Кіріспе
Математикада Хейтинг алгебрасы (сондай-ақ псевдобуль алгебрасы деп те аталады) – join және meet операцияларымен (сәйкесінше ∨ және ∧ белгіленген) және ең кіші элементі 0 және ең үлкен элементі 1 бар шектелген тор, сонымен қатар a → b импликация операциясымен жабдықталған. Мұнда (c ∧ a) ≤ b шарттары c ≤ (a → b) шартымен эквивалентті. Логикалық тұрғыдан алғанда, A → B – бұл анықтама бойынша modus ponens, яғни A → B, A ⊢ B қорытындылау ережесінің дұрыс болуы үшін қажетті ең әлсіз ұйғарым. Буль алгебралары сияқты, Хейтинг алгебралары да шекті сандағы теңдеулермен аксиоматизацияланатын алгебралық түр құрайды. Хейтинг алгебралары интуициялық логиканы формализациялау үшін енгізілген. Хейтинг алгебралары – үлестірімді торлар. Кез келген Буль алгебрасы, егер a → b анықтамасы ¬a ∨ b түрінде берілсе, Хейтинг алгебрасы болып табылады, сондай-ақ a → b барлық c элементтері жиынының жоғарғы шегі ретінде алынғанда, бір жақты шексіз үлестірім заңын қанағаттандыратын кез келген толық үлестірімді тор да Хейтинг алгебрасы болып табылады. Шекті жағдайда, кез келген бос емес үлестірімді тор, әсіресе кез келген бос емес шекті тізбек, автоматты түрде толық және толық үлестірімді болып табылады, демек Хейтинг алгебрасы болып табылады. Анықтамадан 1 ≤ 0 → a екендігі шығады, бұл кез келген ұйғарым a-ның 0 қайшылығынан туындайтыны туралы интуицияға сәйкес келеді. Жоғарыда айтылғандарға қарамастан, ¬a жоғарыдағы анықтаманың бөлігі емес, бірақ ол a → 0 ретінде анықталады. ¬a-ның интуитивті мағынасы – a-ны қабылдау қайшылыққа алып келеді деген тұжырым. Анықтама a ∧ ¬a = 0 екенін білдіреді. Бұдан әрі, a ≤ ¬¬a екенін көрсетуге болады, бірақ кері шарт, яғни ¬¬a ≤ a, жалпы жағдайда дұрыс емес, демек, Хейтинг алгебрасында екі рет жоғарыда айтылған терістеуді жою жалпы жағдайда қолданылмайды. Хейтинг алгебралары Буль алгебраларын жалпылайды, себебі Буль алгебралары – a ∨ ¬a = 1 (орталықтан тыс принцип) шартын қанағаттандыратын, тиісінше ¬¬a = a болатын Хейтинг алгебраларының нақты түрі болып табылады. H Хейтинг алгебрасының ¬a түріндегі элементтері Буль торын құрайды, бірақ жалпы жағдайда бұл H-тың субальгебрасы емес (төменде қараңыз). Хейтинг алгебралары, Буль алгебралары классикалық логиканы модельдегендей, интуициялық логиканың алгебралық модельдері болып табылады. Элементарлық топостың ішкі логикасы терминалдық объектінің 1 субобъектілерінің Хейтинг алгебрасына негізделген, олар кіріктірілу арқылы реттелген, яғни 1-ден субобъект жіктеуіші Ω-ға дейінгі морфизмдер. Кез келген топологиялық кеңістіктің ашық жиындары толық Хейтинг алгебрасын құрайды. Осылайша толық Хейтинг алгебралары мәнсіз топологияда зерттеудің орталық объектісіне айналады. Егер Хейтинг алгебрасының ең үлкен емес элементтері жиыны ең үлкен элементке ие болса (және басқа Хейтинг алгебрасын құраса), онда ол тікелей азайтылмайды, сондықтан кез келген Хейтинг алгебрасын жаңа ең үлкен элементті қосу арқылы тікелей азайтылмайтын күйге келтіруге болады. Бұдан шығатыны, тіпті шекті Хейтинг алгебраларының арасында да тікелей азайтылмайтын шексіз көп алгебралар бар, олардың екеуінің де бірдей теңдеу теориясы жоқ. Сондықтан шекті Хейтинг алгебраларының кез келген жиынтығы Хейтинг алгебрасының заңдарын бұзатын барлық мысалдарды қамтамасыз ете алмайды. Бұл Буль алгебраларынан өте өзгеше, олардың тікелей азайтылмайтын жалғыз түрі – екі элементтен тұратын алгебра, ол Буль алгебрасының заңдарын бұзатын барлық мысалдар үшін жеткілікті. Дегенмен, кез келген теңдеудің барлық Хейтинг алгебралары үшін дұрыс екенін анықтауға болады. Хейтинг алгебралары көбінесе псевдобуль алгебралары немесе тіпті Брауэр торлары деп аталады, бірақ соңғы термин қос анықтаманы білдіруі мүмкін немесе сәл жалпы мағынаға ие болуы мүмкін.
