Введение
Теория порядка — это раздел математики, изучающий интуитивное понятие порядка с помощью бинарных отношений. Она предоставляет формальную основу для описания утверждений типа «это меньше того» или «это предшествует тому». В данной статье представлен обзор этой области и даны основные определения. Список терминов теории порядка можно найти в глоссарии теории порядка.
Order theory is a branch of mathematics that investigates the intuitive notion of order using binary relations. It provides a formal framework for describing statements such as "this is less than that" or "this precedes that". This article introduces the field and provides basic definitions. A list of order theoretic terms can be found in the order theory glossary.
История и мотивация
Порядки встречаются повсюду в математике и смежных областях, таких как информатика. Первый порядок, который часто обсуждается в начальной школе, — это стандартный порядок натуральных чисел, например, "2 меньше 3", "10 больше 5" или "У Тома меньше печенья, чем у Салли?". Эта интуитивная концепция может быть расширена на порядки для других множеств чисел, таких как целые и действительные числа. Идея быть больше или меньше другого числа — одна из базовых интуиций систем счисления (в отличие от систем записи чисел) в целом (хотя обычно также интересует фактическая разница между двумя числами, которая не определяется порядком). Другими знакомыми примерами упорядочения являются алфавитный порядок слов в словаре и генеалогическое свойство линейного родства в группе людей. Понятие порядка очень общее и выходит за рамки контекстов, которые имеют непосредственное, интуитивное ощущение последовательности или относительного количества. В других контекстах порядки могут отражать понятия включения или специализации. В абстрактном виде этот тип порядка сводится к отношению подмножества, например, "Педиатры — это врачи" и "Окружности — это лишь частный случай эллипсов". Некоторые порядки, такие как "меньше" на натуральных числах и алфавитный порядок слов, обладают особым свойством: каждый элемент можно сравнить с любым другим элементом, то есть он либо меньше (раньше), либо больше (позже), либо равен. Однако многие другие порядки этого свойства не имеют. Рассмотрим, например, порядок подмножеств в наборе множеств: хотя множество птиц и множество собак являются подмножествами множества животных, ни множество птиц, ни множество собак не является подмножеством друг друга. Порядки, подобные отношению "является подмножеством", для которых существуют несравнимые элементы, называются частичными порядками; порядки, для которых каждая пара элементов сопоставима, называются полными порядками. Теория порядка обобщает интуицию порядков, возникающую из таких примеров, в общем виде. Это достигается путем определения свойств, которыми должно обладать отношение ≤, чтобы быть математическим порядком. Такой более абстрактный подход имеет смысл, поскольку можно вывести множество теорем в общем случае, не сосредотачиваясь на деталях какого-либо конкретного порядка. Эти идеи затем можно легко применить ко многим менее абстрактным задачам. Благодаря широкому практическому применению порядков было определено множество специальных типов упорядоченных множеств, некоторые из которых выросли в самостоятельные математические области. Кроме того, теория порядка не ограничивается различными классами отношений упорядочения, но также рассматривает соответствующие функции между ними. Простой пример свойства порядка для функций можно найти в анализе, где часто встречаются монотонные функции.
Основные определения
В этом разделе вводятся упорядоченные множества на основе концепций теории множеств, арифметики и бинарных отношений.
Визуализация посета
Диаграммы Хассе могут визуально представлять элементы и отношения частичного упорядочения. Это графические изображения, где вершины соответствуют элементам частично упорядоченного множества, а отношение порядка указывается как ребрами, так и относительным расположением вершин. Порядок изображается снизу вверх: если элемент x меньше (предшествует) элементу y, то существует путь от x к y, направленный вверх. Часто ребра, соединяющие элементы, должны пересекаться, но элементы никогда не должны располагаться внутри ребра. Полезным упражнением является построение диаграммы Хассе для множества натуральных чисел, меньших или равных 13, упорядоченных отношением делимости (|). Даже некоторые бесконечные множества можно изобразить, накладывая многоточие ( ) на конечное подмножество. Это хорошо работает для натуральных чисел, но не для действительных чисел, где нет непосредственного следующего элемента больше 0; однако, во многих случаях можно получить интуитивное понимание, основанное на диаграммах подобного типа.
Особые элементы в рамках заказа
В частично упорядоченном множестве могут быть некоторые элементы, играющие особую роль. Наиболее простой пример даёт наименьший элемент частично упорядоченного множества. Например, 1 является наименьшим элементом положительных целых чисел, а пустое множество — наименьшим множеством в отношении подмножества. Формально, элемент m является наименьшим элементом, если: m ≤ a для всех элементов a порядка. Обозначение 0 часто используется для наименьшего элемента, даже когда речь не идёт о числах. Однако в порядках на множествах чисел это обозначение может быть неуместным или неоднозначным, поскольку число 0 не всегда является наименьшим. Пример даёт вышеупомянутое отношение делимости |, где 1 является наименьшим элементом, поскольку он делит все остальные числа. В отличие от этого, 0 — это число, которое делится на все остальные числа, и, следовательно, является наибольшим элементом порядка. Другие часто используемые термины для наименьших и наибольших элементов — это нижняя и верхняя границы, или нуль и единица. Наименьшие и наибольшие элементы могут не существовать, как показывает пример вещественных чисел. Но если они существуют, то они всегда единственны. В отличие от этого, рассмотрим отношение делимости на множестве {2, 3, 4, 5, 6}. Хотя это множество не имеет ни верхней, ни нижней границы, элементы 2, 3 и 5 не имеют элементов ниже них, а 4, 5 и 6 — не имеют элементов выше. Такие элементы называются минимальными и максимальными соответственно. Формально, элемент m является минимальным, если: a ≤ m влечёт a = m для всех элементов a порядка. Замена ≤ на ≥ даёт определение максимальности. Как показывает пример, может быть много максимальных элементов, и некоторые элементы могут быть одновременно максимальными и минимальными (например, 5 выше). Однако, если существует наименьший элемент, то он является единственным минимальным элементом порядка. Опять же, в бесконечных частично упорядоченных множествах максимальные элементы не всегда существуют; множество всех конечных подмножеств данного бесконечного множества, упорядоченное по включению подмножества, является одним из многих контрпримеров. Важным инструментом для обеспечения существования максимальных элементов при определённых условиях является лемма Зорна. Подмножества частично упорядоченных множеств наследуют порядок. Мы уже применили это, рассматривая подмножество {2, 3, 4, 5, 6} натуральных чисел с индуцированным отношением делимости. Теперь существуют также элементы частично упорядоченного множества, которые являются специальными по отношению к некоторому подмножеству порядка. Это приводит к определению верхней границы. Для подмножества S некоторого частично упорядоченного множества P, верхней границей S является элемент b из P, который выше всех элементов S. Формально это означает, что s ≤ b для всех s из S. Нижние границы, в свою очередь, определяются инвертированием порядка. Например, 5 является нижней границей натуральных чисел как подмножества целых чисел. Для множества множеств верхней границей этих множеств в отношении подмножества является их объединение. Фактически, эта верхняя граница весьма специфична: это наименьшее множество, содержащее все эти множества. Следовательно, мы нашли наименьшую верхнюю границу множества множеств. Это понятие также называется супремумом или объединением, и для множества S записывается как sup(S) или для его наименьшей верхней границы. И наоборот, наибольшая нижняя граница известна как инфимум или пересечение и обозначается как inf(S) или . Эти понятия играют важную роль во многих приложениях теории порядка. Для двух элементов x и y также записывают и для sup({x, y}) и inf({x, y}) соответственно. Например, 1 является инфимумом положительных целых чисел как подмножества целых чисел. Для другого примера рассмотрим снова отношение | на натуральных числах. Наименьшая верхняя граница двух чисел — это наименьшее число, которое делится на оба числа, то есть наименьшее общее кратное чисел. Наибольшие нижние границы, в свою очередь, задаются наибольшим общим делителем.
