Кіріспе

Буль алгебрасындағы идеалдарды бастапқы идеалдарға кеңейтуге болады. Математикада Бульдің бастапқы идеал теоремасы Буль алгебрасындағы идеалдарды бастапқы идеалдарға кеңейтуге болатынын айтады. Жиындардағы сүзгілерге қатысты осы теореманың бір түрі ультрафильтр леммасы деп белгілі. Басқа теоремалар идеалдардың тиісті ұғымдары бар әртүрлі математикалық құрылымдарды қарастыру арқылы алынады, мысалы, сақиналар және бастапқы идеалдар (сақиналар теориясы), немесе үлестіруші торлар және максималды идеалдар (рет теориясы). Бұл мақала рет теориясының бастапқы идеалдар теоремаларына назар аударады. Әр түрлі бастапқы идеалдар теоремалары қарапайым және интуитивті көрінсе де, оларды таңдау аксиомасы (ZF деп қысқартылған) болмаса, Зермело-Франкель жиын теориясының аксиомаларынан жалпы алғанда шығаруға болмайды. Керісінше, кейбір тұжырымдар таңдау аксиомасына (AC) эквивалентті болып шығады, ал басқалары – Бульдің бастапқы идеал теоремасы сияқты – AC-ден қатаң әлсіз қасиетті көрсетеді. Осы ZF және ZF + AC (ZFC) арасындағы орташа мәртебесіне байланысты, Бульдің бастапқы идеал теоремасы жиын теориясының аксиомасы ретінде жиі қарастырылады. Осы қосымша аксиоманы көрсету үшін кейде BPI немесе PIT (Буль алгебралары үшін) аббревиатуралары қолданылады.

Басты идеал теоремалары

Кезекті идеал — (бос емес) бағытталған төменгі жиын. Егер қарастырылатын ішінара реттелген жиын (посет) бинарлық жоғары жақтарына ие болса (ә. к. а. біріктіретіндер), осы мақаладағы посеттер сияқты, онда бұл екілік жоғары жақтары бойынша жабық бос емес төменгі жиын I ретінде сипатталады (яғни, егер онда ). I идеалы, егер оның жиындық толықтыруы посетте сүзгі болса (яғни, егер онда немесе ), жай идеал болып саналады. Идеалдар, егер олар бүкіл посетке тең болмаса, дұрыс идеалдар болып табылады. Тарихи тұрғыдан алғанда, кейінгі жай идеал теоремаларына қатысты алғашқы мәлімдеме, шын мәнінде, сүзгілерге — екілік ретке қатысты идеалдар болатын кіші жиындарға қатысты болған. Ультрафильтр леммасы жиынтағы әрбір сүзгінің кейбір максималды (дұрыс) сүзгіге (ультрафильтрге) кіретінін айтады. Жинақтардағы сүзгілер оның қуатының Буль алгебрасының дұрыс сүзгілері екенін еске түсірейік. Бұл ерекше жағдайда максималды сүзгілер (яғни, кез келген дұрыс сүзгінің қатаң ішкі жиындары емес сүзгілер) және жай сүзгілер (яғни, X және Y кіші жиындарының кез келген біріктіретінімен X немесе Y кіретін сүзгілер) сәйкес келеді. Осы мәлімдеменің дуалы, қуат жиынтығының әрбір идеалы жай идеалға кіреді дегенді қамтамасыз етеді. Жоғарыда айтылған мәлімдеме әр түрлі жалпыланған жай идеал теоремаларына әкелді, олардың әрқайсысы әлсіз және күшті формада бар. Әлсіз жай идеал теоремалары белгілі бір кластың әрбір тривиальды емес алгебрасының кем дегенде бір жай идеалы бар екенін айтады. Керісінше, күшті жай идеал теоремалары берілген сүзгіден бөлек болатын әрбір идеалды сол сүзгіден әлі де бөлек болатын жай идеалға кеңейтуді талап етеді. Посеттер емес алгебралар үшін сүзгілердің орнына басқа кіші құрылымдар қолданылады. Бұл теоремалардың көптеген формалары шын мәнінде эквивалентті екендігі белгілі, сондықтан "ЖИТ" тұратын мәлімдеме әдетте Буль алгебрасы (BPI) үшін сәйкес мәлімдеме дұрыс екенін білдіреді. Ұқсас теоремалардың тағы бір түрі әрбір жай идеалды максималды идеалмен алмастыру арқылы алынады. Тиісті максималды идеал теоремалары (МИТ) көбінесе, бірақ әрқашан емес, олардың ЖИТ эквиваленттерінен күштірек.

