Satz von Schröder-Bernstein

Bei Untersuchungen zur Gleichmächtigkeit von Mengen ist es oft einfacher injektive Abbildungen zwischen den Mengen zu finden als Bijektionen. Dann hilft der Satz von Schröder-Bernstein weiter, der aus der Injektiviität zweier Mengen untereinander die Bijektivität folgert.
Zuerst ein Lemma

Lemma 5305D

Sei f:A→Bf:A\rightarrow B eine injektive Abbildung und B⊆AB\subseteq A, dann lassen sich AA und BB bijektiv aufeinander abbilden.

Beweis

Wenn A=BA=B ist, können wir trivialerweise ein Bijektion finden nämlich die identische Abbildung.
Für den nichttrivialen Fall gilt A∖B≠∅A\setminus B\neq \emptyset und wir definieren induktiv ein Mengensystem (Cn)(C_n):
C0=A∖BC_0=A\setminus B
Cn=f(Cn−1)C_n=f(C_{n-1}) für n>0n>0
Offensichtlich gilt Cn⊆BC_n\subseteq B für n>0n>0, damit ist jedes dieser CnC_n disjunkt zu C0C_0.
Wir werden jetzt zeigen, dass die CnC_n sogar paarweise disjunkt sind.
Diesen Teilbeweis führen wir indirekt und wir nehmen dazu an, dass die CnC_n nicht paarweise disjunkt sind, dann muss es zwei i≠ji\neq j geben, für die gilt Ci∩Cj≠∅C_i\cap C_j\neq\emptyset. Wir können sogar annehmen, dass diese ii und jj die kleinsten sind, für die die Disjunktheit verletzt ist. (Sonst nehmen wir einfach die kleineren.) Da aber alle Mengen für n>0n>0 disjunkt zu C0C_0 sind, muss i≠0i\neq 0 und j≠0j\neq 0 gelten. Damit ist: Ci=f(Ci−1)C_i=f(C_{i-1}) und Cj=f(Cj−1)C_j=f(C_{j-1}) und wir haben ∅≠Ci∩Cj=f(Ci−1)∩f(Cj−1)\emptyset\neq C_i\cap C_j=f(C_{i-1})\cap f(C_{j-1}) =f(Ci−1∩Cj−1)=f(C_{i-1}\cap C_{j-1}). Letztere Identität ergibt sich insbesondere aus der Injektivität von ff und Satz 5212B. Damit ist aber Ci−1∩Cj−1≠∅C_{i-1}\cap C_{j-1}\neq \emptyset im Widerspruch zur Annahme, dass i,ji,j minimal waren.
Nach soviel Vorarbeit werden wir jetzt eine Abbildung h:A→Bh: A\rightarrow B konstruieren, die bijektiv ist.
Wir definieren C:=⋃n∈NCnC:=\bigcup\limits_{n\in\dom N} C_n und
Uncaught SyntaxError: Invalid or unexpected token Line: 1 Column: 12 Stack:
Mit diesen Festlegungen ist hh wohldefiniert, denn wenn x∈Cx\in C, dann gibt es ein eindeutig bestimmtes nn mit x∈Cnx\in C_n und h(x)=f(x)∈Bh(x)=f(x)\in B. Wenn x∉Cx\notin C muss aber x∈Bx\in B gelten und x=h(x)∈Bx=h(x)\in B.
hh ist auf Grund der Konstruktion trivialerweise injektiv.
Um die Surjektivität von hh zu zeigen, unterscheiden wir für ein b∈Bb\in B zwei Fälle.
1. Fall: Sei b∈Cb\in C, dann gibt es ein eindeutig bestimmtes n>0n>0 mit b∈Cn=f(Cn−1)⊆Bb\in C_n=f(C_{n-1})\subseteq B. Damit muss es aber ein a∈Cn−1a\in C_{n-1} geben mit b=f(a)=h(a)b=f(a)=h(a).
2. Fall: Sei b∉Cb\notin C, dann gilt aber b=h(b)b=h(b) und bb ist sein eigenes Urbild.
Damit ist die Bijektivität von hh gezeigt. □\qed

Satz 5305E (Schröder-Bernstein)

Seien AA und BB zwei Mengen und f:A→Bf: A\rightarrow B sowie g:B→Ag: B\rightarrow A zwei injektive Abbildungen. Dann existiert eine Bijektion hh zwischen den Mengen AA und BB; insbesondere sind sie dann gleichmächtig.

Beweis

Mit den Vorbereitungen im obigen Lemma geht der Beweis flott von der Hand.
Wenn ff und gg injektiv sind, betrachten wir die Zusammensetzung g∘f:A→g(B)g\circ f: A\rightarrow g(B). Diese ist offensichtlich injektiv. Mit obigen Lemma gibt es dann also eine Bijektion h′:A→g(B)h^\prime: A\rightarrow g(B). Wegen der Injektivität von gg existiert g−1:g(B)→Bg^{-1}: g(B)\rightarrow B und ist auf g(B)g(B) eingeschränkt sogar bijektiv (siehe Lemma 5212C). Wir definieren h=g−1∘h′h=g^{-1}\circ h' und haben unsere gesuchte Bijektion von AA auf BB. □\qed
 
 

Die ganzen Zahlen hat der liebe Gott geschaffen, alles andere ist Menschenwerk.

Leopold Kronecker

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