모든 사슬이 상계를 가지면 극대 원소가 존재합니다 — 12의 약수들을 나누어떨어짐 순서로 놓고 사슬을 하나씩 비춰보세요. 선택 공리와 동치인, 대수학의 만능 열쇠입니다.
every chain has an upper bound⇒∃maximal m
1∣2∣4∣12,1∣3∣6∣12
예제
비어 있지 않은 유한 부분순서집합은 항상 극대원소를 가짐을 증명하세요 (Zorn의 보조정리의 유한 버전 — 선택 공리 불필요).
P=∅finite poset⇒∃m∈Pmaximal
사슬 C0={1,2,4,12}가 강조 표시된 약수 poset: 이 유한 poset에서는 아래 증명의 "계속 올라가기"가 12에서 멈춥니다.증명 보기
P가 비어 있지 않은 유한 부분순서집합이라 하자. 임의의 x0∈P를 잡습니다. x0가 극대원소이면 증명 끝입니다. 아니면 x0<x1인 x1∈P가 존재합니다 (x0가 극대가 아니라는 것은 정확히 이런 x1이 존재한다는 뜻).
이 과정을 반복합니다: xk가 극대원소가 아니면 xk<xk+1인 xk+1을 잡습니다. 이렇게 얻는 수열 x0<x1<x2<⋯의 항들은 모두 다릅니다 (순서 관계의 반대칭성·추이성에 의해 xi<xj, i<j). 그런데 P는 유한하므로 서로 다른 원소를 무한히 뽑을 수 없습니다.
따라서 이 과정은 반드시 멈춥니다 — 어떤 xk가 극대원소입니다. 유한성 때문에 "무한히 올라가기"가 불가능하다는 것이 증명의 전부이며, 무한 poset에서는 이 논증이 깨지고 Zorn의 보조정리(와 선택 공리)가 필요해집니다.
약분가능성(divisibility)으로 순서가 정해진 P={1,2,3,4,6,12}에서, 모든 사슬이 P 안에 상한을 가짐을 직접 확인하고, 모든 극대원소를 찾으세요.
Cchain⇒maxCexists and boundsC,maximal(P)={12}
사슬 C1={1,2,6,12}가 강조 표시됨: 이 사슬의 상한은 {12} 하나뿐이고, 12는 poset 전체의 유일한 극대원소입니다.증명 보기
C⊆P를 임의의 사슬이라 하자. P는 원소가 6개뿐이므로 C도 유한하고, 유한 사슬은 최대원소 maxC를 가집니다 (유한집합의 전순서 부분집합). c∈C인 모든 c에 대해 c∣maxC이므로, maxC∈P는 C의 상한입니다. 즉 모든 사슬이 P 안에 상한을 가집니다.
구체적으로 세 극대사슬에 대해: C0={1,2,4,12}의 상한은 {12}, C1={1,2,6,12}의 상한은 {12}, C2={1,3,6,12}의 상한은 {12}입니다 (12를 포함하는 사슬의 상한은 12의 배수여야 하고, P 안의 12의 배수는 12뿐). 짧은 사슬도 마찬가지입니다: 예를 들어 {1,2}의 상한은 {2,4,6,12}, {1,3}의 상한은 {3,6,12}입니다.
극대원소: x∈P가 극대원소이려면 x를 진짜로 나누는(약분가능성에서 x보다 큰) P의 원소가 없어야 합니다. 1∣2, 2∣4, 3∣6, 4∣12, 6∣12이므로 1,2,3,4,6은 극대원소가 아닙니다. 12의 배수 중 P에 속한 것은 12뿐이므로 12는 극대원소이고, 유일합니다. Zorn의 보조정리가 약속한 대로입니다.
Zorn의 보조정리가 선택 공리를 함의함을 증명하세요: 비어 있지 않은 집합족 (Xi)i∈I에 대해, 부분 선택함수들의 poset에 Zorn의 보조정리를 적용하세요. (역방향 AC ⇒ Zorn은 여기서 증명하지 않습니다 — 초한귀납법이 필요한 idea-level 논증입니다.)
P={f:domf⊆I,f(i)∈Xi},f≤g⟺gextendsf
사슬 C2={1,3,6,12}가 강조 표시됨: Zorn의 보조정리는 "모든 사슬이 상한을 가지면 극대원소가 존재한다"는 주장이고, 아래 증명은 이 주장을 선택함수 존재 문제에 그대로 적용합니다.증명 보기
비어 있지 않은 집합족 (Xi)i∈I를 고정합니다. 부분 선택함수들의 집합 P={f:domf⊆I,f(i)∈Xi}를 확장 순서로 정렬합니다: f≤g는 domf⊆domg이고 g가 domf 위에서 f와 일치한다는 뜻입니다. P는 비어 있지 않습니다 (빈 함수가 원소).
P의 임의의 사슬 C에 대해 합집합 u=⋃C를 둡니다. 사슬 조건 덕분에 u는 함수입니다: f,g∈C가 i에서 모두 정의되면 둘 중 큰 쪽이 다른 쪽을 확장하므로 f(i)=g(i)입니다. domu=⋃f∈Cdomf이고 u(i)∈Xi이므로 u∈P이며, 모든 f∈C에 대해 f≤u — 즉 u는 사슬의 상한입니다.
Zorn의 보조정리에 의해 P는 극대원소 m을 가집니다. domm=I임을 보입니다: 아니라면 i0∈I∖domm이 존재하고, Xi0=∅이므로 x0∈Xi0를 잡아 m을 i0↦x0으로 확장한 m′를 만들 수 있습니다. m<m′이므로 m의 극대성에 모순입니다. 따라서 m은 모든 I에서 정의된 선택함수입니다 — 선택 공리가 성립합니다.
참고: 역방향 (AC ⇒ Zorn)은 순서수를 이용한 초한귀납법으로 사슬을 극대사슬까지 늘리는 논증이 필요하며, 여기서는 idea-level 진술로만 남깁니다 — 위의 Zorn ⇒ AC 방향은 완전히 증명되었습니다.