超フィルター

既にフィルター全体が包含に関して順序構造を持つことを見た。このとき与えられた2つのフィルターについて、下限は常に存在するが、上限は必ずしも定義されない。この事実から、大きなフィルターには特別な意味があると推察できる。

定義 包含順序に関して極大なフィルターを超フィルター(ultra filter)と呼ぶ。

点フィルターは超フィルターである。実際フィルターF2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }についてxF{ \langle x \rangle\subset\mathscr{F} }とする。FF{ F\in\mathscr{F} }についてxF{ x\notin\mathscr{F} }ならF{x}=F{ F\cap\lbrace x \rbrace=\emptyset\in\mathscr{F} }となり矛盾する。従ってxF{ x\in F }が常に成り立つ。

定理 任意のフィルターF2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }について、F{ \mathscr{F} }を含む超フィルターが存在する。

(証明)X{ X }のフィルター全体をΦ(X){ \Phi( X ) }とする。Ψ:={GΦ(X):FG}{ \Psi:=\lbrace \mathscr{G}\in\Phi( X ) : \mathscr{F}\subset\mathscr{G} \rbrace }の全順序部分集合τ{ \tau }を取れば、AτA{ \bigcup_{\mathscr{A}\in\tau}\mathscr{A} }はフィルターであり、更にτ{ \tau }Ψ{ \Psi }における上界を与えている。故にΨ{ \Psi }は帰納的であり、Zornの補題より極大元U{ \mathscr{U} }を持つ。これはF{ \mathscr{F} }を含む超フィルターである。{ \square }

超フィルターは次の特徴付けを持つ。

補題 U2X{ \mathscr{U}\subset 2^{X} }をフィルターとする。以下は同値である。

  • U{ \mathscr{U} }は超フィルターである。
  • 任意のAX{ A\subset X }についてAU{ A\in\mathscr{U} }またはXAU{ X\setminus A\in\mathscr{U} }が成り立つ。

(証明)右を仮定しよう。UV{ \mathscr{U}\subsetneq\mathscr{V} }とすると、あるVVU{ V\in\mathscr{V}\setminus\mathscr{U} }が存在する。すると仮定よりXVUV{ X\setminus V\in\mathscr{U}\subset\mathscr{V} }となる。V,XVV{ V, X\setminus V\in\mathscr{V} }となるがこれはV{ \mathscr{V} }がフィルターであることに矛盾する。

逆に左を仮定しよう。AU{ A\notin\mathscr{U} }について、UA={V:UU,UAV}{ \mathscr{U}_{\setminus A}=\lbrace V : \exists U\in\mathscr{U}, U\setminus A\subset V \rbrace }U{ \mathscr{U} }を含むフィルターである。ここでXAUA{ X\setminus A\in\mathscr{U}_{\setminus A} }となるが、極大性よりUA=U{ \mathscr{U}_{\setminus A}=\mathscr{U} }である。故にXAU{ X\setminus A\in\mathscr{U} }である。{ \square }

この特徴付けを用いて、超フィルターに関するいくつかの性質を導いておく。

命題 U2X{ \mathscr{U}\subset 2^{X} }を超フィルターとする。S1,,SnX{ S_{1}, \dotsc, S_{n}\subset X }についてS1SnU{ S_{1}\cup\dotsb\cup S_{n}\in\mathscr{U} }なら、あるj{ j }についてSjU{ S_{j}\in\mathscr{U} }が成り立つ。

(証明)n{ n }に関する帰納法で示す。n=2{ n=2 }のとき、S1,S2U{ S_{1}, S_{2}\notin\mathscr{U} }とする。特徴付けよりXS1,XS2U{ X\setminus S_{1}, X\setminus S_{2}\in\mathscr{U} }である。しかしX(S1S2)=(XS1)(XS2)U{ X\setminus( S_{1}\cup S_{2} )=( X\setminus S_{1} )\cap( X\setminus S_{2} )\in\mathscr{U} }より、S1S2U{ S_{1}\cup S_{2}\notin\mathscr{U} }でなければならない。これは矛盾である。

n=k+1{ n=k+1 }のとき、(S1Sk)Sk+1U{ ( S_{1}\cup\dotsb\cup S_{k} )\cup S_{k+1}\in\mathscr{U} }とする。Sk+1U{ S_{k+1}\notin\mathscr{U} }ならn=2{ n=2 }とみなしてS1SkU{ S_{1}\cup\dotsb\cup S_{k}\in\mathscr{U} }である。仮定より、ある1jk{ 1\le j\le k }についてSjU{ S_{j}\in\mathscr{U} }が従う。{ \square }

命題 U1,,Un2X{ \mathscr{U}_{1}, \dotsc, \mathscr{U}_{n}\subset 2^{X} }を超フィルターとする。超フィルターV2X{ \mathscr{V}\subset 2^{X} }についてU1UnV{ \mathscr{U}_{1}\cup\dotsb\cup\mathscr{U}_{n}\subset\mathscr{V} }なら、あるj{ j }についてV=Uj{ \mathscr{V}=\mathscr{U}_{j} }が成り立つ。

(証明)任意のj{ j }についてUjV{ \mathscr{U}_{j}\neq\mathscr{V} }であるとしよう。Uj{ \mathscr{U}_{j} }の極大性よりUjV{ \mathscr{U}_{j}\subsetneq\mathscr{V} }であるから、あるUjUjV{ U_{j}\in\mathscr{U}_{j}\setminus\mathscr{V} }が存在する。V{ \mathscr{V} }は超フィルターだからXUjV{ X\setminus U_{j}\in\mathscr{V} }である。X(k=1nUk)=k=1n(XUk)V{ X\setminus( \bigcup_{k=1}^{n}U_{k} )=\bigcap_{k=1}^{n}( X\setminus U_{k} )\in\mathscr{V} }だからk=1nUkV{ \bigcup_{k=1}^{n}U_{k}\notin\mathscr{V} }となる。ところがUjk=1nUk{ U_{j}\subset\bigcup_{k=1}^{n}U_{k} }よりk=1nUkUj{ \bigcup_{k=1}^{n}U_{k}\in\mathscr{U}_{j} }であり、従ってk=1nUkU1UnV{ \bigcup_{k=1}^{n}U_{k}\in\mathscr{U}_{1}\cap\dotsb\cap\mathscr{U}_{n}\subset\mathscr{V} }を得る。これは矛盾である。{ \square }

例でも示したが点フィルターは超フィルターであった。逆に超フィルターは有限集合を要素とするなら点フィルターである。

命題 超フィルターが有限集合を要素とするなら、それは点フィルターである。

(証明)U2X{ \mathscr{U}\subset 2^{X} }を超フィルターとする。FU{ F\in\mathscr{U} }を元の個数が最小の有限集合とする。任意のGF{ G\subsetneq F }についてGU{ G\notin\mathscr{U} }であるから、UG={V:UU,UGV}{ \mathscr{U}_{\setminus G}=\lbrace V : \exists U\in\mathscr{U}, U\setminus G\subset V \rbrace }U{ \mathscr{U} }を含むフィルターとなる。極大性よりU=UG{ \mathscr{U}=\mathscr{U}_{\setminus G} }だが、特にFU{ F\in\mathscr{U} }よりFGUG=U{ F\setminus G\in\mathscr{U}_{\setminus G}=\mathscr{U} }となる。しかしF{ F }の最小性よりG={ G=\emptyset }でなければならず、そのためにはF{ F }の要素は1つでなければならない。点フィルターは超フィルターであるから、F=U{ \langle F \rangle=\mathscr{U} }が従う。{ \square }

X{ X }が有限集合のとき、以下が成り立つ。

  1. 超フィルターは点フィルターである。
  2. フィルターは単項フィルターである。

(証明)1つ目は上の命題より明らか。2つ目は、フィルターF2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }に対し、元の個数が最小の要素をFF{ F\in\mathscr{F} }とする。GF{ G\in\mathscr{F} }についてFGF{ F\cap G\in\mathscr{F} }だから、最小性よりFG{ F\subset G }が従う。故にF=F{ \mathscr{F}=\langle F \rangle }である。{ \square }

系の観察が重要な性質を示唆してくれる。単項フィルターF{ \langle F \rangle }についてF={x1,,xn}{ F=\lbrace x_{1}, \dotsc, x_{n} \rbrace }とすれば、F=x1xn{ \langle F \rangle=\langle x_{1} \rangle\cap\dotsb\cap\langle x_{n} \rangle }が成り立つ。X{ X }が有限集合のとき、任意のフィルターは単項フィルターで表せるが、その要素の点フィルターは超フィルターであって、更に共通部分が元のフィルターと一致する。この事実は任意の集合上でも成り立つ。

定理 F2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }をフィルターとする。このときF{ \mathscr{F} }F{ \mathscr{F} }を含む超フィルターの共通部分と一致する。

