
- •Глава I. Основные понятия…………………………………………. 13
- •Глава I. Основные понятия.
- •§ 1.Множества и операции на множествах.
- •§2. Включение. Пустое множество.
- •Свойства включения.
- •§3. Законы сложения, умножения и вычитания.
- •§4. Свойства симметрической разности.
- •§5. Множество 1. Дополнение.
- •§6. Конституенты.
- •§7. Применение алгебры множеств к отношениям.
- •§8. Булевы алгебры.
- •Int[(a⊙b)](следует из (*))
- •Int[(a⊙b)](b⊙c) (следует из (**))
- •§ 9. Решетки.
- •Глава II. Аксиомы теории множеств. Отношения. Функции.
- •§ 1. Высказывательные функции. Кванторы.
- •§ 2. Аксиомы теории множеств.
- •§ 3. Простейшие следствия из аксиом.
- •§ 4. Декартовы произведения. Отношения.
- •§ 5. Отношение эквивалентности.
- •§ 6. Функции.
- •Функция 2-х и более аргументов.
- •§ 7. Образы и прообразы.
- •§ 8. Функции, согласованные с данным отношением эквивалентности. Булевы факторкольца.
- •§ 9. Отношение порядка.
- •§ 10. Реляционные системы, их изоморфизмы и типы.
§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(
)
многочлен
непосредственно преобразуется в
по одной из аксиом. Факт возможности
такого преобразования записывают
.
Очевидно, что
.
Если
,
то
для 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.
Теорема очевидна для многочленов (I) и (II).
Допустим, что она верна для многочленов fиq.
Докажем справедливость теоремы для многочлена (III).
Если
или (
),
то
и
(или
и
)
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.
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 многочленов
является произведением букв
.
Пусть n— число всех различных букв,
встречающихся вf.
Доказательство будем вести индукцией
поn.
Для
имеем
и поэтому можем выбрать в качестве
произвольное 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
вместо
множество 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, то
и, 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) многочлен
и 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,
,
откуда
и
,
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 дополнение–а 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
K — булево
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). Равенство
совпадает 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 операций
и 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
аксиомы
—
можно получить изI—V,
меняя в них везде символ
на
и обратно, поэтому аксиомы
—
двойственны 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
:
А⊙В
=,
,
А○В
= (А⊙)
(В⊙
).
Из формулы 14 (§8)
следует, что если
и
,
то
А⊙В,
иА○В
.
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
А⊙В
=В⊙А.
Так же легко
проверить выполнение аксиомы
:
А⊙1
=
Для проверки
выполнения аксиомы
используем формулы (12) и (8) §8:
Int[(A⊙B)C]
= Int(A⊙B)
.
A
⊙ B
=.
откуда в силу (10) §8:
Int[(A⊙B)
]
[(A
B)
]
(*)
и, значит, в силу (13) §8:
Int{Int[(A⊙B)
]}
,
или (см. (11) §8):
Int[(A⊙B)
]
=B⊙C (**)
Перемножив следующие включения: