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i boreliani sono insiemi di ramsey

In questo paragrafo il risultato ottenuto sugli aperti verrà esteso ai boreliani della topologia2.4.4. La dimostrazione sarà fatta per induzione utilizzando

la gerarchia sui boreliani (vedi [7], pagina 140 ).

In realtà si mostra una proprietà più forte, ossia che i boreliani sono insiemi di Ramsey completi.

Definizione 3.2.1: Un insieme A ⊆ [N]ω è detto di Ramsey completo se per

ogni s ∈ [N]<ω e per ogni U ∈ [N]ω esiste un insieme V ∈ [U]ω tale che

[s, V] ⊆A oppure [s, V] ∩A=∅.

È effettivamente una proprietà più forte: scegliendo s = ∅ e U = N, un

insieme di Ramsey completo è anche di Ramsey.

Lemma 3.2.1: Ogni aperto A ⊆ [N]ω è un insieme di Ramsey completo.

Dimostrazione. Siano s ∈ [N]<ω e U ∈ [N]ω qualsiasi. Poiché U è un sot-

3.2 i boreliani sono insiemi di ramsey 23

F :[N]ω→ [U]ω definita come F(V) ={f(x)|x V}.

Sia inoltre gs: [U]ω → [N]ω la funzione gs(V) = s∪V/s. Essa è una

funzione continua, e dunque anche gs◦F lo è.

Ciò significa che(gs◦F)−1(A)è un aperto di[N]ω, e dunque è un insieme

di Ramsey.

Allora esiste W ∈ [N]ω tale che [W]ω è contenuto in (g

s◦F)−1(A) oppure

ne è disgiunto. Dunque F([W]ω) = [f(W)]ω è contenuto in g−1

s (A) oppure

ne è disgiunto. Ma allora gs([f(W)]ω) = [s, f(W)]è contenuto in A oppure

ne è disgiunto. Si pone V = f(W).

Teorema 3.2.1 (Galvin e Prikry, 1973): I boreliani della topologia 2.4.4 sono insiemi di Ramsey completi.

Dimostrazione. La dimostrazione è fatta per induzione sul rango dato dalla gerarchia sui boreliani.

passo base È il lemma 3.2.1. Inoltre la chiusura per complementare è

banale.

passo induttivo Sia A = Sn∈NAn, dove gli insiemi An sono boreliani di

rango minore.

Siano dunque s ∈ [N]<ω e U ∈ [N]ω due insiemi qualsiasi.

La dimostrazione consiste nel costruire induttivamente un insieme V ∈ [U]ωtale che A∩ [V]ωsia aperto in[V]ω. Esso sarà dunque un insieme

di Ramsey completo, da cui esisterà un insieme X ∈ [V]ω ⊆ [U]ω tale

che[s, X]sia contenuto in A o ne sia disgiunto.

passo base Poiché l’insieme ℘(s) è finito, se ne possono numerare

gli elementi.

Per induzione gli insiemi An sono di Ramsey completi. Usando

ripetutamente questa proprietà per tutti gli sj ∈ ℘(s), si ottiene un

insieme V0 ⊆U/s tale che, per ogni sj, vale che[sj, V0]è contenuto

oppure disgiunto da A0. Sia n0 =min V0.

passo induttivo Siano definiti Vi e n0 < · · · < ni e sia Si = ℘(s∪

{n0, . . . , ni}). Questo è finito e dunque se ne possono numerare

gli elementi.

Per induzione gli insiemi An sono di Ramsey completi. Usando

ripetutamente questa proprietà per tutti gli sj ∈ Si, si ottiene un

insieme Vi+1 ⊆ Vi/{ni}tale che, per ogni sj, vale che[sj, Vi+1]è

contenuto oppure disgiunto da Ai+1. Sia ni+1=min Vi+1.

Sia infine V = s∪ {ni |i∈N}. Allora per ogni i ∈ N vale che

Ai∩ [V]ω è un aperto di[V]ω.

Per dimostrare ciò, si vede che ogni suo elemento ha un intorno che è aperto rispetto a[V]ω e contenuto in A

i∩ [V]ω.

Sia Y ∈ Ai∩ [V]ω. Sia s0 = (s∪ {n0, . . . , ni}) ∩Y.

