6.3. Квазиупорядочения и согласованные слабые упорядочения
В этом разделе будет доказана лемма о квазиупорядочениях и слабых упорядочениях, согласованных с ними (см. определения 7 и 8). Следующая теорема эквивалентна теореме Е. Шпильрайна (пр.73).
Теорема Шпильрайна. Если Q — квазиупорядочение, то существует слабое упорядочение R, согласованное с Q.
Таким образом, в обычной теории спроса можно построить квазиупорядочение на наборах товаров, сказав, что набор, все компоненты которого больше, чем у другого, ставится выше него. Теорема Шпильрайна гласит, что возможно построить полную карту безразличия, где сравнения таких пар наборов будет удовлетворять этому условию, т.е. можно построить карту безразличия убывающими кривыми безразличия. Теорема тривиальна в любом конкретном применении, тем не менее она не тривиальна в общем виде.
Из теоремы Шпильрайна выведем следующую лемму.
Лемма 4.
Пусть Q — квазиупорядочение, S — такое множество альтернатив, что, если х ≠ у и как х, так и у принадлежат S, тогда не выполняется xQy, и Т — отношение, устанавливающее слабое упорядочение на множестве S. Тогда существует слабое упорядочение R всех альтернатив, согласованных с Q так, что xRy тогда и только тогда, когда хТу для х и y в S.
Это означает следующее. Предположим, что для всех возможных пар альтернатив выбор между некоторыми парами заранее зафиксирован так, что если альтернатива х заранее фиксирована как альтернатива, предпочитаемая у, а альтернатива у заранее фиксирована как предпочитаемая z, тогда х заранее фиксирована как предпочитаемая альтернативе z. Предположим, однако, что существует множество S таких альтернатив, что нет пар, выбор между которыми был бы заранее предписан. Тогда лемма утверждает, что при задании любого упорядочения элементов в S существует способ упорядочения всех альтернатив, согласованный как с упорядочением в S, так и с выбором, сделанным заранее. Другими словами, если известно, что имеется некоторое упорядочение и известен некоторый выбор, вытекающий из этого упорядочения, но известный выбор не дает никакой прямой информации относительно выбора между элементами в подмножестве S, тогда не существует также косвенной информации относительно выбора в S, т.е. упорядочение всех альтернатив согласовано с любым упорядочением в S.
Таким образом, чтобы продолжить этот пример из теории спроса, предположим, что имеется, как и раньше, квазиупорядочение, вытекающее из условия, что все предельные полезности положительны. Такое квазиупорядочение не говорит нам ничего об упорядочении запасов по
данной бюджетной плоскости (в предположении положительных цен). Тогда лемма 4 говорит, что не передается никакая информация относительно выбора на данной бюджетной плоскости в предположении, что все предельные полезности положительны. Любое упорядочение запасов на данном бюджетном уровне может быть распространено на карты безразличия для всех запасов, которые могут быть представлены функциями полезности, все частные производные которых положительны. (Конечно, предположение, что предельные полезности положительны, говорит, что выбор будет делаться на бюджетной линии, а не ниже.)
Доказательство леммы 4. Пусть Q" — любое квазиупорядочение такое, что
(1) для всех х и у из xQy следует xQ"у.
(2) для всех х и у в S из хТу следует xQ"y.
Отношение общего безразличия, т.е. xQ"y для всех х и у является квазиупорядочением и удовлетворяет (1) и (2), так что существует, по крайней мере, одно Q", удовлетворяющее (1) и (2). Определим отношение Q' следующим образом:
(3) xQ'y тогда и только тогда, когда xQ"y для всех квазиупорядочений Q", удовлетворяющих (1) и (2).
Поскольку каждое Q" — квазиупорядочение, то из (3) и определения 7 следует, что
(4) Q' — квазиупорядочение.
Согласно (1) —(3),
(5) для всех х и у из xQy вытекает xQ'y,
(6) для всех x и y в S из хТу вытекает xQ'y.
Предположим, что для некоторых х' и у' в S не выполняется х'Ту'. Пусть Х1 — множество всех таких альтернатив х, что либо
(7) для х в S имеет место хТу',
либо
(8) для некоторых z в S выполняется xQz и zTy'.
Пусть Q1 определяется так:
(9) xQ1y тогда и только тогда, когда либо х принадлежит X1, либо у не входит в Х1.
Из (9)и определения 7 следует, что
(10) Q1 — квазиупорядочение.
Предположим, что для некоторых х и у имеет место xQy и у принадлежит Х1. Тогда из (7) и (8) следует, что либо для у в S выполняется уТу', и в этом случае х принадлежит Х1, согласно (8), либо для некоторых z имеет место yQz, z в S и zTy'. В последнем случае из xQy и yQz вытекает xQz, поскольку Q — квазиупорядочение, так что снова х принадлежит Х1, согласно (8). Следовательно, в любом случае, если xQy и у принадлежит Х1, х принадлежит X1 Из (9) получим, что
(11) из xQy вытекает xQ1y.
Теперь предположим, что для некоторых х и у из S имеет место хТу и у находится в Х1. Тогда либо уТу', и в этом случае хТу', поскольку Т — слабое упорядочение, и поэтому х принадлежит Х1, согласно (7), либо yQz для z в S и zTy'. Но поскольку обе альтернативы у и z принадлежат S, последнее будет выполняться, если у = z по предположению, и получаем уТу', т.е. предыдущий случай. Из вышеизложенного
(12) для х и у в S из хТу вытекает xQ1y.