m ≤ a, for all elements a of the order. The notation 0 is frequently found for the least element, even when no numbers are concerned. However, in orders on sets of numbers, this notation might be inappropriate or ambiguous, since the number 0 is not always least. An example is given by the above divisibility order |, where 1 is the least element since it divides all other numbers. In contrast, 0 is the number that is divided by all other numbers. Hence it is the greatest element of the order. Other frequent terms for the least and greatest elements is bottom and top or zero and unit. Least and greatest elements may fail to exist, as the example of the real numbers shows. But if they exist, they are always unique. In contrast, consider the divisibility relation | on the set {2,3,4,5,6}. Although this set has neither top nor bottom, the elements 2, 3, and 5 have no elements below them, while 4, 5 and 6 have none above. Such elements are called minimal and maximal, respectively. Formally, an element m is minimal if:
a ≤ m implies a = m, for all elements a of the order. Exchanging ≤ with ≥ yields the definition of maximality. As the example shows, there can be many maximal elements and some elements may be both maximal and minimal (e. g. 5 above). However, if there is a least element, then it is the only minimal element of the order. Again, in infinite posets maximal elements do not always exist the set of all finite subsets of a given infinite set, ordered by subset inclusion, provides one of many counterexamples. An important tool to ensure the existence of maximal elements under certain conditions is Zorn's Lemma. Subsets of partially ordered sets inherit the order. We already applied this by considering the subset {2,3,4,5,6} of the natural numbers with the induced divisibility ordering. Now there are also elements of a poset that are special with respect to some subset of the order. This leads to the definition of upper bounds. Given a subset S of some poset P, an upper bound of S is an element b of P that is above all elements of S. Formally, this means that
s ≤ b, for all s in S.
Lower bounds again are defined by inverting the order. For example, 5 is a lower bound of the natural numbers as a subset of the integers. Given a set of sets, an upper bound for these sets under the subset ordering is given by their union. In fact, this upper bound is quite special: it is the smallest set that contains all of the sets. Hence, we have found the least upper bound of a set of sets. This concept is also called supremum or join, and for a set S one writes sup(S) or for its least upper bound. Conversely, the greatest lower bound is known as infimum or meet and denoted inf(S) or These concepts play an important role in many applications of order theory. For two elements x and y, one also writes and for sup({x,y}) and inf({x,y}), respectively. For example, 1 is the infimum of the positive integers as a subset of integers. For another example, consider again the relation | on natural numbers. The least upper bound of two numbers is the smallest number that is divided by both of them, i. e. the least common multiple of the numbers. Greatest lower bounds in turn are given by the greatest common divisor.
Двойственность
В предыдущих определениях мы часто отмечали, что понятие может быть определено простым изменением порядка в предыдущем определении. Это справедливо для "наименьшего" и "наибольшего", для "минимального" и "максимального", для "верхней границы" и "нижней границы", и так далее. Это общая ситуация в теории порядка: заданный порядок можно инвертировать, просто изменив его направление, что графически соответствует отражению диаграммы Хассе относительно вертикальной оси. Это приводит к так называемому двойственному, обратному или противоположному порядку. Каждое определение в теории порядка имеет свой двойственный аналог: это понятие, которое получается при применении исходного определения к обратному порядку. Поскольку все понятия симметричны, эта операция сохраняет теоремы о частичных порядках. Для любого математического результата можно инвертировать порядок и заменить все определения на их двойственные аналоги, получив тем самым другую верную теорему. Это важно и полезно, поскольку позволяет получить две теоремы, приложив усилия для доказательства только одной. Более подробную информацию и примеры можно найти в статье о двойственности в теории порядка.
Создание новых заказов
Есть много способов построить упорядочения из заданных упорядочений. Двойное упорядочение – один из примеров. Другая важная конструкция – декартово произведение двух частично упорядоченных множеств, рассматриваемое вместе с порядком произведения на парах элементов. Упорядочение определяется следующим образом: (a, x) ≤ (b, y) тогда и только тогда, когда a ≤ b и x ≤ y. (Внимательно заметьте, что в этом определении символ отношения ≤ имеет три различных значения.) Разъединенное объединение двух частично упорядоченных множеств – еще один типичный пример построения упорядочения, где порядок является просто (разъединенным) объединением исходных упорядочений. Любое частичное упорядочение ≤ порождает так называемое строгое упорядочение <, определяемое условием a < b, если a ≤ b и неверно, что b ≤ a. Это преобразование обратимо: a ≤ b, если a < b или a = b. Оба понятия эквивалентны, хотя в некоторых случаях одно из них может быть удобнее в использовании, чем другое.