Қосымша алғашқы идеал теоремалары

Жоғарыдағы бөлімде Буль алгебралары үшін талқыланған негізгі қасиеттерді таратушы торлар немесе Хейтинг алгебралары сияқты көбірек жалпылама торларды қамту үшін оңай өзгертуге болады. Дегенмен, мұндай жағдайларда максималды идеалдар негізгі идеалдардан өзгеше, ал PIT және MIT арасындағы байланыс анық емес. Шындығында, таратушы торлар үшін, тіпті Хейтинг алгебралары үшін де MIT таңдау аксиомасына тең екендігі анықталды. Екінші жағынан, таратушы торлар үшін күшті PIT BPI-ге тең (яғни Буль алгебралары үшін MIT және PIT). Сондықтан бұл тұжырым таңдау аксиомасынан қатаң түрде әлсіз. Сонымен қатар, Хейтинг алгебралары өзіне-өзі дуалды емес екенін ескеріңіз, сондықтан идеалдардың орнына сүзгілерді қолдану осы контексте басқа теоремаларға әкеледі. Күтпегендей, Хейтинг алгебраларының дуалдары үшін MIT BPI-ден күшті емес, бұл жоғарыда аталған Хейтинг алгебралары үшін MIT-ге қарама-қарсы. Соңында, негізгі идеалдарға қатысты теоремалар басқа (реттік теориялық емес) абстрактілі алгебралар үшін де бар. Мысалы, сақиналар үшін MIT таңдау аксиомасын білдіреді. Бұл жағдайда реттік теориялық термин "сүзгіні" басқа түсініктермен алмастыру қажет – сақиналар үшін "көбейтуге жабық жиын" сәйкес келеді.

Ультрафильтр леммасы

X жиынындағы сүзгі — X-тің бос емес кіші жиындарының бос емес жиыны, шекті қиылыстар және супержиындар бойынша жабық. Ультрафильтр — максималды сүзгі. Ультрафильтр леммасы X жиынындағы әрбір сүзгі X-тегі бір ультрафильтрдің кіші жиыны екенін күйеді. Шекті жиындарды қамтымайтын ультрафильтр «негізгі емес» деп аталады. Ультрафильтр леммасы, әсіресе негізгі емес ультрафильтрлердің болуы (шекті комплементтері бар барлық жиындардың сүзгісін қарастырайық), Зорн леммасын қолдану арқылы дәлелденуі мүмкін. Ультрафильтр леммасы Бульдік жай идеал теоремасымен эквивалентті, ал эквиваленттілік ZF жиындар теориясында таңдау аксиомасы қолданбай-ақ дәлелденуі мүмкін. Дәлелдеудің идеясы кез келген жиынның кіші жиындары Буль алгебрасын кіріктіру бойынша жартылай реттелгендігі және кез келген Буль алгебрасы Стоунның бейнелеу теоремасы бойынша жиындар алгебрасы ретінде бейнеленеді. Егер X жиыны шекті болса, онда ультрафильтр леммасы ZF аксиомаларынан дәлелденуі мүмкін. Бұл шексіз жиындар үшін енді дұрыс емес; қосымша аксиома қабылдануы керек. Зорн леммасы, таңдау аксиомасы және Тихонов теоремасы ультрафильтр леммасын дәлелдеу үшін қолданылуы мүмкін. Ультрафильтр леммасы таңдау аксиомасынан қатаң әлсіз. Ультрафильтр леммасы топологияда көптеген қолданыстарға ие. Ультрафильтр леммасы Хан-Банах теоремасын және Александрдың суббазалық теоремасын дәлелдеу үшін қолданылуы мүмкін.

Қолданбалар

Интуитивті түрде Бульдік бірінші идеал теоремасы Бульдік алгебрада "жеткілікті" бірінші идеалдар бар екенін көрсетеді, яғни әрбір идеалды максималды идеалға дейін кеңейтуге болады. Бұл Бульдік алгебралар үшін Стоунның бейнелеу теоремасын дәлелдеуде маңызды рөл атқарады, бұл Стоунның дуалдығының ерекше жағдайы. Онда барлық бірінші идеалдар жиынына белгілі бір топология қойылады және осы деректерден бастапқы Бульдік алгебраны (изоморфизмге дейін) қайта алуға болады. Сонымен қатар, қолданыстарда бірінші идеалдармен немесе бірінші сүзгілермен жұмыс істеуді таңдауға болады, себебі әрбір идеал бірегей сүзгіні анықтайды: оның элементтерінің барлық Бульдік толықтыруларының жиынтығы. Екі тәсіл де әдебиетте кездеседі. Көптеген басқа жалпы топология теоремалары, көбінесе таңдау аксиомасына сүйенеді деп есептеледі, шындығында BPI-ге эквивалентті. Мысалы, компактты Хаусдорф кеңістіктерінің көбейтіндісі компактты деген теорема оған эквивалентті. Егер "Хаусдорф" термині алынып тасталса, онда таңдау аксиомасына эквивалентті теорема алынады. Графтар теориясында де Брюйн-Эрдос теоремасы BPI-ге тағы бір эквивалентті мысал болып табылады. Ол егер берілген шексіз графтың кез келген түс беруінде кем дегенде бір шекті сан k қажет болса, онда оның k қажет ететін шекті субграфы бар екенін көрсетеді. Бульдік бірінші идеал теоремасының кеңінен танылмаған қолданылуы – өлшенбейтін жиынның болуы (көбінесе берілетін мысал – Витали жиыны, ол таңдау аксиомасын қажет етеді). Осыдан және BPI таңдау аксиомасынан қатаң түрде әлсіз екендігінен, өлшенбейтін жиындардың болуы таңдау аксиомасынан қатаң түрде әлсіз екендігі шығады. Сызықтық алгебрада Бульдік бірінші идеал теоремасы берілген векторлық кеңістіктің кез келген екі базисінің бірдей кардиналдылығына ие екенін дәлелдеу үшін қолданылуы мүмкін.