(証明)F{ \mathscr{F} }を含む超フィルターの共通部分をΥ{ \Upsilon }とする。定義よりFΥ{ \mathscr{F}\subset\Upsilon }は明らかなので、逆を示そう。FΥ{ \mathscr{F}\subsetneq\Upsilon }とすれば、あるUΥF{ U\in\Upsilon\setminus\mathscr{F} }が存在する。このときFU={V:FF,FUV}{ \mathscr{F}_{\setminus U}=\lbrace V : \exists F\in\mathscr{F}, F\setminus U\subset V \rbrace }F{ \mathscr{F} }を含むフィルターとなる。さて、UU{ \mathscr{U}_{\setminus U} }を含む超フィルターが存在するから、その1つをV{ \mathscr{V} }としよう。このときFFUV{ \mathscr{F}\subset\mathscr{F}_{\setminus U}\subset\mathscr{V} }より、VΥ{ \mathscr{V}\in\Upsilon }である。XUFUV{ X\setminus U\in\mathscr{F}_{\setminus U}\subset\mathscr{V} }だがUΥV{ U\in\Upsilon\subset\mathscr{V} }より矛盾する。{ \square }

最後にpush-forwardと超フィルターの関係について述べよう。

命題 f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }を写像とする。U2X{ \mathscr{U}\subset 2^{X} }X{ X }の超フィルターとすると、fU2Y{ f_{\ast}\mathscr{U}\subset 2^{Y} }Y{ Y }の超フィルターである。

(証明)WfU{ W\notin f_{\ast}\mathscr{U} }とする。f1(W)U{ f^{-1}( W )\in\mathscr{U} }ならf(f1(W))W{ f( f^{-1}( W ) )\subset W }よりWf(U)=fU{ W\in\langle f( \mathscr{U} ) \rangle=f_{\ast}\mathscr{U} }となり矛盾する。故にf1(W)U{ f^{-1}( W )\notin\mathscr{U} }だから特徴付けよりXf1(W)U{ X\setminus f^{-1}( W )\in\mathscr{U} }が従う。f(Xf1(W))YW{ f( X\setminus f^{-1}( W ) )\subset Y\setminus W }よりYWf(U)=fU{ Y\setminus W\in\langle f( \mathscr{U} ) \rangle=f_{\ast}\mathscr{U} }を得る。{ \square }

命題 f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }を写像とする。F2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }X{ X }のフィルターとする。fF{ f_{\ast}\mathscr{F} }を含むY{ Y }の超フィルターV2Y{ \mathscr{V}\subset 2^{Y} }について、あるX{ X }の超フィルターU2X{ \mathscr{U}\subset 2^{X} }が存在して、U{ \mathscr{U} }F{ \mathscr{F} }を含み、fU=V{ f_{\ast}\mathscr{U}=\mathscr{V} }を満たす。

(証明)直観的にはF{ \mathscr{F} }fV{ f^{\ast}\mathscr{V} }を含む超フィルターを取ればよい。まずはpull-backが定義できることを示そう。VV{ V\in\mathscr{V} }とする。f(X)YV{ f( X )\subset Y\setminus V }ならYVfFV{ Y\setminus V\in f_{\ast}\mathscr{F}\subset\mathscr{V} }より矛盾する。よってf1(V){ f^{-1}( V )\neq\emptyset }である。次にFfV{ \mathscr{F}\vee f^{\ast}\mathscr{V} }を考えるため、交叉の条件を見る。prefilterのvel積は生成と可換だったので、FF{ F\in\mathscr{F} }及びVV{ V\in\mathscr{V} }についてFf1(V){ F\cap f^{-1}( V )\neq\emptyset }であることを示せば良い。実際f(F)V={ f( F )\cap V=\emptyset }ならf(F)YV{ f( F )\subset Y\setminus V }となり、先ほどと同様にYVV{ Y\setminus V\in\mathscr{V} }となって矛盾する。以上より、F{ \mathscr{F} }fV{ f^{\ast}\mathscr{V} }を含むフィルターを構成することができた。後はこれを含む超フィルターU{ \mathscr{U} }を取ればよい。このときFU{ \mathscr{F}\subset\mathscr{U} }であり、Vf(fV)fU{ \mathscr{V}\subset f_{\ast}( f^{\ast}\mathscr{V} )\subset f_{\ast}\mathscr{U} }と極大性よりV=fU{ \mathscr{V}=f_{\ast}\mathscr{U} }が従う。{ \square }

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