若$A$和$B$是两个良序集,则下面三种情形有且仅有一种成立:1.$A$与$B$序同构.
2.$A$与$B$的一节序同构.
3.$B$与$A$的一节序同构.
证明思路:根据良序集的一节中的定理,1,2,3中的任两者不会同时成立.下面我证明1,2,3必成立其一.
引理1:良序集$A$和$B$,$a\in A$,$b\in B$,$\{x:x\in A,x\prec a\}$与$\{x:x\in B,x\prec b\}$序同构.若$a$唯一,则$b$唯一.
证明:假如对于唯一的$a$,存在两个$b$,记做$b_1,b_2$.设$b_1\prec b_2$.易得$\{x:x\in B,x\prec b_1\}$和$\{x:x\in B,x\prec b_2\}$序同构.但是由良序集的一节中的定理,我们知道$\{x:x\in B,x\prec b_1\}$是$\{x:x\in B,x\prec b_2\}$的一节,两者不可能序同构.
引理2:$A$是良序集,$I$是一个集合.$\forall \alpha\in I$,$M_{\alpha}$都是$A$的一节.若$\bigcup_{\alpha\in I}M_{\alpha}$有严格上界,则$\bigcup_{\alpha\in I}M_{\alpha}$也是$A$的一节.
证明:$\bigcup_{\alpha\in I}M_{\alpha}$有严格上界,说明$A\backslash \bigcup_{\alpha\in I}M_{\alpha}$是一个非空良序集,设$m$为$A\backslash\bigcup_{\alpha\in I}M_{\alpha}$的最小元.可得$\{x:x\in A,x\prec m\}\subset \bigcup_{\alpha\in I}M_{\alpha}$.下证$\forall p\succ m$,$p\not\in\bigcup_{\alpha\in I}M_{\alpha}$,否则,$\exists\beta\in I$,使得$p\in M_{\beta}$,则$m\in M_{\beta}$,矛盾.所以,$\forall p\succ m$,$p\not\in\bigcup_{\alpha\in I}M_{\alpha}$.可见$\{x:x\in A,x\prec m\}=\bigcup_{\alpha\in I}M_{\alpha}$
引理3:良序集$A$和$B$.$A$与$B$的一节序同构当且仅当$\forall a\in A$,$\exists b\in B$,使得$\{x:x\in A,x\prec a\}$与$\{x:x\in B,x\prec b\}$序同构,(由引理1我们知道对于固定的每个$a$,相应的$b$总是唯一的.所有$b$组成一个集合$B_1$(根据ZF公理中的替换公理,我们知道所有$b$能组成一个集合)且$B_1$有上界
证明:$\Rightarrow$:令$A$与$\{x:x\in B,x\prec m\}$序同构,易得,$m$即为$B_1$的严格上界.
$\Leftarrow$:由引理2很容易得出
引理4:良序集$A$和$B$序同构当且仅当$\forall a\in A$,$\exists b\in B$,使得$\{x:x\in A,x\prec A\}$与$\{x:x\in B,x\prec b\}$序同构,(由引理1我们知道对于每个固定的$a$,相应的$b$总是唯一的.所有$b$组成一个集合$B_1$(根据ZF公理里的替换公理,我们知道所有$b$能组成一个集合))且$B_1$没有上界.
引理4是显然的,证明略去.综合引理3和引理4,我们得到
引理5:良序集$A$和$B$,"存在$A$到$B$的一节的序同构或者$A$到$B$的序同构"的充要条件是$\forall a\in A$,$\exists b\in B$,使$\{x:x\in A,x\prec a\}$与$\{x:x\in B,x\prec b\}$序同构.
下面我们看命题"存在$A$到$B$的一节序同构或者$A$到$B$的序同构"的否定.要否定这个命题,就是否定其等价命题.该命题的否定叙述如下:
命题1: $\exists a_1\in A$,使得$\forall b_1\in B$,$\{x:x\in A,x\prec a_1\}$与$\{x:x\in B,x\prec b_1\}$无法序同构.
我们的任务是,证明命题1等价于
命题2:$A,B$是良序集,存在$B$到$A$的一节的序同构.
证明:命题2$\Rightarrow$命题1 是容易的.
命题1$\Rightarrow$命题2:所有满足条件的$a_1$形成一个良序集,记为$A_1$.$A_1$的最小元是$m_1$.易得存在从$\{x:x\in A,x\prec m_1\}$到$\{x:x\in B,x\prec n_1\}$的序同构.下证$B=\{x:x\in B,x\prec n_1\}$.否则由于$B\backslash\{x:x\in B,x\prec n_1\}$是良序集,该良序集的最小元是$n_1$,我们知道在$\{x:x\in A,x\preceq m_1\}$和$\{x:x\in B,x\preceq n_1\}$之间存在序同构.矛盾.因此$B=\{x:x\in B,x\prec n_1\}$,因此$B$与$A$的一节序同构.
因此,“$A$与$B$的一节序同构或$A$与$B$序同构"的否定是"$B$与$A$的一节序同构".而且容易证明"$A$与$B$的一节序同构","$A$与$B$序同构","$B$与$A$的一节序同构"互为互斥事件.因此命题得证.
注:上面的证明过于繁琐,我现在用寥寥几句话概括一下上面证明的框架.
1.引理1和引理2是作为铺垫的.
2.”$A$与$B$的一节序同构"与引理3等价."$A$与$B$序同构“与引理4等价.而”引理3成立或引理4成立=引理5成立“引理5的反面是命题1,命题1与命题2等价.