Согласно (10) — (12), Q1 — квазиупорядочение, удовлетворяющее (1) и (2). Но из (7) у' принадлежит Х1, поскольку у'Ту'. Так как по предположению не выполняется х'Ту', (7) не может выполняться для х = х'. Если х' принадлежит X1, тогда (8) должно выполняться, т.е. имеет место x'Qz, z принадлежит S и zTy'. Но поскольку х' и z принадлежат S, должно выполняться z = х', так что х'Ту', что противоречит допущению. Следовательно, х не принадлежит Х1, так что не выполняется x'Q1y'. Из (3) следует, что не выполняется x'Q'y'. Заменяя х' на х и у' на у, получим:
(13) для х и у в S из того, что не выполняется хТу, вытекает, что не выполняется xQ'y.
Теперь предположим, что для некоторых определенных х' и у' имеет место x'Qy' и не выполняется y'Qx'. Пусть Х2 — множество всех таких альтернатив х, что выполняется одно из следующих соотношений:
(14) xQx',
(15) х в S и для некоторых z в S выполняется xTz и zQx',
(16) для некоторых z1 и z2 в S имеет место xQz1, z1Tz2, z2Qx'.
Определим отношение Q2 следующим образом:
(17) xQ2y тогда и только тогда, когда либо х находится в Х2, либо у не принадлежит Х2.
Из (17) и определения 7 вытекает, что
(18) Q2 — квазиупорядочение.
Предположим, что для некоторых х и у имеет место xQy, у принадлежит Х2. Должно выполняться одно из соотношений (14) — (16) при замене х на у. Если yQx', тогда xQx', так что х находится в Х2. Если у лежит в S, z в S и верно yTz, zQx', тогда х принадлежит Х2, согласно (16). Если yQz1, z1Tz2, z2Qx', тогда поскольку xQy, получаем xQz1, z1Tz2, z2Qx'. Таким образом, х принадлежит Х2, согласно (16). Следовательно, как и раньше,
(19) из xQy вытекает xQ2y.
Предположим, что для некоторых х и у в S имеет место хТу, у лежит в Х2. Если yQx', тогда х находится в Х2, согласно (15). Если yTz, zQx', тогда поскольку хТу, xTz, zQx', то х принадлежит Х2, согласно (15). Если yQz1, z1Tz2, z2Qx', z1 и z2 принадлежат S, тогда, поскольку как у, так и z1 принадлежат S, у = z1 по предположению, этот случай сводится к предыдущему случаю, поскольку yTz2.
(20) Если х и у принадлежат S, из хТу следует, что xQ2y
Если у' принадлежал Х2, то выполнялось бы одно из соотношений (14) — (16) при х = y. Поскольку по предположению y'Qx' не выполняется, соотношение (14) не может выполняться. Если у' и z принадлежат S, y'Tz, zQx', тогда поскольку x'Qy', согласно допущению, выполняется zQy' так что z = у' по предположению относительно S и y'Qx', что противоречит допущению. Если выполняется y'Qz1, z1Tz2, z2Qx', z1 и Z2 лежат в S, тогда z2Qy', поскольку x'Qy', и, следовательно, z2Qz1. Отсюда следует, что z1 = z2, так что y'Qz1, z1Qx', и, следовательно, y'Qx', что противоречит предположению. Поэтому у' не принадлежит X2; с другой стороны, х' принадлежит X2, согласно (14), поскольку x'Qx'. Поэтому не выполняется y'Q2x', согласно (17). Из соотношений (18) — (20) и (1) — (3) следует, что не выполняется y'Q'x'. Заменяя х' на х и у' на у, получаем, что
(21) из xQy и того, что не выполняется yQx, следует, что не выполняется yQ'x.
Согласно (4) и теореме Шпильрайна, существует слабое упорядочение R всех альтернатив такое, что
(22) R согласовано с Q'.
Из (5), (22) и определения 8(в) получим
(23) из xQy следует xRy.
Из (5), (21), (22), определения 8(г) и соотношений xQy и не yQx следует xQ'y и не yQ'x, что, в свою очередь, влечет не xRy.
(24) из xQy и не yQx следует не xRy.
Из (23), (24) и определения 8 следует, что
(25) отношение R согласовано с Q.
Из (6), (22) и определения 8(в) следует, что
(26) для х и у, принадлежащих S, из хТу следует xRy.
Предположим, что х и у принадлежат S и не выполняется хТу. Тогда уТх, поскольку Т— слабое упорядочение. Из (6) и (13) вытекает, что yQ'x и не xQ'y; из (22) и определения 8(г) следует, что не xRy. Объединяя это с (26), получаем, что
(27) для х и у из S xRy выполняется тогда и только тогда, когда хТу.
Соотношения (25) и (27) доказывают лемму.
6.4. Пример
Предположим, что среди возможных альтернатив имеется три, ни одна из которых не предоставляет никакому индивидууму столько же обоих товаров, сколько любая другая. Пусть имеется два индивидуума и всего по 10 единиц каждого из двух товаров. Рассмотрим три альтернативных распределения, представленных в следующей таблице.