article

Algebry Boole'a są specjalnym typem struktur algebraicznych rozważanych w matematyce i teoretycznej informatyce. Teoria algebr Boole'a jest poddziałem matematyki na styku teorii porządków częściowych, 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.

Definicje i ich konsekwencje


Definicja

Algebra Boole'a to struktura algebraiczna {\mathbb B}=(B,+,\cdot,\sim,0,1) w której "+" i "\cdot" są działaniami dwuargumentowymi, "\sim" jest operacją jednoargumentową, a "0" i "1" są wyróżnionymi różnymi elementami zbioru B oraz taka, że nastepujące warunki są spełnione dla wszystkich a,b,c\in B:
{| cellpadding=5 a +(b + c) = (a + b) + c a \cdot (b \cdot c) = (a \cdot b) \cdot c łączność a + b = b + a a \cdot b = b \cdot a przemienność a + (a \cdot b) = a a \cdot (a + b) = a a + (b \cdot c) = (a + b) \cdot (a + c) a \cdot (b + c) = (a \cdot b) + (a \cdot c) rozdzielność a + \sim a = 1 a \cdot \sim a = 0

Jeśli {\mathbb B}=(B,+,\cdot,\sim,0,1) jest algebrą Boole'a, to na zbiorze B wprowadza się porządek booleowski \leq przez określenie, że a\leq b wtedy i tylko wtedy gdy a\cdot b=a (Można sprawdzić że tak zdefiniowana relacja \leq jest porządkiem częściowym na zbiorze B.)

Różne systemy oznaczeń

Należy zwrócić uwagę, że istnieją trzy różne tradycje oznaczeń w teorii algebr Boole'a. W definicji sformułowanej powyżej użyliśmy symboli +,\cdot,\sim, ale niektórzy badacze używają symboli \lor,\land,\lnot albo \cup,\cap,-. Symbole oznaczające operacje dwuczłonowe algebry Boole'a sa zawsze wprowadzane przez wybór jednej z par (+,\cdot), (\lor,\land) albo (\cup,\cap). W oznaczeniach operacji jednoargumentowej algebry istnieje mniejsza konsekwencja i można się spotkać z +,\cdot,- jako symbolami oznaczającymi operacje w algebrze Boole'a, albo z \lor,\land,\sim w tej samej roli.

Bezpośrednie konsekwencje definicji

Niech {\mathbb B}=(B,+,\cdot,\sim,0,1) będzie algebrą Boole'a.
  • Dla wszystkich a,b\in B mamy:
{| cellpadding=5 a + a = a a \cdot a = a a + 0 = a a \cdot 1 = a a + 1 = 1 a \cdot 0 = 0 \sim 0 = 1 \sim 1 = 0 \sim (a + b) = (\sim a) \cdot (\sim b) oraz \sim (a \cdot b) = (\sim a) + (\sim b) prawa De Morgana \sim (\sim a) = a
  • Operacje "+" i "\cdot" można interpretować jako operacje odpowiednio brania maksimum i miniumum w porządku Booleowskim algebry {\mathbb B}.
  • Z pojęciem algebry Boole'a związane jest pojęcie pierścienia Boole'a. Pierścień Boole'a to pierścień przemienny z jedynką w którym a\cdot a=a dla każdego elementu a. Okazuje się, że jeśli określimy operację różnicy symetrycznej \oplus na zbiorze B przez a \oplus b = (a\cdot (\sim b))+(b\cdot (\sim a)), to wtedy (B,\oplus,\cdot,0,1) jest pierścieniem Boole'a. I na odwrót, jeśli (B,\oplus,\cdot,0,1) jest pierścieniem Boole'a i zdefiniujemy operacje "+" i "\sim" na B przez a+b=(a\oplus b)\oplus (a\cdot b) i \sim a=1\oplus a, to wtedy {\mathbb B}=(B,+,\cdot,\sim,0,1) jest algebrą Boole'a.

Minimalna aksjomatyzacja

Algebra Boole'a jest "przedefiniowana", np 0 i 1 można zastąpić przez odpowiednio (x + (\sim x)) i \sim (x + (\sim x)), zaś dzięki prawom de Morgana można wyeliminować "\cdot". (W istocie wszystkie działania można tak naprawdę zastąpić jednym – kreską Scheffera). Standardowa jest jednak powyższa definicja i powyższa aksjomatyka – ze względu na wygodę i zgodność z intuicją.

Można się jednak zapytać: jaki jest minimalny zestaw aksjomatów definiujących algebry Boole'a ?

