Algebra Boole'a
Z Wikipedii
Algebry Boole'a – struktury algebraiczne rozważane w matematyce, teoretycznej informatyce oraz elektronice cyfrowej. Teoria algebr Boole'a jest poddziałem matematyki na styku teorii porządków częściowych, algebry, logiki matematycznej i topologii.
Nazwa algebry Boole'a jest używana dla uhonorowania angielskiego matematyka, filozofa i logika George'a Boole'a i jego wkładu w formalizację i algebraizację logiki.
Spis treści |
[edytuj] Definicje i ich konsekwencje
[edytuj] Definicja
Algebra Boole'a to struktura algebraiczna , w której "" i "" są działaniami dwuargumentowymi, "" jest operacją jednoargumentową, a "0" i "1" są wyróżnionymi różnymi elementami zbioru B, oraz taka, że następujące warunki są spełnione dla wszystkich :
-
łączność przemienność absorpcja rozdzielność pochłanianie
[edytuj] Różne systemy oznaczeń
Należy zwrócić uwagę, że istnieją co najmniej trzy różne szeroko rozpowszechnione tradycje oznaczeń w teorii algebr Boole'a. W definicji sformułowanej powyżej użyliśmy symboli , ale w częstym użyciu są również oraz . Symbole oznaczające operacje dwuczłonowe algebry Boole'a są prawie zawsze wprowadzane przez wybór jednej z par , albo . W oznaczeniach operacji jednoargumentowej algebry istnieje mniejsza konsekwencja i można się spotkać z jako symbolami oznaczającymi operacje w algebrze Boole'a, albo z w tej samej roli.
- System oznaczeń przedstawiony powyżej (i dalej przyjmowany w tym artykule) jest używany np w podręczniku Heleny Rasiowej[1].
- W badaniach teorio-mnogościowych aspektów algebr Boole'a przeważa tradycja używania oznaczeń [2][3][4][5]. Ten sam system został też wybrany za wiodący przez redaktorów monografii Handbook of Boolean Algebras[6][7][8].
- Z kolei symbole zgodne z oznaczeniami w teorii krat są częściej używane w kontekstach algebraicznych (i teorio-kratowych)[9] [10].
Spotykane są też inne kombinacje tychże symboli lub wręcz inne symbole (na przykład & w miejsce , lub a' zamiast ). W elektronice i informatyce często stosuje się OR, AND oraz NOT w miejsce , oraz .
[edytuj] Bezpośrednie konsekwencje definicji
Niech będzie algebrą Boole'a. Dla wszystkich mamy:
-
prawa De Morgana podwójne przeczenie
[edytuj] Uporządkowanie w algebrach Boole'a
Jeśli jest algebrą Boole'a, to w zbiorze wprowadza się porządek boole'owski następująco:
- wtedy i tylko wtedy, gdy
Tak zdefiniowana relacja jest częściowym porządkiem na zbiorze B. Zbiór B (algebry Boole'a) z relacją ≤ jest kratą rozdzielczą.
[edytuj] Autodualność
Niech będzie dowolną algebrą Boole'a. Niech (zamieniamy rolami operację z operacją , oraz stałą 0 ze stałą 1). Wtedy także jest algebrą Boole'a izomorficzną z wyjściową algebrą . Kanoniczny izomorfizm d tych dwóch algebr jest swoją własną odwrotnością (jest inwolucją zbioru B), i jest dany wzorem:
dla dowolnego .
[edytuj] Pierścienie Boole'a
Z pojęciem algebry Boole'a związane jest pojęcie pierścienia Boole'a. Pierścień Boole'a to pierścień przemienny z jedynką , w którym mnożenie spełnia warunek
- dla każdego elementu a.
W pierścieniu Boole'a każdy element jest rzędu 2, to znaczy: spełnia równość: . Zauważmy bowiem, że
więc . Wynika stąd, że:
- oraz .
- Jeśli jest algebrą Boole'a i w zbiorze B określimy operację różnicy symetrycznej przez , to wtedy jest pierścieniem Boole'a; za mnożenie przyjmuje się .