Жалпы қасиеттері
Гейтинг алгебрасының H-дегі ретін → операциясы арқылы келесідей қалпына келтіруге болады: кез келген a, b элементтері үшін H, егер және тек қана a→b = 1 болса. Көпмәнді логикалардың кейбіреулерінен өзгеше, Хейтинг алгебрасы Буль алгебрасымен келесі қасиетті бөліседі: егер жосықтаудың (терістеудің) тұрақты нүктесі болса (яғни, ¬a = a қандай да бір a үшін), онда Хейтинг алгебрасы тривиалды, бір элементтен тұратын Хейтинг алгебрасы болады.
Қасиеттері
Кез келген Гейтинг алгебрасынан өзіне сәйкестік бейнелеу 1=f(x) = x – морфизм, ал кез келген екі морфизм f және g-нің композициясы 1=g ∘ f – морфизм болып табылады. Осылайша, Гейтинг алгебралары категория құрайды.
Мысалдар
Гейтинг алгебрасы H және кез келген H1 субальгебрасы берілген кезде, 1=i: H1 → H кіріктіру бейнесі морфизм болып табылады. Кез келген Гейтинг алгебрасы үшін 1=x ↦ ¬¬x функциясы H-ден оның тұрақты элементтері Hreg-тің Буль алгебрасына морфизмді анықтайды. Бұл, жалпы жағдайда, H-ден өзіне морфизм емес, себебі Hreg-тің қосылу операциясы H-тің қосылу операциясынан өзгеше болуы мүмкін.
Квотиенттер
H – Гейтинг алгебрасы болсын, ал 1=F ⊆ H. Егер F келесі қасиеттерге сәйкес келсе, біз оны H-дегі сүзгі деп атаймыз: H-дегі кез келген сүзгілер жиынының қиылысы қайтадан сүзгі болып табылады. Сондықтан, кез келген S ⊆ H үшін, S-ті қамтитын ең кіші сүзгі бар. Біз оны S-тің тудырған сүзгісі деп атаймыз. Егер S бос жиын болса, 1=F = {1}. Әйтпесе, F – H-дегі x элементтерінің жиыны, онда 1=y1, y2, ..., yn ∈ S элементтері бар, ал 1=y1 ∧ y2 ∧ ... ∧ yn ≤ x. Егер H – Гейтинг алгебрасы болса және F – H-дегі сүзгі болса, біз H-дегі ~ қатынасын былай анықтаймыз: 1=x ~ y егер және тек қана 1=x → y және 1=y → x екеуі де F-ке жатса. Содан кейін ~ – эквиваленттік қатынас; біз 1=H/F – үлестік жиынды жазамыз. 1=H/F-де бірегей Гейтинг алгебралық құрылым бар, осындай каноникалық проекция 1=pF : H → H/F Гейтинг алгебралық морфизм болады. Біз Гейтинг алгебрасы 1=H/F-ті H-тің F бойынша үлесі деп атаймыз. S – Гейтинг алгебрасы H-нің қосалқы жиыны болсын және F – S-тің тудырған сүзгісі болсын. Содан кейін H/F келесі әмбебап қасиетті қанағаттандырады: кез келген Гейтинг алгебраларының морфизмі f, 1=f(y) = 1 барлық 1=y ∈ S үшін, f каноникалық проекция 1=pF : H → H/F арқылы бірегей түрде факторланады. Яғни, қанағаттандыратын бірегей морфизм бар. Морфизм f арқылы индукцияланады. 1=f : H1 → H2 – Гейтинг алгебраларының морфизмі болсын. f-тің ядросы, ker f деп жазылады, – 1=f−1[{1}] жиыны. Бұл H1-дегі сүзгі. (Абай болу керек, өйткені егер бұл анықтама Буль алгебрасының морфизміне қолданылса, ол морфизмнің ядросы деп аталатын нәрсеге екілік болады, егер ол сақиналардың морфизмі ретінде қарастырылса.) Жоғарыда айтылғандарға сәйкес, f морфизмді индукциялайды. Бұл 1=H1/(ker f) пен H2-нің f[H1] субальгебрасы арасындағы изоморфизм.
The intersection of any set of filters on H is again a filter. Therefore, given any subset S of H there is a smallest filter containing S. We call it the filter generated by S. If S is empty, 1=F = {1}. Otherwise, F is equal to the set of x in H such that there exist 1=y1, y2, , yn ∈ S with 1=y1 ∧ y2 ∧ ∧ yn ≤ x. If H is a Heyting algebra and F is a filter on H, we define a relation ~ on H as follows: we write 1=x ~ y whenever 1=x → y and 1=y → x both belong to F. Then ~ is an equivalence relation; we write 1=H/F for the quotient set. There is a unique Heyting algebra structure on 1=H/F such that the canonical surjection 1=pF : H → H/F becomes a Heyting algebra morphism. We call the Heyting algebra 1=H/F the quotient of H by F.
Let S be a subset of a Heyting algebra H and let F be the filter generated by S. Then H/F satisfies the following universal property:
Given any morphism of Heyting algebras satisfying 1=f(y) = 1 for every 1=y ∈ S, f factors uniquely through the canonical surjection 1=pF : H → H/F. That is, there is a unique morphism satisfying The morphism is said to be induced by f.
Let 1=f : H1 → H2 be a morphism of Heyting algebras. The kernel of f, written ker f, is the set 1=f−1[{1}]. It is a filter on H1. (Care should be taken because this definition, if applied to a morphism of Boolean algebras, is dual to what would be called the kernel of the morphism viewed as a morphism of rings.) By the foregoing, f induces a morphism It is an isomorphism of 1=H1/(ker f) onto the subalgebra f[H1] of H2.
Кездейсоқ генераторлар жиынтығында еркін Хейтинг алгебрасы
Шындығында, бұл алдыңғы құрылымды {Ai: i∈I} (шекті болуы мүмкін) кез келген айнымалылар жиыны үшін орындауға болады. Осылайша, {Ai} айнымалылары бойынша еркін Хейтинг алгебрасын аламыз, оны біз қайтадан H0 деп белгілейміз. Ол, кез келген Хейтинг алгебрасы H және оның элементтерінің отбасы ai: i∈I берілгенде, f: H0→H морфизмін қанағаттандыратын, және f([Ai])=ai теңдігін орындайтын бірегей болады. f-тің бірегейлігін көру қиын емес, ал оның болуы негізінен жоғарыдағы "Дәлелденетін сәйкестіктер" бөліміндегі 1 ⇒ 2 мета-импликациясынан туындайды, оның салдары ретінде, егер F және G дәлелденген эквивалентті формулалар болса, онда кез келген элементтер отбасы 〈ai〉 үшін F(〈ai〉)=G(〈ai〉) теңдігі орындалады.