Przykładowy minimalny zestaw aksjomatów to:

  • + jest przemienne,
  • + jest łączne,
  • aksjomat Huntingtona: \sim(\sim x + y) + \sim (\sim x + \sim y) = x.

Inny taki zestaw to:

  • + jest przemienne
  • + jest łączne
  • aksjomat Robbinsa: \sim(\sim(x + y) + \sim(x + \sim y)) = x

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:
{|
\cdot 0 1
0 0 0
1 0 1
+ 0 1
0 0 1
1 1 1
a 0 1
\sim a 1 0
  • Jeśli {\mathcal F} jest ciałem podzbiorów zbioru X, to ({\mathcal F},\cup,\cap,{}^\prime,\emptyset,X) jest algebrą Boole'a (gdzie {}^\prime oznacza operację dopełnienia).
  • Niech {\mathcal Z} będzie zbiorem zdań w rachunku zdań. Wprowadźmy relację dwuargumentową \equiv na zbiorze {\mathcal Z} przez określenie
\varphi\equiv\psi   wtedy i tylko wtedy gdy  \varphi\Leftrightarrow\psi jest tautologią rachunu zdań.
Można sprawdzić, że \equiv jest relacją równoważności na zbiorze {\mathcal Z}. Na zbiorze X wszystkich klas abstrakcji relacji \equiv wprowadźmy operacje +,\cdot,\sim przez następujące formuły:
+*_\equiv,   \cdot *_\equiv,   \sim*_\equiv=*_\equiv.
Pokazuje się, że w ten sposób otrzymujemy poprawnie zdefiniowane operacje na zbiorze X (tzn wynik nie zależy od wyboru reprezentantów klas abstrakcji) oraz że (X,+,\cdot,\sim,p_\equiv,p_\equiv) jest algebrą Boole'a. Algebra ta jest nazywana '''algebrą Lindenbauma-Tarskiego.
  • Algebry Lindenbauma-Tarskiego rozważa się również dla języków pierwszego rzędu. Niech {\bold Z} będzie zbiorem zdań w ustalonym alfabecie \tau i niech T\subseteq {\bold Z} będzie niesprzeczną teorią w tym samym języku. Wprowadźmy relację dwuargumentową \equiv na zbiorze {\bold Z} przez określenie
\varphi\equiv\psi   wtedy i tylko wtedy gdy  T\vdash\varphi\Leftrightarrow\psi.
Wówczas \equiv jest relacją równoważności na zbiorze {\bold Z}. Podobnie jak wcześniej definujemy
+*_\equiv,   \cdot *_\equiv,   \sim*_\equiv=*_\equiv.
Można pokazać, że ({\bold Z}/\equiv,+,\cdot,\sim,\psi_\equiv,\psi_\equiv) jest algebrą Boole'a.

Przykłady własności rozważanych w teorii algebr Boole'a


Niech {\mathbb B}=(B,+,\cdot,\sim,0,1) będzie algebrą Boole'a.

Ideały, algebry ilorazowe i homomorfizmy

  • Niepusty zbiór I\subseteq B jest ideałem w algebrze {\mathbb B} jeśli są spełnione następujące dwa warunki:
(a)  \big(\forall a,b\in I\big)\big(a+b\in I\big), oraz
(b)  \big(\forall a,b\in B\big)\big(b \wedge b\in I\ \Rightarrow\ a\in I\big).
  • Pojęciem dualnym jest pojęcie filtru: niepusty zbiór F\subseteq B jest filtrem w algebrze {\mathbb B} jeśli:
(a')  \big(\forall a,b\in F\big)\big(a\cdot b\in F\big), oraz
(b')  \big(\forall a,b\in B\big)\big(b \wedge a\in F\ \Rightarrow\ b\in F\big).
  • Przypuśćmy, że I\subseteq B jest ideałem w algebrze {\mathbb B}. Wprowadźmy relację dwuczłonową \approx_I na B przez
a\approx_I b wtedy i tylko wtedy gdy a\cdot (\sim b)\in I oraz b\cdot (\sim a)\in I.
Wówczas \approx_I jest relacją równoważności na B. Na zbiorze klas abstrakcji B/\approx_I definiujemy działania \vee,\wedge,\neg:
*_{\approx_I},   [b_{\approx_I}=b_{\approx_I},   \neg a_{\approx_I}.
Pokazuje się, że powyższe definicje są poprawne (tzn wynik operacji nie zależy od wyboru reprezentantów z klas abstrakcji) oraz że (B/_{\approx_I},\vee,\wedge,\neg,*_{\approx_I},*_{\approx_I}) jest algebrą Boole'a. Algebra ta jest nazywana algebrą ilorazową i jest oznaczana przez {\mathbb B}/I.
  • Niech {\mathbb C}=(C,\oplus,\circ,\neg,0',1') będzie algebrą Boole'a i niech h:B\longrightarrow C będzie funkcją odwzorowującą B w C. Mówimy, że funkcja h jest homomorfizmem algebr Boole'a jeśli zachowuje ona działania w algebrze, tzn dla wszystkich a,b\in B mamy
h(a+b)=h(a)\oplus h(b), h(a\cdot b)=h(a)\circ h(b)  oraz  h(\sim a)=\neg h(a).
Jeśli dodatkowo h jest bijekcją z B na C, to powiemy że funkcja h jest izomorfizmem algebr Boole'a.
  • Jeśli I jest ideałem w algebrze {\mathbb B}, to odwzorowanie a\mapsto *_{\approx_I}:{\mathbb B}\longrightarrow {\mathbb B}/I jest homomorfizmem.
  • Jeśli {\mathbb C}=(C,\oplus,\circ,\neg,0',1') jest algebrą Boole'a oraz h:B\longrightarrow C jest homomorfizmem, to h^{-1}(0') jest ideałem w algebrze {\mathbb B} a algebra ilorazowa {\mathbb B}/h^{-1}(0') jest izomorficzna z {\mathbb C}.

