拡張 (集合)
$ \lang\mathcal B\rang_X:=\Set{B\in2^X|2^B\cap\mathcal B\neq\varnothing}を$ \mathcal Bの拡張と呼ぶことにするtakker.icon
一般に通用する用語でない点に注意
「拡張」は1.の言い回しを採用した
$ _Xを付す記法はtakker.icon独自のもの
置換公理を満たすために必要
filter基からfilter (数学)を生成するのに使う計算を一つの演算子としてまとめたもの
$ \mathcal F\subseteq2^Xがfilter基のとき、$ \lang\mathcal F\rang_Xがfilter (数学)になる
別表現
$ \lang\mathcal B\rang_X=\Set{B\in2^X|\exist B'\subseteq B:B'\in\mathcal B}
性質
$ \forall X,\mathcal F:\mathcal F\cap2^X\neq\varnothing\iff X\in\lang\mathcal F\rang_X∀X,ℱ(ℱ∩2^X≠∅⇔X∈⟨ℱ⟩X)
$ \forall X,\mathcal F:\varnothing\in\mathcal F\iff2^X=\lang\mathcal F\rang_X∀X,ℱ(∅∈ℱ⇔2^X=⟨ℱ⟩X)
$ \because\forall X,\mathcal F:
$ \varnothing\in\mathcal F
$ \iff\forall F\in2^X:\varnothing\subseteq F\land\varnothing\in\mathcal F
$ \iff\forall F\in2^X\exist F'\subseteq F:F'\in\mathcal F
$ \because F=\varnothingを代入すれば、$ \exist F'\subseteq\varnothing:F'\in\mathcal Fつまり$ \varnothing\in\mathcal Fとなり、元に戻せる
$ \iff2^X\subseteq\lang\mathcal F\rang_X
$ \underline{\iff2^X=\lang\mathcal F\rang_X\quad}_\blacksquare
$ \because定義より$ \lang\mathcal F\rang_X\subseteq2^X
$ \forall X,\mathcal F:\varnothing\in\mathcal F\iff\varnothing\in\lang\mathcal F\rang_X∀X,ℱ(∅∈ℱ⇔∅∈⟨ℱ⟩X)
$ \because\forall X,\mathcal F:
$ \varnothing\in\mathcal F
$ \iff\varnothing\in2^X\land\varnothing\subseteq\varnothing\in\mathcal F
$ \iff\varnothing\in2^X\land\exist F'\subseteq\varnothing:F'\in\mathcal F
$ \underline{\iff\varnothing\in\lang\mathcal F\rang_X\quad}_\blacksquare
$ \forall X,\mathcal F,\mathcal G:\lang\mathcal F\cup\mathcal G\rang_X=\lang\mathcal F\rang_X\cup\lang\mathcal G\rang_X
$ \forall X,\mathcal G\forall\mathcal F\subseteq\mathcal G:\lang\mathcal F\rang_X\subseteq\lang\mathcal G\rang_X∀X,𝒢∀ℱ⊆𝒢(⟨ℱ⟩X⊆⟨𝒢⟩X)
$ \forall X,\mathcal F\forall F_1,F_2\in2^X:F_1\cap F_2\in\lang\mathcal F\rang_X\implies F_1,F_2\in\lang\mathcal F\rang_X∀X,ℱ∀F1,F2∈2^X(F1∩F2∈⟨ℱ⟩X⇒F1,F2∈⟨ℱ⟩X)
$ \forall X,\mathcal F:\mathcal F\cap2^X\subseteq\lang\mathcal F\rang_X∀X,ℱ(ℱ∩2^X⊆⟨ℱ⟩X)
$ \forall X,Y,\mathcal F:X\subseteq Y\lor\mathcal F\subseteq2^Y\implies\lang\lang\mathcal F\rang_Y\rang_X=\lang\mathcal F\rang_X
$ \forall X,\mathcal F:\lang\lang\mathcal F\rang_X\rang_X=\lang\mathcal F\rang_X∀X,ℱ(⟨⟨ℱ⟩X⟩X=⟨ℱ⟩X)
$ \because\forall X,\mathcal F:
$ \lang\lang\mathcal F\rang_X\rang_X=\Set{F\in2^X|\exist F'\subseteq F:F'\in\lang\mathcal F\rang_X}
$ =\Set{F\in2^X|\exist F'\subseteq F\exist F''\subseteq F'\in2^X:F''\in\mathcal F}
$ =\Set{F\in2^X|\exist F'\exist F''\subseteq F'\subseteq F:F''\in\mathcal F}
$ \because F'\subseteq F\subseteq Xだから$ F'\in2^Xはいらない
$ =\Set{F\in2^X|\exist F''\subseteq F:F''\in\mathcal F}
$ =\lang\mathcal F\rang_X
$ \forall X,\mathcal F:\left(\lang\mathcal F\rang_X\subseteq\mathcal F\iff\forall F_1,F_2\in2^X:(F_1\cap F_2\in\mathcal F\implies F_1,F_2\in\mathcal F)\right)∀X,ℱ(⟨ℱ⟩X⊆ℱ⇔∀F1,F2∈2^X(F1∩F2∈ℱ⇒F1,F2∈ℱ))
$ \lang\Set{A}\rang_X=\Set{F\in2^X|2^F\cap\Set{A}\neq\varnothing}
$ =\Set{F\in2^X|A\subseteq F}
$ \left.\lang\Set{A}\rang_X\right|_A=\set{F|\exist F':F=F'\cap A\land A\subseteq F'\subseteq X}
$ =\set{F|\exist F':F=F'\cap A=A\land F'\subseteq X}
$ =\Set{A}
$ \lang\Set{A}\rang_A=\Set{F\in2^A|2^F\cap\Set{A}\neq\varnothing}
$ =\Set{F\in2^A|A\subseteq F}
$ =\Set{A}
つまり、$ \Set{X}は$ X上のfilterになるのか?
