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
w której "
" i "
" są
działaniami dwuargumentowymi, "
" jest operacją jednoargumentową, a "0" i "1" są wyróżnionymi różnymi elementami zbioru
oraz taka, że nastepujące warunki są spełnione dla wszystkich
:
- {| cellpadding=5
|
|
| łączność
|
|
|
| przemienność
|
|
|
|
|
|
|
| rozdzielność
|
|
|
|
|
Jeśli jest algebrą Boole'a, to na zbiorze wprowadza się porządek booleowski przez określenie, że wtedy i tylko wtedy gdy (Można sprawdzić że tak zdefiniowana relacja jest porządkiem częściowym na zbiorze .)
Różne systemy oznaczeń
Należy zwrócić uwagę, że istnieją trzy różne tradycje oznaczeń w teorii algebr Boole'a. W definicji sformułowanej powyżej użyliśmy symboli
, ale niektórzy badacze używają symboli
albo
. Symbole oznaczające operacje dwuczłonowe algebry Boole'a sa 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.
Bezpośrednie konsekwencje definicji
Niech
będzie algebrą Boole'a.
- Dla wszystkich mamy:
- {| cellpadding=5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| oraz
|
| prawa De Morgana
|
|
|
|
- Operacje "+" i "" można interpretować jako operacje odpowiednio brania maksimum i miniumum w porządku Booleowskim algebry .
- Z pojęciem algebry Boole'a związane jest pojęcie pierścienia Boole'a. Pierścień Boole'a to pierścień przemienny z jedynką w którym dla każdego elementu . Okazuje się, że jeśli określimy operację różnicy symetrycznej na zbiorze przez , to wtedy jest pierścieniem Boole'a. I na odwrót, jeśli jest pierścieniem Boole'a i zdefiniujemy operacje "" i "" na przez i , to wtedy jest algebrą Boole'a.
Minimalna aksjomatyzacja
Algebra Boole'a jest "przedefiniowana", np 0 i 1 można zastąpić przez odpowiednio
i
, zaś dzięki prawom de Morgana można wyeliminować "
". (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: .
Inny taki zestaw to:
- + jest przemienne
- + jest łączne
- aksjomat Robbinsa:
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 , 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 rachunu zdań.
- Można sprawdzić, że jest relacją równoważności na zbiorze . Na zbiorze wszystkich klas abstrakcji relacji wprowadźmy operacje przez następujące formuły:
,
,
.
- Pokazuje się, że w ten sposób otrzymujemy poprawnie zdefiniowane operacje na zbiorze (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 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.
Przykłady własności rozważanych w teorii algebr Boole'a
Niech
będzie algebrą Boole'a.
Ideały, algebry ilorazowe i homomorfizmy
- Niepusty zbiór jest ideałem w algebrze jeśli są spełnione następujące dwa warunki:
- (a) , oraz
- (b) .
- Pojęciem dualnym jest pojęcie filtru: niepusty zbiór jest filtrem w algebrze jeśli:
- (a') , oraz
- (b') .
- Przypuśćmy, że jest ideałem w algebrze . Wprowadźmy relację dwuczłonową na przez
wtedy i tylko wtedy gdy oraz .
- Wówczas jest relacją równoważności na . Na zbiorze klas abstrakcji 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 w . Mówimy, że funkcja jest homomorfizmem algebr Boole'a jeśli zachowuje ona działania w algebrze, tzn dla wszystkich mamy
oraz .
- Jeśli dodatkowo jest bijekcją z na , to powiemy że funkcja jest izomorfizmem algebr Boole'a.
- Jeśli jest ideałem w algebrze , to odwzorowanie jest homomorfizmem.
- Jeśli jest algebrą Boole'a oraz jest homomorfizmem, to jest ideałem w algebrze a algebra ilorazowa jest izomorficzna z .
Wolne algebry Boole'a
Algebra Boole'a
jest
wolną algebrą Boole'a jeśli dla pewnego zbioru
mamy
- (i) jedyną podalgebrą algebry zawierającą zbiór jest , który to warunek jest równoważny stwierdzeniu, że każdy element może być przedstawiony w postaci
- dla pewnych i (niekoniecznie różnych) , oraz
- (ii) dla każdej algebry Boole'a i każdego odwzorowania istnieje homomorfizm z algebry w algebrę przedłużający (czyli taki, że ).
Zbiór o własnościach opisanych w (i)+(ii) jest nazywany zbiorem wolnych generatorów algebry . Jeśli moc zbioru jest , to mówimy że jest algebrą wolną z 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 elementami i jako taka ma 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, .)
Zupełne algebry Boole'a
Ponieważ zdefiniowana wcześniej relacja porządku booleowskiego
jest porządkiem częściowym, to dla niepustego zbioru
możemy pytać o istnienie
kresu górnego czy też
kresu dolnego. Kres górny zbioru
(jeśli istnieje) jest oznaczany przez
i bywa nazywany
sumą zbioru . Kres dolny zbioru
(jeśli istnieje) jest oznaczany przez
i bywa nazywany
produktem (iloczynem) zbioru . Warto zauważyć, że jeśli
, to
- wtedy i tylko wtedy gdy
- (*) oraz
- (**),
- wtedy i tylko wtedy gdy
- (*) oraz
- (**),
- zakładając istnienie odpowiednich kresów,
oraz
Następujące dwa stwierdzenia są równoważne dla algebry Boole'a :
- każdy niepusty podzbiór ma kres górny (tzn sumę),
- każdy niepusty podzbiór ma kres dolny (tzn produkt).
Algebry w których każdy zbiór ma kres górny (tzn takie dla których porządek booleowski jest zupełny) są nazywane zupełnymi algebrami Boole'a. Algebry zupełne są szczególnie ważne w teorii forsingu.
NIech będzie liczbą kardynalną a będzie algebrą Bolole'a. Powiemy że algebra jest -zupełna jeśli każdy niepusty zbiór mocy mniejszej niż ma kres górny (tzn istnieje ilekroć ). Oczywiście, algebra jest -zupełna wtedy i tylko wtedy gdy każdy niepusty zbiór mocy mniejszej niż ma kres dolny (tzn ). Algebry -zupełne są też nazywane algebrami -zupełnymi.
Jeśli jest -ciałem borelowskich podzbiorów prostej rzeczywistej (a więc jest to -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.
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 .
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).
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