Wolne algebry Boole'a

Algebra Boole'a {\mathbb B} jest wolną algebrą Boole'a jeśli dla pewnego zbioru X\subseteq B mamy
(i)  jedyną podalgebrą algebry {\mathbb B} zawierającą zbiór X jest {\mathbb B}, który to warunek jest równoważny stwierdzeniu, że każdy element a\in B może być przedstawiony w postaci
a=(b_0^0\cdot b^0_1\cdot\ldots\cdot b^0_n)+(b^1_0\cdot b^1_1\cdot\ldots\cdot b^1_n)+\ldots+(b^m_0\cdot b^m_1\cdot\ldots\cdot b^m_n)
dla pewnych n,m\in {\mathbb N} i (niekoniecznie różnych) b_0^0,\ldots,b^0_n,\ldots,b^m_0,\ldots,\cdot b^m_n\in X, oraz
(ii)  dla każdej algebry Boole'a {\mathbb C}=(C,\oplus,\circ,\neg,0',1') i każdego odwzorowania f':X\longrightarrow C istnieje homomorfizm f:B\longrightarrow C z algebry {\mathbb B} w algebrę {\mathbb C} przedłużający f' (czyli taki, że f\upharpoonright X=f').

Zbiór X\subseteq B o własnościach opisanych w (i)+(ii) jest nazywany zbiorem wolnych generatorów algebry {\mathbb B}. Jeśli moc zbioru X jest \kappa, to mówimy że {\mathbb B} jest algebrą wolną z \kappa generatorami.

Skończona algebra Boole'a jest wolna, wtedy i tylko wtedy gdy ma ona 2^{2^n} elementów (dla n=1,2,\ldots). Algebra mocy 2^{2^n} jest izomorficzna z ciałem wszystkich podzbiorów zbioru z 2^n 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, (\forall b\in B\setminus\{0\})(\exists a\in B\setminus \{0\})(a\leq b\ \wedge\ a\neq b).)

Zupełne algebry Boole'a

Ponieważ zdefiniowana wcześniej relacja porządku booleowskiego \leq jest porządkiem częściowym, to dla niepustego zbioru A\subseteq B możemy pytać o istnienie kresu górnego czy też kresu dolnego. Kres górny zbioru A (jeśli istnieje) jest oznaczany przez \sum A i bywa nazywany sumą zbioru A. Kres dolny zbioru A (jeśli istnieje) jest oznaczany przez \prod A i bywa nazywany produktem (iloczynem) zbioru A. Warto zauważyć, że jeśli \emptyset\neq A\subseteq B, to
  • b=\sum A wtedy i tylko wtedy gdy
(*) (\forall a\in A)(a\leq b) oraz
(**)\big(\forall c\leq b\big)\big(c\neq 0\Rightarrow (\exists a\in A)(a\cdot c\neq 0)\big),
  • b=\prod A wtedy i tylko wtedy gdy
(*) (\forall a\in A)(b\leq a) oraz
(**)\big(\forall c\neq 0\big)\big(c\cdot b=0\Rightarrow (\exists a\in A)(c\cdot (\sim a)\neq 0)\big),
  • zakładając istnienie odpowiednich kresów,
\sum A=\sim\prod\{\sim a:a\in A\} oraz \prod A=\sim\sum\{\sim a:a\in A\}.