- Jeśli jest pierścieniem Boole'a i zdefiniujemy operacje i na B przez
-
- , i ,
- to wtedy jest algebrą Boole'a spełniającą .
[edytuj] Minimalna aksjomatyzacja
Powyższa (tradycyjna) definicja algebry Boole'a nie jest ekonomiczna, np. 0 i 1 można zastąpić odpowiednio przez i , zaś dzięki prawom de Morgana można wyeliminować . (W istocie wszystkie działania można tak naprawdę zastąpić jednym – kreską Scheffera).
Istnieją równoważne, ale oszczędniejsze definicje algebry Boole'a. Przykładowy minimalny zestaw aksjomatów to:
- + jest przemienne,
- + jest łączne,
- aksjomat Huntingtona: .
Inny taki zestaw to:
- + jest przemienne
- + jest łączne
- aksjomat Robbinsa:
Istnieją też systemy z jednym aksjomatem.
[edytuj] Przykłady algebr Boole'a
- Najprostsza algebra Boole'a ma tylko dwa elementy, "0" i "1", a operacje tej algebry są zdefiniowane przez następujące tabele działań:
|
|
|
- Jeśli jest ciałem podzbiorów zbioru X, to jest algebrą Boole'a (gdzie oznacza operację dopełnienia).
- Niech będzie zbiorem zdań w rachunku zdań. Wprowadźmy relację dwuargumentową na zbiorze przez określenie
wtedy i tylko wtedy, gdy jest tautologią rachunku zdań.
- Można sprawdzić, że jest relacją równoważności na zbiorze . Na zbiorze X wszystkich klas abstrakcji relacji wprowadźmy operacje przez następujące formuły:
- ,
- ,
- .
- Pokazuje się, że w ten sposób otrzymujemy poprawnie zdefiniowane operacje na zbiorze X (tzn wynik nie zależy od wyboru reprezentantów klas abstrakcji) oraz że jest algebrą Boole'a. Algebra ta jest nazywana algebrą Lindenbauma-Tarskiego.
- Algebry Lindenbauma-Tarskiego rozważa się również dla języków pierwszego rzędu. Niech będzie zbiorem zdań w ustalonym alfabecie τ i niech będzie niesprzeczną teorią w tym samym języku. Wprowadźmy relację dwuargumentową na zbiorze przez określenie
-
- wtedy i tylko wtedy, gdy .
- Wówczas jest relacją równoważności na zbiorze . Podobnie jak wcześniej definujemy
- ,
- ,
- .
- Można pokazać, że jest algebrą Boole'a.
[edytuj] Dalsze własności algebr Boole'a
Niech będzie algebrą Boole'a.
[edytuj] Ideały, algebry ilorazowe i homomorfizmy
- Niepusty zbiór jest ideałem w algebrze , jeśli są spełnione następujące dwa warunki:
- (i) , oraz
- (ii) .
Każdy ideał zawiera element 0. Ideał, który nie zawiera elementu 1, nazywamy ideałem właściwym. (Jedynym niewłaściwym ideałem jest całe B).
- Pojęciem dualnym jest pojęcie filtru: niepusty zbiór jest filtrem w algebrze , jeśli:
- (i') , oraz
- (ii') .
Każdy filtr zawiera element 1. Filtr, który nie zawiera elementu 0, nazywamy filtrem właściwym. (Jedynym niewłaściwym filtrem jest całe B).
- Przypuśćmy, że jest właściwym ideałem w algebrze . Wprowadźmy relację dwuczłonową na B przez
-
- wtedy i tylko wtedy gdy .
- Wówczas jest relacją równoważności na B. W zbiorze klas abstrakcji tej relacji definiujemy działania :
- ,
- ,
- .
- Pokazuje się, że powyższe definicje są poprawne (tzn. wynik operacji nie zależy od wyboru reprezentantów z klas abstrakcji) oraz że jest algebrą Boole'a. Algebra ta jest nazywana algebrą ilorazową i jest oznaczana przez .
- Niech będzie algebrą Boole'a i niech będzie funkcją odwzorowującą B w B * . Mówimy, że funkcja h jest homomorfizmem algebr Boole'a, jeśli zachowuje ona działania w algebrze, tzn. dla wszystkich zachodzą trzy równości:
-
- ,
- ,
- .
Jeśli dodatkowo h jest funkcją wzajemnie jednoznaczną z B na C, to powiemy że funkcja h jest izomorfizmem algebr Boole'a.
- Jeśli I jest ideałem w algebrze , to odwzorowanie jest homomorfizmem.
- Jeśli jest algebrą Boole'a oraz jest homomorfizmem na B * , to h − 1(0 * ) jest ideałem w algebrze a algebra ilorazowa jest izomorficzna z .
[edytuj] Algebry wolne
Algebra Boole'a jest wolną algebrą Boole'a, jeśli pewien zbiór ma następującą własność:
- dla każdej algebry Boole'a i każdego odwzorowania istnieje dokładnie jeden homomorfizm z algebry w algebrę , przedłużający f (czyli taki, że ).
Zbiór o własności opisanej powyżej jest nazywany zbiorem wolnych generatorów algebry . Jeśli moc zbioru X jest κ, to mówimy, że jest wolną algebrą Boole'a z κ generatorami.
Skończona algebra Boole'a jest wolna, wtedy i tylko wtedy, gdy ma ona elementów (dla ). Algebra mocy jest izomorficzna z ciałem wszystkich podzbiorów zbioru z 2n elementami i jako taka ma n wolnych generatorów.
Nieskończona przeliczalna algebra Boole'a jest wolna wtedy i tylko wtedy, gdy jest ona bezatomowa, tzn. każdy niezerowy element algebry zawiera przynajmniej dwa różne niezerowe elementy algebry. (Inaczej mówiąc, .)
[edytuj] Zupełne algebry Boole'a
- Działania nieskończone
Ponieważ w algebrze Boole'a mamy porządek częściowy, to dla zbioru możemy rozpatrywać jego kresy (które istnieją lub nie).
Jeśli dwuczłonowe operacje algebry Boole'a są oznaczane przez (tak jak w tym artykule), to kres górny zbioru A (gdy istnieje) jest oznaczany przez , a jego kres dolny (gdy istnieje) jest oznaczany przez . Jeśli natomiast symbolami dla tych operacji są , to kresy oznaczane są przez , .
Dla zbioru pustego mamy:
- oraz .
Zakładając istnienie odpowiednich kresów, zachodzą wzory de Morgana:
- oraz
Ponadto, jeśli , to
- wtedy i tylko wtedy, gdy
-
- (*) oraz
- (**),
- wtedy i tylko wtedy, gdy
-
- (*) oraz
- (**).
- Zupełność
Następujące dwa stwierdzenia są równoważne dla algebry Boole'a :
- każdy podzbiór ma kres górny;
- każdy podzbiór ma kres dolny.
Algebry, w których każdy zbiór ma kres górny (tzn. takie dla których porządek boole'owski jest zupełny), są nazywane zupełnymi algebrami Boole'a. Zupełne algebry Boole'a są szczególnie ważne w teorii forsingu; są one też przykładami krat zupełnych.
Niech κ będzie liczbą kardynalną, a będzie algebrą Bolole'a. Powiemy, że algebra jest κ-zupełna, jeśli każdy zbiór mocy mniejszej niż κ ma kres górny (tzn. istnieje ilekroć 0 < | A | < κ). Równoważnie: algebra jest κ-zupełna wtedy i tylko wtedy, gdy każdy zbiór , o mocy mniejszej niż κ, ma kres dolny (tzn ). Algebry -zupełne są też nazywane algebrami σ-zupełnymi.
