
集合論の数学分野において、集合上の超フィルターとはセットに対する最大フィルタです 言い換えれば、それはサブセットの集合であるフィルターの定義を満たすそしてそれは包含に関して最大であり、厳密により大きな部分集合の集合は存在しないという意味である。これもフィルターです。(上記では、定義により、集合上のフィルターは空集合を含みません。)同様に、集合上の超フィルターはまた、フィルターとしても特徴づけられるすべての部分集合に対してのどちらかまたはその補数超濾過器に属する。
集合上の超フィルターは、半順序集合上の超フィルターの重要な特殊な例であり、半順序集合は冪集合から構成される。そして部分順序は部分集合の包含関係である この記事は、セット上のウルトラフィルターに特化して扱っており、より一般的な概念については触れていません。
セットには2種類の超濾過器があります。主超濾過器はは、すべての部分集合の集合です。固定要素を含む主超フィルターでない超フィルターは自由超フィルターである。任意の無限集合上に自由超フィルターが存在することは、 ZFCで証明できる超フィルター補題によって示唆される。一方、集合上のすべての超フィルターが主超フィルターとなるZFのモデルも存在する。
超フィルターは集合論、モデル論、位相幾何学において多くの応用例がある。[ 1 ] : 186通常、自由超フィルターのみが非自明な構成につながる。例えば、主超フィルターを法とする超積は常に因子の1つと同型であるが、自由超フィルターを法とする超積は通常より複雑な構造を持つ。
任意の集合が与えられた超フィルター空でない族であるサブセットのすなわち、以下の通りである。
特性(1)、(2)、(3)はフィルタの定義特性である。著者によっては、「フィルタ」の定義に非退化性(上記特性(1))を含めていないものもあります。しかし、「ウルトラフィルタ」(および「プレフィルタ」や「フィルタサブベース」)の定義には、常に非退化性が定義条件として含まれています。本稿では、強調のためにフィルタを「適切」と表現する場合もありますが、すべてのフィルタが適切であることを要求します。
フィルタサブベースとは、有限交差特性(すなわち、すべての有限交差が空でない)を持つ空でない集合族のことです。言い換えれば、フィルタサブベースとは、何らかの(適切な)フィルタに含まれる空でない集合族のことです。最小(相対的に)) 特定のフィルタサブベースを含むフィルタは、フィルタサブベースによって生成されたと言われます。
上方への閉鎖集合族のセットは
Aプリフィルターまたはフィルターベースは空でない適切な(つまり集合の族つまり、下向きなので、すると、いくつかのそのため同様に、プリフィルターは任意の集合の族である。その上方への閉鎖はフィルタであり、その場合、このフィルタはによって生成されたフィルタと呼ばれます。そしてフィルターベースであると言われている
デュアル[ 2 ]集合族のセットは例えば、冪集合の双対それ自体です。 集合の族は適切なフィルターですその双対が適切なイデアルである場合に限る。(「適切な」とは、べき集合と等しくないことを意味する。)
家族サブセットのと呼ばれるウルトラの場合また、以下のいずれかの同等の条件が満たされる:[ 2 ] [ 3 ]
超であるフィルタサブベースは必然的にプリフィルタである。[証明1 ]
ultraプロパティは、ウルトラフィルタとウルトラプリフィルタの両方を定義するために使用できるようになりました。
超プレフィルターを最大限のプレフィルターとして用いる
超前フィルタを「最大性」の観点から特徴づけるには、次の関係式が必要となる。
従属関係、すなわちは前順序なので、上記の「同等」の定義は同値関係を形成します。それからしかし、その逆は一般的には成り立たない。ただし、上向きに閉じている場合、例えばフィルターの場合、かつその場合に限り すべてのプリフィルターは、それが生成するフィルターと等価である。これは、フィルターがフィルターではない集合と等価になり得ることを示している。
2 つの集合族がある場合そして等価であれば、両方ともそしてそれらは超(それぞれプリフィルタ、フィルタサブベース)であるか、そうでなければどちらも超(それぞれプリフィルタ、フィルタサブベース)ではない。特に、フィルタサブベースがプリフィルタでもない場合、それはそれが生成するフィルタまたはプリフィルタと等価ではない。そして両方のフィルターがオンになっていますそれからそして等価であるのは、適切なフィルター(または超フィルター)が集合の族と等価である場合それからは必然的にプリフィルタ(またはウルトラプリフィルタ)である。以下の特徴付けを用いることで、フィルタ(またはウルトラフィルタ)と従属関係の概念のみを用いてプリフィルタ(またはウルトラプリフィルタ)を定義することが可能となる。
空集合には超フィルターが存在しないため、以下は空ではない。
フィルターサブベースの上超フィルターは以下の同等の条件のいずれかが満たされる場合に限ります。[ 2 ] [ 3 ]
(適切な)フィルターの上超フィルターは以下のいずれかの同等の条件が満たされる場合に限り、
もしそれからグリルが家族は どこ次のように書かれるかもしれない文脈から明らかです。 フィルターの場合 は、 に関する正の集合の集合です。そして通常は次のように書かれる 。 例えば、そしてもしそれから もしそれからさらに、もしフィルタサブベースである場合[ 9 ] グリル上向きに閉じているかつその場合に限りこれは今後、当然のこととみなされる。さらに、となることによって上向きに閉じているかつその場合に限り
フィルターのグリルフィルターグリルと呼ばれる[ 9 ]いずれの場合もフィルターグリルは(1)の場合に限り上向きに閉じている(2)すべての集合についてそしてもしそれからまたはグリル操作全単射を誘導する
その逆数も次のように与えられる。[ 9 ]もしそれからフィルターグリルはかつその場合に限り[ 9 ]または同等に、超フィルターは[ 9 ]つまり、フィルターはフィルターグリルであるのは、それがウルトラである場合に限る。空でない任意のはフィルターですそしてフィルターグリルは(1)の場合に限り(2)すべての以下の等価関係が成り立つ。
もしが空でない集合族である場合、カーネルはすべての集合の共通部分は[ 10 ]
空でない集合の族名称:
集合の族修正されたらは、ある要素がはシングルトンセットであり、その場合必ずプリフィルターになります。すべての主プリフィルターは固定されているため、主プリフィルター超であるのは、は単一要素集合である。単一要素集合が超集合であるのは、その唯一の要素もまた単一要素集合である場合に限る。
次の定理は、すべての超フィルタが2つのカテゴリのいずれかに分類されることを示しています。すなわち、自由フィルタであるか、または単一点によって生成される主フィルタであるかのいずれかです。
命題—もし超フィルターはすると、以下は同等である。
すべてのフィルター単一の点において主要なのは超濾過器であり、さらにが有限であれば、超フィルターは存在しない。これら以外の場合。[ 10 ]特に、集合が有限の濃度を持つすると正確にウルトラフィルターそしてこれらは、各シングルトンサブセットによって生成される超フィルターです。したがって、自由超フィルターは無限集合上にのみ存在し得る。
もしが無限集合である場合、超フィルターは無限集合と同じ数だけ存在する。サブセットのファミリーが存在するため明示的に、もし無限の濃度を持つ次に、超フィルターのセットがと同じカーディナリティを持つその基数とは[ 11 ]
もしそしては集合の族であり、超です、そしてそれから必然的にウルトラです。フィルターサブベースプリフィルターではないものはウルトラにはなれませんが、それでもプリフィルターとフィルターによって生成されるフィルターはウルトラにすることができます。究極的に。
仮定する超では集合です。トレース空集合を含まない場合に限り、超集合である。さらに、少なくとも1つの集合がそして超になるでしょう(この結果は、任意の有限分割に拡張されます))。 もしフィルターは超フィルターはそしてすると、いくつか満たす[ 12 ] この結果は、無限族のフィルタに対して必ずしも真であるとは限りません。 [ 12 ]
地図の下の画像ウルトラセットの再びウルトラで、もしウルトラプレフィルターであれば、超フィルターであるという性質は全単射の下で保持されます。ただし、超フィルターの逆像は、写像が全射であっても必ずしも超フィルターではありません。たとえば、複数のポイントがあり、範囲が単一の点から構成されるそれから超プレフィルターしかし、その原像は超ではない。あるいは、もしは、点によって生成される主フィルタです。すると、空集合が含まれているため、ウルトラではありません。
すべての点が異なる無限数列によって誘導される基本フィルタは、超フィルタではない。 [ 12 ]それからは、のすべての部分集合からなる集合を表します。基数を持つそしてもし少なくとも()異なる点、これは超過ですが、どのプリフィルターにも含まれていません。この例は任意の整数に一般化できます。そしてまたもし複数の要素を含む。プレフィルター機能を持たないウルトラセットは、ほとんど使用されない。
すべてのそしてすべてのさせてもし超フィルターはするとすべてのセットそのため超フィルターは[ 13 ]
任意の集合に関連付けられるファンクターセットすべての超濾過器の中でモナドを形成する超フィルターモナド。単位マップ 任意の要素を送信します主限外濾過器は、
この超フィルターモナドは、有限集合の圏を全集合の圏に含めることの共密度モナドであり、[ 14 ]このモナドの概念的な説明を与えている。
同様に、超積モナドは、有限集合族の圏を全集合族の圏に含めることの共密度モナドである。したがって、この意味で、超積は圏論的に必然である。[ 14 ]
超フィルター補題は、1930年にアルフレッド・タルスキによって初めて証明された。 [ 13 ]
の超フィルター補題/原理/定理[ 4 ] —集合上のすべての適切なフィルター超濾過器に含まれる
超フィルター補題は、以下の各命題と同等である。
超フィルタ補題の帰結として、すべてのフィルタは、それを含むすべての超フィルタの共通部分に等しい。[ 4 ] [注2 ]
以下の結果は、超フィルター補題を用いて証明できる。集合上に自由超フィルターが存在する。かつその場合に限りは無限である。すべての適切なフィルタは、それを含むすべての超フィルタの共通部分に等しい。[ 4 ]超フィルタではないフィルタが存在するため、これは超フィルタの族の共通部分が超フィルタである必要はないことを示している。集合の族は、任意の有限族の要素の交差が自由超フィルターに拡張できる場合に限り、無限です。
本節では、ZFはツェルメロ・フレンケル集合論を、ZFCは選択公理(AC )を加えたZFを指す。超フィルター補題はZFとは独立している。つまり、ZFの公理は成り立つが超フィルター補題は成り立たないモデルが存在する。また、すべての超フィルターが必然的に主超フィルターとなるZFモデルも存在する。
単一要素セットを含むすべてのフィルターは必然的に超フィルターであり、離散型超濾過器の定義ZF以上のものは必要としません。が有限であれば、すべての超フィルターは一点で離散フィルターになります。したがって、自由超フィルターは無限集合上にのみ存在できます。特に、が有限であれば、公理ZFから超フィルター補題を証明できます。無限集合上の自由超フィルターの存在は、選択公理を仮定すれば証明できます。より一般的には、超フィルター補題は選択公理を使用して証明できます。選択公理は、簡単に言えば、空でない集合の任意のデカルト積は空でないことを述べています。ZF の下では、選択公理は特に、(a)ツォルンの補題、 (b)チコノフの定理、(c) ベクトル基底定理の弱形式 (すべてのベクトル空間には基底があることを述べている)、(d) ベクトル基底定理の強形式、およびその他の記述と同等です。ただし、超フィルター補題は選択公理よりも厳密に弱いです。自由超フィルターが存在することは証明できますが、自由超フィルターの明示的な例 ( ZFと超フィルター補題のみを使用して)を構成することはできません。つまり、自由超フィルターは非物質的である。[ 15 ]アルフレッド・タルスキは、 ZFCの下では、無限集合上のすべての自由超フィルターの集合の濃度はは、どこの冪集合を表す[ 16 ]他の著者らは、この発見をベドジヒ・ポスピシルに帰している(フィヒテンホルツとカントロヴィッチ の組み合わせ論的議論に基づきハウスドルフによって改良された)。 [ 17 ] [ 18 ]
ZFの下では、選択公理を用いて超フィルター補題とクライン・ミルマンの定理の両方を証明することができる。逆に、ZFの下では、超フィルター補題とクライン・ミルマンの定理を組み合わせることで選択公理を証明できる。[ 19 ]
超フィルター補題は比較的弱い公理である。例えば、以下のリストにある各命題は、超フィルター補題だけを用いてZFから推論することはできない。
ZFの下では、超フィルター補題は次の各ステートメントと同等です。[ 20 ]
超フィルター補題(およびZF )から導出できる命題は、超フィルター補題よりも弱い命題であると言われる。弱い命題は、 ZFの下で超フィルター補題と同値でない場合、厳密に弱い命題であると言われる。ZF の下では、超フィルター補題は、次の各命題を含意する。
超濾過器の完全性冪集合上の最小の基数κは、κ個の要素を持つ。その交点は超フィルタの定義は、任意の冪集合超フィルタの完全性が少なくとも完全性がより大きい超濾過器つまり、要素の任意の可算集合の共通部分まだ—は可算完全またはσ完全と呼ばれます。
のルーディン・キースラー順序(メアリー・エレン・ルーディンとハワード・ジェローム・キースラー)は、次のように定義される冪集合超フィルターのクラス上の前順序超フィルターはそして超フィルターそれから関数が存在する場合そのため
すべての部分集合について
超濾過器そしてと呼ばれるルーディン・ケイスラー等価とは、集合が存在する場合にU ≡ RK Vと表記される。そしてそして全単射上記の条件を満たすもの。(もしそして同じカーディナリティを持つ場合、定義は固定することで簡略化できます。)
超濾過器にはいくつかの特別な特性がありますどこ自然数を拡張し、集合論や位相幾何学の様々な分野で有用であることが証明されている。
すべてのラムゼー超フィルターがP点であることは自明の観察である。ウォルター・ルーディンは、連続体仮説がラムゼー超フィルターの存在を暗示していることを証明した。[ 31 ] 実際、マーティンの公理を含め、多くの仮説がラムゼー超フィルターの存在を暗示している。サハロン・シェラは後に、P点超フィルターが存在しないことは矛盾しないことを示した。[ 32 ]したがって、これらのタイプの超フィルターの存在はZFCとは無関係である。
P点とは、非主超フィルターの空間βω\ωの通常の位相における位相的P点であるため、このように呼ばれます。ラムジーという名前はラムジーの定理に由来します。その理由を知るには、超フィルターがラムジーであるのは、任意の2彩色に対してとなる場合のみであることを証明できます。限外濾過器には、均一な色を持つ要素が存在する。
超フィルターラムゼイであるのは、非主冪集合超フィルターのルーディン-ケイスラー順序において最小である場合に限る。 [ 33 ]
証明
定理1.2。 BPI [ブール素数イデアル定理] & KM [クライン-ミルマン]
(*) [ノルム付きベクトル空間の双対の単位球は極点を持つ].... 定理 2.1. (*)AC(選択公理)