Następujące dwa stwierdzenia są równoważne dla algebry Boole'a {\mathbb B}:

  • każdy niepusty podzbiór {\mathbb B} ma kres górny (tzn sumę),
  • każdy niepusty podzbiór {\mathbb B} ma kres dolny (tzn produkt).

Algebry w których każdy zbiór ma kres górny (tzn takie dla których porządek booleowski \leq jest zupełny) są nazywane zupełnymi algebrami Boole'a. Algebry zupełne są szczególnie ważne w teorii forsingu.

NIech \kappa będzie liczbą kardynalną a {\mathbb B} będzie algebrą Bolole'a. Powiemy że algebra {\mathbb B} jest \kappa-zupełna jeśli każdy niepusty zbiór A\subseteq B mocy mniejszej niż \kappa ma kres górny (tzn \sum A istnieje ilekroć 0<|A|<\kappa). Oczywiście, algebra {\mathbb B} jest \kappa-zupełna wtedy i tylko wtedy gdy każdy niepusty zbiór A\subseteq B mocy mniejszej niż \kappa ma kres dolny (tzn \prod A). Algebry \aleph_1-zupełne są też nazywane algebrami \sigma-zupełnymi.

Jeśli {\mathcal B} jest \sigma-ciałem borelowskich podzbiorów prostej rzeczywistej (a więc jest to \sigma-zupełna algebra Boole'a) oraz {\mathcal K} jest rodziną wszystkich zbiorów A\in {\mathcal B} które są pierwszej kategorii, to {\mathcal K} jest ideałem w algebrze {\mathcal B} i algebra ilorazowa {\mathcal B}/{\mathcal K} jest zupełna. Podobnie dla rodziny {\mathcal L} wszystkich borelowskich zbiorów miary zero.

Funkcje kardynalne

W badaniach i opisach algebr Boole'a często używa się funkcji kardynalnych. Przykładami takich funkcji kardynalnych są następujące funkcje.
  • Celularność c({\mathbb B}) algebry Boole'a {\mathbb B} jest to supremum mocy antyłańcuchów w {\mathbb B}.
  • Długość {\rm length}({\mathbb B}) algebry Boole'a {\mathbb B} to
{\rm length}({\mathbb B})=\sup\big\{|A|:A\subseteq {\mathbb B} jest łańcuchem \big\}
  • Głębokość {\rm depth}({\mathbb B}) algebry Boole'a {\mathbb B} to
{\rm depth}({\mathbb B})=\sup\big\{ |A|:A\subseteq {\mathbb B} jest dobrze uporządkowanym łańcuchem \big\}.
  • Nieporównywalność {\rm Inc}({\mathbb B}) algebry Boole'a {\mathbb B} to
{\rm Inc}({\mathbb B})=\sup\big\{ |A|:A\subseteq {\mathbb B} oraz \big(\forall a,b\in A\big)\big(a\neq b\ \Rightarrow \neg (a\leq b\ \vee \ b\leq a)\big)\big\}.
  • Pseudo-cieżar \pi({\mathbb B}) algebry Boole'a {\mathbb B} to
\pi({\mathbb B})=\min\big\{ |A|:A\subseteq {\mathbb B}\setminus \{0\} oraz \big(\forall b\in B\setminus \{0\}\big)\big(\exists a\in A\big)\big(a\leq b\big)\big\}.

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 {\mathbb B} jest izomorficzna z ciałem otwarto-domkniętych podzbiorów przestrzeni ultrafiltrów na {\mathbb B} (tzw przestrzeni Stone'a algebry {\mathbb B}). 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).

Zobacz też


Logika | Teoria mnogości

Булева алгебра | বুলিয়ান বীজগণিত | Àlgebra de Boole | Booleova algebra | Boolesche Algebra | Boolean algebra | Álgebra de Boole | جبر بولی | Algèbre de Boole (logique) | Álxebra de Boole | Booleova algebra | Booleana algebro | Aljabar Boolean | Algebra di Boole | אלגברה בוליאנית | Būlio algebra | Booleaanse algebra | ブール代数 | Álgebra booleana | Булева алгебра | Boolean algebra | Booleova algebra | Булова алгебра | Boolesk algebra | พีชคณิตแบบบูล | Boole cebiri | Булева алгебра | 布尔代数

 

This article is licensed under the GNU Free Documentation License. It uses material from the "Algebra Boole'a".

Home Pageartsbusinesscomputersgameshealthhospitalshomekids & teensnewsphysiciansrecreationreferenceregionalscienceshoppingsocietysportsworld