制限 (集合)
$ \left.\mathcal F\right|_A:=\set{F|\exist F'\in\mathcal F:F=F'\cap A}
$ \mathcal Fの各元の元を$ Aに属するもののみに制限した集合
この記法はhttps://mathlog.info/articles/3502 のを用いた
$ \capだけでなく$ \setminusなどにも法則性がありそうフィルターの大小 · 収束空間
汎用的に定義し直す
$ \left.\mathcal F\right|_{\cap A}:=\Set{F|\exist F'\in\mathcal F:F=F'\cap A}
$ \left.\mathcal F\right|_{\setminus A}:=\Set{F|\exist F'\in\mathcal F:F=F'\setminus A}
性質
$ \forall X\neq\varnothing\forall A\neq\varnothing\forall\mathcal B:\lang\mathcal B\rang_X\in\mathscr F_X\implies\lang\left.\mathcal B\right|_{\cap A}\rang_A\in\mathscr F_A
proof
(F1),(F2)$ \exist B\in\mathcal B:B\neq\varnothing\neq Aより$ \left.\mathcal B\right|_{\cap A}\ni B\cap A\neq\varnothing
(F3a)$ \forall B_1,B_2:
$ B_1,B_2\in\left.\mathcal B\right|_{\cap A}
$ \iff\exist B_1',B_2'\in\mathcal B:
$ \begin{dcases}B_1=B_1'\cap A\\B_2=B_2'\cap A\end{dcases}
$ \implies\exist B_1',B_2'\in\mathcal B:B_1\cap B_2=(B_1'\cap B_2')\cap A
$ \implies\exist B_{12}\in\lang\mathcal B\rang_X:B_1\cap B_2=B_{12}\cap A
$ \iff\exist B'\exist B\subseteq B'\subseteq X:B_1\cap B_2=B'\cap A\land B\in\mathcal B
$ \implies\exist B'\exist B\in\mathcal B:B\cap A\subseteq B_1\cap B_2=B'\cap A\subseteq A
$ \implies\exist B\in\left.\mathcal B\right|_{\cap A}:B\subseteq B_1\cap B_2\subseteq A
$ \underline{\iff B_1\cap B_2\in\lang\left.\mathcal B\right|_{\cap A}\rang_A\quad}_\blacksquare
$ \forall X\neq\varnothing\forall A\forall\mathcal F\in\mathscr F_X:A\in\mathcal F\implies\left.\mathcal F\right|_{\cap A}\in\mathscr F_A
$ \because\forall X\neq\varnothing\forall\mathcal F\in\mathscr F_X:
$ A\in\mathcal F
$ \implies\begin{dcases}A\in\mathcal F\\\lang\left.\mathcal F\right|_{\cap A}\rang_A\in\mathscr F_A\end{dcases}
$ \because A\in\mathcal F\implies A\neq\varnothing
$ \implies\begin{dcases}\lang\left.\mathcal F\right|_{\cap A}\rang_A\in\mathscr F_A\\\forall F:\end{dcases}
$ F\in\lang\left.\mathcal F\right|_{\cap A}\rang_A
$ \iff\exist F'\subseteq F\subseteq A\exist F''\in\mathcal F:F'=F''\cap A
$ \iff\exist F'\subseteq F\subseteq A\exist F''\in\mathcal F:F'=F''\cap A\in\mathcal F
$ \because A\in\mathcal Fと(F3)
$ \implies F\subseteq A\land F\in\lang\mathcal F\rang_X
$ \subseteq\mathcal F
$ \because\mathcal Fの(F3b)
$ \implies F\in\mathcal F\land F=F\cap A
$ \iff F\in\left.\mathcal F\right|_{\cap A}
$ \underline{\implies\left.\mathcal F\right|_{\cap A}\in\mathscr F_A\quad}_\blacksquare
$ \forall X\forall A\in2^X\forall\mathcal F\in\mathscr F_X:A\notin\mathcal F\implies\mathcal F\subseteq\lang\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}\rang_X\in\mathscr F_X
参照先では$ \mathcal Fをfilter基としているが、filterにしないと証明できないはず
proof
(F1)$ \forall X\forall A\in2^X\forall\mathcal F\in\mathscr F_X:
$ A\notin\mathcal F
$ \implies\begin{dcases}\exist F:F\in\mathcal F\\A\notin\mathcal F\end{dcases}
$ \because\mathcal Fの(F1)
$ \implies\exist F:F\setminus A\in\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}
$ \underline{\implies\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}\neq\varnothing\quad}_\blacksquare