Per costruzione di V, vale che [s0, V] ⊆ Ai oppure ne è disgiunto. Poi-

ché però Y ∈ Ai∩ [s0, V], quest’ultimo caso non può essere. Allora

[s0, V]è l’intorno cercato. Dunque A∩ [V]ω =S

n∈ω(An∩ [V]

ω)è un aperto di[V]ω, da cui è un

24 teorema di galvin e prikry

Allora esiste X ∈ [V]ω ⊆ [U]ω tale che [s, X] ⊆ A oppure [s, X] ∩A

[V]ω = ∅. Poiché [s, X] ⊆ [V]ω, quest’ultima affermazione equivale a

4

S T A B I L I T À D E I B Q O

In questo capitolo si vedranno le migliori proprietà di stabilità dei Better- Quasi-Order rispetto a quelle dei Well-Quasi-Order.

Nella prima parte si verificherà che i quasi ordini generati dalle operazioni "finitarie" (par. 1.7) di Better-Quasi-Order, rimangono Better-Quasi-Order.

Nella seconda si vedrà che effettivamente la classe delle successioni tran- sfinite di un Better-Quasi-Order rimane un Better-Quasi-Order.

Per tale scopo, verranno dimostrati due teoremi fondamentali: il Minimal Bad Array lemma ed il teorema di Nash-Williams.

Si introduce la seguente notazione: dato un sottoinsieme non vuoto X ⊆ N, si scrive X= X\ {min X}.

Prima di iniziare il capitolo, si fa un’importante osservazione. È risaputo che N è isomorfo a tutti i suoi sottoinsiemi infiniti.

Dato allora un quasi ordine (Q,≤) ed un qualsiasi sottoinsieme infinito A ⊆ N, una funzione f : [A]ω Q che sia Borel-misurabile (rispetto alla

topologia indotta) e con immagine numerabile può essere vista come un Q- array: se h : N→A è l’isomorfismo taN e A, ponendo H : [N]ω → [A]ωtale

che H(X) = {h(x)|x ∈X}, allora f può essere identificata con il Q-array f◦H.

Definizione 4.0.1: Dato un quasi ordine(Q,≤), si dirà Q-array una qual- siasi funzione f : [A]ω Q, con A N infinito, che sia Borel-misurabile

(rispetto alla topologia indotta) e con immagine numerabile.

In tale modo si può dare anche una buona definizione di Q-sotto-array. Definizione 4.0.2: Dati(Q,≤)un quasi ordine e f : [A]ω Q un Q-array.

Per ogni B⊆ A infinito, la funzione f|[B]ω è detta Q-sotto-array di f .

4.1

prime proprietà di chiusura

Il paragrafo si apre con un’applicazione del teorema di Galvin e Prikry (3.2.1)

agli array di un quasi ordine.

Lemma 4.1.1: Sia(Q,≤)un quasi ordine. Sia R una relazione binaria su Q. Allora ogni Q-array f : [N]ω Q ammette un Q-sotto-array f|

[B]ωtale che,∀X∈ [B]ω, la relazione f(X)R f(X)vale sempre oppure non vale mai.

Dimostrazione. Sia s : [N]ω → [N]ω la funzione di shift tale che s(X) = X.

Questa è continua, infatti s−1([s0,N]) =S

n<min s0[{n} ∪s0,N].

Sia allora L : [N]ω Q×Q tale che L(X) = (f(X), f s(X)). Questa è un

26 stabilità dei bqo

(Q×Q)-array in quanto L−1(p, q) = f−1(p) ∩ (f s)−1(q) che è intersezione

finita di boreliani, ossia è un boreliano. Si partiziona allora[N]ω = C

1tC2, dove C1 = {X| f(X)R f(X∗)}e C2 =

{X| f(X) 6R f(X∗)}.

Si osserva che C1 = L−1({ (p, q)| p R q}) e C2 = L−1({ (p, q)| p 6R q}),

dunque sono boreliani.

Si conclude allora applicando il teorema di Galvin e Prikry3.2.1.

Il lemma permette di dare altre definizioni equivalenti per i BQO. In particolare

Proposizione 4.1.1: Sia(Q,≤)un quasi ordine. Sono fatti equivalenti:

1. (Q,≤)è un Better-Quasi-Order.

2. Tutti i Q-array continui sono buoni.

3. Ogni Q-array ammette un Q-sotto-array per cui vale sempre f(X) ≤ f(X∗).

Dimostrazione. Si vedono le varie inclusioni:

12 È banale.

21 È una conseguenza del teorema di Mathias [14], dimostrato di segui-

to.

31 È banale.

