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Potenzmengen

Die Menge aller Teilmengen einer Menge und wie viele es sind.

In einem Satz: Die Potenzmenge einer Menge ist die Menge aller Auswahlen, die man aus ihr treffen kann.

Für A={a,b}A = \{a, b\} gibt es vier Teilmengen:

P(A)={∅, {a}, {b}, {a,b}}.\mathcal{P}(A) = \bigl\{\emptyset,\ \{a\},\ \{b\},\ \{a,b\}\bigr\} .

Für A={1,2,3}A = \{1,2,3\} gibt es 23=82^3 = 8 Teilmengen: ∅\emptyset, {1}\{1\}, {2}\{2\}, {3}\{3\}, {1,2}\{1,2\}, {1,3}\{1,3\}, {2,3}\{2,3\} und {1,2,3}\{1,2,3\}.

Auch die leere Menge hat eine Potenzmenge, und man kann sie immer wieder bilden. Das zeigt der Abschnitt Verschachtelte Potenzmengen weiter unten.

Nummeriere die Elemente a1,…,ana_1, \dots, a_n. Für jedes aia_i gibt es zwei Möglichkeiten: Es liegt in der Teilmenge oder nicht. Diese Entscheidungen sind voneinander unabhängig. Also gibt es insgesamt

2⋅2⋯2⏟n-mal=2n\underbrace{2 \cdot 2 \cdots 2}_{n\text{-mal}} = 2^n

verschiedene Kombinationen, und jede liefert genau eine Teilmenge.

Schritt 1. Die leere Menge hat 00 Elemente, also hat ihre Potenzmenge 20=12^0 = 1 Element, nämlich ∅\emptyset selbst:

P(∅)={∅}.\mathcal{P}(\emptyset) = \{\emptyset\} .

Schritt 2. Die Menge aus Schritt 1 hat 11 Element, also gibt es 21=22^1 = 2 Teilmengen:

P(P(∅))={∅,{∅}}.\mathcal{P}\bigl(\mathcal{P}(\emptyset)\bigr) = \{\emptyset, \{\emptyset\}\} .

Schritt 3. Die Menge aus Schritt 2 hat 22 Elemente, also gibt es 22=42^2 = 4 Teilmengen:

P(P(P(∅)))={∅,{∅},{{∅}},{∅,{∅}}}.\mathcal{P}\bigl(\mathcal{P}(\mathcal{P}(\emptyset))\bigr) = \{\emptyset, \{\emptyset\}, \{\{\emptyset\}\}, \{\emptyset, \{\emptyset\}\}\} .

Schritt 4. Die Menge aus Schritt 3 hat 44 Elemente, also gibt es 24=162^4 = 16 Teilmengen. Ausgeschrieben, nach der Zahl ihrer Elemente geordnet (1+4+6+4+11 + 4 + 6 + 4 + 1):

P(P(P(P(∅))))={ ∅,{∅}, {{∅}}, {{{∅}}}, {{∅, {∅}}},{∅, {∅}}, {∅, {{∅}}}, {∅, {∅, {∅}}},{{∅}, {{∅}}}, {{∅}, {∅, {∅}}}, {{{∅}}, {∅, {∅}}},{∅, {∅}, {{∅}}}, {∅, {∅}, {∅, {∅}}},{∅, {{∅}}, {∅, {∅}}}, {{∅}, {{∅}}, {∅, {∅}}},{∅, {∅}, {{∅}}, {∅, {∅}}} }\begin{aligned} \mathcal{P}\bigl(\mathcal{P}(\mathcal{P}(\mathcal{P}(\emptyset)))\bigr) = \bigl\{\ &\emptyset, \\ &\{\emptyset\},\ \{\{\emptyset\}\},\ \{\{\{\emptyset\}\}\},\ \{\{\emptyset,\,\{\emptyset\}\}\}, \\ &\{\emptyset,\,\{\emptyset\}\},\ \{\emptyset,\,\{\{\emptyset\}\}\},\ \{\emptyset,\,\{\emptyset,\,\{\emptyset\}\}\}, \\ &\{\{\emptyset\},\,\{\{\emptyset\}\}\},\ \{\{\emptyset\},\,\{\emptyset,\,\{\emptyset\}\}\},\ \{\{\{\emptyset\}\},\,\{\emptyset,\,\{\emptyset\}\}\}, \\ &\{\emptyset,\,\{\emptyset\},\,\{\{\emptyset\}\}\},\ \{\emptyset,\,\{\emptyset\},\,\{\emptyset,\,\{\emptyset\}\}\}, \\ &\{\emptyset,\,\{\{\emptyset\}\},\,\{\emptyset,\,\{\emptyset\}\}\},\ \{\{\emptyset\},\,\{\{\emptyset\}\},\,\{\emptyset,\,\{\emptyset\}\}\}, \\ &\{\emptyset,\,\{\emptyset\},\,\{\{\emptyset\}\},\,\{\emptyset,\,\{\emptyset\}\}\}\ \bigr\} \end{aligned}

Zusammengefasst:

Menge Anzahl der Elemente
P(∅)\mathcal{P}(\emptyset) 1=201 = 2^0
P(P(∅))\mathcal{P}(\mathcal{P}(\emptyset)) 2=212 = 2^1
P(P(P(∅)))\mathcal{P}(\mathcal{P}(\mathcal{P}(\emptyset))) 4=224 = 2^2
P(P(P(P(∅))))\mathcal{P}(\mathcal{P}(\mathcal{P}(\mathcal{P}(\emptyset)))) 16=2416 = 2^4

Der nächste Schritt hätte schon 216=65 5362^{16} = 65\,536 Elemente. Aufschreiben kann man das nicht mehr, nur noch zählen.

Aus A⊆BA \subseteq B folgt P(A)⊆P(B)\mathcal{P}(A) \subseteq \mathcal{P}(B). Das lässt sich in drei Schritten beweisen:

  1. Sei M∈P(A)M \in \mathcal{P}(A) beliebig. Nach der Definition heißt das M⊆AM \subseteq A.
  2. Wegen A⊆BA \subseteq B gilt dann auch M⊆BM \subseteq B, denn jedes Element von MM liegt in AA und damit in BB.
  3. Also ist M∈P(B)M \in \mathcal{P}(B).

Da MM beliebig war, ist P(A)⊆P(B)\mathcal{P}(A) \subseteq \mathcal{P}(B). Dieses Vorgehen mit dem “beliebigen Element” erklärt der Artikel Beweise mit Mengen genauer.