§8. Булевы алгебры.

В подавляющем большинстве сформулированных до сих пор теорем о множествах знак , обозначающий принадлежность элемента к множеству,не встречается (хотя он встречается в определениях и доказательствах).

В связи с этим представляет интерес обоснование, в виде отдельной теории, той части алгебры множеств, в которой не используется отношение . В этой теории речь будет идти только оравенстве и неравенстве некоторых объектов и о некоторых операциях на них. Определим их при помощи аксиом таким образом, чтобы можно было доказать все приведенные в предыдущих параграфах теоремы, в которых не встречается знак .

Теория, которую мы таким образом получим, носит название булевой алгебры. Она находит применение во многих разделах математики.

Пусть К — произвольное множество

— двуместные операции, определенные на К и со значениями из К, и, наконец,

0 — выделенный элемент множества К.

Говорят, что К является булевым кольцом (или булевой алгеброй) по отношению к этим операциям и элементу 0, если для произвольных , выполняются следующие равенства (аксиомы булевой алгебры):

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Сумму и разность элементов определяем формулами:

Исходные элементы называются:

— симметрическая разность элементов a, b;

— произведение элементов a, b;

0 — нулевой элемент.

Пример. Примером булева кольца служит семейство всех подмножеств фиксированного множества 1, если операции «» и «» понимать как теоретико-множественные операции симметрической разности и произведения, а элементом 0 является пустое множество. Мы сталкиваемся уже в §6 с такой интерпретацией аксиом (1) — (9) данного параграфа.

Вместо семейства всех подмножеств множества 1 можно рассматривать такое семейство К его подмножеств, что симметрическая разность и произведение двух множеств, принадлежащихК, тоже принадлежитК. Такое семейство является булевым кольцом относительно тех операций, что и в предыдущем примере.

Каждое такое булево кольцо называется телом множеств.

Введем понятие булева многочлена.

Пусть , … — произвольные буквы.

Символы

Под многочленами мы понимаем просто последовательность, которую можно получить по правилам (I) — (IV).

Пусть К— булево кольцо, и пусть каждому символупоставлен в соответствие некоторый элемент. Определим (по индукции) значение многочлена при данном соответствии.

Значением многочлена(I) пусть будет нулевой элемент кольцаК, а значением многочленов (II) — соответствующие им элементы кольцаК.

Если значения многочленов f иq— элементыa иb, то значениями многочленов (III) и (IV) будут соответственнои.

Значение многочлена fна кольцеКобозначим. Очевидно, что.

Пусть многочлен fимеет вид, а многочленgвид,и— многочлены, а точками обозначены последовательности символов, одинаковые в многочленахfиg.

Тогда говорят, что многочлен gнепосредственнопреобразуется в многочленfпо аксиоме (1). Аналогично определяем непосредственное преобразование по остальным аксиомам (2) — (9).

В общем случае говорят, что многочлен gпреобразуется вf, если существует такая конечная последовательность множеств, что для каждогоi() многочленнепосредственно преобразуется впо одной из аксиом. Факт возможности такого преобразования записывают.

Очевидно, что

.

Если , тодля произвольного булева кольцаКи произвольных элементов.

Многочлены, получающиеся из (или) при помощи всевозможных расстановок скобок, взаимно преобразуемы по аксиоме (2) (или по аксиоме (6)). Поэтому в этих многочленах всегда будем опускать скобки. Не будем также обращать внимания на очередность многочленов, связанных символами «»или «». Например:.

Теорема 1. Каждый булев многочлен можно преобразовать либо в 0, либо в другой многочлен вида , где каждый из многочленовsj имеет вид: () () и никакие два слагаемыхsj, sk () не совпадают.

Д о к а з а т е л ь с т в о.

  1. Теорема очевидна для многочленов (I) и (II).

  2. Допустим, что она верна для многочленов fиq.

Докажем справедливость теоремы для многочлена (III).

Если или (), тои(илии) в силу (1), (3), (7).

На языке высказываний это записывается:

Далее предположим, что

и .

Тогда

.

Пользуясь аксиомами (3) и (4), опускаем повторяющиеся слагаемые и получаем для многочлена (III) нужный вид.

  1. В случае многочлена (IV) с помощью аксиом (9) и (5) получаем:

По (5) и (8) каждый из многочленов преобразуем в произведение отдельных переменных. И снова, пользуясь аксиомами (3) и (4), опускаем повторяющиеся слагаемые и получаем для многочлена (IV) нужный вид.

Теорема доказана.

Теорема 2. Пусть К — тело всех подмножеств некоторого непустого множества 1. Если f — такой многочлен, что , то вК существуют такие множества , что.

Д о к а з а т е л ь с т в о. По теореме 1 можно ограничиться случаем, когдаfимеет вид (), а каждый из многочленовявляется произведением букв.

