齋藤毅『線形代数の世界―抽象数学の入り口 (大学数学の入門)』で、系2.4.7の証明における(1)→(2)の証明においての存在をなぜ言える?と思ったが、暗黙に系1.6.8(部分空間は直和因子になる)を使っているのか。
(なお、僕が参照しているのは2007年初版(!)であり、別の版では違う記載ぶりになっているかもしれない)
なお、「全射線形写像f:V→Wがあるとき、Vの部分空間V'で、fのV'への制限がWへの同型になるものがある」…(*)は(ZFにおいて)選択公理と同値になる。
(参考)
linear algebra - Is a vector space isomorphic to the kernel $\oplus$ image of a map out of it? - Mathematics Stack Exchange
上記のstackexchangeでは選択公理と系1.6.8の同値性を経由して(*)から選択公理を導いているが、(*)→選択公理の直接証明は、以下のような感じ(で証明できているはず)。
(*)を仮定する。
はdisjointとして、
の各元との交わりがシングルトンとなるような
の存在(この存在が選択公理のstatement)を示す。
写像を
となるように定める。
の、2元体
の元を係数とする形式的線形結合*1は
を基底とする
線形空間をなす。これを
とする。同様に、
を基底とする形式的線形結合のなす線形空間を
とする。
が誘導する
から
への
線形写像を
とする。
(*)よりの制限
で同型となるものがある。
と見ることができる。
の線形空間としての構造を忘却して
の逆像を
とすると所望の性質を持つ。
(練習問題:のkernelを求めよ。)
なお、系1.6.8の証明では代数の本ではよくあるようにZornの補題が使われているが、集合論に心得のある人はZornの補題ではなくて元を一列に並べて超限再帰*2を使うほうが望ましいと誰かも言っていたと思う*3ので、みんなもそうしよう。