半順序

Basis
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前提知識

数のリストを小さい順に並べるとき、そこには「順序」という概念が使われている。でも順序の考え方はもっと広い。集合を包含関係で並べたり、タスクを依存関係で並べたり、整数を整除関係で並べたりもできる。こういったすべての背後にある抽象的な構造が半順序(はんじゅんじょ、partial order)だ — 「以下またはイコール」という数学的な概念を厳密に定式化したもので、比較できない元のペアが存在してもかまわない。

二項関係

順序を定義する前に、集合の元どうしの関係を語る方法が必要だ。その核心となるのが直積(ちょくせき、Cartesian product)だ。

集合 AABB に対して、その直積 A×BA \times BaAa \in AbBb \in B なる順序対 (a,b)(a, b) をすべて集めた集合だ:

A×B    {(a,b)aA,  bB}A \times B \;\coloneqq\; \{(a, b) \mid a \in A,\; b \in B\}

例えば、{1,2}×{x,y}={(1,x),(1,y),(2,x),(2,y)}\{1, 2\} \times \{x, y\} = \{(1,x),\,(1,y),\,(2,x),\,(2,y)\}

集合 SS 上の二項関係(にこうかんけい、binary relation)とは、S×SS \times S の任意の部分集合 RS×SR \subseteq S \times S のことだ。(a,b)R(a, b) \in R のとき「aabb に関係する」と言い、aRba \mathbin{R} b と書く。この関係は RR が表すルールによって「関係する」順序対を記述している。

身近な例:

  • Z\mathbb{Z} 上の通常の \leq252 \leq 5 なので、順序対 (2,5)(2, 5) はこの関係に属する。
  • N\mathbb{N} 上の整除関係:aba \mid bkN\exists\, k \in \mathbb{N}b=kab = k \cdot a を意味する。
  • 冪集合上の集合の包含関係:{1}{1,2}\{1\} \subseteq \{1, 2\} なので、順序対 ({1},{1,2})(\{1\}, \{1, 2\}) はこの関係に属する。

3つの重要な性質

すべての二項関係が順序であるわけではない。順序関係を成り立たせるには、3つの構造的な条件を満たす必要がある。

反射性(はんしゃせい、reflexivity)。 すべての元は自分自身と関係する:

aS,aa\forall a \in S,\quad a \leq a

反対称性(はんたいしょうせい、antisymmetry)。 aba \leq b かつ bab \leq a ならば、aabb は等しい:

a,bS,ab   かつ   ba    a=b\forall a, b \in S,\quad a \leq b \;\text{ かつ }\; b \leq a \;\Longrightarrow\; a = b

これにより循環が排除される:異なる2つの元が互いに「下」になることはできない。

推移性(すいいせい、transitivity)。 aba \leq b かつ bcb \leq c ならば aca \leq c

a,b,cS,ab   かつ   bc    ac\forall a, b, c \in S,\quad a \leq b \;\text{ かつ }\; b \leq c \;\Longrightarrow\; a \leq c

順序が比較の連鎖を通じて「伝播する」という考え方を捉えている。

半順序の定義

SS 上の半順序とは、反射的・反対称的・推移的な SS 上の二項関係 \leq のことだ。組 (S,)(S, \leq)半順序集合(はんじゅんじょしゅうごう、partially ordered set)、またはポセット(poset)と呼ぶ。

記号 \leq は慣例的なものだが、この3つの公理を満たす二項関係であれば、どんな記号を使っていても半順序と呼べる。

狭義半順序

任意の半順序 \leq から、付随する狭義半順序(きょうぎはんじゅんじょ、strict partial order)<< が次のように定義される:

a<b    ab   かつ   aba < b \;\coloneqq\; a \leq b \;\text{ かつ }\; a \neq b

狭義版は非反射的(すべての aa に対して aaa \not< a)かつ非対称的a<bbaa < b \Rightarrow b \not< a)だ。どちらか一方からもう一方が決まるので、\leq<< のどちらを与えても半順序を指定できる。

\leq による整数の順序

(Z,)(\mathbb{Z}, \leq) は最もなじみ深い半順序だ。反射性(nnn \leq n)、反対称性(mnm \leq n かつ nmn \leq m なら m=nm = n)、推移性(mnm \leq n かつ npn \leq p なら mpm \leq p)がすべて成り立つ。この例では、任意の整数のペアが比較可能だ:任意の m,nZm, n \in \mathbb{Z} に対して、mnm \leq n または nmn \leq m のどちらかが成り立つ。

包含関係による冪集合

AA を任意の集合とし、P(A)\mathcal{P}(A)AA冪集合AA のすべての部分集合からなる集合 — とする。すると (P(A),)(\mathcal{P}(A), \subseteq) は半順序になる。

A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\} のとき、部分集合 {1,2}\{1, 2\}{2,3}\{2, 3\} を考えると、どちらももう一方を含まないので、\subseteq のもとで比較不能だ。これは (Z,)(\mathbb{Z}, \leq) では起こらない。