Пусть n— число всех различных букв, встречающихся вf. Доказательство будем вести индукцией поn.

Для имееми поэтому можем выбрать в качествепроизвольное непустое множество.

Предположим, что теорема верна для всех чисел, меньших n, и пустьfсодержит точноnпеременных.

Если некоторая переменная, например, , встречается во всех многочленах, то, гдеq— содержит менееnпеременных. По предположению индукции, существуют такие множества, что. Подставив в этой последовательности вместомножество 1, мы не изменим значенияq(так какqне содержит), а в качестве значенияfполучим множество.

Если же нет такой буквы , которая бы встречалась во всех, то, заменяя любую букву вfсимволом 0, получаем многочленg, у которого меньше переменных, чем уf, и.

В этом случае теорема верна в силу предположения индукции.

Теорема 3. Каждое равенство вида , истинное для произвольных подмножеств (или даже только для произвольных подмножеств некоторого фиксированного непустого множества), можно вывести из аксиом (1) — (9).

Д о к а з а т е л ь с т в о. Если многочленпринимает значение 0 для всех, содержащихся в непустом множестве1, тои, значит,. Поэтому многочленgможно получить изfпри помощи преобразований по аксиомам (1) — (9) и общего логического правила, гласящего, что равные элементы можно заменять один другим.

Из этой теоремы мы заключаем, что тождества, выводимые из аксиом (1) — (9), совпадают с тождествами, истинными для произвольных множеств. Кроме того, эта теорема дает способ, позволяющий механически проверить, выводимо ли из аксиом (1) — (9) равенство . Для этого достаточно преобразовать (методом, данным в доказательстве теоремы 1) многочлени проверить, равен ли он 0.

Введем отношение порядкав булевом кольце:

.

Теорема 4. .

Д о к а з а т е л ь с т в о.

Если , то.

Обратно, если , то, поэтому, а значит,, откудаи, то есть.

Элемент i булева кольцаКназываетсяединицейкольца, если для всех его элементов

(10)

Легко доказать, что единица, если она существует, единственна.

В кольце с единицей определим дополнениеа элементаа:

.

Аксиомы (1) — (9) очень удобны во многих вычислениях, но ими редко пользуются. В последующих теоремах мы познакомимся с другой системой аксиом, которую обычно принимаем за основу.

Ограничимся низко булевыми кольцами с единицей.

Теорема 5. Если Kбулево кольцо с единицей, то для всех верны следующие равенства:

I.

.

II.

.

III.

.

IV.

.

V.

.

Д о к а з а т е л ь с т в о.

Равенства истинны для произвольных множеств, а значит, следуют из аксиом (1) — (9). Равенствосовпадает с (10). ДокажемIVи:

Доказательство :(по определению –а)

(по (9) и (10))

(по (8))

(по определению суммы)

(по (4)).

Доказательство IV:

(поIV)

(поI, 2, 3)

(по 4)

= i(по 3)

Теорема 6 в некотором смысле обратна к теореме 5.

Теорема 6. Если К — множество, , и в нем определены операции, удовлетворяющие равенствамI, то относительно операцийи элемента 0 множество К являетсябулевым кольцом.

Доказательство носит вычислительный характер и предоставляется читателю.

Равенства I—очень часто принимают в качестве системы аксиом булевой алгебры. В этой системе заслуживает внимания тот факт, что аксиомыможно получить изI—V, меняя в них везде символнаи обратно, поэтому аксиомыдвойственны к аксиомамI—V.

В заключение приведем один интересный пример булева кольца.

Пусть 1 — произвольное топологическое пространство с операцией заключения (см. операция заключения— §8).

Множество называетсярегулярно замкнутым, если

Обозначим через Ксемейство всех регулярно замкнутых множеств пространства 1.

Очевидно, что 0 и 1 принадлежат К, поскольку

(акс. 4) и

Если , то, так как

Значит, каждое множество, принадлежащее К, замкнуто. По теореме 18 (§8), еслии, то

откуда .

Положим для и:

АВ =,,

АВ = (А)(В).

Из формулы 14 (§8) следует, что если и, то

АВ, иАВ.

Теорема 7. К является булевым кольцом с единицей относительно операций и .

Д о к а з а т е л ь с т в о. Достаточно показать, что операции,⊙и’удовлетворяют аксиомамI—.

Аксиомы I—IIIвыполняются очевидно. Аксиомаследует из равенств

АВ =ВА.

Так же легко проверить выполнение аксиомы :

А⊙1 =

Для проверки выполнения аксиомы используем формулы (12) и (8) §8:

Int[(AB)C] = Int(AB).

A B =.

откуда в силу (10) §8:

Int[(AB)][(A B) ](*)

и, значит, в силу (13) §8:

Int{Int[(AB) ]},

или (см. (11) §8):

Int[(AB) ]=BC (**)

Перемножив следующие включения: