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<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.1 plus MathML 2.0//EN"
      "http://www.w3.org/Math/DTD/mathml2/xhtml-math11-f.dtd">
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  <title>MathML Test : The infinite in set theory</title>
  <meta http-equiv="content-type" content="text/html; charset=us-ascii" />
  <meta name="generator" content="Amaya, see http://www.w3.org/Amaya/" />
  <meta name="author" content="Frederic WANG" />
</head>

<body>
<p><a href="index.xml#examples">Back to home</a></p>

<h1>MathML Test: The infinite in set theory</h1>

<h2>Introduction</h2>

<p>The study of sizes of sets has been an important topic of set theory since
its beginning. For finite sets, their numbers of elements can be counted and as
a consequence, their sizes easily compared. The idea of Cantor was to extend
the comparaison to infinite sets: two set "have the same size" iff there exists
a one-to-one map from one onto the other. Clearly it is a relation of
equivalence and a class of equivalence contains sets that "have the same size".
In fact, we can get a class of representants ordered by the following relation:
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>X</mi>
    <mo>&le;</mo>
    <mi>Y</mi>
  </mrow>
</math> iff there is a one-to-one map from X to Y. Only the reflexivity is not
trivial and is given by Cantor-Bernstein theorem. This class of representants
is called cardinals whose first elements are the well-know natural numbers: 0,
1, 2... Then comes the cardinality of
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&Nopf;</mi>
</math> denoted by <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>&aleph;</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
</math> and the sets in this class are said countable. The great success of
Cantor was to show the existence of greater sets (uncountable) and more
precisely of an infinity of infinite cardinals. Later, the set theorists
discovered several properties of cardinals and developped a beautiful
arithmetic of infinite... </p>

<h2>Cantor-Bernstein Theorem</h2>

<p>Let X and Y be two sets. If there are
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>f</mi>
  <mo>:</mo>
  <mrow>
    <mi>X</mi>
    <mo>&RightArrow;</mo>
    <mi>Y</mi>
  </mrow>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>g</mi>
  <mo>:</mo>
  <mrow>
    <mi>Y</mi>
    <mo>&RightArrow;</mo>
    <mi>X</mi>
  </mrow>
</math> two one-to-one maps, then there exists a one-to-one map from X onto
Y.</p>

<p>Proof: Define <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>X</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <mi>X</mi>
    <mo>\</mo>
    <mrow>
      <mi>g</mi>
      <mo>&ApplyFunction;</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>Y</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
  </mrow>
</math>, for all <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>n</mi>
    <mo>&Element;</mo>
    <mi>&Nopf;</mi>
  </mrow>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mi>X</mi>
    <mrow>
      <mi>n</mi>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <mi>g</mi>
        <mo>&SmallCircle;</mo>
        <mi>f</mi>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mo>&ApplyFunction;</mo>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <msub>
        <mi>X</mi>
        <mi>n</mi>
      </msub>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>X</mi>
    <mi>&omega;</mi>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <munder>
      <mo>&Union;</mo>
      <mrow>
        <mi>n</mi>
        <mo>&lt;</mo>
        <mi>&omega;</mi>
      </mrow>
    </munder>
    <msub>
      <mi>X</mi>
      <mi>n</mi>
    </msub>
  </mrow>
</math> and finally</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>h</mi>
    <mo>:</mo>
    <mo>&#x2223;</mo>
    <mrow>
      <mtable>
        <mtr>
          <mtd>
            <mi>X</mi>
            <mo>&RightArrow;</mo>
            <mrow>
              <mi>X</mi>
              <mo>\</mo>
              <msub>
                <mi>X</mi>
                <mn>0</mn>
              </msub>
            </mrow>
          </mtd>
        </mtr>
        <mtr>
          <mtd>
            <mi>x</mi>
            <mo>&RightTeeArrow;</mo>
            <mrow>
              <mo>{</mo>
              <mrow>
                <mtable>
                  <mtr>
                    <mtd>
                      <mrow>
                        <mo>(</mo>
                        <mi>g</mi>
                        <mo>&SmallCircle;</mo>
                        <mi>f</mi>
                        <mo>)</mo>
                      </mrow>
                      <mo>&ApplyFunction;</mo>
                      <mo>&ApplyFunction;</mo>
                      <mrow>
                        <mo>(</mo>
                        <mi>x</mi>
                        <mo>)</mo>
                      </mrow>
                      <mtext>&nbsp;if</mtext>
                      <mrow>
                        <mi>x</mi>
                        <mo>&Element;</mo>
                        <msub>
                          <mi>X</mi>
                          <mi>&omega;</mi>
                        </msub>
                      </mrow>
                    </mtd>
                  </mtr>
                  <mtr>
                    <mtd>
                      <mi>x</mi>
                      <mtext>&nbsp;otherwise</mtext>
                    </mtd>
                  </mtr>
                </mtable>
              </mrow>
            </mrow>
          </mtd>
        </mtr>
      </mtable>
    </mrow>
  </mrow>
</math></p>

<p>h is one-to-one as <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>x</mi>
    <mo>&RightTeeArrow;</mo>
    <mi>x</mi>
  </mrow>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>g</mi>
    <mo>&SmallCircle;</mo>
    <mi>f</mi>
  </mrow>
</math> are one-to-one, and their ranges are respectively included in the two
disjoint sets <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>X</mi>
    <mo>\</mo>
    <msub>
      <mi>X</mi>
      <mi>&omega;</mi>
    </msub>
  </mrow>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>X</mi>
    <mi>&omega;</mi>
  </msub>
</math>. More over, by construction all the
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>X</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
</math> are disjoint and we have:</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <mi>g</mi>
        <mo>&SmallCircle;</mo>
        <mi>f</mi>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
      <mo>&ApplyFunction;</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <msub>
          <mi>X</mi>
          <mi>&omega;</mi>
        </msub>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
    <mo>=</mo>
    <mrow>
      <mrow>
        <munder>
          <mo>&Union;</mo>
          <mrow>
            <mi>n</mi>
            <mo>&lt;</mo>
            <mi>&omega;</mi>
          </mrow>
        </munder>
        <mrow>
          <mo>(</mo>
          <mrow>
            <mi>g</mi>
            <mo>&SmallCircle;</mo>
            <mi>f</mi>
          </mrow>
          <mo>)</mo>
          <mo>&ApplyFunction;</mo>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msub>
              <mi>X</mi>
              <mi>n</mi>
            </msub>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </mrow>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <mrow>
        <mrow>
          <munder>
            <mo>&Union;</mo>
            <mrow>
              <mi>n</mi>
              <mo>&lt;</mo>
              <mi>&omega;</mi>
            </mrow>
          </munder>
          <msub>
            <mi>X</mi>
            <mrow>
              <mi>n</mi>
              <mo>+</mo>
              <mn>1</mn>
            </mrow>
          </msub>
        </mrow>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
    </mrow>
    <mrow>
      <mrow>
        <mrow>
          <msub>
            <mi>X</mi>
            <mi>&omega;</mi>
          </msub>
          <mo>\</mo>
          <msub>
            <mi>X</mi>
            <mn>0</mn>
          </msub>
        </mrow>
      </mrow>
    </mrow>
  </mrow>
</math></p>

