§E1.8順序集合

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実数の大小、集合の包含、正の整数の整除は、どれも「xxはyy以下である」という形の比較であり、いずれも「同値関係と商」が定めた二項関係として書かれる。同値関係が課す対称律は、これらの比較では成り立たない。x≤yx\leq yとy≤xy\leq xが同時に成り立つことは、比較においてはxxとyyが同じ位置にあることを意味するのであって、任意の二元が結ばれることを意味しない。

対称律を反対称律へ置き換えると、上の三つの比較は一つの枠組みに収まる。反射律と推移律だけを課した関係を前順序といい、反対称律を加えたものを半順序という。半順序を備えた集合の上では、二元が比較可能とは限らないまま、部分集合を上から押さえる元や下から押さえる元を論じることができる。

この枠組みは後続の多くの記事が土台として用いる。部分集合の上限と下限は束と完備束の定義そのものであり、鎖と極大元は Zorn の補題が仮定と結論に用いる語であり、整列順序は順序数の理論の出発点である。本記事は、これらの語を定義したうえで、有限直積の上の辞書式順序が整列順序になる条件までを扱う。

1 前順序、半順序および全順序

定義 1.1.PPを集合、≤\leqをPP上の二項関係とする。≤\leqが次の二つを満たすとき、≤\leqをPP上の前順序 (preorder) という。

  1. 任意のx∈Px\in Pに対してx≤xx\leq xが成り立つ(反射律)。
  2. 任意のx,y,z∈Px,y,z\in Pに対して、x≤yx\leq yかつy≤zy\leq zならばx≤zx\leq zが成り立つ(推移律)。

前順序≤\leqを備えた組(P,≤)(P,\leq)を前順序集合 (preordered set) という。x≤yx\leq yが成り立たないことをx≰yx\not\leq yと書く。PPにも≤\leqにも制限を置かない。とくにPPは空集合でもよい。

定義 1.2.PPを集合とする。PP上の前順序≤\leqが反対称律、すなわち「任意のx,y∈Px,y\in Pに対して、x≤yx\leq yかつy≤xy\leq xならばx=yx=yが成り立つ」を満たすとき、≤\leqをPP上の半順序 (partial order) という。半順序≤\leqを備えた組(P,≤)(P,\leq)をposet (partially ordered set) という。

半順序は定義により前順序であるから、poset は前順序集合である。

例 1.3.

  1. 集合XXに対して、冪集合P(X)\mathcal P(X)に包含関係⊆\subseteqを入れたものは poset である。反射律と推移律は包含関係の性質であり、反対称律は集合の相等の定義そのものである。
  2. 正の整数の全体に整除関係∣\midを入れたものは poset である。各aaはa=a⋅1a=a\cdot1からa∣aa\mid aを満たし、a∣ba\mid bかつb∣cb\mid cならばb=akb=akとc=blc=blからc=a(kl)c=a(kl)となる。また、正の整数a,ba,bがa∣ba\mid bかつb∣ab\mid aを満たすならばb=akb=akかつa=bla=blであり、a=akla=aklからkl=1kl=1、正の整数の積としてk=l=1k=l=1、すなわちa=ba=bである。
  3. 集合XXの上でx≤yx\leq yをx=yx=yによって定めた関係は半順序である。台集合が空集合である場合の唯一の二項関係も半順序である。
  4. 整数の全体に整除関係∣\midを入れたものは前順序集合であるが poset ではない。反射律と推移律の確認は正の整数の場合と同じであり、一方で−2∣2-2\mid2かつ2∣−22\mid-2でありながら−2≠2-2\neq2であるから、反対称律は成り立たない。
  5. 集合XXと写像f ⁣:X→Zf\colon X\to\mathbb Zに対して、x⪯yx\preceq yをf(x)≤f(y)f(x)\leq f(y)によって定めると⪯\preceqは前順序である。f(x)=f(y)f(x)=f(y)を満たす相異なるx,yx,yが存在すれば、x⪯yx\preceq yかつy⪯xy\preceq xかつx≠yx\neq yとなるので、⪯\preceqは半順序ではない。

定義 1.4.(P,≤)(P,\leq)を前順序集合とし、x,y∈Px,y\in Pとする。x≤yx\leq yまたはy≤xy\leq xの少なくとも一方が成り立つとき、xxとyyは比較可能 (comparable) であるといい、どちらも成り立たないとき比較不能 (incomparable) であるという。

PPの任意の二元が比較可能である半順序をPP上の全順序 (total order) といい、全順序≤\leqを備えた組(P,≤)(P,\leq)を全順序集合 (totally ordered set) という。

例 1.5.

  1. 整数の全体、有理数の全体および実数の全体は、通常の大小関係について全順序集合である。
  2. P({1,2})\mathcal P(\{1,2\})は包含関係について四つの元∅\emptyset、{1}\{1\}、{2}\{2\}、{1,2}\{1,2\}をもつ poset である。{1}⊈{2}\{1\}\not\subseteq\{2\}かつ{2}⊈{1}\{2\}\not\subseteq\{1\}であるから{1}\{1\}と{2}\{2\}は比較不能であり、この poset は全順序集合ではない。
  3. 集合XXと poset(Q,≤Q)(Q,\leq_Q)に対して、XXからQQへの写像の全体を考え、すべてのx∈Xx\in Xについてf(x)≤Qg(x)f(x)\leq_Qg(x)が成り立つときにf⪯gf\preceq gと定めると、⪯\preceqは半順序である。反射律と推移律は各点で≤Q\leq_Qの反射律と推移律を用い、反対称律はf⪯gf\preceq gかつg⪯fg\preceq fから各点でf(x)=g(x)f(x)=g(x)を得て、写像の相等によってf=gf=gを得る。XXが相異なる二元x1,x2x_1,x_2をもち、QQがq1≤Qq2q_1\leq_Qq_2かつq1≠q2q_1\neq q_2を満たす二元をもつならば、f(x1)=q1f(x_1)=q_1、f(x2)=q2f(x_2)=q_2、g(x1)=q2g(x_1)=q_2、g(x2)=q1g(x_2)=q_1とし、x1x_1ともx2x_2とも異なるxxについてはf(x)=g(x)=q1f(x)=g(x)=q_1としたffとggは比較不能であるから、⪯\preceqは全順序ではない。

定義 1.6.(X,≤)(X,\leq)を poset とする。x,y∈Xx,y\in Xに対して、x≤yx\leq yかつx≠yx\neq yが成り立つときにx<yx<yと定め、<<を≤\leqに付随する狭義順序 (strict order) という。y>xy>xはx<yx<yと同じ意味である。≤\leqが全順序であるとき、<<を狭義全順序 (strict total order) という。

命題 1.7.(X,≤)(X,\leq)を poset とし、<<を≤\leqに付随する狭義順序とする。

  1. 任意のx∈Xx\in Xに対して、x<xx<xは成り立たない。
  2. x<yx<yかつy<zy<zならばx<zx<zである。
  3. ≤\leqがXX上の全順序であることと、相異なる任意の二元x,y∈Xx,y\in Xに対してx<yx<yまたはy<xy<xが成り立つこととは同値である。

証明.x<xx<xはx≠xx\neq xを含むので、(1)が成り立つ。

x<yx<yかつy<zy<zとすると、x≤yx\leq yとy≤zy\leq zから推移律によりx≤zx\leq zである。ここでx=zx=zと仮定すると、y≤z=xy\leq z=xとx≤yx\leq yから反対称律によりx=yx=yとなり、x<yx<yに含まれるx≠yx\neq yに反する。よってx≠zx\neq zであり、x<zx<zが成り立つ。

(3)の必要性を示す。≤\leqを全順序とし、x≠yx\neq yとする。xxとyyは比較可能であるからx≤yx\leq yまたはy≤xy\leq xが成り立ち、x≠yx\neq yとあわせてx<yx<yまたはy<xy<xを得る。十分性を示す。相異なる任意の二元が<<について一方向に結ばれているとする。x,y∈Xx,y\in Xを取り、x=yx=yならば反射律によりx≤yx\leq yである。x≠yx\neq yならばx<yx<yまたはy<xy<xであり、いずれの場合もx≤yx\leq yまたはy≤xy\leq xが成り立つ。よって任意の二元が比較可能であり、≤\leqは全順序である。▨

系 1.8.(X,≤)(X,\leq)を全順序集合とし、<<を≤\leqに付随する狭義順序とする。任意のx,y∈Xx,y\in Xに対して、x<yx<y、x=yx=y、y<xy<xのちょうど一つが成り立つ。

証明.x=yx=yならば、x<yx<yとy<xy<xはいずれもx≠yx\neq yを含むので成り立たない。x≠yx\neq yならば、命題 1.7 (3)によりx<yx<yまたはy<xy<xが成り立ち、x=yx=yは成り立たない。最後にx<yx<yとy<xy<xが同時に成り立つと仮定すると、命題 1.7 (2)によりx<xx<xとなり命題 1.7 (1)に反する。よって三つのうち少なくとも一つが成り立ち、二つ以上が同時に成り立つことはない。▨

狭義順序を取る操作は、半順序のもつ情報を失わせない。

命題 1.9.XXを集合とする。

  1. ≤\leqがXX上の半順序ならば、付随する狭義順序<<は非反射的かつ推移的である。
  2. RRがXX上の非反射的かつ推移的な二項関係ならば、xRyxRyまたはx=yx=yが成り立つときにx≤yx\leq yと定めた関係≤\leqはXX上の半順序であり、≤\leqに付随する狭義順序はRRに一致する。
  3. 二つの構成は互いに逆である。すなわち、半順序≤\leqから<<を作り、<<から(2)の規則で関係を作り直すと≤\leqに戻る。
  4. (2)で得られる≤\leqが全順序であることと、相異なる任意の二元x,y∈Xx,y\in Xに対してxRyxRyまたはyRxyRxが成り立つこととは同値である。

証明.(1)は命題 1.7 (1)と命題 1.7 (2)である。

RRを非反射的かつ推移的な関係とし、xRyxRyまたはx=yx=yが成り立つときにx≤yx\leq yと定める。反射律は定義の第二の場合から従う。反対称律について、x≤yx\leq yかつy≤xy\leq xであってx≠yx\neq yと仮定するとxRyxRyかつyRxyRxであり、推移性によりxRxxRxとなって非反射性に反する。よってx=yx=yである。推移律について、x≤yx\leq yかつy≤zy\leq zとする。x=yx=yならばy≤zy\leq zがそのままx≤zx\leq zを与え、y=zy=zならばx≤yx\leq yがそのままx≤zx\leq zを与える。x≠yx\neq yかつy≠zy\neq zならばxRyxRyかつyRzyRzであり、推移性によりxRzxRz、したがってx≤zx\leq zである。よって≤\leqは半順序である。付随する狭義順序については、xRyxRyならば非反射性によりx≠yx\neq yであるからx≤yx\leq yかつx≠yx\neq yであり、逆にx≤yx\leq yかつx≠yx\neq yならば定義の第一の場合が起こってxRyxRyである。よって(2)が成り立つ。

≤\leqを半順序、<<を付随する狭義順序とし、x<yx<yまたはx=yx=yが成り立つときにx≤′yx\leq'yと定める。x<yx<yはx≤yx\leq yを含み、x=yx=yのときは反射律によりx≤yx\leq yであるから、x≤′yx\leq'yならばx≤yx\leq yである。逆にx≤yx\leq yとすると、x=yx=yであるか、またはx≠yx\neq yであってx<yx<yであるから、x≤′yx\leq'yである。よって≤′\leq'は≤\leqに一致し、(3)が成り立つ。

(4)は、(2)によりRRが≤\leqに付随する狭義順序であることと、命題 1.7 (3)を≤\leqへ適用することから従う。▨

2 上界と下界、上限と下限および鎖

定義 2.1.(P,≤)(P,\leq)を前順序集合、TTをPPの部分集合とする。TTには空でないことも有限であることも課さない。

  1. u∈Pu\in PがTTの上界 (upper bound) であるとは、すべてのt∈Tt\in Tについてt≤ut\leq uが成り立つことである。TTの上界の全体をTTの上界全体 (set of upper bounds) という。
  2. l∈Pl\in PがTTの下界 (lower bound) であるとは、すべてのt∈Tt\in Tについてl≤tl\leq tが成り立つことである。TTの下界の全体をTTの下界全体 (set of lower bounds) という。
  3. TTが上界をもつときTTは上に有界 (bounded above) であるといい、TTが下界をもつときTTは下に有界 (bounded below) であるという。
  4. s∈Ps\in PがTTの上限 (supremum) であるとは、ssがTTの上界であり、かつTTの任意の上界uuについてs≤us\leq uが成り立つことである。
  5. m∈Pm\in PがTTの下限 (infimum) であるとは、mmがTTの下界であり、かつTTの任意の下界xxについてx≤mx\leq mが成り立つことである。

上限と下限は、PPの元がもつ性質として定める。すなわち「ssはTTの上限である」はssについての条件であり、記号によってPPの特定の元を指すものではない。

注意 2.2. 前順序集合では、一つの部分集合が相異なる上限をもつ場合がある。P={a,b}P=\{a,b\}とし、≤\leqを四つの組すべてが成り立つ関係、すなわちP×PP\times Pとする。反射律と推移律はこの関係について成り立つので≤\leqは前順序である。T={a}T=\{a\}とすると、a≤aa\leq aかつa≤ba\leq bであるからaaとbbはともにTTの上界であり、a≤ba\leq bとb≤ab\leq aからどちらも他方以下である。したがってaaとbbはいずれもTTの上限である。a≠ba\neq bであるから、上限は一意ではない。この≤\leqはa≤ba\leq bかつb≤ab\leq aかつa≠ba\neq bを満たすので、半順序ではない。

