필터 (수학)
순서론에서 필터(영어: filter)는 어떤 원순서 집합의 하향 상집합이며, 반대로 순서 아이디얼(順序ideal, 영어: order ideal)은 어떤 원순서 집합의 상향 하집합이다.
일반위상수학에서 필터의 개념은 점렬의 일반화로 사용되며, 수리논리학에서 필터는 초곱을 정의하는 데 쓰인다. 예를 들어, 초실수의 집합은 자연수 집합 위의 극대 필터를 사용하여 정의된다.
정의
편집필터와 순서 아이디얼
편집원순서 집합 의 부분 집합 가운데 다음 두 조건을 만족시키는 것을 필터라고 한다.
원순서 집합 의 부분 집합 가운데 다음 두 조건을 만족시키는 것을 순서 아이디얼이라고 한다.
소 필터와 소 순서 아이디얼
편집원순서 집합 의 필터 에 대하여, 만약 가 아이디얼이라면, 를 소 필터(영어: prime filter), 를 소 순서 아이디얼(영어: prime order ideal)이라고 한다.
극대 필터와 극대 순서 아이디얼
편집원순서 집합 의 필터들은 부분 집합 관계에 대하여 부분 순서 집합 을 이루며, 만약 가 하향 원순서 집합이라면 그 최대 원소는 자체이다. 이 경우, 의 극대 원소를 극대 필터(極大filter, 영어: maximal filter) 또는 초필터(超filter, 영어: ultrafilter 울트라필터[*])라고 한다.
마찬가지로, 원순서 집합 의 순서 아이디얼들은 부분 집합 관계에 대하여 부분 순서 집합 을 이루며, 만약 가 상향 원순서 집합이라면 그 최대 원소는 자체이다. 이 경우 의 극대 원소를 극대 순서 아이디얼(極大順序ideal, 영어: maximal order ideal)라고 한다.
성질
편집합집합과 교집합
편집같은 원순서 집합 속의 두 필터의 합집합이나 교집합은 일반적으로 필터가 아니며, 순서 아이디얼의 경우도 마찬가지다. 다만, 원순서 집합 속의 필터들의 사슬 에 대하여, 합집합 은 필터를 이룬다. 그러나 교집합 는 여전히 필터가 아닐 수 있다. 마찬가지로, 순서 아이디얼들의 사슬의 합집합은 순서 아이디얼이지만, 교집합은 순서 아이디얼이 아닐 수 있다.
예를 들어, 자연수 집합 에 서로 비교 불가능한 두 개의 무한대 , 를 추가하였을 때,
는 필터이지만,
는 하향 원순서 집합이 아니므로 필터가 아니다.
극대 필터 정리
편집다음과 같은 데이터가 주어졌다고 하자.
극대 필터 정리(極大filter定理, 영어: maximal filter theorem)에 따르면, 를 포함하는 극대 필터가 항상 적어도 하나 이상 존재한다. 이는 초른 보조정리로 쉽게 증명된다.
증명:
마찬가지로, 최대 원소를 갖는 상향 원순서 집합 에서, 전체가 아닌 모든 순서 아이디얼은 극대 순서 아이디얼에 포함된다.
격자
편집격자 의 부분 집합 에 대하여 다음 세 조건이 서로 동치이다.
- 는 순서 아이디얼이다.
- 다음 세 조건이 성립한다.
- 공집합이 아니다.
- 에 대하여 이다.
- 및 에 대하여 이다.
- 인 이음 반격자 준동형 가 존재한다.
격자 의 부분 집합 에 대하여 다음 세 조건이 서로 동치이다.
- 는 필터이다.
- 다음 세 조건이 성립한다.
- 공집합이 아니다.
- 에 대하여 이다.
- 및 에 대하여 이다.
- 인 만남 반격자 준동형 가 존재한다.
격자 의 부분 집합 에 대하여 다음 세 조건이 서로 동치이다.
- 는 소 순서 아이디얼이다.
- 는 소 필터이다.
- 인 격자 준동형 가 존재한다.
필터 격자와 순서 아이디얼 격자
편집일반적인 격자의 순서 아이디얼/필터들의 부분 순서 집합은 격자일 필요가 없다. 순서 아이디얼들/필터들의 교집합이 공집합일 수 있기 때문이다. 유계 이음 반격자 의 순서 아이디얼들의 부분 순서 집합 은 대수적 격자를 이룬다. (이는 모든 순서 아이디얼은 그 속의 주 순서 아이디얼들의 상한이며, 모든 주 순서 아이디얼은 순서 아이디얼 격자의 콤팩트 원소이기 때문이다.) 순서 아이디얼들의 집합 의 상한과 하한은 다음과 같다.
쌍대적으로, 유계 만남 반격자 의 필터들의 부분 순서 집합 은 대수적 격자를 이룬다. (이는 모든 필터는 그 속의 주 필터들의 상한이며, 모든 주 필터는 필터 격자의 콤팩트 원소이기 때문이다.) 필터들의 집합 의 상한과 하한은 다음과 같다.
반대로 모든 대수적 격자는 어떤 유계 이음 반격자의 순서 아이디얼 격자와 동형이며, 마찬가지로 어떤 유계 만남 반격자의 필터 격자와 동형이다.[1]:53, Theorem 42
격자 에 대하여, 다음 세 조건이 서로 동치이다.[1]:111, Corollary 104
볼록 부분 격자
편집원순서 집합 의 부분 집합 가 다음 두 조건을 만족시키면, (순서) 볼록 집합(영어: (order) convex set)이라고 한다.
- 임의의 및 에 대하여, 만약 라면,
격자 의 순서 아이디얼 와 필터 의 교집합 는 항상 의 볼록 부분 격자이다. 반대로, 모든 공집합이 아닌 볼록 부분 격자는 순서 아이디얼과 필터의 교집합으로 유일하게 나타낼 수 있다.[1]:34, Lemma 9
증명:
격자 의 순서 아이디얼 와 필터 가 주어졌다고 하자. 와 가 부분 격자이므로, 교집합 역시 부분 격자이다. 및 이 주어졌고, 라고 하자. 그렇다면 가 하집합이므로 이며, 가 상집합이므로 이다. 따라서, 는 의 볼록 부분 격자이다.
반대로, 의 볼록 부분 격자 가 주어졌다고 하자. 그렇다면, 는 상향 집합이자 하향 집합이다. 를 포함하는 최소의 순서 아이디얼 및 필터 를 생각하자. 그렇다면, 자명하게 이다. 또한, 가 볼록 부분 격자이므로 이다. 따라서 는 순서 아이디얼 와 필터 의 교집합이다.
이제, 의 볼록 부분 격자 가 순서 아이디얼 와 필터 의 교집합이라고 하자. 쌍대성에 따라, 를 보이면 족하다. 이므로 이다. 반대로 라고 하자. 임의의 를 취하자. 그렇다면, 이므로 이며, 이므로 이다. 즉, 이다. 이므로, 이다.
불 대수
편집불 대수 는 다음과 같이 표준적으로 가환환으로 여길 수 있다.
또한, 불 대수 는 다음과 같이 표준적으로 부분 순서 집합으로 여길 수 있다.
그렇다면, 의 순서 아이디얼의 개념은 가환환으로서의 아이디얼의 개념과 일치한다.
불 대수 위의 필터 에 대하여 다음 조건들이 서로 동치이다.
- 는 극대 필터이다.
- 임의의 에 대하여, 이거나 이다.
- 는 극대 순서 아이디얼이다.
그물의 유도 필터
편집집합 와 상향 원순서 집합 및 그물 가 주어졌다고 하자. 그렇다면, 의 꼬리들의 집합
은 하향 원순서 집합을 이루며, 이로부터 생성되는 필터
를 그물 의 유도 필터(영어: derived filter)라고 한다.
마찬가지로, 집합 와 하향 원순서 집합 및 함수 가 주어졌다고 하자. 그렇다면, 의 머리들의 집합
은 상향 원순서 집합을 이루며, 이로부터 생성되는 아이디얼
를 의 유도 순서 아이디얼(영어: derived order ideal)라고 한다.
수열은 그물의 특수한 경우이므로, 마찬가지로 유도 필터를 정의할 수 있다.
필터에 대응되는 그물
편집모든 그물에 필터가 대응되는 것처럼, 모든 필터에도 그물을 대응시킬 수 있다. 따라서, 위상 수학에서 그물 이론과 필터 이론은 사실상 동치이다.[2]
에 다음과 같은 원순서를 줄 수 있다.
