push-forwardとpull-back

集合間の写像が与えられたとき、定義域のフィルターを値域へ押し出したり、あるいは値域のフィルターを定義域へ引き戻したりする操作を考えたくなる。このような操作はフィルターの生成を用いて定義されるが、自然な条件で自然な対応が付く。

命題 X,Y{ X, Y }を集合とし、A2X{ \mathscr{A}\subset 2^{X} }X{ X }のprefilterとする。写像f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }について

f(A):={f(V)Y:VA}2Y \displaystyle f( \mathscr{A} ):=\lbrace f( V )\subset Y : V\in\mathscr{A} \rbrace\subset 2^{Y}

Y{ Y }のprefilterとなる。

(証明)V{ V\neq\emptyset }よりf(V){ f( V )\neq\emptyset }である。V,WA{ V, W\in\mathscr{A} }についてf(V),f(W)f(A){ f( V ), f( W )\in f( \mathscr{A} ) }を考える。A{ \mathscr{A} }はprefilterであるからAA{ A\in\mathscr{A} }AVW{ A\subset V\cap W }となるように取れる。f(A)f(A){ f( A )\in f( \mathscr{A} ) }かつf(A)f(VW)f(V)f(W){ f( A )\subset f( V\cap W )\subset f( V )\cap f( W ) }より、f(A){ f( \mathscr{A} ) }はprefilterである。{ \square }

定義 特にA=F{ \mathscr{A}=\mathscr{F} }がフィルターであるとき、

fF:=f(F) \displaystyle f_{\ast}\mathscr{F}:=\langle f( \mathscr{F} ) \rangle

F{ \mathscr{F} }のpush-forwardと呼ぶ。

命題 X,Y{ X, Y }を集合とし、B2Y{ \mathscr{B}\subset 2^{Y} }Y{ Y }のprefilterとする。写像f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }について、任意のBB{ B\in\mathscr{B} }f1(B){ f^{-1}( B )\neq\emptyset }を満たすとする。このとき

f1(B):={f1(W)X:WB}2X \displaystyle f^{-1}( \mathscr{B} ):=\lbrace f^{-1}( W )\subset X : W\in\mathscr{B} \rbrace\subset 2^{X}

X{ X }のprefilterとなる。

(証明)定義よりf1(B){ f^{-1}( \mathscr{B} ) }は空集合を含まない。V,WB{ V, W\in\mathscr{B} }についてf1(V),f1(W)f1(B){ f^{-1}( V ), f^{-1}( W )\in f^{-1}( \mathscr{B} ) }を考える。B{ \mathscr{B} }はprefilterであるからBB{ B\in\mathscr{B} }BVW{ B\subset V\cap W }となるように取れる。f1(B)f1(VW)=f1(V)f1(W){ f^{-1}( B )\subset f^{-1}( V\cap W )=f^{-1}( V )\cap f^{-1}( W ) }かつf1(B)f1(B){ f^{-1}( B )\in f^{-1}( \mathscr{B} ) }より、f1(B){ f^{-1}( \mathscr{B} ) }はprefilterである。{ \square }

定義 特にB=G{ \mathscr{B}=\mathscr{G} }がフィルターであるとき、

fG:=f1(G) \displaystyle f^{\ast}\mathscr{G}:=\langle f^{-1}( \mathscr{G} ) \rangle

G{ \mathscr{G} }のpull-backと呼ぶ。

  • pull-backが定義できるG{ \mathscr{G} }には条件がある。

以下でこれらの性質を示す。まずフィルターの生成という観点から言うと、push-forwardは生成について可換である。

命題 f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }を写像とする。A2X{ \mathscr{A}\subset 2^{X} }X{ X }のprefilterとすると、

fA=f(A) \displaystyle f_{\ast}\langle \mathscr{A} \rangle=\langle f( \mathscr{A} ) \rangle

が成り立つ。

(証明)fAf(A)f(A){ f_{\ast}\langle \mathscr{A} \rangle\supset f( \langle \mathscr{A} \rangle )\supset f( \mathscr{A} ) }なので、生成の最小性よりfAf(A){ f_{\ast}\langle \mathscr{A} \rangle\supset\langle f( \mathscr{A} ) \rangle }が従う。よって逆を示せば良い。左辺から元を取りFfA{ F\in f_{\ast}\langle \mathscr{A} \rangle }とする。あるGA{ G\in\langle \mathscr{A} \rangle }が存在してf(G)F{ f( G )\subset F }が成り立つ。更にG{ G }について、あるHA{ H\in\mathscr{A} }が存在してHG{ H\subset G }が成り立つ。よってf(H)f(G)F{ f( H )\subset f( G )\subset F }だからFf(A){ F\in\langle f( \mathscr{A} ) \rangle }を得る。{ \square }

push-forwardの合成はpush-forwardである。

命題 X,Y,Z{ X, Y, Z }を集合とし、f:XY,g:YZ{ f\colon X\rightarrow Y, g\colon Y\rightarrow Z }を写像とすると、