命題 2.3.(P,≤)(P,\leq)を poset、TTをPPの部分集合とする。TTの上限は、存在すれば一意である。TTの下限も、存在すれば一意である。

証明.ssとs′s'をともにTTの上限とする。s′s'はTTの上界でありssはTTの任意の上界以下であるからs≤s′s\leq s'であり、ssとs′s'の役割を入れ替えるとs′≤ss'\leq sである。反対称律によりs=s′s=s'である。

mmとm′m'をともにTTの下限とする。m′m'はTTの下界でありTTの任意の下界はmm以下であるからm′≤mm'\leq mであり、役割を入れ替えるとm≤m′m\leq m'である。反対称律によりm=m′m=m'である。▨

定義 2.4.(P,≤)(P,\leq)を poset とする。

  1. C⊆PC\subseteq PがPPの鎖 (chain) であるとは、CCの任意の二元が比較可能であることである。この条件はCCが空集合である場合にも、CCが一元集合である場合にも満たされる。
  2. u∈Pu\in PがCCの上界であるとは、すべてのc∈Cc\in Cについてc≤uc\leq uが成り立つことである。
  3. m∈Pm\in PがPPの極大元 (maximal element) であるとは、m<xm<xを満たすx∈Px\in Pが存在しないことである。m∈Pm\in PがPPの極小元 (minimal element) であるとは、x<mx<mを満たすx∈Px\in Pが存在しないことである。
  4. TTをPPの部分集合とする。g∈Tg\in TがTTの最大元 (greatest element) であるとは、すべてのx∈Tx\in Tについてx≤gx\leq gが成り立つことである。b∈Tb\in TがTTの最小元 (least element) であるとは、すべてのx∈Tx\in Tについてb≤xb\leq xが成り立つことである。T=PT=Pの場合のggとbbを、それぞれPPの最大元、PPの最小元という。

鎖の上界について課した条件は、部分集合の上界について定義 2.1が置いた条件と同じ形であり、反対称律を用いない。

命題 2.5.(P,≤)(P,\leq)を poset とする。

  1. PPの最大元は、存在すれば一意である。PPの最小元も、存在すれば一意である。
  2. PPの最大元は極大元であり、PPの最小元は極小元である。
  3. PPが最大元ggをもつならば、PPの極大元はggだけである。

証明.ggとg′g'をともにPPの最大元とすると、g′g'が最大元であることからg≤g′g\leq g'であり、ggが最大元であることからg′≤gg'\leq gである。反対称律によりg=g′g=g'である。最小元についても不等号の向きを入れ替えて同じ議論が成り立つ。

ggをPPの最大元とし、g<xg<xを満たすx∈Px\in Pがあると仮定する。ggは最大元であるからx≤gx\leq gであり、g<xg<xに含まれるg≤xg\leq xとあわせて反対称律からg=xg=xとなるが、これはg<xg<xに含まれるg≠xg\neq xに反する。よってそのようなxxは存在せず、ggは極大元である。最小元についても同様である。

PPが最大元ggをもつとし、mmをPPの極大元とする。ggが最大元であることからm≤gm\leq gである。m≠gm\neq gとするとm<gm<gとなり、mmが極大元であることに反する。よってm=gm=gであり、(2)とあわせてPPの極大元はggだけである。▨

命題 2.6. 空集合の上界と下界について、次が成り立つ。

  1. (P,≤)(P,\leq)を前順序集合とすると、PPのすべての元は空集合の上界であり、かつ空集合の下界である。
  2. (P,≤)(P,\leq)を poset とすると、s∈Ps\in Pが空集合の上限であることとssがPPの最小元であることとは同値であり、m∈Pm\in Pが空集合の下限であることとmmがPPの最大元であることとは同値である。

証明. 上界の条件「すべてのt∈∅t\in\emptysetについてt≤ut\leq uが成り立つ」は、∅\emptysetが元をもたないので、u∈Pu\in Pの取り方によらず成り立つ。下界の条件についても同様である。よって(1)が成り立つ。

(P,≤)(P,\leq)を poset とする。(1)により空集合の上界全体はPPである。したがって「ssが空集合の上限である」は「s∈Ps\in Pであり、PPの任意の元uuについてs≤us\leq uが成り立つ」に等しく、これはssがPPの最小元であることにほかならない。下限についても、空集合の下界全体がPPであることから同じ議論が成り立つ。▨

空集合が鎖であることと命題 2.6をあわせると、PPが元をもつ限り空の鎖はつねに上界をもつ。「PPのすべての鎖が上界をもつ」という条件を検査するときにこの場合を落とさないことが、「選択公理と Zorn の補題」で Zorn の補題を適用する際の第一段になる。

例 2.7.aaとbbを相異なる二元とし、P={a,b}P=\{a,b\}、≤\leqを相等関係、すなわちa≤aa\leq aとb≤bb\leq bだけが成り立つ関係とする。これは相等関係であるから例 1.3により半順序である。a<xa<xを満たすx∈Px\in Pは存在せず、b<xb<xを満たすx∈Px\in Pも存在しないから、aaとbbはいずれも極大元であり、同じ理由でいずれも極小元である。一方、b≤ab\leq aが成り立たないのでaaは最大元ではなく、a≤ba\leq bが成り立たないのでbbも最大元ではない。したがってPPは最大元をもたず、極大元を二つもつ。

aaとbbは比較不能であるから{a,b}\{a,b\}は鎖ではなく、PPの鎖は∅\emptyset、{a}\{a\}、{b}\{b\}の三つである。∅\emptysetの上界は命題 2.6 (1)によりaaとbbの両方であり、{a}\{a\}の上界はaaだけ、{b}\{b\}の上界はbbだけである。よってPPのすべての鎖が上界をもつ。

例 2.8.

  1. 集合XXに対して、(P(X),⊆)(\mathcal P(X),\subseteq)と部分族A⊆P(X)\mathcal A\subseteq\mathcal P(X)を考える。A\mathcal Aの各元は⋃A\bigcup\mathcal Aに含まれ、A\mathcal Aのすべての元を含むXXの部分集合は⋃A\bigcup\mathcal Aを含むから、⋃A\bigcup\mathcal AはA\mathcal Aの上限である。A\mathcal Aが空でないとき、⋂A\bigcap\mathcal AはA\mathcal Aの各元に含まれ、A\mathcal Aのすべての元に含まれる部分集合は⋂A\bigcap\mathcal Aに含まれるから、⋂A\bigcap\mathcal AはA\mathcal Aの下限である。A\mathcal Aが空のときは、命題 2.6 (2)により上限が∅\emptyset、下限がXXである。
  2. 正の整数の全体に整除関係を入れた poset(例 1.3)において、{4,6}\{4,6\}の下限は22であり、上限は1212である。実際、44の正の約数は1,2,41,2,4、66の正の約数は1,2,3,61,2,3,6であるから、{4,6}\{4,6\}の下界は11と22であり、1∣21\mid2であるから22が下限である。また、mmを44と66の公倍数とし、mmを1212で割った余りをrrとすると、r=m−12qr=m-12qは44の倍数かつ66の倍数であり0≤r<120\leq r<12を満たす。0<r<120<r<12を満たす44の倍数は44と88だけであり、どちらも66の倍数ではないからr=0r=0、すなわち12∣m12\mid mである。1212自身は44と66の公倍数であるから、1212が上限である。この22と1212は、44と66の最大公約数と最小公倍数にほかならない。
  3. 上に有界であっても上限をもたない部分集合が存在する。P={a,b,c,d}P=\{a,b,c,d\}に、四つの反射的な関係とa≤ca\leq c、a≤da\leq d、b≤cb\leq c、b≤db\leq dだけが成り立つ関係を入れる。相異なる二元を二段つなぐ組が無いので推移律が成り立ち、相異なる二元の間に双方向の関係が無いので反対称律が成り立つ。T={a,b}T=\{a,b\}の上界はccとddである。c≤dc\leq dもd≤cd\leq cも成り立たないので、ccもddもTTのすべての上界以下ではない。よってTTは上に有界であるが上限をもたない。