13 È una conseguenza del lemma 4.1.1 prendendo come relazione bi-

naria ≤. Infatti esiste un sotto-array di f per cui vale sempre o non vale mai f(X) ≤ f(X∗). Il caso in cui non vale mai non è possibile, altrimenti il sotto-array sarebbe cattivo.

Teorema 4.1.1 (Mathias, 1977): Sia f : [N]ω Q un Q-array. Allora esiste

B⊆ A infinito tale che f|[B]ω è un Q-array continuo.

Dimostrazione. Innanzitutto si osserva che Im f è numerabile, dunque se ne possono numerare gli elementi. Sia Im f ={qi |i∈ N}.

Si costruisce B induttivamente:

passo base Sia A0 = A e sia n0 =min A0.

passo induttivo Siano definiti Ai e n0< · · · <ni.

Innanzitutto si osserva che Si = ℘({n0, . . . , ni})è finito.

Poiché f−1(qi) è boreliano, si può applicare il teorema di Galvin e Prikry 3.2.1 ripetutamente per tutti gli elementi di Si e si ottiene un

insieme Ai+1 ⊆ Ai/{ni} tale che, per ogni s ∈ Si, vale [s, Ai+1] ⊆

f−1(q

i)oppure[s, Ai+1] ∩f−1(qi) =∅. Sia ni+1 =min Ai+1.

Sia infine B= {ni |i∈N}. Allora per ogni X ∈ [B]ω vale che X ∈ f−1(qi)

se e solo se[s, Ai+1] ⊆ f−1(qi), dove s = X∩ {n0, . . . , ni}. Dunque [B]ω

4.1 prime proprietà di chiusura 27

Si dimostra ora la stabilità dei BQO per le varie operazioni "finitarie", definite nel paragrafo1.7.

Lemma 4.1.2 (Sottordini): Sia(Q,≤) un BQO. Allora ogni sottordine A ⊆ Q è un BQO.

Dimostrazione. Sia f : [N]ω A un A-array. Esso è anche un Q-array,

dunque è buono.

Lemma 4.1.3 (Omomorfismi): L’immagine di un omomorfismo di un BQO è un BQO.

Dimostrazione. Siano Q e B due quasi ordini e sia Q un BQO. Sia g : Q →

B un omomorfismo. Si costruisce allora (con l’assioma della scelta) una funzione inversa g0: Im g → Q, scegliendo l’immagine di ogni elemento x∈Im g nell’insieme g−1(x). Questa è un’immersione.

Allora per ogni array f : [N]ω Im g, g0f è un Q-array. Dunque X

[N]ω tale che g0f(X) ≤g0f(X). Da cui f(X) ≤ f(X).

Lemma 4.1.4 (Unione finita): L’unione di due sottordini che sono BQO è un BQO.

Dimostrazione. Sia f : [N]ω AB un array. Allora si partiziona[N]ωcome:

[N]ω =C

1tC2

dove C1 ={X∈ [N]ω | f(X) ∈ A}e C2={X∈ [N]ω | f(X) ∈B}.

Applicando il teorema di Galvin e Prikry3.2.1, si può estrarre un Q-sotto-

array con immagine contenuta tutta in A oppure tutta in B. In ogni caso, il Q-sotto-array è un array di un BQO, dunque è buono.

Lemma 4.1.5 (Prodotto cartesiano finito): Il prodotto cartesiano finito di BQO è un BQO.

Dimostrazione. Si mostra il caso n =2. La generalizzazione è banale.

Siano(A,≤A)e (B,≤B)due BQO. Sia Q = A×B. Sia f : [N]ω Q un

Q-array.

Innanzitutto si osserva che le proiezioni πA: Q → A e πB: Q → B sono

continue in quanto Q ha la topologia discreta. Allora le funzioni πAf e πBf

sono rispettivamente A-array e B-array. Si può scrivere f = (πAf , πBf).

Si definisce su Q la relazione binaria (a, b)RA(a0, b0) ⇐⇒ a≤A a0.

Per il lemma4.1.1, esiste un Q-sotto-array per cui vale sempre o non vale mai

f(X)RAf(X∗). Ciò significa che vale sempre o non vale mai πAf(X) ≤A πAf(X∗).

Poiché A è BQO e πAf è A-array, allora f si restringe ad un Q-sotto-array

f|[V]ω per cui vale sempre f(X)RA f(X∗).

Analogamente si definisce una relazione binaria(a, b)RB(a0, b0) ⇐⇒ b≤B

b0 e come prima si restringe f|[V]ω ad un ulteriore Q-sotto-array f|[W]ω per

28 stabilità dei bqo

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