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3.3: Conjuntos de potencia

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  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Definición

    Dado un conjunto\(A,\) llamamos al conjunto de todos los subconjuntos\(A\) del conjunto de potencia del\(A,\) que denotamos\(\mathcal{P}(A)\).

    Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

    Si\(A=\{1,2,3\},\) entonces

    \[\mathcal{P}(A)=\{\emptyset,\{1\},\{2\},\{3\},\{1,2\},\{1,3\},\{2,3\},\{1,2,3\}\}.\]

    Proposición\(\PageIndex{1}\)

    Si\(A\) es finito con\(|A|=n,\) entonces\(|\mathcal{P}(A)|=2^{n}\).

    Prueba

    Let

    \[B=\left\{\left(b_{1}, b_{2}, \ldots, b_{n}\right): b_{i}=0 \text { or } b_{i}=1, i=1,2, \ldots, n\right\}\]

    y dejar que\(a_{1}, a_{2}, \ldots, a_{n}\) sean los elementos de\(A .\) Definir\(\varphi: B \rightarrow \mathcal{P}(A)\) dejando

    \[\varphi\left(b_{1}, b_{2}, \ldots, b_{n}\right)=\left\{a_{i}: b_{i}=1, i=1,2, \ldots, n\right\}.\]

    Entonces\(\varphi\) es una correspondencia uno a uno. El resultado ahora se desprende del siguiente ejercicio. \(\quad\)Q.E.D.

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Con\(B\) como en la proposición anterior, demuéstralo\(|B|=2^{n}\).

    En analogía con el caso cuando\(A\) es finito, dejamos\(2^{|A|}=|\mathcal{P}(A)|\) para cualquier conjunto no vacío\(A .\)

    Definición

    Supongamos\(A\) y\(B\) son conjuntos para los que existe una función uno a uno\(\varphi: A \rightarrow \bar{B}\) pero no existe una correspondencia uno a uno\(\psi: A \rightarrow B .\) Entonces escribimos\(|A|<|B| .\)

    Teorema\(\PageIndex{2}\)

    Si\(A\) es un conjunto no vacío, entonces\(|A|<|\mathcal{P}(A)|\).

    Prueba

    Definir\(\varphi: A \rightarrow \mathcal{P}\left(\mathbb{Z}^{+}\right)\) por

    \[\varphi\left(\left\{a_{i}\right\}_{i=1}^{\infty}\right)=\left\{i: i \in \mathbb{Z}^{+}, a_{i}=1\right\}.\]

    Entonces\(\varphi\) es una correspondencia uno a uno. \(\quad\)Q.E.D.

    Ahora deja\(B\) ser el conjunto de todas las secuencias de\(A\) tal\(\left\{a_{i}\right\}_{i=1}^{\infty}\) manera que por cada entero\(N\) existe un entero\(n>N\) tal que\(a_{n}=0 .\) Let\(C=A \backslash B\),

    \[D_{0}=\left\{\left\{a_{i}\right\}_{i=1}^{\infty}: a_{i}=1, i=1,2,3, \ldots\right\},\]

    y

    \[D_{j}=\left\{\left\{a_{i}\right\}_{i=1}^{\infty}: a_{j}=0, a_{k}=1 \text { for } k>j\right\}\]

    para\(j=1,2,3, \ldots\) Entonces\(\left|D_{0}\right|=1\) y\(\left|D_{j}\right|=2^{j-1}\) por\(j=1,2,3, \ldots\) otra parte,

    \[C=\bigcup_{j=0}^{\infty} D_{j},\]

    así\(C\) es contable. Ya que\(A=B \cup C,\) y\(A\) es incontable, se deduce que\(B\) es incontable. Ahora si dejamos

    \[I=\{x: x \in \mathbb{R}, 0 \leq x<1\},\]

    hemos visto que la función\(\varphi: B \rightarrow I\) definida por

    \[\varphi\left(\left\{a_{i}\right\}_{i=1}^{\infty}\right)=a_{1} a_{2} a_{3} a_{4} \ldots\]

    es una correspondencia uno a uno. De ello se deduce que\(I\) es incontable. Como consecuencia, tenemos el siguiente resultado.

    Teorema\(\PageIndex{4}\)

    \(\mathbb{R}\)es incontable.

    Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

    Vamos a\(I=\{x: x \in \mathbb{R}, 0 \leq x<1\} .\) mostrar eso

    a.\(|I|=|\{x: x \in \mathbb{R}, 0 \leq x \leq 1\}|\)

    b.\(|I|=|\{x: x \in \mathbb{R}, 0<x<1\}|\)

    c.\(|I|=|\{x: x \in \mathbb{R}, 0<x<2\}|\)

    d.\(|I|=|\{x: x \in \mathbb{R},-1<x<1\}|\)

    Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

    Vamos\(I=\{x: x \in \mathbb{R}, 0 \leq x<1\}\) y supongamos\(a\) y\(b\) son números reales con\(a<b .\) Mostrar eso

    \[|I|=|\{x: x \in \mathbb{R}, a \leq x<b\}|.\]

    Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

    ¿Existe un conjunto\(A \subset \mathbb{R}\) para el cual\(\aleph_{0}<|A|<2^{\aleph_{0}} ?\) (Antes de trabajar demasiado tiempo en este problema, es posible que desee leer sobre la hipótesis del continum de Cantor.)


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