(gf)=gf \displaystyle ( g\circ f )_{\ast}=g_{\ast}\circ f_{\ast}

が成り立つ。

(証明)F2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }X{ X }のフィルターとする。(gf)F=g(fF){ ( g\circ f )_{\ast}\mathscr{F}=g_{\ast}( f_{\ast}\mathscr{F} ) }を示せば良い。左辺から元を取りF(gf)F{ F\in( g\circ f )_{\ast}\mathscr{F} }とする。あるGF{ G\in\mathscr{F} }が存在してgf(G)F{ g\circ f( G )\subset F }が成り立つ。gf(G)=g(f(G)){ g\circ f( G )=g( f( G ) ) }だからf(G)f(F)fF{ f( G )\in f( \mathscr{F} )\subset f_{\ast}\mathscr{F} }よりFg(f(F)){ F\in g_{\ast}( f_{\ast}( \mathscr{F} ) ) }を得る。逆にFg(fF){ F\in g_{\ast}( f_{\ast}\mathscr{F} ) }とすると、あるGfF{ G\in f_{\ast}\mathscr{F} }が存在してg(G)F{ g( G )\subset F }が成り立つ。同様にあるHF{ H\in\mathscr{F} }が存在してf(H)G{ f( H )\subset G }が成り立つから、(gf)(H)g(G)F{ ( g\circ f )( H )\subset g( G )\subset F }を得る。故にF(gf)F{ F\in ( g\circ f )_{\ast}\mathscr{F} }となる。{ \square }

push-forwardとpull-backの間には以下の関係がある。

命題 f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }を写像とする。F2X,G2Y{ \mathscr{F}\subset 2^{X}, \mathscr{G}\subset 2^{Y} }X,Y{ X, Y }のフィルターとする。以下が成り立つ。

  1. fF{ f_{\ast}\mathscr{F} }のpull-backは常に定義できてFf(fF){ \mathscr{F}\subset f^{\ast}( f_{\ast}\mathscr{F} ) }を満たす。
  2. 任意のGG{ G\in\mathscr{G} }f1(G){ f^{-1}( G )\neq\emptyset }を満たすなら(G{ \mathscr{G} }のpull-backが定義できるなら)Gf(fG){ \mathscr{G}\subset f_{\ast}( f^{\ast}\mathscr{G} ) }が成り立つ。

(証明)上は自明。下はGG{ G\in\mathscr{G} }に対し、f(f1(G))G{ f( f^{-1}( G ) )\subset G }よりGf(fG){ G\in f_{\ast}( f^{\ast}\mathscr{G} ) }を得る。{ \square }

写像が全射のときpush-forwardはフィルターの像と一致する。

補題 f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }は全射とする。F2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }X{ X }のフィルターとすると、fF=f(F){ f_{\ast}\mathscr{F}=f( \mathscr{F} ) }が成り立つ。特にf(F){ f( \mathscr{F} ) }はフィルターである。

(証明)左辺から元を取りGfF{ G\in f_{\ast}\mathscr{F} }とする。あるFF{ F\in\mathscr{F} }が存在してf(F)G{ f( F )\subset G }が成り立つ。Ff1(f(F))f1(G){ F\subset f^{-1}( f( F ) )\subset f^{-1}( G ) }よりf1(G)F{ f^{-1}( G )\in\mathscr{F} }だが、f{ f }は全射なのでG=f(f1(G))f(F){ G=f( f^{-1}( G ) )\in f( \mathscr{F} ) }を得る。(一般にはf(f1(G))G{ f( f^{-1}( G ) )\subset G }なので成立しない。){ \square }

写像が全射のときはpull-backも定義できる。更にpull-backがフィルターの逆像と一致するには、写像が全単射であることが十分である。

補題 f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }は全単射とする。G2Y{ \mathscr{G}\subset 2^{Y} }Y{ Y }のフィルターとすると、fG=f1(G){ f^{\ast}\mathscr{G}=f^{-1}( \mathscr{G} ) }が成り立つ。特にf1(G){ f^{-1}( \mathscr{G} ) }はフィルターである。

(証明)左辺から元を取りFfG{ F\in f^{\ast}\mathscr{G} }とする。f{ f }は単射なのでF=f1(f(F)){ F=f^{-1}( f( F ) ) }が成り立つから、f(F)G{ f( F )\in\mathscr{G} }を示せば良い。(一般にはFf1(f(F)){ F\subset f^{-1}( f( F ) ) }である。)FfG{ F\in f^{\ast}\mathscr{G} }より、あるGG{ G\in\mathscr{G} }が存在してf1(G)F{ f^{-1}( G )\subset F }が成り立つ。f(f1(G))f(F){ f( f^{-1}( G ) )\subset f( F ) }となるが、f{ f }は全射なのでG=f(f1(G))f(F){ G=f( f^{-1}( G ) )\subset f( F ) }を得る。GG{ G\in\mathscr{G} }からf(F)G{ f( F )\in\mathscr{G} }が従う。{ \square }

f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }は全単射とする。Φ(X),Φ(Y){ \Phi( X ), \Phi( Y ) }X,Y{ X, Y }のフィルター全体の集合とする。このとき

ff=idΦ(X),ff=idΦ(Y) \displaystyle \begin{alignedat}{2} f^{\ast}\circ f_{\ast}&=\mathrm{id}_{\Phi( X )}, &\qquad f_{\ast}\circ f^{\ast}&=\mathrm{id}_{\Phi( Y )} \end{alignedat}

が成り立つ。

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