Lemma von Zorn

Das Lemma von Zorn, auch bekannt als Lemma von Kuratowski-Zorn, ist ein Theorem der Mengenlehre, genauer gesagt, der Zermelo-Fraenkel-Mengenlehre, die das Auswahlaxiom einbezieht. Es ist benannt nach dem deutsch-amerikanischen Mathematiker Max Zorn, der es 1935 entdeckte (unabhängig von der Entdeckung durch Kuratowski 1922) und verwandt mit Hausdorffs Maximalkettensatz von 1914.

Aussage

Das Lemma von Zorn besagt:

Jede halbgeordnete Menge, in der jede Kette (d.h. jede total geordnete Teilmenge) eine obere Schranke hat, enthält mindestens ein maximales Element.

Erläuterung:

• Gegeben sei eine halbgeordnete Menge $(P, \le)$. Dies bedeutet, dass die Ordnungsrelation $\le$ transitiv, reflexiv und antisymmetrisch sein muss.

• Man betrachtet nun spezielle Teilmengen T von P, welche folgende Eigenschaft besitzen: Für alle $x, y\in T$ gilt stets $x \le y$ oder $y \le x$. Solche Teilmengen werden als Ketten oder total geordnet bezeichnet.

• Für diese speziellen Teilmengen (und nur für diese) wird nun zusätzlich gefordert, dass sie eine obere Schranke in P besitzen müssen. Dies bedeutet: Für jede Kette T von P existiert ein $s\in P$, so dass $t \le s$ für alle $t\in T$ gilt. Man beachte, dass s nicht in T liegen muss.

• Die Aussage des Lemmas von Zorn lautet nun: Die Menge P besitzt ein maximales Element. Dies bedeutet: Es existiert ein Element $m \in P$, für welches es kein größeres Element in P gibt. Aus $m \le x$ folgt also stets m = x.

Das besondere am Lemma von Zorn ist also, dass man aus verhältnismäßig schwachen Aussagen über sehr spezielle Teilmengen T von P zu einer recht starken Aussage über die Menge P selbst kommt.

Bemerkung: Die Voraussetzungen schließen zunächst nicht aus, dass P leer ist. Allerdings ist die leere Menge automatisch eine Kette. Deren laut Voraussetzung existierende obere Schranke liefert dann automatisch ein Element von P. Eine äquivalente Formulierung des Lemmas von Zorn lautet dementsprechend:

Jede nichtleere halbgeordnete Menge, in der jede nichtleere Kette eine obere Schranke hat, enthält mindestens ein maximales Element.

Verwendung

Wie auch der Wohlordnungssatz ist Zorns Lemma äquivalent zum Auswahlaxiom, d.h. man kann mit einem dieser drei Sätze zusammen mit der Zermelo-Fraenkel-Mengenlehre die beiden anderen beweisen. Zorns Lemma wird in vielen wichtigen Beweisen benutzt, zum Beispiel für

1. den Satz, dass jeder Vektorraum eine Basis hat,
2. das Hahn-Banach-Theorem in der Funktionalanalysis, nach dem man lineare Funktionale fortsetzen kann,
3. Tychonoffs Theorem, dass jedes Produkt kompakter Räume in der Produkttopologie selbst kompakt ist,
4. den Satz, dass jeder Ring mit 1, der nicht der Nullring ist, ein maximales Ideal hat (bzw. dort sogar jedes echte Ideal in einem maximalen Ideal liegt),
5. den Satz von Ernst Steinitz, dass jeder Körper einen algebraischen Abschluss hat.

Ein Beispiel der Anwendung

Wir beweisen als typische Anwendung des Lemmas von Zorn, dass jeder Ring mit 1, der nicht der Nullring ist, ein maximales Ideal hat. Die Menge P besteht hier aus allen (beidseitigen) Idealen in R, die die 1 nicht enthalten. Diese Menge ist nicht leer (sie enthält das Nullideal, da $0\ne 1$ vorausgesetzt ist) und bezüglich der Mengeninklusion halbgeordnet. Wenn wir ein maximales Element dieser Menge finden können, dann sind wir fertig, denn das ist ein echt in R enthaltenes Ideal und jedes größere Ideal liegt nicht in P, enthält also die 1 und damit als Ideal auch jedes Element r = r1 von R, d. h. es gibt kein größeres echt in R enthaltenes Ideal.

Um Zorns Lemma anwenden zu können, nehmen wir eine nichtleere totalgeordnete Teilmenge T von P und müssen zeigen, dass sie eine obere Schranke hat, also ein Ideal I in R existiert, das alle Ideale in T enthält, aber ungleich R ist (sonst wäre es nicht in P). Wir wählen I als die Vereinigung aller Elemente von T. Dann ist I nicht leer, denn T enthält mindestens ein Ideal als Element, das wiederum in I als Teilmenge enthalten ist. I ist ein Ideal, denn sind a und b Elemente von I, dann gibt es Ideale J, K in T, so dass a in J und b in K liegt. Da T totalgeordnet ist, liegt eins der beiden Ideale im anderen, wir können ohne Einschränkung annehmen, dass J in K enthalten ist. Dann sind a und b beide in K, also liegen a+b und für jedes r in R auch ra und ar in K und damit in I. Somit ist also I tatsächlich ein Ideal von R. Da keines der in T liegenden Ideale die 1 enthält, enthält auch I die 1 nicht, also liegt I in P. Somit ist I eine in P liegende obere Schranke von T.

Da die Voraussetzungen für Zorns Lemma erfüllt sind, erhalten wir die Existenz eines maximalen Elements in P, und das ist ein maximales Ideal von R.

Dieser Beweis benötigt die Voraussetzung, dass der Ring eine 1 hat. Ohne das wäre er nicht durchführbar und tatsächlich wäre die Behauptung falsch. Ein Beispiel für einen Ring ohne maximales Ideal (und ohne 1) ist $\Q$ mit der Multiplikation ab = 0 für alle a,b. Ideale sind in diesem Ring identisch mit (additiven) Untergruppen und für jede echte Untergruppe A ist die Faktorgruppe $\Q/A$ ebenso wie die Ausgangsgruppe teilbar, folglich nicht endlich erzeugt, hat dadurch eine nicht-triviale echte (z. B. zyklische) Untergruppe, und diese liefert als Urbild ein A enthaltendes, echtes Ideal.

Folgerung von Zorns Lemma aus dem Auswahlaxiom

Zuletzt geben wir noch eine Beweisskizze, wie man das Lemma von Zorn aus dem Auswahlaxiom folgern kann.

Angenommen, das Lemma wäre falsch. Dann gäbe es eine halbgeordnete Menge P, in der jede total geordnete Teilmenge eine obere Schranke hätte, aber trotzdem jedes Element ein größeres hätte (es gäbe kein maximales Element in P). Für jede total geordnete Teilmenge T definieren wir nun ein Element b(T), das größer ist als jedes Element in T, indem wir eine obere Schranke von T nehmen und b(T) auf ein Element setzen, das noch größer ist als diese Schranke. Um b hierdurch als Funktion definieren zu können, benötigen wir das Auswahlaxiom (denn wir sagen nicht, welche obere Schranke und welches größere Element wir nehmen).

Mit dieser Funktion b bestimmen wir dann Elemente a₀ < a₁ < a₂ < a₃ < ... in P. Diese Folge wird wirklich lang: Die Indizes sind nicht nur alle natürlichen Zahlen, sondern alle Ordinalzahlen. Diese Folge ist zu lang für die Menge P, denn es gibt mehr Ordinalzahlen als Elemente in irgendeiner Menge enthalten sein können, und so erhalten wir einen Widerspruch.

Die a_v definieren wir durch transfinite Induktion: Für jede Ordinalzahl v setzen wir

a_v: = b({a_w | w < v}).

Das geht, da die a_w durch diese Konstruktion total geordnet sind.

Literatur

• B. A. Efimov: Zorn lemma. In: Michiel Hazewinkel (Hrsg.): Encyclopaedia of Mathematics. Springer-Verlag, Berlin 2002, ISBN 1-4020-0609-8.

Weblinks

 Wikibooks: Beweis der Äquivalenz zum Auswahlaxiom – Lern- und Lehrmaterialien