<p>Consequently, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>h</mi>
  <mo>&ApplyFunction;</mo>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>X</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <mi>h</mi>
  <mo xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">&ApplyFunction;</mo>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
      <mrow>
        <mi>X</mi>
        <mo>\</mo>
        <msub>
          <mi>X</mi>
          <mi>&omega;</mi>
        </msub>
      </mrow>
      <mo>&Union;</mo>
      <msub>
        <mi>X</mi>
        <mi>&omega;</mi>
      </msub>
    </mrow>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <mi>h</mi>
    <mo>&ApplyFunction;</mo>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <mi>X</mi>
        <mo>\</mo>
        <msub xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
          <mi>X</mi>
          <mi>&omega;</mi>
        </msub>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mo>&Union;</mo>
    <mi>h</mi>
    <mo>&ApplyFunction;</mo>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <msub>
        <mi>X</mi>
        <mi>&omega;</mi>
      </msub>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mo>=</mo>
  </mrow>
  <mrow>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <mi>X</mi>
        <mo>\</mo>
        <msub>
          <mi>X</mi>
          <mi>&omega;</mi>
        </msub>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mo>&Union;</mo>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <mrow>
          <msub>
            <mi>X</mi>
            <mi>&omega;</mi>
          </msub>
          <mo>\</mo>
          <msub>
            <mi>X</mi>
            <mn>0</mn>
          </msub>
        </mrow>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
  <mo xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">=</mo>
  <mrow>
    <mi>X</mi>
    <mo>\</mo>
    <msub>
      <mi>X</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
  </mrow>
</math></p>

<p>So h is one-to-one onto.</p>

<p>Finally, because g is one-to-one and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>g</mi>
  <mo>&ApplyFunction;</mo>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <mi>Y</mi>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <mi>X</mi>
    <mo>\</mo>
    <msub>
      <mi>X</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
  </mrow>
</math> we have <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msup>
      <mi>h</mi>
      <mn>-1</mn>
    </msup>
    <mo>&SmallCircle;</mo>
    <mi>g</mi>
  </mrow>
</math> is one-to-one onto. Finally
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <msup>
          <mi>h</mi>
          <mn>-1</mn>
        </msup>
        <mo>&SmallCircle;</mo>
        <mi>g</mi>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mn>-1</mn>
  </msup>
</math> is a one-to-one map from X onto Y. &#x25a1;</p>

<p>Cantor-Bernstein Theorem allows to order sets by size. Thanks to the axiom
of choice (AC), we can prove than every set is equipotent to a set of a
particular class. Moreover, this class of sets, called cardinals, is
well-ordered.</p>

<p>The first cardinals are 0, 1, 2, 3...
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>&aleph;</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>&aleph;</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>&aleph;</mi>
    <mn>2</mn>
  </msub>
</math>, ... We can extend the operations on
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&Nopf;</mi>
</math> to cardinals, for instance
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>&lambda;</mi>
    <mo>&times;</mo>
    <mi>&mu;</mi>
  </mrow>
</math> is the cardinal of the cartesian product and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mi>&lambda;</mi>
    <mi>&mu;</mi>
  </msup>
</math> is the cardinal of the set of maps from
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&mu;</mi>
</math> to <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>&lambda;</mi>
</math>. To avoid ambiguity, the latter set is denoted by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mmultiscripts>
    <mi>&lambda;</mi>
    <none/>
    <none/>
    <mprescripts/>
    <none/>
    <none/>
    <none/>
    <mi>&mu;</mi>
    <none/>
    <none/>
  </mmultiscripts>
</math>. The existence of uncountable cardinals is given by the following
theorem.</p>

<h2>Cantor's Theorem</h2>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mo>&ForAll;</mo>
    <mi>X</mi>
    <mo>,</mo>
    <mrow>
      <mi>Card</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mo>&weierp;</mo>
          <mo>(</mo>
          <mi>X</mi>
          <mo>)</mo>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>&gt;</mo>
      <mi>Card</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>X</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
  </mrow>
</math> </p>

<p>Proof: Trivially, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>x</mi>
    <mo>&RightTeeArrow;</mo>
    <mrow>
      <mo>{</mo>
      <mi>x</mi>
      <mo>}</mo>
    </mrow>
  </mrow>
</math> is a one-to-one map from X to its powerset, so
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>Card</mi>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mi>X</mi>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
  <mo>&le;</mo>
  <mrow>
    <mi>Card</mi>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <mrow>
        <mo>&weierp;</mo>
        <mo>(</mo>
        <mi>X</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
</math>.</p>

