自由フィルター

フレシェフィルターFC{ \mathcal{FC} }とは、「補集合が有限集合となる部分集合」全体から成る無限集合のフィルターだった。フィルターが自身を含む超フィルターの共通部分として表せたように、フレシェフィルターも自由フィルターを用いて特徴付けることができる。

以下X{ X }は無限集合とする。またFC2X{ \mathcal{FC}\subset 2^{X} }X{ X }のフレシェフィルターとする。

定義 F2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }X{ X }のフィルターとする。

  1. F={ \cap\mathscr{F}=\emptyset }であるときF{ \mathscr{F} }は自由(free)であるという。
  2. F{ \cap\mathscr{F}\neq\emptyset }であるときF{ \mathscr{F} }は固定されている(fixed)という。

命題 G2X{ \mathscr{G}\subset 2^{X} }X{ X }のフィルターとする。以下は同値である。

  • G{ \mathscr{G} }は自由である。
  • FCG{ \mathcal{FC}\subset\mathscr{G} }を満たす。

(証明)上から下を示す。FFC{ F\in\mathcal{FC} }について、XF={x1,,xn}{ X\setminus F=\lbrace x_{1}, \dotsc, x_{n} \rbrace }と表せる。G={ \cap\mathscr{G}=\emptyset }より、各j{ j }についてあるGjG{ G_{j}\in\mathscr{G} }が存在してxjGj{ x_{j}\notin G_{j} }を満たす。x1,,xnG1Gn{ x_{1}, \dotsc, x_{n}\notin G_{1}\cap\dotsb\cap G_{n} }よりG1GnF{ G_{1}\cap\dotsb\cap G_{n}\subset F }となるが、G1GnG{ G_{1}\cap\dotsb\cap G_{n}\in\mathscr{G} }よりFG{ F\in\mathscr{G} }を得る。

逆は、任意のxX{ x\in X }についてX{x}FCG{ X\setminus\lbrace x \rbrace\in\mathcal{FC}\subset\mathscr{G} }よりG={ \cap\mathscr{G}=\emptyset }を得る。{ \square }

  • 特にフレシェフィルターは自由である。

極大な自由フィルターが存在する。

(証明)フレシェフィルターを含む超フィルターを取ればよい。{ \square }

定義 部分集合の族S2X,{ \mathscr{S}\subset 2^{X}, \neq\emptyset }は空でないとする。任意のS1,,SnS{ S_{1}, \dotsc, S_{n}\in\mathscr{S} }についてS1Sn{ S_{1}\cap\dotsb\cap S_{n}\neq\emptyset }が成り立つとき(つまり任意のS{ \mathscr{S} }の有限交叉が空でないとき)、S{ \mathscr{S} }は有限交叉性(Finite Intersection Property, FIP)を満たすという。

有限交叉性はフィルター順基とも呼ばれる。実際、有限交叉全体B{ \mathscr{B} }はprefilterであり、特にB{ \langle \mathscr{B} \rangle }S{ \mathscr{S} }を含む最小のフィルターとなる。この意味でフィルター的な定義としては最も弱い概念が有限交叉性である。

命題 部分集合の族S2X,{ \mathscr{S}\subset 2^{X}, \neq\emptyset }は空でないとする。任意のS{ \mathscr{S} }の有限交叉は無限集合とする。このときS{ \mathscr{S} }を含む極大自由フィルターが存在する。

(証明)S{ \mathscr{S} }は有限交叉性を満たすから、有限交叉全体B:={S1Sn:SjS}{ \mathscr{B}:=\lbrace S_{1}\cap\dotsb\cap S_{n} : S_{j}\in\mathscr{S} \rbrace }はprefilterである。FFC{ F\in\mathcal{FC} }及びSB{ S\in\mathscr{B} }についてFS={ F\cap S=\emptyset }ならSXS{ S\subset X\setminus S }となり、S{ S }が無限集合であることに矛盾する。故にFS{ F\cap S\neq\emptyset }である。するとFC{ \mathcal{FC} }B{ \mathscr{B} }のvel積を考えれば、フィルターFCB{ \langle \mathcal{FC}\vee\mathscr{B} \rangle }を含む超フィルターU{ \mathscr{U} }が取れる。U{ \mathscr{U} }はフレシェフィルターを含むので、自由である。{ \square }

定理 フレシェフィルターは自由フィルターの共通部分と一致する。

(証明)自由フィルターの共通部分をE{ \mathscr{E} }とする。自由フィルターはフレシェフィルターを含むからFCE{ \mathcal{FC}\subset\mathscr{E} }が成り立つ。あるEE{ E\in\mathscr{E} }が存在してEFC{ E\notin\mathcal{FC} }を満たすとする。FCE={V:FFC,FEV}{ \mathcal{FC}_{\setminus E}=\lbrace V : \exists F\in\mathcal{FC}, F\setminus E\subset V \rbrace }FC{ \mathcal{FC} }を含むフィルターとなる。FCE{ \mathcal{FC}_{\setminus E} }を含む超フィルターU{ \mathscr{U} }を取れば、FCFCEU{ \mathcal{FC}\subset\mathcal{FC}_{\setminus E}\subset\mathscr{U} }よりU{ \mathscr{U} }は自由フィルターとなる。従ってEEU{ E\in\mathscr{E}\subset\mathscr{U} }となるが、XEFCEU{ X\setminus E\in\mathcal{FC}_{\setminus E}\subset\mathscr{U} }より矛盾する。{ \square }

フレシェフィルターは極大自由フィルターの共通部分と一致する。

(証明)自由フィルターの共通部分をE{ \mathscr{E} }、極大自由フィルターの共通部分をF{ \mathscr{F} }とする。自由フィルターは、自身を含む超フィルターの共通部分である。これらの超フィルターは極大自由フィルターである。故にEF{ \mathscr{E}\supset\mathscr{F} }である。逆に極大自由フィルターは自由フィルターなのでEF{ \mathscr{E}\subset\mathscr{F} }である。従ってFC=E=F{ \mathcal{FC}=\mathscr{E}=\mathscr{F} }である。{ \square }

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