Jeśli jest σ-ciałem borelowskich podzbiorów prostej rzeczywistej (a więc jest to σ-zupełna algebra Boole'a) oraz , jest rodziną wszystkich zbiorów , które są pierwszej kategorii, to jest ideałem w algebrze i algebra ilorazowa jest zupełna. Podobnie dla rodziny wszystkich borelowskich zbiorów miary zero.
[edytuj] Funkcje kardynalne
W badaniach i opisach algebr Boole'a często używa się funkcji kardynalnych. Przykładami takich funkcji kardynalnych są następujące funkcje.
- Celularność algebry Boole'a jest to supremum mocy antyłańcuchów w .
- Długość algebry Boole'a to
- jest łańcuchem
- Głębokość algebry Boole'a to
- jest dobrze uporządkowanym łańcuchem .
- Nieporównywalność algebry Boole'a to
- oraz .
- Pseudo-cieżar algebry Boole'a to
- oraz .
[edytuj] Reprezentacja algebr Boole'a
Twierdzenie Stone'a o reprezentacji algebr Boole'a mówi, że każda algebra Boole'a jest izomorficzna z pewnym ciałem zbiorów (traktowanym jako algebra Boole'a). Dokładniej mówiąc, algebra Boole'a jest izomorficzna z ciałem otwarto-domkniętych podzbiorów przestrzeni ultrafiltrów na (tzw przestrzeni Stone'a algebry ). Twierdzenie Stone'a nie może być udowodnione przy użyciu tylko ZF - wymaga ono założenia pewnej formy aksjomatu wyboru (rozszerzalności ideałów w algebrach Boole'a do ideałów pierwszych).
Każda skończona algebra Boole'a jest izomorficzna z całym zbiorem potęgowym (P(X), ∪, ∩, ', ∅, X), dla pewnego X.
[edytuj] Zobacz też
- przegląd zagadnień z zakresu matematyki,
- funkcja boolowska,
- ciało zbiorów,
- twierdzenie Stone'a.
- monadyczna algebra Boole'a
Przypisy
- ↑ Helena Rasiowa: Wstęp do matematyki współczesnej. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1973, s. 278, seria: Biblioteka Matematyczna t. 30.
- ↑ Thomas Jech: Set theory. Berlin: Springer-Verlag, 1997. ISBN 3-540-63048-1.
- ↑ Zofia Adamowicz, Paweł Zbierski: Logic of mathematics. A modern course of classical logic. Nowy Jork: A Wiley-Interscience Publication. John Wiley & Sons, Inc., 1997, s. 13, seria: Pure and Applied Mathematics. ISBN 0-471-06026-7.
- ↑ Winfried Just, Martin Weese: Discovering modern set theory. T. 2: Set-theoretic tools for every mathematician. Providence, RI: American Mathematical Society, 1997, s. 14. ISBN 0-8218-0528-2.
- ↑ J. Donald Monk: Cardinal invariants on Boolean algebras. Basel: Birkhäuser Verlag, 1996. ISBN 3-7643-5402-X.
- ↑ Sabine Koppelberg: Handbook of Boolean algebras. Edited by J. Donald Monk and Robert Bonnet. T. 1. Amsterdam: North-Holland Publishing Co., 1989. ISBN 0-444-70261-X.
- ↑ Handbook of Boolean algebras. Edited by J. Donald Monk and Robert Bonnet. T. 2. Amsterdam: North-Holland Publishing Co., 1989. ISBN 0-444-87152-7.
- ↑ Handbook of Boolean algebras. Edited by J. Donald Monk and Robert Bonnet. T. 3. Amsterdam: North-Holland Publishing Co., 1989. ISBN 0-444-87153-5.
- ↑ Garrett Birkhoff, Thomas C. Bartee: Współczesna algebra stosowana. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1983, s. 125, seria: Matematyka dla Politechnik. ISBN 8301045604.
- ↑ Kazimierz Kuratowski, Andrzej Mostowski: Teoria mnogości: wraz ze wstępem do opisowej teorii mnogości. Wyd. 3. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe (PWN), 1978, ss. 49n, seria: Monografie Matematyczne 27.