1 閉包と完備束
定義 1.1. poset(P,≤)と部分集合A⊆Pに対して
Au={p∈P∣∀a∈A, a≤p},Al={p∈P∣∀a∈A, p≤a}と定める。AuをAの上界集合 (set of upper bounds)、AlをAの下界集合 (set of lower bounds) という。また、(Au)lをAul、(Al)uをAluと書く。
補題 1.2.Pを poset とする。任意のA,B⊆Pに対して次が成り立つ。
- A⊆BならばBu⊆AuかつBl⊆Alである。
- A⊆Aul。
- A⊆BならばAul⊆Bul。
- (Aul)ul=Aul。
- Aulu=Au。
- Aulは下方集合である。
証明.A⊆Bとp∈Buを取る。各a∈AはBに属するのでa≤pであり、p∈Auとなる。下界集合についても同じ議論が成り立つ。
a∈Aとq∈Auを取るとa≤qであるから、a∈(Au)l=Aulである。よってA⊆Aulである。
A⊆Bとする。(1)からBu⊆Auであり、この包含に同じ項を適用するとAul⊆Bulを得る。
(2)からAul⊆(Aul)ulを得る。また、A⊆Aulに上界集合を取るとAulu⊆Auとなる。一方、q∈Auとx∈Aulに対して、xはAのすべての上界以下であるからx≤qである。ゆえにq∈Auluであり、Aulu=Auとなる。両辺に下界集合を取ると(Aul)ul=Aulを得る。
x∈Aul、y≤xおよびq∈Auを取るとy≤x≤qであるから、y∈Aulである。よってAulは下方集合である。▨
定義 1.3 (Dedekind–MacNeille 完備化). 写像
P(P)⟶P(P),A⟼AulをDedekind–MacNeille 閉包 (Dedekind–MacNeille closure) という。A=Aulを満たす部分集合をDedekind–MacNeille 切断 (Dedekind–MacNeille cut) という。切断全体
DM(P)={A⊆P∣A=Aul}を包含関係で順序づけた poset を、PのDedekind–MacNeille 完備化 (Dedekind–MacNeille completion) という。
定理 1.4.Pを poset とし、DM(P)を定義 1.3によって定める。DM(P)は完備束である。任意の族A⊆DM(P)に対して
⋀A=A∈A⋂A,⋁A=(A∈A⋃A)ulが成り立つ。空の族の共通部分はPとする。
証明.A=∅とし、M=⋂A∈AAとおく。補題 1.2 (2)からM⊆Mulである。各A∈AについてM⊆Aなので、閉包の単調性からMul⊆Aul=Aとなる。ゆえにMul⊆Mであり、Mは切断である。共通部分の定義により、MはAの最大下界である。A=∅の場合にはM=Pであり、Pul=Pなので同じ結論が成り立つ。
J=(⋃A∈AA)ulとおく。閉包の冪等性からJは切断である。各A∈AについてA⊆JなのでJは上界である。切断CがAの上界ならば⋃A∈AA⊆Cであり、閉包の単調性から
J⊆Cul=Cとなる。ゆえにJは最小上界である。この議論は空の族にも適用でき、その場合にはJ=∅ulとなる。▨
問題 1.6.P={a,b}に、a≤aとb≤bだけが成り立つ半順序を入れる。各A⊆PについてAulを計算し、DM(P)を求めよ。
解答.
∅u=Pであり、aとbの両方以下である元は存在しないため、∅ul=∅である。{a}u={a}かつ{a}l={a}なので{a}ul={a}である。同様に{b}ul={b}である。Pu=∅であり、空な全称条件からPul=Pとなる。したがって
DM(P)={∅,{a},{b},P}=P(P).主下方集合{a}と{b}に、交わり∅と結びPが加わっている。▨
2 埋め込みと二重稠密性
定義 2.1.p∈Pに対して
↓p={x∈P∣x≤p},↑p={x∈P∣p≤x}と定める。↓pをpの主下方集合 (principal lower set)、↑pをpの主上方集合 (principal upper set) という。
命題 2.2.Pを poset とする。写像
η:P⟶DM(P),η(p)=↓pは順序埋め込みである。
証明.{p}u=↑pである。x∈(↑p)lならば、とくにp∈↑pなのでx≤pである。逆にx≤pならば、p≤yを満たすすべてのyに対してx≤yとなる。したがって
↓p={p}ulであり、↓pは切断である。
p≤qならば↓p⊆↓qである。逆にこの包含が成り立てば、p∈↓pからp∈↓q、すなわちp≤qを得る。よってηは順序を保存し反映する。▨
定義 2.3.e:P→Lを完備束Lへの順序埋め込みとする。すべてのx∈Lについて
x=⋁{e(p)∣e(p)≤x}が成り立つとき、e(P)はLで結び稠密 (join-dense) であるという。また、すべてのx∈Lについて
x=⋀{e(p)∣x≤e(p)}が成り立つとき、e(P)はLで交わり稠密 (meet-dense) であるという。両方が成り立つことを二重稠密 (doubly dense) であるという。
命題 2.4.Pを poset とする。命題 2.2の像はDM(P)で二重稠密である。すなわち、任意のC∈DM(P)に対して
C=p∈C⋁↓p,C=q∈Cu⋀↓qが成り立つ。
証明.C=Culであるから、補題 1.2 (6)によりCは下方集合である。したがって
p∈C⋃↓p=Cとなり、定理 1.4の結びの式から
p∈C⋁↓p=Cul=Cを得る。また、
q∈Cu⋂↓q={p∈P∣∀q∈Cu, p≤q}=Cul=Cである。左辺は同じ定理による交わりである。▨
定理 2.5.Pを poset とし、e:P→Lを完備束Lへの順序埋め込みとする。e(P)が結び稠密かつ交わり稠密であるとき、
Φ:DM(P)⟶L,Φ(C)=p∈C⋁e(p)はΦ(↓p)=e(p)を満たす順序同型であり、任意の結びと交わりを保つ。この条件を満たす順序同型は一意である。
証明.x∈Lに対して
Ψ(x)={p∈P∣e(p)≤x}とおく。結び稠密性により、q∈Pについて
q∈Ψ(x)u⟺∀p∈Ψ(x), e(p)≤e(q)⟺x≤e(q)である。したがって
Ψ(x)ul={p∈P∣∀q∈P, x≤e(q)⟹e(p)≤e(q)}.交わり稠密性からx=⋀{e(q)∣x≤e(q)}であるため、右辺はΨ(x)に等しい。よってΨ(x)∈DM(P)である。
結び稠密性から
Φ(Ψ(x))=⋁{e(p)∣e(p)≤x}=xとなる。次にC∈DM(P)とする。C⊆Ψ(Φ(C))はΦの定義から従う。r∈Ψ(Φ(C))とq∈Cuを取ると、すべてのp∈Cについてe(p)≤e(q)なのでΦ(C)≤e(q)である。ゆえにe(r)≤e(q)、したがってr≤qである。これは任意のq∈Cuについて成り立つため、r∈Cul=Cとなる。よってΨ(Φ(C))=Cである。
ΦとΨは順序を保つ互いに逆な写像なので、Φは順序同型である。完備束の間の順序同型Θと部分集合Sに対して、Θは単調であるからΘ(⋁S)はΘ(S)の上界であり、yがΘ(S)の上界ならばΘ−1の単調性からΘ−1(y)はSの上界であるため⋁S≤Θ−1(y)、すなわちΘ(⋁S)≤yとなる。ゆえに順序同型は任意の結びを保ち、双対の議論により任意の交わりも保つ。また、
Φ(↓p)=⋁{e(r)∣r≤p}=e(p)である。別の順序同型Fが主下方集合上でeと一致するならば、命題 2.4から
F(C)=Fp∈C⋁↓p=p∈C⋁F(↓p)=p∈C⋁e(p)=Φ(C)となる。したがってΦは一意である。▨
3 稠密全順序集合と拡張切断
定義 3.2 (Dedekind 切断). 部分集合α⊆Qが次の三条件を満たすとき、αをDedekind 切断 (Dedekind cut) という。
- ∅=α=Q。
- αはQの下方集合である。
- αは最大元をもたない。
Dedekind 切断全体
D={α⊆Q∣α は Dedekind 切断である}を切断集合 (set of Dedekind cuts) という。
例 3.4 (有理数が定める切断).a∈Qに対して
αa={q∈Q∣q<a}とおく。a−1∈αaかつa∈/αaなので、αaは空でない真の部分集合である。αaが下方集合であることは推移律から従う。q∈αaならば
q<2q+a<aであるため、αaは最大元をもたない。よってαa∈Dである。
定義 3.5.α,β∈Dに対して
α≤Dβ⟺α⊆βと定める。この順序を切断の包含順序 (inclusion order on Dedekind cuts) という。
定義 3.6. 全順序集合Dの下方集合であって最大元をもたないもの全体をEC(D)と書き、その元をDの拡張切断 (extended cut) という。∅は条件を空虚に満たすので、常にEC(D)に属する。D自身は、Dが最大元をもたない場合にEC(D)に属する。EC(D)の元のうち∅とDをimproper cut (improper cut)、残りをproper cut (proper cut) という。
命題 3.7.Dを全順序集合とし、L,MをDの下方集合とする。
- x∈D∖LはLの上界である。
- L⊆MまたはM⊆Lである。
証明.x∈D∖Lとl∈Lを取る。x<lならば、Lが下方集合であることからx∈Lとなり、xの取り方に反する。Dは全順序集合であるからl≤xである。よってxはLの上界である。
L⊆Mでないとし、x∈L∖Mを取る。(1)からxはMの上界である。したがって各m∈Mについてm≤xであり、x∈LとLが下方集合であることからm∈Lとなる。よってM⊆Lである。▨
命題 3.8.Dを空でない全順序集合とし、次の二条件を満たすとする。
- x<zを満たすx,z∈Dに対して、x<y<zを満たすy∈Dが存在する。
- 各x∈Dに対して、a<x<bを満たすa,b∈Dが存在する。
このとき、写像
σ:DM(D)⟶EC(D),σ(C)={x∈D∣∃c∈C, x<c}と
τ:EC(D)⟶DM(D),τ(L)=Lulは包含順序を保つ互いに逆な写像である。また、DM(D)の最小元は∅、最大元はDであり、σはこの相異なる二元を二つの improper cut へ移す。
証明.C∈DM(D)とする。σ(C)が下方集合であることは定義から従う。x∈σ(C)ならば、あるc∈Cについてx<cである。条件 (a)からx<y<cを満たすy∈Dが存在し、y∈σ(C)となる。よってσ(C)は最大元をもたず、σ(C)∈EC(D)である。また、L⊆Dに対してτ(L)=Lulが Dedekind–MacNeille 切断であることは補題 1.2 (4)から従う。
L∈EC(D)とする。x∈Lならば、Lが最大元をもたないことからx<yを満たすy∈Lが存在する。L⊆Lulなのでx∈σ(Lul)であり、L⊆σ(τ(L))を得る。逆に、x∈σ(Lul)とすると、あるc∈Lulについてx<cである。もしx∈/Lならば、命題 3.7 (1)からx∈Luであり、c∈Lulからc≤xとなってx<cに反する。よってσ(τ(L))=Lである。
次にC∈DM(D)とする。補題 1.2 (6)からCは下方集合であり、σ(C)⊆Cである。閉包の単調性からτ(σ(C))⊆Cul=Cを得る。c∈Cとu∈σ(C)uを取る。もしu<cならば、条件 (a)からu<x<cを満たすx∈Dが存在する。するとx∈σ(C)であるがx≰uとなり、uが上界であることに反する。ゆえにc≤uである。これは任意のu∈σ(C)uについて成り立つため、c∈σ(C)ulである。したがってC⊆τ(σ(C))であり、等号を得る。
C⊆C′ならばσ(C)⊆σ(C′)であり、L⊆L′ならば閉包の単調性からτ(L)⊆τ(L′)である。よって二つの写像は順序同型を与える。
条件 (b)により、各x∈Dに対してa<xを満たすa∈Dが存在するのでDl=∅であり、∅ul=Dl=∅となる。同じ条件によりx<bを満たすb∈Dが存在するのでDu=∅であり、Dul=∅l=Dとなる。したがってDM(D)の最小元は∅、最大元はDであり、Dが空でないことからこの二元は相異なる。σ(∅)=∅であり、x<bを満たすb∈Dの存在からσ(D)=Dである。▨
例 3.9 (稠密性を外した場合).D=Zは命題 3.8 条件 (b)を満たすが、nとn+1の間に元がないので命題 3.8 条件 (a)を満たさない。Zの空でない下方集合は、上に有界ならば最大元mをもつので↓mに等しく、上に有界でなければZに等しい。↓mは最大元をもつため、
EC(Z)={∅,Z}の二元だけになる。一方、∅ul=Zl=∅であり、空でなく上に有界なAについては最大元mを用いてAu=↑m、Aul=↓mとなり、上に有界でないAについてはAu=∅、Aul=Zとなる。したがって
DM(Z)={∅,Z}∪{↓m∣m∈Z}であり、Zに両端点を加えたものである。実際σ(↓m)=↓(m−1)は最大元m−1をもつのでEC(Z)に属さず、σはEC(Z)への写像を与えない。
系 3.10.Qは命題 3.8の二条件を満たす。したがってDM(Q)は同命題のσとτによってEC(Q)と順序同型であり、
EC(Q)=D∪{∅,Q}が成り立つ。また、(D,≤D)は全順序集合である。
証明.q<rを満たす有理数について、例 3.4が用いた不等式q<(q+r)/2<rが成り立つので、命題 3.8 条件 (a)が満たされる。また各q∈Qに対してq−1<q<q+1であるから、命題 3.8 条件 (b)も満たされる。Qは空でない全順序集合である。
EC(Q)の元はQの下方集合であって最大元をもたないものである。このうち∅とQを除いたものは定義 3.2の三条件を満たす集合、すなわちDの元にほかならない。よってEC(Q)=D∪{∅,Q}である。
Dの元はQの下方集合であるから、命題 3.7 (2)により包含について比較可能である。包含関係は半順序でもあるため、(D,≤D)は全順序集合である。▨
定義 3.11 (有理数の Dedekind 埋め込み). 写像
ι:Q⟶D,ι(a)={q∈Q∣q<a}をDedekind 埋め込み (Dedekind embedding) という。
命題 3.12. 任意のa,b∈Qに対して
a≤b⟺ι(a)⊆ι(b)が成り立つ。したがってιは順序埋め込みである。
証明.a≤bならばq<aからq<bが従うので、ι(a)⊆ι(b)である。逆に、ι(a)⊆ι(b)かつb<aと仮定する。有理数(a+b)/2はι(a)に属するがι(b)に属さないため、包含に反する。よってa≤bである。▨
定理 3.14.A⊆Dを空でない族とする。あるβ∈Dが存在し、すべてのα∈Aについてα⊆βであると仮定する。このとき
U=α∈A⋃αは Dedekind 切断であり、包含順序におけるAの上限である。
証明.Aは空でないので、あるα0∈Aが存在する。α0=∅からU=∅である。またU⊆β=QなのでU=Qである。
q∈Uとp<qを取る。あるα∈Aについてq∈αであり、αが下方集合であることからp∈α⊆Uとなる。さらに、q∈αに対してq<rを満たすr∈αが存在するため、Uは最大元をもたない。よってU∈Dである。
各α∈AはUに含まれる。γ∈DがAの上界ならば、和集合の定義からU⊆γである。したがってUは最小上界である。▨
問題 3.19.α,β∈Dとする。α∩βが Dedekind 切断であり、包含順序における{α,β}の下限であることを証明せよ。
解答.
αとβはいずれもQの下方集合であるから、命題 3.7 (2)によりα⊆βまたはβ⊆αである。いずれの場合にもα∩βはαとβの一方に等しいので、Dedekind 切断である。
α∩βはαとβの下界である。切断γが両方の下界ならばγ⊆α∩βなので、α∩βは最大下界である。▨
4 冪集合の不動点と Schröder–Bernstein の定理
第1節のA↦Aulは補題 1.2 (3)により冪集合P(P)上の単調写像であり、定理 1.4はその不動点の全体を完備束として取り出した。以下では、同じ冪集合上の単調写像について不動点を一つ取り出すだけで足りる場面を扱う。
補題 4.1. 集合Xと包含関係について単調な写像
T:P(X)⟶P(X)に対して、T(A)=Aを満たすA⊆Xが存在する。
証明.Tの下で増大する部分集合全体とその和集合を
F={B⊆X∣B⊆T(B)},A=B∈F⋃Bとおく。B∈FならばB⊆Aなので、単調性からB⊆T(B)⊆T(A)である。すべてのB∈Fについて和集合を取るとA⊆T(A)となる。
この包含に単調性を適用するとT(A)⊆T(T(A))である。したがってT(A)∈Fであり、Fの和集合の定義からT(A)⊆Aとなる。よってT(A)=Aである。▨
定理 4.2 (Schröder–Bernstein の定理). 集合X,Yの間に単射f:X→Yと単射g:Y→Xが存在するならば、XからYへの全単射が存在する。
証明.A⊆Xに対して
T(A)=X∖g(Y∖f(A))と定める。A⊆Bならばf(A)⊆f(B)なので
Y∖f(B)⊆Y∖f(A).gによる像を取り、続いてXにおける差集合を取るとT(A)⊆T(B)を得る。したがってTは単調である。補題 4.1によりT(A)=Aを満たすA⊆Xが存在する。
x∈X∖Aならば
x∈g(Y∖f(A))である。gは単射なので、g(y)=xを満たすy∈Y∖f(A)はただ一つである。この元をg−1(x)と書き、
h(x)={f(x),g−1(x),x∈A,x∈X∖Aと定める。第1の場合の像はf(A)に属し、第2の場合の像はY∖f(A)に属する。二つの部分で像は交わらず、それぞれの部分でfとgの単射性からhは単射である。
y∈Yとする。y∈f(A)ならば、あるx∈Aについてh(x)=f(x)=yである。y∈/f(A)ならばx=g(y)とおく。もしx∈A=T(A)ならばx∈/g(Y∖f(A))であるが、y∈Y∖f(A)かつx=g(y)なので矛盾する。よってx∈X∖Aであり、h(x)=g−1(x)=yとなる。したがってhは全射でもあり、全単射である。▨
例 4.5 (構成の具体例).Y=N∪˙{∗}とし、f:N→Yをf(n)=n、g:Y→Nを
g(∗)=0,g(n)=n+1と定める。どちらも単射である。この場合、証明で用いた写像は
T(A)={n+1∣n∈A}となり、A=∅が不動点である。したがって構成される全単射h:N→Yは
h(0)=∗,h(n+1)=nである。fが取りこぼした一元を、gが作る無限列に沿って移す操作が不動点の分割として表されている。