3 上方集合と下方集合

定義 3.1.(P,≤)(P,\leq)を前順序集合、AAをPPの部分集合とする。a∈Aa\in Aとx∈Px\in Pがa≤xa\leq xを満たすとき必ずx∈Ax\in Aとなるならば、AAをPPの上方集合 (upper set) という。a∈Aa\in Aとx∈Px\in Pがx≤ax\leq aを満たすとき必ずx∈Ax\in Aとなるならば、AAをPPの下方集合 (lower set) という。

命題 3.2.(P,≤)(P,\leq)を前順序集合とする。

  1. A⊆PA\subseteq Pが上方集合であることと、P∖AP\setminus Aが下方集合であることとは同値である。
  2. 上方集合からなる任意の族について、その和集合は上方集合である。族が空でなければ共通部分も上方集合である。下方集合についても同じことが成り立つ。
  3. 各p∈Pp\in Pに対して、{x∈P∣p≤x}\{x\in P\mid p\leq x\}は上方集合であり、{x∈P∣x≤p}\{x\in P\mid x\leq p\}は下方集合である。
  4. 各p,q∈Pp,q\in Pに対して、p≤qp\leq qであることと{x∈P∣x≤p}⊆{x∈P∣x≤q}\{x\in P\mid x\leq p\}\subseteq\{x\in P\mid x\leq q\}が成り立つこととは同値である。

証明.AAを上方集合とし、a∈P∖Aa\in P\setminus Aとx≤ax\leq aを取る。x∈Ax\in Aと仮定すると、AAが上方集合であってx≤ax\leq aであるからa∈Aa\in Aとなり、a∈P∖Aa\in P\setminus Aに反する。よってx∈P∖Ax\in P\setminus Aであり、P∖AP\setminus Aは下方集合である。逆にP∖AP\setminus Aを下方集合とし、a∈Aa\in Aとa≤xa\leq xを取る。x∈P∖Ax\in P\setminus Aと仮定すると、P∖AP\setminus Aが下方集合であってa≤xa\leq xであるからa∈P∖Aa\in P\setminus Aとなり、a∈Aa\in Aに反する。よってx∈Ax\in Aである。以上により(1)が成り立つ。

(Ai)i∈I(A_i)_{i\in I}を上方集合の族とする。a∈⋃i∈IAia\in\bigcup_{i\in I}A_iとa≤xa\leq xを取ると、a∈Aia\in A_iを満たすiiがあり、AiA_iが上方集合であるからx∈Ai⊆⋃i∈IAix\in A_i\subseteq\bigcup_{i\in I}A_iである。IIが空でないとし、a∈⋂i∈IAia\in\bigcap_{i\in I}A_iとa≤xa\leq xを取ると、各iiについてa∈Aia\in A_iかつAiA_iが上方集合であるからx∈Aix\in A_iであり、x∈⋂i∈IAix\in\bigcap_{i\in I}A_iである。下方集合については不等号の向きを入れ替えて同じ議論が成り立つ。

p≤ap\leq aかつa≤xa\leq xならば推移律によりp≤xp\leq xであるから、{x∈P∣p≤x}\{x\in P\mid p\leq x\}は上方集合である。a≤pa\leq pかつx≤ax\leq aならば推移律によりx≤px\leq pであるから、{x∈P∣x≤p}\{x\in P\mid x\leq p\}は下方集合である。

p≤qp\leq qとし、x≤px\leq pを取ると推移律によりx≤qx\leq qであるから、{x∈P∣x≤p}⊆{x∈P∣x≤q}\{x\in P\mid x\leq p\}\subseteq\{x\in P\mid x\leq q\}である。逆にこの包含が成り立つとすると、反射律によりppは左辺に属するのでppは右辺に属し、p≤qp\leq qである。▨

上方集合と下方集合は、順序の向きを反転する操作によって互いに移り合う。

定義 3.3.(P,≤)(P,\leq)を前順序集合とする。PP上の二項関係≤op\leq^{\mathrm{op}}を

x≤opy  ⟺  y≤xx\leq^{\mathrm{op}}y\iff y\leq x

によって定め、≤op\leq^{\mathrm{op}}を≤\leqの双対順序 (dual order) という。台集合PPに≤op\leq^{\mathrm{op}}を備えた組をPopP^{\mathrm{op}}と書く。

≤\leqが半順序であるとき、付随する狭義順序<<に対しても同じ規則で

x<opy  ⟺  y<xx<^{\mathrm{op}}y\iff y<x

と定め、<op<^{\mathrm{op}}を<<の双対順序という。

命題 3.4.(P,≤)(P,\leq)を前順序集合とする。

  1. ≤op\leq^{\mathrm{op}}はPP上の前順序である。≤\leqが半順序ならば≤op\leq^{\mathrm{op}}は半順序であり、≤\leqが全順序ならば≤op\leq^{\mathrm{op}}は全順序である。
  2. (≤op)op(\leq^{\mathrm{op}})^{\mathrm{op}}は≤\leqに一致する。
  3. ≤\leqが半順序であるとき、≤op\leq^{\mathrm{op}}に付随する狭義順序は<op<^{\mathrm{op}}に一致する。

証明. 反射律について、x≤xx\leq xはx≤opxx\leq^{\mathrm{op}}xと同じ条件である。推移律について、x≤opyx\leq^{\mathrm{op}}yかつy≤opzy\leq^{\mathrm{op}}zはy≤xy\leq xかつz≤yz\leq yであり、≤\leqの推移律によりz≤xz\leq x、すなわちx≤opzx\leq^{\mathrm{op}}zである。よって≤op\leq^{\mathrm{op}}は前順序である。反対称律について、x≤opyx\leq^{\mathrm{op}}yかつy≤opxy\leq^{\mathrm{op}}xはy≤xy\leq xかつx≤yx\leq yであるから、≤\leqが反対称律を満たせばx=yx=yである。比較可能性について、x≤yx\leq yまたはy≤xy\leq xが成り立つことは、y≤opxy\leq^{\mathrm{op}}xまたはx≤opyx\leq^{\mathrm{op}}yが成り立つことと同じ条件である。よって(1)が成り立つ。

xxとyyが(≤op)op(\leq^{\mathrm{op}})^{\mathrm{op}}で結ばれることはy≤opxy\leq^{\mathrm{op}}xであり、これはx≤yx\leq yである。よって(2)が成り立つ。

≤\leqを半順序とする。(1)により≤op\leq^{\mathrm{op}}は半順序であり、それに付随する狭義順序は「x≤opyx\leq^{\mathrm{op}}yかつx≠yx\neq y」、すなわち「y≤xy\leq xかつy≠xy\neq x」である。これはy<xy<x、すなわちx<opyx<^{\mathrm{op}}yにほかならない。▨

注意 3.5.(P,≤)(P,\leq)を poset とする。PPからPopP^{\mathrm{op}}へ移ると、次の五つの対がそれぞれ交換される。

  • 部分集合TTの上界と下界。
  • PPの最大元と最小元。
  • PPの極大元と極小元。
  • 部分集合TTの上限と下限。
  • PPの上方集合と下方集合。

いずれの対についても、片方の条件は他方の条件で≤\leqを≤op\leq^{\mathrm{op}}へ置き換えたものである。たとえば「すべてのt∈Tt\in Tについてt≤ut\leq uが成り立つ」は「すべてのt∈Tt\in Tについてu≤optu\leq^{\mathrm{op}}tが成り立つ」と同じ条件であるから、uuが(P,≤)(P,\leq)におけるTTの上界であることと、uuがPopP^{\mathrm{op}}におけるTTの下界であることとは同値である。残りの四対も同じ置き換えによって得られる。

4 順序を保つ写像と順序埋め込み

定義 4.1.(P,≤P)(P,\leq_P)と(Q,≤Q)(Q,\leq_Q)を前順序集合、f ⁣:P→Qf\colon P\to Qを写像とする。

  1. すべてのx,y∈Px,y\in Pについて、x≤Pyx\leq_Pyならばf(x)≤Qf(y)f(x)\leq_Qf(y)が成り立つとき、ffを順序を保つ写像 (order-preserving map)、または単調写像 (monotone map) という。
  2. すべてのx,y∈Px,y\in Pについて、x≤Pyx\leq_Pyであることとf(x)≤Qf(y)f(x)\leq_Qf(y)が成り立つこととが同値であるとき、ffを順序埋め込み (order embedding) という。

定義 4.2.(P,≤P)(P,\leq_P)と(Q,≤Q)(Q,\leq_Q)を前順序集合とする。全単射f ⁣:P→Qf\colon P\to Qであって、ffと逆写像f−1f^{-1}がともに順序を保つものを順序同型 (order isomorphism) という。PPからQQへの順序同型が存在するとき、PPとQQは順序同型であるという。

命題 4.3.(P,≤P)(P,\leq_P)、(Q,≤Q)(Q,\leq_Q)および(R,≤R)(R,\leq_R)を前順序集合とする。

  1. 恒等写像は順序を保ち、順序を保つ写像f ⁣:P→Qf\colon P\to Qとg ⁣:Q→Rg\colon Q\to Rの合成g∘fg\circ fは順序を保つ。また、順序埋め込みの合成は順序埋め込みである。
  2. 順序埋め込みは順序を保つ写像である。PPが poset であるとき、順序埋め込みは単射である。
  3. 全単射f ⁣:P→Qf\colon P\to Qについて、ffが順序同型であることとffが順序埋め込みであることとは同値である。
  4. f ⁣:P→Qf\colon P\to Qを順序を保つ写像、TTをPPの部分集合とする。uuがTTの上界であるならば、f(u)f(u)は像f(T)f(T)の上界である。

証明.x≤Pyx\leq_Pyならばx≤Pyx\leq_Pyであるから、恒等写像は順序を保つ。ffとggを順序を保つ写像としx≤Pyx\leq_Pyとすると、f(x)≤Qf(y)f(x)\leq_Qf(y)であり、さらにg(f(x))≤Rg(f(y))g(f(x))\leq_Rg(f(y))である。ffとggが順序埋め込みならば、x≤Pyx\leq_Pyとf(x)≤Qf(y)f(x)\leq_Qf(y)が同値であり、f(x)≤Qf(y)f(x)\leq_Qf(y)とg(f(x))≤Rg(f(y))g(f(x))\leq_Rg(f(y))が同値であるから、x≤Pyx\leq_Pyと(g∘f)(x)≤R(g∘f)(y)(g\circ f)(x)\leq_R(g\circ f)(y)は同値である。

順序埋め込みの条件の一方向が、順序を保つ条件そのものである。PPを poset とし、ffを順序埋め込み、f(x)=f(y)f(x)=f(y)とする。f(x)≤Qf(y)f(x)\leq_Qf(y)とf(y)≤Qf(x)f(y)\leq_Qf(x)がともに成り立つので、x≤Pyx\leq_Pyとy≤Pxy\leq_Pxを得る。反対称律によりx=yx=yであるから、ffは単射である。

ffを全単射とする。ffが順序同型であるとする。x≤Pyx\leq_Pyならばf(x)≤Qf(y)f(x)\leq_Qf(y)である。逆にf(x)≤Qf(y)f(x)\leq_Qf(y)とすると、f−1f^{-1}が順序を保つことからf−1(f(x))≤Pf−1(f(y))f^{-1}(f(x))\leq_Pf^{-1}(f(y))、すなわちx≤Pyx\leq_Pyである。よってffは順序埋め込みである。次にffが順序埋め込みであるとする。ffは順序を保つ。v≤Qwv\leq_Qwを取り、x=f−1(v)x=f^{-1}(v)、y=f−1(w)y=f^{-1}(w)とおくとf(x)≤Qf(y)f(x)\leq_Qf(y)であるからx≤Pyx\leq_Py、すなわちf−1(v)≤Pf−1(w)f^{-1}(v)\leq_Pf^{-1}(w)である。よってf−1f^{-1}も順序を保ち、ffは順序同型である。

uuをTTの上界とし、f(t)∈f(T)f(t)\in f(T)を取る。t≤Put\leq_Puであるからf(t)≤Qf(u)f(t)\leq_Qf(u)であり、f(u)f(u)はf(T)f(T)の上界である。▨

例 4.4. 順序を保つ全単射が順序同型であるとは限らない。aaとbbを相異なる二元とし、P={a,b}P=\{a,b\}に相等関係を入れ、Q={0,1}Q=\{0,1\}に通常の全順序を入れる。f ⁣:P→Qf\colon P\to Qをf(a)=0f(a)=0、f(b)=1f(b)=1によって定めると、ffは全単射である。PPにおいてx≤yx\leq yが成り立つのはx=yx=yの場合だけであり、そのときはf(x)=f(y)f(x)=f(y)からf(x)≤f(y)f(x)\leq f(y)であるから、ffは順序を保つ。一方、f−1(0)=af^{-1}(0)=aとf−1(1)=bf^{-1}(1)=bについて、0≤10\leq1でありながらa≤ba\leq bは成り立たないので、f−1f^{-1}は順序を保たない。よってffは順序同型ではなく、命題 4.3 (3)により順序埋め込みでもない。