Теорияға қатысты формулалардың теңдеуінің Хейтинг алгебрасы T
{Ai} айнымалыларындағы формулалар жиынын аксиомалар ретінде қарастыра отырып, L-де анықталған F≼G қатынасына қатысты осы құрылымды дамытуға болады, бұл G, F және аксиомалар жиынының логикалық салдары екенін білдіреді. Осылайша алынған Гейтинг алгебрасын HT деп белгілейік. Онда HT жоғарыдағы H0 сияқты әмбебап қасиеттің осы түрін қанағаттандырады, бірақ Гейтинг алгебрасы H және элементтер отбасыларына қатысты, мұнда кез келген аксиома J(〈Ai〉) үшін J(〈ai〉)=1 болады. (HT, өзінің элементтерінің отбасымен бірге 〈[Ai]〉, осы қасиетті қанағаттандыратынын ескеру қажет.) Морфизмнің бар екендігі мен бірегейлігі H0 үшін дәлелденгендей дәлелденеді, бірақ "Дәлелденетін теңдіктерде" 1 ⇒ 2 метаимпликациясын өзгерту керек, сондықтан 1 "T-ден логикалық тұрғыдан дұрыс" деп оқылады, ал 2 "T формулаларын қанағаттандыратын H-дегі a1, a2, ..., an элементтері" деп оқылады. Біз енді анықтаған HT Гейтинг алгебрасын сол айнымалылар жиынындағы H0 еркін Гейтинг алгебрасының бөліндісі ретінде қарастыруға болады, H0-ның HT-ға және оның элементтерінің отбасына қатысты әмбебап қасиетін қолдану арқылы. Кез келген Гейтинг алгебрасы HT түріндегі алгебраға изоморфты. Мұны көрсету үшін H кез келген Гейтинг алгебрасы болсын, ал 〈ai: i∈I〉 H-ді тудыратын элементтер отбасы болсын (мысалы, кез келген сюръективті отбасы). Енді 〈Ai: i∈I〉 айнымалыларындағы J(〈Ai〉) формулаларының жиынтығын қарастырайық, мұнда J(〈ai〉)=1. Содан кейін HT-ның әмбебап қасиеті арқылы f: HT→H морфизмін аламыз, ол анық сюръективті. f инъективті екенін көрсету қиын емес.
The Heyting algebra HT that we have just defined can be viewed as a quotient of the free Heyting algebra H0 on the same set of variables, by applying the universal property of H0 with respect to HT, and the family of its elements 〈[Ai]〉. Every Heyting algebra is isomorphic to one of the form HT. To see this, let H be any Heyting algebra, and let 〈ai: i∈I〉 be a family of elements generating H (for example, any surjective family). Now consider the set T of formulas J(〈Ai〉) in the variables 〈Ai: i∈I〉 such that J(〈ai〉)=1. Then we obtain a morphism f:HT→H by the universal property of HT, which is clearly surjective. It is not difficult to show that f is injective.
Линденбаум алгебраларымен салыстыру
Біз қазір ғана келтірген конструкциялар Хейтинг алгебраларына қатысты, Буль алгебраларына қатысты Линденбаум алгебраларына ұқсас роль атқарады. Шындығында, {Ai} айнымалыларындағы және T аксиомаларына қатысты Линденбаум алгебрасы BT, біздің HT∪T1-іміз болып табылады, мұнда T1 – ¬¬F→F түріндегі барлық формулалар жиыны, себебі барлық классикалық тавтологияларды дәлелдеу үшін тек T1 аксиомаларын ғана қосу жеткілікті.
Интуициялық логикаға қолданылатын Хейтинг алгебрасы
Егер интуиционистік пропозициялық логика аксиомаларын Хейтинг алгебрасының мүшелері ретінде қарастырсақ, онда олар формуланың айнымалыларына кез келген мән тағайындалғанда кез келген Хейтинг алгебрасында ең үлкен элементке, 1-ге тең болады. Мысалы, (P∧Q)→P, псевдокомплементтің анықтамасы бойынша, бұл теңсіздік кез келген x үшін орындалатындай ең үлкен x элементі болып табылады, сондықтан ең үлкен x – 1. Сонымен қатар, modus ponens ережесі P және P→Q формулаларынан Q формуласын туындатуға мүмкіндік береді. Бірақ кез келген Хейтинг алгебрасында, егер P-нің мәні 1-ге тең болса және P→Q-ның мәні 1-ге тең болса, онда , демек; Q-ның мәні 1-ге тең болуы мүмкін. Бұл, егер формула интуиционистік логика заңдарынан туындаса, аксиомаларынан modus ponens ережесі арқылы алынса, онда ол формуланың айнымалыларына кез келген мән тағайындалғанда барлық Хейтинг алгебраларында әрқашан 1 мәніне ие болады дегенді білдіреді. Дегенмен, Пирс заңының мәні әрқашан 1-ге тең болмайтын Хейтинг алгебрасын құруға болады. Жоғарыда келтірілгендей, {0, , 1} үш элементтен тұратын алгебраны қарастырайық. Егер P-ге мәнін, ал Q-ға 0 мәнін тағайындасақ, онда Пирс заңының ((P→Q)→P)→P мәні болады. Осыдан Пирс заңын интуиционистік тұрғыдан туындату мүмкін емес екені шығады. Бұл нені білдіреді деген жалпы контексті түсіну үшін Curry-Howard изоморфизміне қараңыз. Керісін де дәлелдеуге болады: егер формула әрқашан 1 мәніне ие болса, онда ол интуиционистік логика заңдарынан туындайды, сондықтан интуиционистік тұрғыдан жарамды формулалар – әрқашан 1 мәніне ие болатын формулалар. Бұл классикалық жарамды формулалардың, формуланың айнымалыларына кез келген ақиқат және жалған мәндерін тағайындағанда екі элементті Буль алгебрасында 1 мәніне ие болатын формулаларға ұқсас – яғни, олар әдеттегі шындық кестесінің мағынасында таутологиялар болып табылады. Логикалық тұрғыдан алғанда, Хейтинг алгебрасы – шындық мәндерінің әдеттегі жүйесінің жалпылама түрі, ал оның ең үлкен элементі 1 – «ақиқатқа» ұқсас. Әдеттегі екі мәнді логикалық жүйе – Хейтинг алгебрасының ерекше жағдайы және ең кішкентай тривиалды емес түрі, онда алгебраның жалғыз мүшелері 1 (ақиқат) және 0 (жалған).
Шешім қабылдау проблемалары
1965 жылы Саул Крипке берілген теңдеудің кез келген Хейтинг алгебрасында орындалатынын анықтау мәселесінің шешілетінін көрсетті. Осылайша, ол Буль алгебрасының теңдеулерін шешуден кем емес қиын (Стивен Кук 1971 жылы coNP-толық екенін көрсетті) және одан да әлдеқайда қиын болуы мүмкін деп есептеледі. Хейтинг алгебрасының элементарлық немесе бірінші реттік теориясы шешілмейтін болып табылады. Хейтинг алгебраларының әмбебап Хорн теориясы немесе сөздік проблемасы шешілетін бе, әлі де ашық мәселе. Сөздік проблемаға қатысты, Хейтинг алгебралары жергілікті шекті емес екені белгілі (шекті бос емес жиынмен құрылған Хейтинг алгебрасы шекті бола алмайды), ал Буль алгебралары жергілікті шекті және олардың сөздік проблемасы шешіледі. Бір ғана генераторда жаңа жоғарғы элемент қосу арқылы тривиальді түрде толықтырылатын еркін Хейтинг алгебрасы бар екені белгілі, бірақ басқа жағдайларда еркін толық Хейтинг алгебраларының бар-жоқтығы әлі белгісіз.