<p>Suppose there exists <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>f</mi>
    <mo>:</mo>
    <mi>X</mi>
    <mo>&RightArrow;</mo>
    <mrow>
      <mo>&weierp;</mo>
      <mo>(</mo>
      <mi>X</mi>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
</math> onto. Define <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>Y</mi>
  <mo>=</mo>
  <mfenced open="{" close="}" separators="|">
    <mrow>
      <mi>x</mi>
      <mo>&Element;</mo>
      <mi>X</mi>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>x</mi>
      <mo>&NotElement;</mo>
      <mi>f</mi>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>x</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
  </mfenced>
</math> and take <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>x</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
    <mo>&Element;</mo>
    <mrow>
      <msup>
        <mi>f</mi>
        <mrow>
          <mo>&minus;</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
      </msup>
      <mo>&ApplyFunction;</mo>
      <mrow xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
        <mo>(</mo>
        <mi>Y</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
  </mrow>
</math>.</p>

<p>If <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>x</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
    <mo>&Element;</mo>
    <mi>Y</mi>
  </mrow>
</math> then <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>x</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
    <mo>&NotElement;</mo>
    <mi>f</mi>
    <mo>&ApplyFunction;</mo>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <msub>
        <mi>x</mi>
        <mn>0</mn>
      </msub>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
</math> but <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>f</mi>
  <mo>&ApplyFunction;</mo>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <msub>
      <mi>x</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <mi>Y</mi>
</math> and consequently <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>x</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
    <mo>&NotElement;</mo>
    <mi>Y</mi>
  </mrow>
</math>. In the same way, if <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>x</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
    <mo>&NotElement;</mo>
    <mi>Y</mi>
  </mrow>
</math> then you get <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>x</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
    <mo>&Element;</mo>
    <mi>Y</mi>
  </mrow>
</math>. A contradiction. &#x25a1;</p>

<p>Note that <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>f</mi>
    <mo>:</mo>
    <mo>{</mo>
    <mrow>
      <mtable>
        <mtr>
          <mtd>
            <mrow>
              <mo>&weierp;</mo>
              <mo>(</mo>
              <mi>X</mi>
              <mo>)</mo>
            </mrow>
            <mo>&RightArrow;</mo>
            <mmultiscripts>
              <mrow>
                <mo>{</mo>
                <mn>0</mn>
                <mo>;</mo>
                <mn>1</mn>
                <mo>}</mo>
              </mrow>
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              <mprescripts/>
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              <mi>X</mi>
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            </mmultiscripts>
          </mtd>
        </mtr>
        <mtr>
          <mtd>
            <mi>P</mi>
            <mo>&RightTeeArrow;</mo>
            <msub>
              <mi>&chi;</mi>
              <mi>P</mi>
            </msub>
          </mtd>
        </mtr>
      </mtable>
    </mrow>
  </mrow>
</math> is one-to-one onto, so Cantor's Theorem can also be written
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msup>
      <mn>2</mn>
      <mrow>
        <mo>&#x2223;</mo>
        <mi>X</mi>
        <mo>&#x2223;</mo>
      </mrow>
    </msup>
    <mo>&gt;</mo>
    <mrow>
      <mo>&#x2223;</mo>
      <mi>X</mi>
      <mo>&#x2223;</mo>
    </mrow>
  </mrow>
</math>.</p>

<p>Finally we get infinitely many infinite
cardinals:<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>&aleph;</mi>
      <mn>0</mn>
    </msub>
    <mo>&lt;</mo>
    <msup>
      <mn>2</mn>
      <msub>
        <mi>&aleph;</mi>
        <mn>0</mn>
      </msub>
    </msup>
    <mo>&lt;</mo>
    <msup>
      <mn>2</mn>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <msub>
          <mi>&aleph;</mi>
          <mn>0</mn>
        </msub>
      </msup>
    </msup>
    <mo>&lt;</mo>
    <msup>
      <mn>2</mn>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <msup>
          <mn>2</mn>
          <msub>
            <mi>&aleph;</mi>
            <mn>0</mn>
          </msub>
        </msup>
      </msup>
    </msup>
    <mo>&lt;</mo>
    <mtext>...</mtext>
  </mrow>
</math></p>

<p>Let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>&beth;</mi>
    <mn>0</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mo>&beth;</mo>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>,</mo>
  <msub>
    <mo>&beth;</mo>
    <mn>2</mn>
  </msub>
  <mo>.</mo>
  <mo>.</mo>
  <mo>.</mo>
</math> denote these cardinals, then generalized continuum hypothesis (GCH) is
that this sequence gives <em>all</em> the infinite cardinals. In fact, we can
show than even the weaker assumption
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mo>&beth;</mo>
    <mn>1</mn>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <msub>
    <mi>&aleph;</mi>
    <mn>1</mn>
  </msub>
</math>, called the continuum hypothesis (CH) can nor be proved neither
disproved from the axioms of set theory. Lots of other statements about
cardinals have be shown to be undecidable. Nevertheless, in the next paragraph,
we will see an interesting result that can be obtained if we assume the axiom
of choice.</p>

<h2>K&ouml;nig's Theorem (AC)</h2>

<p>Let <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <msub>
        <mi>&lambda;</mi>
        <mi>i</mi>
      </msub>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mo>&Element;</mo>
      <mi>I</mi>
    </mrow>
  </msub>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mrow>
      <mo>(</mo>
      <msub>
        <mi>&mu;</mi>
        <mi>i</mi>
      </msub>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mo>&Element;</mo>
      <mi>I</mi>
    </mrow>
  </msub>
</math> be two families of cardinals indexed by a set I. If
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mo>&ForAll;</mo>
    <mrow>
      <mi>i</mi>
      <mo>&Element;</mo>
      <mi>I</mi>
    </mrow>
    <mrow>
      <mrow>
        <msub>
          <mi>&lambda;</mi>
          <mi>i</mi>
        </msub>
      </mrow>
      <mo>&lt;</mo>
      <mrow>
        <msub>
          <mi>&mu;</mi>
          <mi>i</mi>
        </msub>
      </mrow>
    </mrow>
  </mrow>
</math> then we have:</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <munder>
      <mo>&Sum;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>&Element;</mo>
        <mi>I</mi>
      </mrow>
    </munder>
    <msub>
      <mi>&lambda;</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
  </mrow>
  <mo>&lt;</mo>
  <mrow>
    <munder>
      <mo>&Product;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>&Element;</mo>
        <mi>I</mi>
      </mrow>
    </munder>
    <msub>
      <mi>&mu;</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
  </mrow>
</math> </p>

<p>(By the way, these sum and product are defined as the cardinality of the
sets <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>S</mi>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>P</mi>
</math> below. One can easily check the compatibility of this definition with
the case where <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>I</mi>
</math> is finite)</p>

<p>Proof:</p>

<p>Define <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>S</mi>
  <mo>=</mo>
  <mfenced open="{" close="}" separators="|">
    <mfenced>
      <mi>&alpha;</mi>
      <mi>i</mi>
    </mfenced>
    <mrow>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mi>i</mi>
          <mo>&Element;</mo>
          <mi>I</mi>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>&and;</mo>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mrow>
          <mi>&alpha;</mi>
          <mo>&lt;</mo>
          <msub>
            <mi>&lambda;</mi>
            <mi>i</mi>
          </msub>
        </mrow>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
  </mfenced>
</math> and <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>P</mi>
  <mo>=</mo>
  <mfenced open="{" close="}" separators="|">
    <mrow>
      <mi>f</mi>
      <mo>&Element;</mo>
      <mmultiscripts>
        <mrow>
          <mo>(</mo>
          <mrow>
            <munder>
              <mo>&Union;</mo>
              <mrow>
                <mi>i</mi>
                <mo>&Element;</mo>
                <mi>I</mi>
              </mrow>
            </munder>
            <msub>
              <mi>&mu;</mi>
              <mi>i</mi>
            </msub>
          </mrow>
          <mo>)</mo>
        </mrow>
        <none/>
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        <mi>I</mi>
        <none/>
        <none/>
      </mmultiscripts>
    </mrow>
    <mrow>
      <mo>&ForAll;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>&Element;</mo>
        <mi>I</mi>
      </mrow>
      <mo>,</mo>
      <mrow>
        <mi>f</mi>
        <mo>&ApplyFunction;</mo>
        <mrow>
          <mo>(</mo>
          <mi>i</mi>
          <mo>)</mo>
        </mrow>
        <mo>&Element;</mo>
        <msub>
          <mi>&mu;</mi>
          <mi>i</mi>
        </msub>
      </mrow>
    </mrow>
  </mfenced>
</math>.</p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>f</mi>
    <mo>:</mo>
    <mo>&#x2223;</mo>
    <mrow>
      <mtable>
        <mtr>
          <mtd>
            <mi>S</mi>
            <mo>&RightArrow;</mo>
            <mi>P</mi>
          </mtd>
        </mtr>
        <mtr>
          <mtd>
            <mfenced>
              <mi>&alpha;</mi>
              <mi>i</mi>
            </mfenced>
            <mo>&RightTeeArrow;</mo>
            <mrow>
              <mo>(</mo>
              <mrow>
                <mi>j</mi>
                <mo>&RightTeeArrow;</mo>
                <mrow>
                  <mo>{</mo>
                  <mrow>
                    <mtable>
                      <mtr>
                        <mtd>
                          <mi>&alpha;</mi>
                          <mo>&nbsp;</mo>
                          <mtext>if</mtext>
                          <mrow>
                            <mi>j</mi>
                            <mo>=</mo>
                            <mi>i</mi>
                          </mrow>
                        </mtd>
                      </mtr>
                      <mtr>
                        <mtd>
                          <msub>
                            <mi>&lambda;</mi>
                            <mi>i</mi>
                          </msub>
                          <mo>&nbsp;</mo>
                          <mi>otherwise</mi>
                        </mtd>
                      </mtr>
                    </mtable>
                  </mrow>
                </mrow>
              </mrow>
              <mo>)</mo>
            </mrow>
          </mtd>
        </mtr>
      </mtable>
    </mrow>
  </mrow>
</math> is clearly one-to-one, so we have
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mrow>
      <mo>&#x2223;</mo>
      <mi>S</mi>
      <mo>&#x2223;</mo>
    </mrow>
    <mo>&le;</mo>
    <mo>&#x2223;</mo>
    <mi>P</mi>
    <mo>&#x2223;</mo>
  </mrow>
</math></p>

<p>Suppose the equality. then there is
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mrow>
      <mi>g</mi>
      <mo>:</mo>
      <mi>P</mi>
    </mrow>
    <mo>&RightArrow;</mo>
    <mi>S</mi>
  </mrow>
</math> one-to-one. Define for <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>i</mi>
    <mo>&Element;</mo>
    <mi>I</mi>
  </mrow>
</math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msub>
    <mi>X</mi>
    <mi>i</mi>
  </msub>
  <mo>=</mo>
  <mfenced open="{" close="}" separators="|">
    <mrow>
      <mrow>
        <msup>
          <mi>g</mi>
          <mn>-1</mn>
        </msup>
        <mo>&ApplyFunction;</mo>
        <mrow>
          <mo>(</mo>
          <mfenced>
            <mi>&alpha;</mi>
            <mi>i</mi>
          </mfenced>
          <mo>)</mo>
        </mrow>
        <mo>&ApplyFunction;</mo>
        <mo>(</mo>
        <mi>i</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
    </mrow>
    <mrow>
      <mfenced>
        <mi>&alpha;</mi>
        <mi>i</mi>
      </mfenced>
      <mo>&Element;</mo>
      <mi>S</mi>
    </mrow>
  </mfenced>
</math>.</p>

<p>For all <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mi>i</mi>
    <mo>&Element;</mo>
    <mi>I</mi>
  </mrow>
</math> we have <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mrow>
      <mo>&#x2223;</mo>
      <msub>
        <mi>X</mi>
        <mi>i</mi>
      </msub>
      <mo>&#x2223;</mo>
    </mrow>
    <mo>&le;</mo>
    <msub>
      <mi>&lambda;</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
    <mo>&lt;</mo>
    <msub>
      <mi>&mu;</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
  </mrow>
</math> so by the axiom of choice, we can take
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>x</mi>
      <mi>i</mi>
    </msub>
    <mo>&Element;</mo>
    <mrow>
      <mrow>
        <msub>
          <mi>&mu;</mi>
          <mi>i</mi>
        </msub>
      </mrow>
      <mo>\</mo>
      <msub>
        <mi>X</mi>
        <mi>i</mi>
      </msub>
    </mrow>
  </mrow>
</math>.</p>

<p>Then for <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <mfenced>
      <mi>&alpha;</mi>
      <mi>j</mi>
    </mfenced>
    <mo>=</mo>
    <mi>g</mi>
    <mo>(</mo>
    <mrow>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>&RightTeeArrow;</mo>
        <msub>
          <mi>x</mi>
          <mi>i</mi>
        </msub>
      </mrow>
      <mo>)</mo>
    </mrow>
  </mrow>
</math> we have <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msub>
      <mi>x</mi>
      <mi>j</mi>
    </msub>
    <mo>&Element;</mo>
    <msub>
      <mi>X</mi>
      <mi>j</mi>
    </msub>
  </mrow>
</math>. A contradiction. &#x25a1;</p>

<p>Note that Cantor's Theorem becomes a corollary of K&ouml;nig's Theorem as we
have: </p>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <mn>2</mn>
    <mrow>
      <mo>&#x2223;</mo>
      <mi>X</mi>
      <mo>&#x2223;</mo>
    </mrow>
  </msup>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <munder>
      <mo>&Product;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>&Element;</mo>
        <mi>X</mi>
      </mrow>
    </munder>
    <mn>2</mn>
  </mrow>
  <mo>&gt;</mo>
  <mrow>
    <munder>
      <mo>&Sum;</mo>
      <mrow>
        <mi>i</mi>
        <mo>&Element;</mo>
        <mi>X</mi>
      </mrow>
    </munder>
    <mn>1</mn>
  </mrow>
  <mo>=</mo>
  <mrow>
    <mo>&#x2223;</mo>
    <mi>X</mi>
    <mo>&#x2223;</mo>
  </mrow>
</math></p>

<h2>Miscellaneous formulae </h2>

<p>The famous Shelah's inequality:
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mrow>
    <msup>
      <msub>
        <mi>&aleph;</mi>
        <mi>&omega;</mi>
      </msub>
      <msub>
        <mi>&aleph;</mi>
        <mn>0</mn>
      </msub>
    </msup>
    <mo>&le;</mo>
    <mrow>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <msub>
          <mi>&aleph;</mi>
          <mn>0</mn>
        </msub>
      </msup>
      <mo>+</mo>
      <msub>
        <mi>&aleph;</mi>
        <msub>
          <mi>&omega;</mi>
          <mn>4</mn>
        </msub>
      </msub>
    </mrow>
  </mrow>
</math></p>

<p>Two theorems that use the <em>arrow notation</em>:</p>
<ol>
  <li><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mrow>
        <mo>&ForAll;</mo>
        <mrow>
          <mrow>
            <mi>n</mi>
            <mo>,</mo>
            <mi>k</mi>
          </mrow>
          <mo>&Element;</mo>
          <mi>&omega;</mi>
        </mrow>
      </mrow>
      <mo>,</mo>
      <mrow>
        <msub>
          <mi>&aleph;</mi>
          <mn>0</mn>
        </msub>
        <mo>&RightArrow;</mo>
        <msubsup>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msub>
              <mi>&aleph;</mi>
              <mn>0</mn>
            </msub>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mi>k</mi>
          <mi>n</mi>
        </msubsup>
      </mrow>
    </math> (Ramsey's theorem)</li>
  <li>Define for each <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>&kappa;</mi>
    </math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub>
        <mi>exp</mi>
        <mn>0</mn>
      </msub>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>&kappa;</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <mi>&kappa;</mi>
    </math> and for all <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>n</mi>
    </math>,<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <msub>
        <mi>exp</mi>
        <mrow>
          <mi>n</mi>
          <mo>+</mo>
          <mn>1</mn>
        </mrow>
      </msub>
      <mrow>
        <mo>(</mo>
        <mi>&kappa;</mi>
        <mo>)</mo>
      </mrow>
      <mo>=</mo>
      <msup>
        <mn>2</mn>
        <mrow>
          <msub>
            <mi>exp</mi>
            <mi>n</mi>
          </msub>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <mi>&kappa;</mi>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
        </mrow>
      </msup>
    </math>. 
    <p>Then, for all &kappa;, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mrow>
        <msup>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msub>
              <mi>exp</mi>
              <mi>n</mi>
            </msub>
            <mrow>
              <mo>(</mo>
              <mi>&kappa;</mi>
              <mo>)</mo>
            </mrow>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mo>+</mo>
        </msup>
        <mo>&RightArrow;</mo>
        <msubsup>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msup>
              <mi>&kappa;</mi>
              <mo>+</mo>
            </msup>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <mi>&kappa;</mi>
          <mrow>
            <mi>n</mi>
            <mo>+</mo>
            <mn>1</mn>
          </mrow>
        </msubsup>
      </mrow>
    </math> (Erd&ouml;s-Rado Theorem).</p>
    <p>In particular, for <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mi>&kappa;</mi>
      <mo>=</mo>
      <msub>
        <mi>&aleph;</mi>
        <mn>0</mn>
      </msub>
    </math>, <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
      <mrow>
        <msup>
          <msub>
            <mo>&beth;</mo>
            <mi>n</mi>
          </msub>
          <mo>+</mo>
        </msup>
        <mo>&RightArrow;</mo>
        <msubsup>
          <mrow>
            <mo>(</mo>
            <msub>
              <mi>&aleph;</mi>
              <mn>1</mn>
            </msub>
            <mo>)</mo>
          </mrow>
          <msub>
            <mi>&aleph;</mi>
            <mn>0</mn>
          </msub>
          <mrow>
            <mi>n</mi>
            <mo>+</mo>
            <mn>1</mn>
          </mrow>
        </msubsup>
      </mrow>
    </math>.</p>
  </li>
</ol>

<p><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <mi>cf</mi>
  <mrow>
    <mo>(</mo>
    <msup>
      <msub>
        <mi>&aleph;</mi>
        <mi>&alpha;</mi>
      </msub>
      <msub>
        <mi>&aleph;</mi>
        <mi>&beta;</mi>
      </msub>
    </msup>
    <mo>)</mo>
  </mrow>
  <mo>&gt;</mo>
  <msub>
    <mi>&aleph;</mi>
    <mi>&beta;</mi>
  </msub>
</math></p>

<p>Hausdorff formula : <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
  <msup>
    <msub>
      <mi>&aleph;</mi>
      <mrow>
        <mi>&alpha;</mi>
        <mo>+</mo>
        <mn>1</mn>
      </mrow>
    </msub>
    <msub>
      <mi>&aleph;</mi>
      <mi>&beta;</mi>
    </msub>
  </msup>
  <mo>=</mo>
  <msup>
    <msub>
      <mi>&aleph;</mi>
      <mi>&alpha;</mi>
    </msub>
    <msub>
      <mi>&aleph;</mi>
      <mi>&beta;</mi>
    </msub>
  </msup>
  <msub>
    <mrow>
      <mo>.</mo>
      <mo>&aleph;</mo>
    </mrow>
    <mrow>
      <mi>&alpha;</mi>
      <mo>+</mo>
      <mn>1</mn>
    </mrow>
  </msub>
</math></p>
</body>
</html>
