自然数上に通常の全順序・狭義全順序を構成する

2020/06/04

今日の目標

自然数上に通常の全順序・狭義全順序を(加法を使って)構成する。

自然数上の加法

mizuha
以前にペアノの公理から
自然数上の加法を構成しました

定理

写像 $+: \NN \times \NN \rightarrow \NN$ で

(I)
$n + 0 = n \qquad (n \in \NN)$
(II)
$n + s(m) = s(n + m) \qquad (n,m \in \NN)$

を満たすものが唯一つ存在する。

定理

$(\NN, +)$ は可換モノイドである。

mizuha
今日はその加法を使って
自然数上の通常の順序を作るよ
kureha
はーい
mizuha
ちなみに以下は証明済み

  • 自然数 $n, m$ に対し $s(n + m) = n + s(m) = s(n) + m$ である。
  • 自然数 $n, m$ が $n + m = 0$ を満たすならば $n = m = 0$ である。
  • 自然数 $n, m$ に対し、$n + k = m$ となる自然数 $k$ は存在すれば唯一つ。
  • 自然数 $n, k$ に対し、$n + k = n$ ならば $k = 0$ である。

自然数上に全順序を構成する

kureha
半順序・全順序・狭義半順序・狭義全順序は
前にやったね

mizuha
自然数上の二項関係 $\leq$ を
次のように定めます
定義

$\NN$ 上の二項関係 $\leq$ を $${\leq} = \iset{(n, m) \in \NN^2}{\exists k \in \NN, n + k = m}$$ で定める。

kureha
これが全順序になることを示す
mizuha
まず簡単な性質をいくつか示そう
補題1

自然数 $n$ に対し $n \leq s(n)$ が成り立つ。

証明

$n + s(0) = s(n + 0) = s(n)$ より従う。

補題2

自然数 $n, m$ に対し、

($n \leq m$ かつ $n \neq m$) $\quad$ ならば $\quad$ $s(n) \leq m$

が成り立つ。

証明

$n \leq m$ より $n + k = m$ となる自然数 $k$ が存在するが、$n \neq m$ なので $k \neq 0$ であり、$k = s(\ell) \ (\ell \in \NN)$ と書ける。このとき $n + s(\ell) = m$ なので $$s(n) + \ell = n + s(\ell) = m$$ となり、$s(n) \leq m$ を得る。

mizuha
さて本題
定理

$\leq$ は $\NN$ 上の全順序である。

証明
反射律

$n + 0 = n$ なので $n \leq n$ である。

反対称律

$n \leq m$ かつ $m \leq n$ のとき、ある自然数 $k_1, k_2$ により

$n + k_1 = m$$\quad$ かつ $\quad$$m + k_2 = n$

となる。このとき $$n + k_1 + k_2 = m + k_2 = n$$ なので $k_1 + k_2 = 0$ となり、$k_1 = k_2 = 0$ を得る。したがって $n = m$ である。

推移律

$n \leq m$ かつ $m \leq \ell$ のとき、ある自然数 $k_1, k_2$ により

$n + k_1 = m$$\quad$ かつ $\quad$$m + k_2 = \ell$

となる。このとき $$n + k_1 + k_2 = m + k_2 = \ell$$ なので $n \leq \ell$ である。

全順序律

「$n \leq m$ または $m \leq n$」を $n$ についての数学的帰納法で示す。

Base Case

$0 + m = m$ なので $0 \leq m$ である。

Induction Step
$m \leq n$ の場合
補題1より $n \leq s(n)$ なので、$\leq$ の推移律より $m \leq s(n)$ である。
$m \not\leq n$ の場合
帰納法の仮定より $n \leq m$ が得られ、その一方で $\leq$ の反射律より $n \neq m$ も得られる。したがって補題2より $s(n) \leq m$ である。
kureha
全順序は逆向きにしても全順序だったね
定義

$\NN$ 上の二項関係 $\geq$ を $${\geq} = \iset{(n,m) \in \NN^2}{m \leq n}$$ で定める。

$\geq$ は $\NN$ 上の全順序である。

自然数上に狭義全順序を構成する

kureha
全順序から狭義全順序を作れることは
前にやったね
mizuha
ということで自然数上の二項関係 $\lt$ を
次のように定めます
定義

$\NN$ 上の二項関係 $\lt$ を $${\lt} = \iset{(n, m) \in \NN^2}{n \leq m \mathrel{\text{かつ}} n \neq m}$$ で定める。

定理

$\lt$ は $\NN$ 上の狭義全順序である。

kureha
証明は↓

kureha
狭義全順序は逆向きにしても狭義全順序
定義

$\NN$ 上の二項関係 $\gt$ を $${\gt} = \iset{(n,m) \in \NN^2}{m \lt n}$$ で定める。

$\gt$ は $\NN$ 上の狭義全順序である。

(補足)集合論から見てみると……

mizuha
以前 自然数全体 $\NN$ を集合から構成しましたが
mizuha
実は次が成り立ちます
命題

各 $n, m \in \NN$ に対し $n \lt m$ と $n \in m$ は同値。

証明

$m$ についての帰納法で示す。

Base Case

$n \lt 0$ も $n \in \varnothing$ も偽である。

Induction Step
$n \lt s(m) \implies n \in s(m)$

$n \lt s(m)$ と補題2より $s(n) \leq s(m)$ であり、$s(n) + k = s(m)$ なる $k \in \NN$ が存在して $$s(n + k) = s(m)$$ と $s$ の単射性より $n + k = m$ すなわち $n \leq m$ である。

$n = m$ のときは $n = m \in s(m)$ である。

$n \lt m$ のときは帰納法の仮定より $n \in m$ であり、$m \subseteq s(m)$ から $n \in s(m)$ を得る。

$n \in s(m) \implies n \lt s(m)$

$n \in m \cup \cbr{m}$ より「$n \in m$ または $n = m$」であり、帰納法の仮定より

$n \lt m$ または $n = m$

すなわち $n \leq m$ である。よって $m \lt s(m)$ を用いて $n \lt s(m)$ を得る。

kureha
$3 = \cbr{0,1,2}$ だし そんな気はしてた