Hatványhalmaz

Az {x, y, z} halmaz hatványhalmazának az elemei Hasse-diagrammal ábrázolva

A halmazelméletben egy halmaz hatványhalmazának nevezzük az adott halmaz összes részhalmazainak a halmazát.

Definíció

Ha $H$ halmaz, akkor ${\mathcal {P}}(H)$-val jelöljük és a $H$ halmaz hatványhalmazának nevezzük a $H$ összes részhalmazainak halmazát. Vagy másképpen: ${\mathcal {P}}(H):=\{x\mid x\subseteq H\}$ ahol a $\subseteq$ szimbólum a részhalmaz-reláció jele.

Példa

Ha $H$ az $\{a,b,c\}$ háromelemű halmaz, akkor részhalmazai a következők:

• nullaelemű részhalmaza az $\emptyset$ üres halmaz
• egyelemű részhalmazai az $\{a\}$, a $\{b\}$ és a $\{c\}$
• kételemű részhalmazai: $\{a,b\}$, $\{a,c\}$ és $\{b,c\}$
• egyetlen háromelemű részhalmaza saját maga: $\{a,b,c\}$

Tehát ${\mathcal {P}}(H)={\big \{}\emptyset ,\{a\},\{b\},\{c\},\{a,b\},\{a,c\},\{b,c\},\{a,b,c\}{\big \}}$

Az axiomatikus elméletek hatványhalmaz-fogalmai

Cantor elméletében, a naiv halmazelméletben egyáltalán nem kétséges, hogy minden H halmaz esetén a $x\subseteq H$ kijelentésből képezett $\{x\mid x\subseteq H\}$ halmaz létezik. Az axiomatikus elméletekben ezzel szemben ezt a tényállást axiómában kell rögzíteni. Az ilyen axiómát hatványhalmaz-axiómának nevezzük.

Zermelo–Fraenkel-axiómarendszer

ZF-ben (és bővítéseiben) hatványhalmaz-axiómának nevezzük a következő formulát: $(\forall x)(\exists y)(\forall z)((z\in y)\Leftrightarrow (z\subseteq x))$

ahol $z\subseteq x$ jelöli az $(\forall u)((u\in z)\Rightarrow (u\in x))$ formulát.

Neumann–Bernays–Gödel-halmazelmélet

Az NBG-ben (lényegében) szabad képezni minden formalizálható T(x) tulajdonságra az {x|T(x)} kifejezést, csak ezt nem minden esetben nevezhetjük halmaznak, hanem csak osztálynak. Azt NBG esetén azt mondjuk, hogy a H kifejezés halmaz, ha levezethető az $(\exists y)(H\in y)$ formula. Ezt a formulát Set(H)-val jelöljük és jelentése: „H halmaz”. Rövidítsük az $\{x|x\subseteq H\}$-t ${\mathcal {P}}(H)$-val. Ekkor a hatványhalmaz-axióma a következő formula:

$(\forall x)({\mathcal {S}}et(x)\Rightarrow {\mathcal {S}}et({\mathcal {P}}(x)))$

Bourbaki-halmazelmélet

A francia matematikuscsoport által kidolgozott formális-axiomatikus halmazelméletben minden A formula (itt szintén formalizálható tulajdonságra kell gondolnunk) és x változó esetén ${\mathcal {C}}oll_{x}(A)$ jelöli az $(\exists y)((x\in y)\Leftrightarrow A(x))$ formulát, melynek jelentése: „az A(x) tulajdonságból halmaz képezhető (éspedig az {x|A(x)} halmaz)”. Ha ${\mathcal {C}}oll_{x}(A)$ tétel, akkor azt mondjuk, hogy az A formula kollektivizáló az x változóban. A hatványhalmaz-axióma ekkor a következő formula:

$(\forall x)({\mathcal {C}}oll_{y}(y\subseteq x))$

ahol $y\subseteq x$ jelöli az $(\forall u)((u\in y)\Rightarrow (u\in x))$ formulát.

Tételek a hatványhalmazról

• Tétel – Ha H véges halmaz és elemszáma az n természetes szám, akkor H hatványhalmazának számossága $|{\mathcal {P}}(H)|=2^{n}$.

Megjegyzés: Ez a tétel magyarázza a hatványhalmaz elnevezést, és az irodalomban néhol előforduló $2^{H}:={\mathcal {P}}(H)$ hatványozásra utaló jelölést.

• Tétel – (Cantor-tétel) – Bármely H halmaz esetén ${\mathcal {P}}(H)$ számossága nagyobb H számosságánál.

Jelben: $|{\mathcal {P}}(H)|>|H|$.

• Tétel – A természetes számok hatványhalmazának számossága megegyezik a valós számok halmazának számosságával, azaz kontinuum-számosságú. Tömören: $|{\mathcal {P}}(\mathbb {N} )|=|\mathbb {R} |$.

Egy hatványhalmaz több algebrai és relációs struktúra alaphalmaza is lehet.

• Állítás – Ha H halmaz, akkor a
• $({\mathcal {P}}(H),\cup )$ és $({\mathcal {P}}(H),\cap )$ (azaz rendre az unióval és a metszettel, mint műveletekkel ellátva) egységelemes, zéróelemes félcsoportok
• ${\mathcal {P}}(H)$ a $\cup$-val és $\cap$-val mint műveletekkel ellátva Boole-algebrát alkot
• ${\mathcal {P}}(H)$ a $\subseteq$ relációval ellátva Boole-hálót alkot.

Továbbá a mértékelmélet számára fontos tény, hogy a ${\mathcal {P}}(H)$ hatványhalmaz halmazgyűrű, sőt $\sigma$-algebra (szigma-algebra).

Történeti adalékok

Georg Cantor, halmazelméletének ellentmondásosságát Russelltől függetlenül saját maga is felismerte. Az általa talált Cantor-antinómia a Cantor-tételből következik. Legyen U az összes halmazok halmaza, azaz bármely H halmazra $H\in U$. A naiv halmazelmélet szerint bármely halmaznak van hatványhalmaza, így U-nak is. Ekkor a Cantor-tétel szerint fennáll a következő egyenlőtlenség: $|U|<|{\mathcal {P}}(U)|\leq |U|$, ami ellentmondás.

Az ellentmondás feloldását az NBG szemléletű osztálykalkulusban tehetjük meg. Eszerint, ugyan lehet képezni a ${\mathcal {P}}(U)$ összességet, de mivel Set(U) cáfolható, azaz U nem halmaz így a Cantor-tétel, mely csak halmazokra vonatkozik nem használható fel.

Felhasznált irodalom

Bourbaki halmazelméletéről

• Kristóf János, Az analízis logikai alapjai, ELTE jegyzet, 1998.

(A matematika logikai megalapozása Bourbaki szerint, Kristóf János kitűnő tolmácsolásában. A teljes szöveg elektronikus formában itt.)

• Kristóf János, Az analízis elemei I., ELTE jegyzet, 1996.

(A halmazelmélet és az analízis megalapozása Bourbaki szerint. A teljes szöveg elektronikus formában itt.)

• Nikolas Bourbaki, Théorie des Ensembles, de la collection éléments de Mathématique, Hermann, Paris 1970. (gyakran orosz kiadásban: Tyeorija mnozsensztvo)
• Cikk a Bourbaki-csoportról