代数结构:5、格与布尔代数

news2025/1/20 10:52:16

16.1 偏序与格

偏序集:设P是集合,P上的二元关系“≤”满足以下三个条件,则称“≤”是P上的偏序关系(或部分序关系)

(1)自反性:a≤a,∀a∈P;

(2)反对称性:∀a,b∈P,若a≤b且b≤a,则a=b;

(3)传递性:∀a,b,c∈P,若a≤b且b≤c,则a≤c;

定义1 格

​ 设 ( L , ⪯ ) (L,\preceq) (L,)为偏序集,如果任意的$a,b\in L 有最小上界与最大下界时,称 有最小上界与最大下界时,称 有最小上界与最大下界时,称L 为 ‘ 格 ‘ ,以 为`格`,以 ,以a\lor b = lub(a,b) ( l e a s t u p p e r b o n d ) 表示 (least upper bond)表示 (leastupperbond)表示a,b 的最小上界, 的最小上界, 的最小上界,a\land b =glb(a,b) ( g r e a t e s t l o w e r b o n d ) 表示 (greatest lower bond)表示 greatestlowerbond)表示a,b$的最大下界。

定义2 覆盖

( L , ⪯ ) (L,\preceq) (L,)为格,如果 a ⪯ b , a ≠ b a\preceq b,a\neq b ab,a=b(记为 a ≺ b a\prec b ab),且不存在 u ∈ L − { a , b } u\in L-\{a,b\} uL{a,b},使 a ≺ u ≺ b a\prec u \prec b aub,则称 a a a覆盖 b b b.

:若 a ≺ b a\prec b ab,如果有 c 1 , ⋯   , c k ∈ L , k ≥ 1 c_1,\cdots,c_k \in L,k\ge 1 c1,,ckL,k1 ,使 c i + 1 c_{i+1} ci+1覆盖 c i ( u i = 1 , 2 , ⋯   , k − 1 ) c_i(ui=1,2,\cdots,k-1) ci(ui=1,2,,k1),且
a = c 1 ≺ c 2 ≺ ⋯ ≺ c k = b a=c_1\prec c_2\prec\cdots\prec c_k = b a=c1c2ck=b
​ 则称 c 1 , ⋯   , c k c_1,\cdots,c_k c1,,ck为连接 a , b a,b a,b的链,如果L中的任意两个元素总有连接它们的链,则称 L L L是离散的。

​ 有限的离散全序集的哈斯图由一条链组成

定义3 完全格

( L ; ≺ ) (L;\prec) (L;)为偏序集,当$\forall A\subseteq L 有最大下界、最小上界时, 有最大下界、最小上界时, 有最大下界、最小上界时,L 显然是格,称为 ‘ 完全格 ‘ , 显然是格,称为`完全格`, 显然是格,称为完全格L 自身的最小上界是整个格 自身的最小上界是整个格 自身的最小上界是整个格L 的最大元,记为 1 ; 的最大元,记为1; 的最大元,记为1L 自身的最小下界为整个格 自身的最小下界为整个格 自身的最小下界为整个格L 的最小元记为 0. 子集 的最小元记为0.子集 的最小元记为0.子集A$可以是有限的,也可以是无限的。

定理1 格的关系运算

( L , ⪯ ) (L,\preceq) (L,)为格,则对任意 a , b ∈ L a,b\in L a,bL

  1. a ≺ a ∨ b , a ∧ b ≺ a a\prec a\lor b ,a\land b \prec a aab,aba
  2. a ⪯ b ⟺ a ∨ b = b a\preceq b \Longleftrightarrow a\lor b =b abab=b
  3. a ⪯ b ⟺ a ∧ b = a a\preceq b \Longleftrightarrow a\land b = a abab=a

画个哈斯图是显然的,或者注意到按照定义,我们有 a ∨ b = l u b ( a , b ) , a ∧ b = g l b ( a , b ) a\lor b=lub(a,b),a\land b = glb(a,b) ab=lub(a,b),ab=glb(a,b),且若 a ⪯ b a\preceq b ab,则 l u b ( a , b ) = b lub(a,b)=b lub(a,b)=b就容易得到了

定理2 格的运算律

  1. 幂等律: a ∧ a = a , a ∨ a = a a\land a = a, a\lor a = a aa=a,aa=a
  2. 交换律: a ∨ b = b ∨ a , a ∧ b = b ∧ a a\lor b=b\lor a,a\land b=b\land a ab=ba,ab=ba
  3. 结合律: a ∨ ( b ∨ c ) = ( a ∨ b ) ∨ c , a ∧ ( b ∧ c ) = ( a ∧ b ) ∧ c a\lor(b\lor c)=(a\lor b )\lor c,a\land(b\land c)=(a\land b)\land c a(bc)=(ab)c,a(bc)=(ab)c
  4. 吸收律: a ∨ ( a ∧ b ) = a , a ∧ ( a ∨ b ) = a a\lor(a\land b)=a,a\land(a\lor b)= a a(ab)=a,a(ab)=a

P211

那么我们可以将 [ L ; ∧ , ∨ ] [L;\land,\lor] [L;,]视为代数系统

引理 1 代数系统L中的等价关系

​ 在 [ L ; ∨ , ∧ ] [L;\lor,\land] [L;,]中二元关系 ∨ , ∧ \lor,\land ,满足上述4条运算律,则 ∀ a , b ∈ L , a ∧ b = a ⟺ a ∨ b = b \forall a,b\in L ,a\land b= a\Longleftrightarrow a\lor b=b a,bL,ab=aab=b

KaTeX parse error: Undefined control sequence: \and at position 38: …row a\lor b =(a\̲a̲n̲d̲ ̲b )\lor b =b(最后一步是吸收律)

a ∨ b = b ⇒ a ∧ b = a ∧ ( a ∨ b ) = a a\lor b =b\Rightarrow a\land b = a\land(a\lor b )=a ab=bab=a(ab)=a

引理2 通过L构造偏序集

​ 在 [ L ; ∧ , ∨ ] [L;\land,\lor] [L;,]中, ∧ , ∨ \land,\lor ,满足4条运算规律,定义关系 ⪯ \preceq 如下: ∀ a , b ∈ L , a ⪯ b \forall a,b \in L ,a\preceq b a,bL,ab,当且仅当 a ∨ b = b a\lor b =b ab=b.则 ( L ; ⪯ ) (L;\preceq) (L;)为偏序集

证明自反性,反对称性,传递性 P211

定理3 引理2中的偏序集是格

证明 a ∨ b = l u b ( a , b ) , a ∧ b = g l b ( a , b ) a\lor b = lub(a,b),a\land b = glb(a,b) ab=lub(a,b),ab=glb(a,b) P211

定义4 格的另一种定义方式

[ L ; ∨ , ∧ ] [L;\lor,\land] [L;,]是一代数系统, ∨ , ∧ \lor,\land ,是定义在 L L L上的二元运算,当其满足 L 1 L_1 L1 L 4 L_4 L4时,称 L L L为格,并称 ∧ \land 为积(交), ∨ \lor 为和(或并)

定理4 保序性

​ 格 [ L ; ∨ , ∧ ] , ∀ a , b , c ∈ L [L;\lor,\land],\forall a,b,c\in L [L;,],a,b,cL,当 b ⪯ c b\preceq c bc时有 a ∧ b ⪯ a ∧ c a\land b \preceq a\land c abac a ∨ b ⪯ a ∨ c a\lor b\preceq a\lor c abac

定义5 子格

[ L ; ∨ , ∧ ] [L;\lor,\land] [L;,]为格, T ≠ ∅ , T ⊆ L T\neq\varnothing,T\subseteq L T=,TL, T T T关于 ∨ , ∧ \lor,\land ,封闭(即 a , b ∈ T , a ∨ b ∈ T , a ∧ b ∈ T a,b\in T,a\lor b \in T,a\land b \in T a,bT,abT,abT)时,称 T T T L L L的子格

​ 注意,当 T T T L L L的子格时, T T T一定是格,但当 T ⊆ L T\subseteq L TL, T T T关于 L L L中的偏序关系 ⪯ \preceq 为格时, T T T不一定是 L L L的子格,因为 T T T中的运算关系可能不同

​ 例如,一个群 G G G的子群全体 S ( G ) S(G) S(G)关于 ⊆ \subseteq 关系所构成的格不是 G G G的幂集关于 ⊆ \subseteq 关系所构成的格的子格,因为子群的并不一定是子群

定义6 格的同态与同构

​ 设 [ L ; ∨ , ∧ ] [L;\lor,\land] [L;,] [ S ; + , ∘ ] [S;+,\circ] [S;+,]为两个格,如果存在映射 φ : L → S , ∀ a , b ∈ L \varphi:L\rightarrow S,\forall a,b\in L φ:LSa,bL,有
φ ( a ∧ b ) = φ ( a ) ∘ φ ( b ) φ ( a ∨ b ) = φ ( a ) + φ ( b ) \varphi(a\land b )=\varphi(a)\circ\varphi(b)\\ \varphi(a\lor b)=\varphi(a)+\varphi(b) φ(ab)=φ(a)φ(b)φ(ab)=φ(a)+φ(b)
​ 则称 φ \varphi φ L L L S S S的同态映射,当 φ ( L ) = S \varphi(L)=S φ(L)=S时(满射),则说两个格同态,当 φ \varphi φ是一一对应(双射),说同构。如果 L = S L=S L=S,则称为自同态和自同构。