例 4.5.(P,≤)(P,\leq)を poset とし、η ⁣:P→P(P)\eta\colon P\to\mathcal P(P)を

η(p)={x∈P∣x≤p}\eta(p)=\{x\in P\mid x\leq p\}

によって定める。命題 3.2 (4)によりp≤qp\leq qとη(p)⊆η(q)\eta(p)\subseteq\eta(q)は同値であるから、η\etaは(P(P),⊆)(\mathcal P(P),\subseteq)への順序埋め込みであり、命題 4.3 (2)により単射である。すなわち、任意の poset は自身の冪集合の poset へ順序埋め込みされる。「Dedekind–MacNeille 完備化」は、この埋め込みの像を下方集合の中で広げることによって、任意の poset を完備束の中へ収める。

例 4.6.命題 4.3 (4)は上界が像の上界へ移ることを述べるが、順序を保つ写像が上限を上限へ移すとは限らない。aa、bbおよびccを相異なる三元とし、P={a,b,c}P=\{a,b,c\}に、三つの反射的な関係とa≤ca\leq c、b≤cb\leq cだけが成り立つ関係を入れる。相異なる二元を二段つなぐ組が無いので推移律が成り立ち、相異なる二元の間に双方向の関係が無いので反対称律が成り立つ。T={a,b}T=\{a,b\}の上界はccだけであるから、TTの上限はccである。

このPPについて例 4.5のη\etaを考えると、η(a)={a}\eta(a)=\{a\}、η(b)={b}\eta(b)=\{b\}、η(c)={a,b,c}\eta(c)=\{a,b,c\}である。例 2.8により(P(P),⊆)(\mathcal P(P),\subseteq)におけるη(T)={{a},{b}}\eta(T)=\{\{a\},\{b\}\}の上限は{a}∪{b}={a,b}\{a\}\cup\{b\}=\{a,b\}であり、これはη(c)\eta(c)とは異なる。よってη\etaは順序埋め込みでありながら、TTの上限をη(T)\eta(T)の上限へ移さない。

5 積順序、辞書式順序および整列順序

有限直積は「集合族」が定めた。以下では、直積X1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_n(§E1.2 定義 1.3)の元をx=(x1,…,xn)x=(x_1,\dots,x_n)の形に書く。組の相等は成分ごとの相等である。

定義 5.1.nnを正の整数とし、(X1,≤1),…,(Xn,≤n)(X_1,\leq_1),\dots,(X_n,\leq_n)を前順序集合とする。X1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_n上の二項関係≤prod\leq_{\mathrm{prod}}を、すべてのi∈{1,…,n}i\in\{1,\dots,n\}についてxi≤iyix_i\leq_iy_iが成り立つときにx≤prodyx\leq_{\mathrm{prod}}yと定め、≤prod\leq_{\mathrm{prod}}を積順序 (product order) という。

命題 5.2.nnを正の整数とし、(X1,≤1),…,(Xn,≤n)(X_1,\leq_1),\dots,(X_n,\leq_n)を前順序集合とする。

  1. ≤prod\leq_{\mathrm{prod}}はX1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_n上の前順序である。各≤i\leq_iが半順序ならば≤prod\leq_{\mathrm{prod}}は半順序である。
  2. n≥2n\geq2であり、X1X_1とX2X_2がそれぞれ相異なる二元をもつ全順序集合であり、さらに3≤i≤n3\leq i\leq nを満たす各iiについてXiX_iが空でないならば、≤prod\leq_{\mathrm{prod}}は全順序ではない。

証明. 各iiについてxi≤ixix_i\leq_ix_iであるからx≤prodxx\leq_{\mathrm{prod}}xである。x≤prodyx\leq_{\mathrm{prod}}yかつy≤prodzy\leq_{\mathrm{prod}}zならば、各iiについてxi≤iyix_i\leq_iy_iかつyi≤iziy_i\leq_iz_iであり、≤i\leq_iの推移律によりxi≤izix_i\leq_iz_iであるからx≤prodzx\leq_{\mathrm{prod}}zである。各≤i\leq_iが反対称律を満たすとし、x≤prodyx\leq_{\mathrm{prod}}yかつy≤prodxy\leq_{\mathrm{prod}}xとすると、各iiについてxi≤iyix_i\leq_iy_iかつyi≤ixiy_i\leq_ix_iであるからxi=yix_i=y_iであり、組の相等が成分ごとの相等であることからx=yx=yである。

n≥2n\geq2とする。X1X_1とX2X_2は全順序集合であって相異なる二元をもつので、命題 1.7 (3)によりa1<1b1a_1<_1b_1を満たすa1,b1∈X1a_1,b_1\in X_1とa2<2b2a_2<_2b_2を満たすa2,b2∈X2a_2,b_2\in X_2が存在する。3≤i≤n3\leq i\leq nについては、XiX_iが空でないので、その元cic_iを一つずつ取ることができる。x=(a1,b2,c3,…,cn)x=(a_1,b_2,c_3,\dots,c_n)、y=(b1,a2,c3,…,cn)y=(b_1,a_2,c_3,\dots,c_n)とおくと、第22成分についてb2≤2a2b_2\leq_2a_2が成り立たないのでx≤prodyx\leq_{\mathrm{prod}}yではなく、第11成分についてb1≤1a1b_1\leq_1a_1が成り立たないのでy≤prodxy\leq_{\mathrm{prod}}xでもない。よってxxとyyは比較不能であり、≤prod\leq_{\mathrm{prod}}は全順序ではない。▨

積順序が全順序にならないのは、比較を全成分に同時に課すためである。

定義 5.3.nnを正の整数とし、各i∈{1,…,n}i\in\{1,\dots,n\}についてXiX_iを集合、<i<_iをXiX_i上の狭義全順序とする。座標の順序は1,…,n1,\dots,nに固定する。相異なる二つの組x=(x1,…,xn)x=(x_1,\dots,x_n)とy=(y1,…,yn)y=(y_1,\dots,y_n)に対して、xi≠yix_i\neq y_iを満たす添字iiの全体は{1,…,n}\{1,\dots,n\}の空でない部分集合であるから、その最小の元が定まる。この最小の添字をiiとするとき、

x<lexy  ⟺  xi<iyix<_{\mathrm{lex}}y\iff x_i<_iy_i

と定める。x=yx=yのときはx<lexyx<_{\mathrm{lex}}yが成り立たないものとする。この<lex<_{\mathrm{lex}}をX1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_n上の辞書式順序 (lexicographic order) という。

命題 5.4.nnを正の整数とし、(X1,≤1),…,(Xn,≤n)(X_1,\leq_1),\dots,(X_n,\leq_n)を全順序集合、<i<_iを≤i\leq_iに付随する狭義順序とする。このとき<lex<_{\mathrm{lex}}はX1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_n上の狭義全順序である。すなわち、<lex<_{\mathrm{lex}}は非反射的かつ推移的であり、相異なる任意の二元は<lex<_{\mathrm{lex}}について一方向に結ばれる。さらに、x<lexyx<_{\mathrm{lex}}yまたはx=yx=yが成り立つときにx≤lexyx\leq_{\mathrm{lex}}yと定めると、≤lex\leq_{\mathrm{lex}}はX1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_n上の全順序であり、≤lex\leq_{\mathrm{lex}}に付随する狭義順序は<lex<_{\mathrm{lex}}に一致する。