正の整数上の整除関係

b=kab = k \cdot a となる kNk \in \mathbb{N} が存在するとき aba \mid b(「aabb を割り切る」)と定義する。すると (Z>0,  )(\mathbb{Z}_{>0},\; \mid) は半順序になる:

  • 反射性: a=1aa = 1 \cdot a なので aaa \mid a。✓
  • 反対称性: 正の整数で aba \mid b かつ bab \mid a ならば a=ba = b。✓
  • 推移性: aba \mid b かつ bcb \mid c のとき、b=jab = j \cdot ac=kbc = k \cdot b と書けば c=(kj)ac = (kj) \cdot a となり aca \mid c。✓

しかし 2233 は比較不能だ:232 \nmid 3 かつ 323 \nmid 2

ハッセ図

有限ポセットに対しては、ハッセ図(Hasse diagram)を使うと簡潔に視覚化できる:

  • 各元をラベル付きの点として描く。
  • a<ba < b のとき bbaa より高い位置に配置する。
  • a<ba < b かつ a<c<ba < c < b となる cc が存在しない場合(これを被覆関係と呼ぶ)にのみ、aa から bb へ上向きの線を引く。
  • 推移性から導かれる線は省略する。

{1,2,3,6}\{1, 2, 3, 6\} 上の整除順序のハッセ図は、11 が一番下にあり、2233 が中段(それぞれ 11 と線でつながる)、66 が一番上(2233 とつながる)になる。11 から 66 への線は、1<2<61 < 2 < 6 という推移性から導かれるので省略される。

比較可能な元と比較不能な元

SS の2つの元 a,ba, b比較可能(ひかくかのう、comparable)とは、aba \leq b または bab \leq a が成り立つことだ。どちらも成り立たない場合は比較不能(ひかくふのう、incomparable)といい、aba \parallel b と書くこともある。

(Z,)(\mathbb{Z}, \leq) ではすべてのペアが比較可能だ。(P({1,2}),)(\mathcal{P}(\{1,2\}), \subseteq) では、1元集合 {1}\{1\}{2}\{2\} は比較不能だ。「半」順序の「半」はまさにここを指している:すべての元のペアが比較可能である必要はない。すべてのペアが比較可能になると、より強い概念 — 全順序(ぜんじゅんじょ、total order) — になり、次のチェックポイントで学ぶ。

極小・極大・最小・最大元

この4つの用語は混同しやすいので、それぞれの正確な意味を確認しよう。

mSm \in S極小元(きょくしょうげん、minimal element)であるとは、SS の中に mm より真に小さいものが存在しないことだ:

aS s.t. a<m\nexists\, a \in S \text{ s.t. } a < m

MSM \in S極大元(きょくだいげん、maximal element)であるとは、SS の中に MM より真に大きいものが存在しないことだ:

aS s.t. M<a\nexists\, a \in S \text{ s.t. } M < a

SS最小元(さいしょうげん、least element / minimum)とは、他のすべての元以下である元 m0m_0 のことだ:

aS,m0a\forall a \in S,\quad m_0 \leq a

SS最大元(さいだいげん、greatest element / maximum)とは、他のすべての元以上である元 M0M_0 のことだ:

aS,aM0\forall a \in S,\quad a \leq M_0

重要な違い。 最小元は自動的に極小元でもあるが、極小元が最小元とは限らない。ポセットは複数の極小元を持ちつつ、最小元を持たないこともある。

例。 S={2,3,6}S = \{2, 3, 6\} 上の整除関係を考えよう。2233 はどちらも極小元だ(SS の中にそれらを真に割り切る元がない)。しかし最小元は存在しない — 2233 は比較不能で、どちらももう一方以下ではないからだ。66 は極大元であり、また唯一の最大元でもある。なぜなら 262 \mid 6 かつ 363 \mid 6 だからだ。

最小元が存在する場合、それは反対称性によって一意だ。最大元についても同様だ。

まとめ

  • 直積 A×B={(a,b)aA,bB}A \times B = \{(a, b) \mid a \in A, b \in B\} は順序対をまとめる。SS 上の二項関係S×SS \times S の任意の部分集合だ。
  • SS 上の半順序 \leq反射的反対称的推移的な関係であり、組 (S,)(S, \leq)ポセットと呼ぶ。
  • 付随する狭義半順序 <<a<baba < b \coloneqq a \leq b かつ aba \neq b で定義される。
  • 主要な例:(Z,)(\mathbb{Z}, \leq)(P(A),)(\mathcal{P}(A), \subseteq)、正の整数上の整除関係。
  • 元のペアは比較可能(一方が他方以下)または比較不能(どちらでもない)のいずれかだ。
  • 最小(最大)元SS のすべての元以下(以上)であり一意に定まる。極小(極大)元は単に真に下(上)にあるものが存在しないだけで、一意とは限らない。