定理 5 同态映射是保序的

​ 若 φ \varphi φ是格 L , S L,S L,S间的同态映射,则 φ \varphi φ是同态映射,即 ∀ a , b ∈ L \forall a,b\in L a,bL,若 a ⪯ b a\preceq b ab,则 φ ( a ) ⪯ φ ( b ) \varphi(a)\preceq\varphi(b) φ(a)φ(b)注意不是当且仅当

定理6 同构映射的保序性

a ⪯ b ⟺ φ ( a ) ⪯ φ ( b ) a\preceq b \Longleftrightarrow \varphi(a)\preceq\varphi(b) abφ(a)φ(b)

定理7 对偶原理

  1. P P P是对任意偏序集都为真的一个命题, P ′ P' P是将 P P P中所有 ⪯ , ⪰ \preceq,\succeq ,对换得到的对偶命题,则 P ′ P' P对任意偏序集也为真
  2. P P P是从格 [ B ; ∨ , ∧ ] [B;\lor,\land] [B;,]推出的命题, P ′ P' P是将 P P P ∨ \lor ∧ \land 对换得到的对偶命题,则 P ′ P' P对格 [ B ; ∧ , ∨ ] [B;\land,\lor] [B;,]也为真

偏序反转后,自然从P得到了P‘

16.2 有补格及分配格

定义7 有界格

​ 一个具有最大元1和最小元0的格 [ L ; ∨ , ∧ ] [L;\lor,\land] [L;,]称为有界格

定理8 最大元和最小元的性质

​ 有界格中, ∀ a ∈ L : a ∨ 1 = 1 , a ∧ 0 = 0 , a ∧ 1 = a , a ∨ 0 = a \forall a\in L:a\lor 1 =1,a\land 0 =0,a\land 1 =a,a\lor 0 =a aL:a1=1,a0=0,a1=a,a0=a

定义8 有补格

[ L ; ∨ , ∧ ] [L;\lor,\land] [L;,]为有界格,$\forall a \in L , 若 ,若 ,\exist b\in L , 有 ,有 ,a\lor b =1,a\land b =0 ,则称 ,则称 ,则称b 为 为 a 的 ‘ 补元 ‘ , 记 的`补元`,记 补元,b 为 为 a’ . 若 .若 .L 中的每个元有补元,称 中的每个元有补元,称 中的每个元有补元,称L$为有补格

我们可以发现,对任意格成立分配不等式,即格 [ L ; ∨ , ∧ ] [L;\lor,\land] [L;,]中任意 a , b , c ∈ L a,b,c\in L a,b,cL,有:

  1. a ∨ ( b ∧ c ) ⪯ ( a ∨ b ) ∧ ( a ∨ c ) a\lor (b\land c)\preceq (a\lor b)\land(a\lor c) a(bc)(ab)(ac)
  2. KaTeX parse error: Undefined control sequence: \and at position 34: …and c)\preceq a\̲a̲n̲d̲(b\lor c)

怎么说了,这个不等关系很容易记反,就画哈斯图吧

定义9 分配格

我们可以发现,对任意格成立分配不等式,即格 [ L ; ∨ , ∧ ] [L;\lor,\land] [L;,]中任意 a , b , c ∈ L a,b,c\in L a,b,cL,有:

  1. a ∨ ( b ∧ c ) = ( a ∨ b ) ∧ ( a ∨ c ) a\lor (b\land c)= (a\lor b)\land(a\lor c) a(bc)=(ab)(ac)
  2. KaTeX parse error: Undefined control sequence: \and at position 28: …or(a\land c)= a\̲a̲n̲d̲(b\lor c)

则称格L为分配格

两个典型的非分配格

在这里插入图片描述

​ 只要哈斯图中含有这种子结构,就可以判断它不是分配格

定理9 分配格的判断

[ L ; ∨ , ∧ ] [L;\lor,\land] [L;,]为任意格,则下述条件等价

  1. ∀ a , b , c ∈ L , a ∧ ( b ∨ c ) = ( a ∧ b ) ∨ ( a ∧ c ) \forall a,b,c\in L,a\land(b\lor c)=(a\land b)\lor(a\land c) a,b,cL,a(bc)=(ab)(ac)
  2. ∀ a , b , c ∈ L , a ∨ ( b ∧ c ) = ( a ∨ b ) ∧ ( a ∨ c ) \forall a,b,c\in L,a\lor(b\land c)=(a\lor b)\land(a\lor c) a,b,cL,a(bc)=(ab)(ac)
  3. ∀ a , b , c ∈ L , ( a ∧ b ) ∨ ( b ∧ c ) ∨ ( c ∧ a ) = ( a ∨ b ) ∧ ( b ∨ c ) ∧ ( c ∨ a ) \forall a,b,c\in L,(a\land b)\lor (b\land c)\lor(c\land a)=(a\lor b)\land(b\lor c)\land(c\lor a) a,b,cL,(ab)(bc)(ca)=(ab)(bc)(ca)
  4. 不含 M 5 M_5 M5 N 5 N_5 N5同构的子格

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