証明.x<lexxx<_{\mathrm{lex}}xは定義により成り立たないので、<lex<_{\mathrm{lex}}は非反射的である。

相異なるxxとyyを取り、iiをxi≠yix_i\neq y_iを満たす最小の添字とする。≤i\leq_iは全順序でありxi≠yix_i\neq y_iであるから、命題 1.7 (3)によりxi<iyix_i<_iy_iまたはyi<ixiy_i<_ix_iが成り立つ。yj≠xjy_j\neq x_jを満たす最小の添字もiiであるから、前者ならばx<lexyx<_{\mathrm{lex}}y、後者ならばy<lexxy<_{\mathrm{lex}}xである。

推移性について、x<lexyx<_{\mathrm{lex}}yかつy<lexzy<_{\mathrm{lex}}zとし、iiをxxとyyが食い違う最小の添字、jjをyyとzzが食い違う最小の添字とする。i<ji<jの場合、l<il<iについてはxl=ylx_l=y_lかつyl=zly_l=z_lであるからxl=zlx_l=z_lであり、添字iiについてはi<ji<jからyi=ziy_i=z_iであるのでxi<iyi=zix_i<_iy_i=z_iとなる。とくにxi≠zix_i\neq z_iであるから、xxとzzが食い違う最小の添字はiiであり、x<lexzx<_{\mathrm{lex}}zである。j<ij<iの場合、l<jl<jについてはxl=yl=zlx_l=y_l=z_lであり、添字jjについてはj<ij<iからxj=yjx_j=y_jであるのでxj=yj<jzjx_j=y_j<_jz_jとなる。よってxxとzzが食い違う最小の添字はjjであり、x<lexzx<_{\mathrm{lex}}zである。i=ji=jの場合、l<il<iについてはxl=yl=zlx_l=y_l=z_lであり、添字iiについてはxi<iyix_i<_iy_iかつyi<iziy_i<_iz_iであるから、命題 1.7 (2)によりxi<izix_i<_iz_iであり、命題 1.7 (1)とあわせてxi≠zix_i\neq z_iである。よってxxとzzが食い違う最小の添字はiiであり、x<lexzx<_{\mathrm{lex}}zである。

以上により<lex<_{\mathrm{lex}}は非反射的かつ推移的であるから、命題 1.9 (2)により≤lex\leq_{\mathrm{lex}}は半順序であり、≤lex\leq_{\mathrm{lex}}に付随する狭義順序は<lex<_{\mathrm{lex}}に一致する。相異なる二元が<lex<_{\mathrm{lex}}について一方向に結ばれることと命題 1.9 (4)により、≤lex\leq_{\mathrm{lex}}は全順序である。▨

注意 5.5. 積順序と辞書式順序は異なる順序である。n=2n=2とし、X1=X2={0,1}X_1=X_2=\{0,1\}に0<10<1を満たす全順序を入れる。(0,1)(0,1)と(1,0)(1,0)について、第22成分では1≤01\leq0が成り立たないので(0,1)≤prod(1,0)(0,1)\leq_{\mathrm{prod}}(1,0)ではなく、第11成分では1≤01\leq0が成り立たないので(1,0)≤prod(0,1)(1,0)\leq_{\mathrm{prod}}(0,1)でもない。よって≤prod\leq_{\mathrm{prod}}についてこの二元は比較不能である。一方、二つの組が食い違う最小の添字は11であり0<10<1であるから、(0,1)<lex(1,0)(0,1)<_{\mathrm{lex}}(1,0)である。

定義 5.6.XXを集合、≤\leqをXX上の半順序とする。XXの空でない任意の部分集合が最小元をもつとき、≤\leqをXX上の整列順序 (well-order) という。

命題 5.7. 整列順序は全順序である。

証明.≤\leqをXX上の整列順序とし、x,y∈Xx,y\in Xを取る。S={x,y}S=\{x,y\}はXXの空でない部分集合であるから最小元mmをもつ。m=xm=xならばx≤yx\leq yであり、m=ym=yならばy≤xy\leq xである。よって任意の二元が比較可能であり、≤\leqは全順序である。▨

例 5.8.N≥0\mathbb N_{\geq0}上の通常の大小関係は整列順序である。実際、SSをN≥0\mathbb N_{\geq0}の空でない部分集合とし、すべてのs∈Ss\in Sについてn≤sn\leq sが成り立つ自然数nnの全体をAAとする。SSが最小元をもたないと仮定する。00はすべての自然数以下であるから0∈A0\in Aである。k∈Ak\in Aとすると、k∈Sk\in SならばkkがSSの最小元になるのでk∉Sk\notin Sであり、したがってすべてのs∈Ss\in Sについてk<sk<s、すなわちk+1≤sk+1\leq sが成り立つからk+1∈Ak+1\in Aである。帰納法によりA=N≥0A=\mathbb N_{\geq0}となるが、SSは空でないのでs∈Ss\in Sを取るとs+1∈As+1\in Aからs+1≤ss+1\leq sとなって矛盾する。よってSSは最小元をもつ。

Z\mathbb Z上の通常の大小関係は全順序であるが整列順序ではない。実際、Z\mathbb Z自身は空でない部分集合であり、m∈Zm\in\mathbb Zに対してm−1∈Zm-1\in\mathbb Zかつm−1<mm-1<mであるから、Z\mathbb Zは最小元をもたない。よって命題 5.7の逆は成り立たない。

補題 5.9.IIとYYを集合、≤\leqをII上の整列順序、f ⁣:I→Yf\colon I\to Yを写像とし、S=f(I)S=f(I)とおく。ffの終域を像SSに制限して得る写像をfˉ ⁣:I→S\bar f\colon I\to Sとする。各y∈Sy\in Sに対して、f−1({y})f^{-1}(\{y\})の最小元をs(y)s(y)とおくと、写像s ⁣:S→Is\colon S\to Iが定まり、

fˉ∘s=id⁡S\bar f\circ s=\operatorname{id}_S

を満たす。したがってssは単射である。この写像は、像の各元に対して標準的な原像代表を与える。この写像はffとII上の整列順序から一意に定まり、その構成に選択公理を用いない。

証明.y∈Sy\in Sを取る。S=f(I)S=f(I)であるから、f−1({y})f^{-1}(\{y\})はIIの空でない部分集合である。II上の順序が整列順序であることにより、この部分集合は最小元をもつ。二つの最小元があれば、一方は他方以下であり、逆向きの不等式も成り立つので、反対称律により両者は等しい。したがってs(y)s(y)は一意に定まり、s ⁣:S→Is\colon S\to Iは写像である。

s(y)∈f−1({y})s(y)\in f^{-1}(\{y\})であるからfˉ(s(y))=f(s(y))=y\bar f(s(y))=f(s(y))=yであり、fˉ∘s=id⁡S\bar f\circ s=\operatorname{id}_Sである。y,y′∈Sy,y'\in Sがs(y)=s(y′)s(y)=s(y')を満たすならば、両辺にfˉ\bar fを施すことによりy=y′y=y'を得る。よってssは単射である。▨