(F2)$ \forall X\forall A\in2^X\forall\mathcal F\in\mathscr F_X:
$ A\notin\mathcal F
$ \implies(
$ \varnothing\in\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}
$ \iff\exist F\in\mathcal F:\varnothing=F\setminus A
$ \iff\exist F\in\mathcal F:F\subseteq A
$ \iff A\in\lang\mathcal F\rang_X
$ \iff A\in\mathcal F
$ \because\mathcal Fの(F3b)
$ \implies\bot
$ )
$ \underline{\implies\varnothing\notin\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}\quad}_\blacksquare
(F3a)$ \forall X\forall A\in2^X\forall\mathcal F\in\mathscr F_X:
$ A\notin\mathcal F
$ \implies\forall F_1,F_2:
$ F_1,F_2\in\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}
$ \iff\exist F_1',F_2'\in\mathcal F:\begin{dcases}F_1=F_1'\setminus A\\F_2=F_2'\setminus A\end{dcases}
$ \implies\exist F_1',F_2'\in\mathcal F:F_1\cap F_2=(F_1'\setminus A)\cap(F_2'\setminus A)
$ = (F_1'\cap F_2')\setminus A
$ \implies\exist F'\in\mathcal F:F_1\cap F_2=F'\setminus A
$ \because\mathcal Fの(F3)
$ \iff F_1\cap F_2\in\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}
$ \subseteq\lang\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}\rang_X
$ \because ∀X,ℱ(ℱ∩2^X⊆⟨ℱ⟩X)
$ \underline{\implies\forall F_1,F_2\in\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}:F_1\cap F_2\in\lang\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}\rang_X\quad}_\blacksquare
$ \mathcal F\subseteq\lang\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}\rang_Xは以下で求まる
$ \forall X\forall F:
$ F\in\mathcal F\cap2^X
$ \iff F\setminus A\subseteq F\in\mathcal F\cap2^X
$ \implies\exist F'\in\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}:F'\subseteq F\subseteq X
$ \iff F\in\lang\left.\mathcal F\right|_{\setminus A}\rang_X
filter基
$ \lang\Set{H|\exist F\in\mathcal F\exist G\in\mathcal G:H=F\cap G}\rang_X
$ = \Set{H\in2^X|\exist H'\subseteq H\exist F\in\mathcal F\exist G\in\mathcal G: H'= F\cap G}
$ = \Set{H\in2^X|\exist F\in\mathcal F\exist G\in\mathcal G:F\cap G\subseteq H}
$ =\left\lang\bigcup_{G\in\mathcal G}\left.\mathcal F\right|_{\cap G}\right\rang_X
$ \mathcal F\Cap\mathcal G:=\Set{H|\exist F\in\mathcal F\exist G\in\mathcal G:H=F\cap G}とする
$ \forall F\in\mathcal F\forall G\in\mathcal G:F\cap G\neq\varnothingであれば (F1),(F2)は自明
(F3a)は
$ H_1,H_2\in\mathcal F\Cap\mathcal G
$ \iff\exist F_1,F_2\in\mathcal F\exist G_1,G_2\in\mathcal G:
$ \begin{dcases}H_1=F_1\cap G_1\\H_2=F_2\cap G_2\end{dcases}
$ \implies\exist F_1,F_2\in\mathcal F\exist G_1,G_2\in\mathcal G:H_1\cap H_2=(F_1\cap F_2)\cap(G_1\cap G_2)
$ \implies H_1\cap H_2\in\mathcal F\Cap\mathcal G
なので、$ \forall F\in\mathcal F\forall G\in\mathcal G:F\cap G\neq\varnothingなら$ \lang\mathcal F\Cap\mathcal G\rang_X\in\mathscr F_Xである
References
1. https://old.math.jp/wiki/フィルターによる位相空間論#.E5.AE.9A.E7.BE.A91.6_.EF.BC.88.E3.83.95.E3.82.A3.E3.83.AB.E3.82.BF.E3.83.BC.E3.81.AE.E5.88.B6.E9.99.90.E3.81.A8.E6.8B.A1.E5.BC.B5.EF.BC.89
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