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Endliche Menge/Gleiche Anzahl/Injektiv ist surjektiv/Fakt/Beweis

Beweis

Wir führen Induktion über die Anzahl n der beiden Mengen M und N. Bei  n=0  gibt es nur die leere Abbildung (von der leeren Menge in die leere Menge), und diese erfüllt alle drei Eigenschaften. Es sei nun  n≥1  und die Aussage für alle endlichen Mengen M mit einer Anzahl <n bewiesen. Es muss lediglich die Äquivalenz von injektiv und surjektiv gezeigt werden. Es sei zunächst F injektiv. Wir wählen ein Element  x∈M  und setzen  y=F(x).  Wir setzen

M′=M∖{x} und N′=N∖{y}.

Beide Mengen haben nach Fakt n−1 Elemente, und somit kann man darauf die Induktionsvoraussetzung anwenden. Es sei

F′:M′⟶N′,x⟼F(x).

Diese Abbildung ist wohldefiniert, da wegen der Injektivität nur das Element x auf y abgebildet wird, alle anderen Elemente aus M′ werden auf andere Elemente abgebildet, d.h. sie landen in N′. Die Injektivität von F überträgt sich auf F′. Nach der Induktionsvoraussetzung ist also F′ auch surjektiv. Damit ist aber insgesamt F surjektiv, da einerseits y im Bild liegt (mit x als Urbild) und da andererseits jedes Element  z≠y  zu N′ gehört und damit ein Urbild in M′ besitzt.

Es sei nun F surjektiv. Sei  x∈M  beliebig und  y=F(x).  Wir betrachten die Einschränkung

F′:M′=M∖{x}⟶N.

Diese Abbildung kann nicht surjektiv sein. Andernfalls würde sich nämlich der Widerspruch

n=#(M)>#(M∖{x})≥#(F(M∖{x}))=#(N)=n

ergeben. Daher muss y im Bild von F′ fehlen, und das heißt, dass eine surjektive Abbildung

M∖{x}⟶N∖{y}

vorliegt. Beide Mengen besitzen n−1 Elemente, sodass nach der Induktionsvoraussetzung hier eine Bijektion vorliegt. Damit ist auch die ursprüngliche Abbildung eine Bijektion.