만약 가 상향 원순서 집합이며 이라면 역시 상향 원순서 집합이며,
는 그물을 이룬다. 반대로, 가 하향 원순서 집합이며 라면 역시 하향 원순서 집합이며,
는 그물을 이룬다.
멱집합 위의 필터
편집집합 의 멱집합 위의 필터 에 대하여 다음 조건들이 서로 동치이다.
- 는 극대 필터이다.
- 이며, 임의의 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.
- 이며, 임의의 에 대하여, 이거나 이다.
따라서, 집합 의 멱집합 위의 극대 필터 는 대략 "대부분"의 개념의 추상화로 여길 수 있다. 즉, 어떤 집합의 부분 집합 는 "대부분"이거나 ( ), 아니면 그 여집합이 "대부분"이다 ( ).
는 극대 필터이다. 유한 집합의 멱집합 위의 극대 필터는 모두 위와 같은 꼴이다.
완비 극대 필터
편집기수 에 대하여, -완비 극대 필터(영어: -complete maximal filter)는 다음 성질을 만족시키는, 집합 위의 극대 필터 이다.
- 임의의 에 대하여, 만약 라면 이다.
정의에 따라, 모든 극대 필터는 -완비 극대 필터이다.
집합 위의 극대 필터 의 완비성 는 다음 조건을 만족시키는 가장 작은 기수이다.
- 이며 인 가 존재한다.
만약 완비성이 존재한다면, 완비성은 정의에 따라 항상 이상이다. 주 극대 필터의 경우, 완비성이 존재하지 않는다.
예
편집자명한 필터
편집임의의 하향 원순서 집합 속에서, 자체는 필터를 이룬다. 마찬가지로, 임의의 상향 원순서 집합 속에서, 자체는 순서 아이디얼을 이룬다.
주 필터와 주 아이디얼
편집어떤 원소 를 포함하는 가장 작은 필터를 주 필터(영어: principal filter)로 부르며,
로 표기한다. 어떤 원소 를 포함하는 가장 작은 아이디얼을 주 순서 아이디얼(영어: principal order ideal)로 부르며,
로 표기한다.
원순서 집합 의 극소 필터는 그 극대 원소로 생성되는 주 필터이다. 마찬가지로, 원순서 집합의 극소 순서 아이디얼은 그 극소 원소로 생성되는 주 순서 아이디얼이다.
프레셰 필터
편집집합 및 무한 기수 에 대하여,
는 위의 필터를 이룬다. 만약 이라면, 이는 쌍대유한집합들의 집합이며, 이를 프레셰 필터(영어: Fréchet filter)라고 한다.
근방 필터
편집위상 공간에서, 주어진 점의 모든 근방들은 근방 필터라는 필터를 이룬다. 필터가 주어진 점에 수렴한다는 것은 근방 필터를 포함하는 것을 의미한다.
역사
편집순서 아이디얼의 개념은 불 대수에 대하여 1934년에 마셜 하비 스톤이 도입하였다.[3] "순서 아이디얼"이라는 이름은 불 대수의 순서 아이디얼은 가환환으로서의 아이디얼과 일치하기 때문에 사용되었다. 1937년에 스톤은 순서 아이디얼을 격자에 대하여 "μ-아이디얼"(영어: μ-ideal)이라는 이름으로 일반화하였다.[4]:3, Definition 1 마찬가지로, 스톤은 격자 속의 필터를 "α-아이디얼"(영어: α-ideal)이라고 명명하였다.[4]:4, Definition 1
이와 독자적으로, 앙리 카르탕은 1937년에 점렬의 개념을 일반화하여 "필터"(프랑스어: filtre 필트르[*])와 "초필터"(프랑스어: ultrafiltre 윌트라필트르[*])라는 용어를 도입하였다.[5][6] 이후 니콜라 부르바키가 이 개념을 널리 사용하여 대중화하였다.
각주
편집- ↑ 가 나 다 Grätzer, George (2011). 《Lattice Theory: Foundation》 (영어). Basel: Springer. doi:10.1007/978-3-0348-0018-1. ISBN 978-3-0348-0017-4. LCCN 2011921250. MR 2768581. Zbl 1233.06001.
- ↑ Bartle, R. G. (1955년 10월). “Nets and filters in topology”. 《The American Mathematical Monthly》 (영어) 62 (8): 551–557. doi:10.2307/2307247. JSTOR 2307247. MR 0073153. Zbl 0065.37901.