Функции между порядками
Разумно рассматривать функции между частично упорядоченными множествами, обладающими определенными дополнительными свойствами, связанными с отношениями упорядочения этих множеств. Наиболее фундаментальным условием в этом контексте является монотонность. Функция f из частично упорядоченного множества P в частично упорядоченное множество Q называется монотонной, или сохраняющей порядок, если a ≤ b в P влечет f(a) ≤ f(b) в Q (отмечая, что, строго говоря, эти два отношения различны, поскольку они применимы к разным множествам). Обратное этому утверждению приводит к функциям, отражающим порядок, то есть к функциям f, как описано выше, для которых f(a) ≤ f(b) влечет a ≤ b. С другой стороны, функция может быть также обратной по порядку, или антитоной, если a ≤ b влечет f(a) ≥ f(b). Вложение порядка – это функция f между порядками, которая одновременно сохраняет порядок и отражает порядок. Примеры этих определений легко найти. Например, функция, отображающая натуральное число в его следующее число, явно монотонна относительно естественного порядка. Любая функция из дискретного порядка, то есть из множества, упорядоченного отношением тождества "=", также монотонна. Отображение каждого натурального числа в соответствующее действительное число является примером вложения порядка. Дополнение множества на булеане является примером антитоной функции. Важным вопросом является то, когда два порядка "по существу равны", то есть когда они совпадают с точностью до переименования элементов. Изоморфизмы порядка – это функции, определяющие такое переименование. Изоморфизм порядка – это монотонная биективная функция, имеющая монотонную обратную функцию. Это эквивалентно сюръективному вложению порядка. Следовательно, образ f(P) вложения порядка всегда изоморфен P, что оправдывает термин "вложение". Более сложный тип функций задается так называемыми связями Галуа. Монотонные связи Галуа можно рассматривать как обобщение изоморфизмов порядка, поскольку они состоят из пары функций, действующих в противоположных направлениях, которые "не совсем" являются обратными друг другу, но все же тесно связаны. Другим специальным типом самоотображений частично упорядоченного множества являются операторы замыкания, которые не только монотонны, но и идемпотентны, то есть f(x) = f(f(x)), и экстенсивны (или инфляционные), то есть x ≤ f(x). Они имеют множество применений в различных типах "замыканий", возникающих в математике. Помимо совместимости с самими отношениями порядка, функции между частично упорядоченными множествами могут также хорошо взаимодействовать со специальными элементами и конструкциями. Например, при рассмотрении частично упорядоченных множеств с наименьшим элементом, может быть разумно рассматривать только монотонные функции, сохраняющие этот элемент, то есть отображающие наименьшие элементы в наименьшие элементы. Если существуют бинарные инфима ∧, то разумным свойством может быть требование f(x ∧ y) = f(x) ∧ f(y) для всех x и y. Все эти свойства, и даже многие другие, можно объединить под названием функций, сохраняющих пределы. Наконец, можно изменить точку зрения, перейдя от функций над порядками к порядкам над функциями. Действительно, функции между двумя частично упорядоченными множествами P и Q можно упорядочить посредством поточечного порядка. Для двух функций f и g, f ≤ g, если f(x) ≤ g(x) для всех элементов x из P. Это, например, происходит в теории доменов, где функциональные пространства играют важную роль.
Подмножества упорядоченных множеств
В упорядоченном множестве можно определить множество типов специальных подмножеств, основанных на заданном порядке. Простым примером служат верхние множества, то есть множества, содержащие все элементы, находящиеся выше них в порядке. Формально, верхнее замыкание множества S в частично упорядоченном множестве P определяется как множество {x ∈ P | существует y ∈ S такое, что y ≤ x}. Множество, равное своему верхнему замыканию, называется верхним множеством. Нижние множества определяются двойственно. Более сложными нижними подмножествами являются идеалы, которые обладают дополнительным свойством: для любых двух своих элементов существует верхняя граница внутри идеала. Двойственными к ним являются фильтры. Связанным понятием является направленное подмножество, которое, как и идеал, содержит верхние границы конечных подмножеств, но не обязательно является нижним множеством. Кроме того, оно часто обобщается на предварительно упорядоченные множества. Подмножество, которое как частично упорядоченное множество является линейно упорядоченным, называется цепью. Противоположным понятием является антицепь – подмножество, не содержащее двух сравнимых элементов, то есть представляющее собой дискретный порядок.
