m } I m ( b i N ) olsun. B I n = dir. I n B = I n + B = I n + I m yazabiliriz. I n+m = { 1, 2,, n, n+1, n+2,, n+m } f I n B I n+m k I n k b s B n + s dönüşümünü tanımlayalım. I n B= { 1, 2,, n, b 1, b 2,, b m+n } I n+m = { 1, 2,, n, n+1, n+2,, n+m } Bu dönüşüm birebir ve örtendir.

9 O halde I n B I n+m I n + I m = I n B = I n+m = n+m olur. Not 1.3 : I n I m olduğundan I n + I m = I n I m yazamayız. Tanım 1.6 : A ve B kümeleri A = α, B = β biçiminde olsun. A kümesi B nin bir alt kümesi ile eşgüçlü ise o zaman α kardinali β kardinalinden küçük veya eşittir. Bunu α β ile göstereceğiz. Teorem 1.2 (Cantor Teoremi) : A bir küme P(A) kuvvet kümesi için, A < P(A) dır. İspat : A P(A) a {a} içine dönüşümdür. A, P(A) nın bir alt kümesi ile eşgüçlü olduğundan tanımdan A P(A) dır. Acaba A = P(A) olabilir mi? A = P(A) olsaydı f : A P(A) 1-1 ve örten bir dönüşüm varolurdu. B = { a A a f (a) } A kümesini tanımlayalım. f örten olduğu için f (b) = B olacak şekilde b A vardır. (b B olabilir de olmayabilir de) b B b f (b) = B b B ( Çelişki ) b B b f(b) = B b B ( Çelişki ) O halde A P(A) dır. (Böyle bir f 1-1, örten fonksiyonu yoktur.)