- ↑ Stone, M. H. (1934년 3월). “Boolean algebras and their application to topology”. 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》 (영어) 20 (3): 197–202. doi:10.1073/pnas.20.3.197. JFM 60.0108.02. PMC 1076376. Zbl 0010.08104.
- ↑ 가 나 Stone, M. H. (1937). “Topological representation of distributive lattices and Brouwerian logics”. 《Časopis pro pěstování matematiky a fysiky》 (영어) 67 (1): 1–25. ISSN 1802-114X. JFM 63.0830.01. Zbl 0018.00303.
- ↑ Cartan, Henri (1937). “Théorie des filtres”. 《Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences》 (프랑스어) 205: 595-598. JFM 63.0569.02. Zbl 0017.24305.
- ↑ Cartan, Henri (1937). “Filtres et ultrafiltres”. 《Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences》 (프랑스어) 205: 777-779. JFM 63.0569.03. Zbl 0018.00302.
- Comfort, W. W. (1977). “Ultrafilters: some old and some new results”. 《Bulletin of the American Mathematical Society》 (영어) 83 (4): 417–455. doi:10.1090/S0002-9904-1977-14316-4. ISSN 0002-9904. MR 0454893.
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- Bergelson, Vitaly (2010). 〈Ultrafilters, IP sets, dynamics, and combinatorial number theory〉 (PDF). Bergelson, Vitaly; Blass, Andreas; Di Nasso, Mauro; Jin, Renling. 《Ultrafilters across Mathematics》. Contemporary Mathematics (영어) 530. American Mathematical Society. 23–47쪽. doi:10.1090/conm/530/10439. ISBN 978-0-8218-4833-3. MR 2757532.
- Fremlin, D. H. (2010). 〈Measure-centering ultrafilters〉 (PDF). Bergelson, Vitaly; Blass, Andreas; Di Nasso, Mauro; Jin, Renling. 《Ultrafilters across Mathematics》. Contemporary Mathematics (영어) 530. American Mathematical Society. 73–120쪽. doi:10.1090/conm/530/10441. ISBN 978-0-8218-4833-3. MR 2757534. 2016년 3월 25일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2016년 6월 16일에 확인함.
- Neeman, Italy (2010). 〈Ultrafilters and large cardinals〉 (PDF). Bergelson, Vitaly; Blass, Andreas; Di Nasso, Mauro; Jin, Renling. 《Ultrafilters across Mathematics》. Contemporary Mathematics (영어) 530. American Mathematical Society. 181–200쪽. doi:10.1090/conm/530/10445. ISBN 978-0-8218-4833-3. MR 2757538.
외부 링크
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- “Ideal”. 《Encyclopedia of Mathematics》 (영어). Springer-Verlag. 2001. ISBN 978-1-55608-010-4.
- “Ultrafilter”. 《Encyclopedia of Mathematics》 (영어). Springer-Verlag. 2001. ISBN 978-1-55608-010-4.
- Weisstein, Eric Wolfgang. “Filter”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.
- Weisstein, Eric Wolfgang. “Ultrafilter”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research.
- “Filter”. 《nLab》 (영어).
- “Ideal”. 《nLab》 (영어).
- “Prime ideal theorem”. 《nLab》 (영어).
- “Ultrafilter”. 《nLab》 (영어).
- “Ultrafilter theorem”. 《nLab》 (영어).
- “Definition: filter”. 《ProofWiki》 (영어).
- “Definition: filter on set”. 《ProofWiki》 (영어).
- “Boolean prime ideal theorem”. 《ProofWiki》 (영어).
- “Ultrafilter lemma”. 《ProofWiki》 (영어).
- Tao, Terrence (2007년 6월 25일). “Ultrafilters, nonstandard analysis, and epsilon management”. 《What’s New》 (영어).
- Leinster, Tom (2011년 7월 2일). “Definitions of ultrafilter”. 《The n-Category Café》 (영어).
- Yuan, Qiaochu (2010년 11월 22일). “Boolean rings, ultrafilters, and Stone’s representation theorem”. 《Annoying Precision》 (영어).
- Yuan, Qiaochu (2010년 12월 9일). “Ultrafilters in topology”. 《Annoying Precision》 (영어).
- Yuan, Qiaochu (2010년 12월 14일). “Ultrafilters in Ramsey theory”. 《Annoying Precision》 (영어).