Связанные математические области
Хотя в большинстве областей математики порядки используются так или иначе, существуют также несколько теорий, связи в которых выходят далеко за рамки простого применения. Ниже будут представлены некоторые из них, наряду с основными точками их соприкосновения с теорией порядка.
Универсальная алгебра
Как уже упоминалось, методы и формализмы универсальной алгебры являются важным инструментом для многих теоретико-порядковых исследований. Помимо формализации порядков в терминах алгебраических структур, удовлетворяющих определенным тождествам, можно также установить и другие связи с алгеброй. Примером служит соответствие между булевыми алгебрами и булевыми кольцами. Другие вопросы касаются существования свободных конструкций, таких как свободные решетки, построенные на заданном множестве образующих. Кроме того, операторы замыкания играют важную роль в изучении универсальной алгебры.
Топология
В топологии порядки играют очень важную роль. Фактически, множество открытых множеств предоставляет классический пример полной решетки, а точнее, полной алгебры Хейтинга (или "рамки" или "локуса"). Фильтры и сети – понятия, тесно связанные с теорией порядка, а оператор замыкания множеств можно использовать для определения топологии. Помимо этих связей, топологию можно рассматривать исключительно с точки зрения решеток открытых множеств, что приводит к изучению бесструктурной топологии. Кроме того, естественный предзаказ элементов базового множества топологии задается так называемым порядком специализации, который фактически является частичным порядком, если топология является T₀. И наоборот, в теории порядка часто используют топологические результаты. Существуют различные способы определения подмножеств порядка, которые можно рассматривать как открытые множества топологии. Рассматривая топологии на частично упорядоченном множестве (X, ≤), которые, в свою очередь, индуцируют ≤ как свой порядок специализации, то наитончайшая такая топология – это топология Александрова, задаваемая взятием всех верхних множеств в качестве открытых. И наоборот, наиболее грубая топология, индуцирующая порядок специализации, – это верхняя топология, имеющая в качестве подбазы дополнения главных идеалов (то есть множества вида {y ∈ X | y ≤ x} для некоторого x). Кроме того, топология с порядком специализации ≤ может быть согласованной с порядком, что означает, что её открытые множества "не достижимы направленными супремумами" (относительно ≤). Наитончайшая согласованная с порядком топология – это топология Скотта, которая грубее топологии Александрова. Третья важная топология в этом духе – топология Лоусона. Существуют тесные связи между этими топологиями и понятиями теории порядка. Например, функция сохраняет направленные супремумы тогда и только тогда, когда она непрерывна относительно топологии Скотта (по этой причине это свойство теории порядка также называется скоттовской непрерывностью).
Теория категорий
Визуализация порядков с помощью диаграмм Хассе имеет прямое обобщение: вместо отображения меньших элементов ниже больших, направление порядка также может быть изображено указанием направлений ребер графа. Таким образом, каждый порядок представляется эквивалентным ориентированному ациклическому графу, где узлами являются элементы полурешётки, и существует ориентированный путь из a в b тогда и только тогда, когда a ≤ b. Отбросив требование ацикличности, можно также получить все предпорядки. Когда эти графы дополнены всеми транзитивными ребрами, они, в свою очередь, становятся специальными категориями, где элементы являются объектами, а каждое множество морфизмов между двумя элементами содержит не более одного элемента. Функции между порядками становятся функторами между категориями. Многие идеи теории порядка – это просто концепции теории категорий в миниатюре. Например, инфимум – это просто категорическое произведение. В более общем виде, инфимумы и супремумы можно представить с помощью абстрактного понятия категорического предела (или копредела, соответственно). Категорические идеи также встречаются в концепции (монотонной) связи Галуа, которая эквивалентна паре сопряжённых функторов. Но теория категорий оказывает влияние на теорию порядка и в более широком масштабе. Классы полурешёток с соответствующими функциями, как обсуждалось выше, образуют интересные категории. Часто построения порядков, такие как порядковый порядок, также можно сформулировать в терминах категорий. Дальнейшие идеи возникают, когда категории порядков оказываются категорически эквивалентными другим категориям, например, категориям топологических пространств. Эта линия исследований приводит к различным теоремам о представлении, часто объединяемым под названием двойственности Стоуна.