一、格
假設(L, ≤)為偏序集,如果對於任意 a, b∈L ,{a, b} 都存在上確界和下確界,則稱 (L, ≤) 為一個格(lattice)
顯然上確界和下確界有唯一性
上確界LUB({a, b})記作a∨b,稱之為a與b的並(join)
下確界GLB({a, b})記作a∧b,稱之為a與b的交(meet)
舉例:對任意a, b∈L,a≤b
全序集(A , ≤)必然是格,a∨b=b,a∧b=a
(Z+, |)是一個格,a∨b=LCM(a , b),a∧b=GCD(a , b)
(P(S) , ⊆)是一個格(冪集格),a∨b=a∪b,a∧b=a∩b
恆等關系IS是偏序關系,但(S , IS)不是格(如果偏序集中存在孤立頂點,一定不會構成格)
a∨b=b a≤b a∧b=a,因此≤關系實際可用∨和∧來表示,(L , ≤)可記作(L, ∨ , ∧)
對任意a, b, c∈L,顯然有:
(1)冪等律:a∨a=a∧a=a
(2)交換律:a∨b=b∨a,a∧b=b∧a
(3)結合律:(a∨b)∨c=a∨(b∨c),(a∧b)∧c=a∧(b∧c)
(4)吸收律:a∨(a∧b)=a∧(a∨b)=a
但是格中運算不滿足分配律:a∨(b∧c)≤(a∨b)∧(a∨c)
格的等價定義:設<S , * , ○>是具有兩個二元運算的代數系統,且對於*和○都滿足交換律、結合律、吸收律,則可以適當定義S中的偏序關系≤,使得(S , ≤)是格,此時∀a , b∈S都有a∧b=a*b,a∨b=a○b
證明:由吸收律a=a○(a*b)=a*(a○b)可以推得冪等律a*a=a*(a○(a*a))=a,同理a○a=a
定義二元關系R,當a○b=b時(a , b)∈R,R是S上的偏序關系
自反性:∀a∈S都有a○a=a,(a , a)∈R
反對稱性:aRb且bRa ⟺a○b=b=b○a=a
傳遞性:aRb且bRc ⟹ a○b=b且b○c=c ⟹b○c=c=(a○b)○c=a○(b○c)=a○c ⟹aRc
偏序關系R還可以表述為,當a*b=a時(a , b)∈R
若a○b=b則a*b=a*(a○b)=a,若a*b=a則a○b=(a*b)○b=b○(b*a)=b,從而有a○b=b ⟺a*b=a ⟺a≤b
a , b∈S,a○(a○b)=(a○a)○b=a○b,b○(a○b)=a○(b○b)=a○b,從而有a≤a○b,b≤a○b,故a○b就是{a , b}的上界
設c也是{a , b}的上界,a○c=b○c=c,(a○b)○c=a○(b○c)=a○c=c,從而有a○b≤c,故a○b就是{a , b}最小上界
a , b∈S,(a*b)*a=(a*a)*b=a*b,(a*b)*b=a*(b*b)=a*b,從而有a*b≤a,a*b≤b,故a*b就是{a , b}的下界
設d也是{a , b}的下界,d*a=d*b=d,d*(a*b)=(d*a)*c=d*c=d,從而有d≤a*b,故a*b就是{a , b}最大下界
此外,格還具有保序性:
(1)a≤b時,a∧c≤b∧c,a∨c≤b∨c
(2)a≤b且c≤d時,a∧c≤b∧d,a∨c≤b∨d
(3)a≤c且b≤c a∨b≤c
(4)c≤a且c≤b c≤a∧b
子格:S⊆L,對任意a, b∈S有a∨b , a∧b∈S,則稱S是L的一個子格
例如:n|m時,(Dn, |)是(Dm, |)的子格
取D30的一部分,6∧15=3不在S中,故不構成子格
二、布爾代數
格(L, ∨ , ∧)如果滿足a∨(b∧c)=(a∨b)∧(a∧c),a∧(b∨c)=(a∧b)∨(a∧c),那么L是分配格(兩個等式成立一個,另一個一定成立)
全上界/全下界:若存在a∈L使得∀x∈S有x≤a / a≤x,a就是L的全上界/全下界
格L中存在全上界和全下界時,稱為有界格。此時全下界記為0,全上界記為1
有限格一定存在全上界(所有元素的∨)和全下界(所有元素的∧),因此一定是有界格
設(L, ∨ , ∧ , 0 , 1)是有界格,a∈L,若存在b∈L使得a∧b=0且a∨b=1,則a與b互為補元,定義'為求補運算
有界分配格中,a的補元若存在則必唯一
證明:假設a存在兩個補元b和c,a∧b=a∧c=0,a∨b=a∨c=1
b=b∧(b∨a)=b∧(c∨a)=(b∧c)∨(b∧a)=(b∧c)∨(c∧a)=(b∨a)∧c=(a∨c)∧c=c
設(L, ∨ , ∧ , 0 , 1)是有界格,∀a∈L,在L中都有補元存在,L是有補格(L, ∨ , ∧ , ' , 0 , 1)
布爾格/布爾代數/有補分配格:每個元素都存在着唯一的補格
例如:S的冪集格(P(S) , ∩ , ∪ , ~ , ∅, S)構成布爾代數(冪集代數)
數理邏輯中的命題代數、數字電路中的邏輯代數都是布爾代數
布爾代數中有:雙重否定律(a')'=a
德摩根律(a∨b)'=a'∧b',(a∧b)'=a'∨b'
∀b∈L,都有0<b≤a ⟺b=a,則a是L中的原子
例如若L是正整數n的全體正因子關於整除關系構成的格,L的原子就是n的全體素因子
例如若L是集合B的冪集格,L的原子就是B中單個元素構成的單元集
若L是有限布爾代數,A是L的全體n個原子構成的集合,則A的冪集代數P(A)與L同構,|A|=n,|P(A)|=|L|=2n
任何等勢的有限布爾代數都是同構的;任何有限布爾代數的基數都是2的冪
因此在同構的意義上,對於2的任意次冪,僅存在一個2n元的布爾代數