定理 5.10.nnを正の整数とし、(X1,≤1),…,(Xn,≤n)(X_1,\leq_1),\dots,(X_n,\leq_n)を全順序集合、≤lex\leq_{\mathrm{lex}}を命題 5.4が与える全順序とする。

  1. 各≤i\leq_iがXiX_i上の整列順序であるならば、≤lex\leq_{\mathrm{lex}}はX1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_n上の整列順序である。
  2. すべてのXiX_iが空でなく、≤lex\leq_{\mathrm{lex}}がX1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_n上の整列順序であるならば、各≤i\leq_iはXiX_i上の整列順序である。

証明. 各≤i\leq_iを整列順序とし、SSをX1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_nの空でない部分集合とする。S0=SS_0=Sとおき、i=1,…,ni=1,\dots,nに対して、aia_iを{xi∣x∈Si−1}\{x_i\mid x\in S_{i-1}\}の最小元とし、

Si={x∈Si−1∣xi=ai}S_i=\{x\in S_{i-1}\mid x_i=a_i\}

と順に定める。Si−1S_{i-1}が空でなければ{xi∣x∈Si−1}\{x_i\mid x\in S_{i-1}\}はXiX_iの空でない部分集合であるから、≤i\leq_iが整列順序であることによりaia_iが定まり、aia_iを第ii成分にもつSi−1S_{i-1}の元が存在するのでSiS_iも空でない。S0=SS_0=Sが空でないので、この構成はi=ni=nまで進み、各SiS_iは空でない。

a=(a1,…,an)a=(a_1,\dots,a_n)とおく。SnS_nの元は各成分がa1,…,ana_1,\dots,a_nに等しいのでSn={a}S_n=\{a\}であり、とくにa∈Sa\in Sである。x∈Sx\in Sを取りx≠ax\neq aとし、iiをxi≠aix_i\neq a_iを満たす最小の添字とする。l<il<iについてはxl=alx_l=a_lであるから、S1,…,Si−1S_1,\dots,S_{i-1}の定め方によりx∈Si−1x\in S_{i-1}である。よってaia_iの最小性からai≤ixia_i\leq_ix_iであり、xi≠aix_i\neq a_iとあわせてai<ixia_i<_ix_iである。iiはaaとxxが食い違う最小の添字であるからa<lexxa<_{\mathrm{lex}}xである。したがってaaはSSの最小元であり、(1)が成り立つ。

すべてのXiX_iが空でなく、≤lex\leq_{\mathrm{lex}}が整列順序であるとする。k∈{1,…,n}k\in\{1,\dots,n\}を固定し、TTをXkX_kの空でない部分集合とする。i≠ki\neq kを満たす各iiについて、XiX_iが空でないので、その元cic_iを一つずつ取ることができる。

S={x∈X1×⋯×Xn∣xk∈T かつ i≠k のとき xi=ci}S=\{x\in X_1\times\cdots\times X_n\mid x_k\in T\ \text{かつ}\ i\neq k\ \text{のとき}\ x_i=c_i\}

とおくと、TTが空でないのでSSは空でない。≤lex\leq_{\mathrm{lex}}が整列順序であるからSSは最小元aaをもつ。SSの相異なる二元は第kk成分だけで食い違うので、x,y∈Sx,y\in Sについてx<lexyx<_{\mathrm{lex}}yとxk<kykx_k<_ky_kは同値である。t∈Tt\in Tを取り、第kk成分がttであるSSの元をxxとすると、a≤lexxa\leq_{\mathrm{lex}}xからak≤kta_k\leq_ktを得る。すなわちaka_kはTTの最小元であり、≤k\leq_kは整列順序である。▨

注意 5.11.定理 5.10 (1)は因子の個数が有限であることに依存する。i∈N≥1i\in\mathbb N_{\geq1}についてXi={0,1}X_i=\{0,1\}とし、0<10<1を満たす全順序を入れる。各成分が00または11である列x=(x1,x2,… )x=(x_1,x_2,\dots)の全体に、相異なる二つの列xxとyyに対してxi≠yix_i\neq y_iを満たす最小の添字iiを取り、xi<yix_i<y_iのときにx<lexyx<_{\mathrm{lex}}yと定める。N≥1\mathbb N_{\geq1}の空でない部分集合は最小元をもつので、この最小の添字は定まる。各XiX_iの順序は、二元しかもたないので整列順序である。

k∈N≥1k\in\mathbb N_{\geq1}に対して、第kk成分だけが11で他の成分がすべて00である列をeke_kと書く。k<lk<lとすると、eke_kとele_lが食い違う最小の添字はkkであり、そこでの成分はele_lが00、eke_kが11であるからel<lexeke_l<_{\mathrm{lex}}e_kである。よって{ek∣k∈N≥1}\{e_k\mid k\in\mathbb N_{\geq1}\}は最小元をもたず、この順序は整列順序ではない。

注意 5.12. 辞書式順序が整列順序であっても、各元より小さい元の全体が有限であるとは限らない。X1=X2=N≥0X_1=X_2=\mathbb N_{\geq0}に通常の大小関係を入れると、これは整列順序であるから、定理 5.10 (1)によりN≥0×N≥0\mathbb N_{\geq0}\times\mathbb N_{\geq0}の辞書式順序も整列順序である。ここで(1,0)(1,0)より<lex<_{\mathrm{lex}}について小さい元は、第11成分が00である組にほかならないから、その全体は{0}×N≥0\{0\}\times\mathbb N_{\geq0}であり、有限個の元からなる集合ではない。「基数算術」は、この点のために通常の辞書式順序とは別の順序を導入する。

6 演習

問題 6.1.(P,≤)(P,\leq)を前順序集合、TTをPPの部分集合、s∈Ps\in Pとする。ssが(P,≤)(P,\leq)におけるTTの上限であることと、ssがPopP^{\mathrm{op}}におけるTTの下限であることとが同値であることを証明せよ。

解答.

u∈Pu\in Pについて、uuが(P,≤)(P,\leq)におけるTTの上界であることと、uuがPopP^{\mathrm{op}}におけるTTの下界であることとは同値である。実際、前者は「すべてのt∈Tt\in Tについてt≤ut\leq uが成り立つ」ことであり、後者は「すべてのt∈Tt\in Tについてu≤optu\leq^{\mathrm{op}}tが成り立つ」ことであって、≤op\leq^{\mathrm{op}}の定め方によりこの二つは同じ条件である。

ssを(P,≤)(P,\leq)におけるTTの上限とする。ssはTTの上界であるから、いま示した同値によりssはPopP^{\mathrm{op}}におけるTTの下界である。xxをPopP^{\mathrm{op}}におけるTTの下界とすると、同じ同値によりxxは(P,≤)(P,\leq)におけるTTの上界であり、ssが上限であることからs≤xs\leq x、すなわちx≤opsx\leq^{\mathrm{op}}sである。よってssはPopP^{\mathrm{op}}におけるTTの下限である。

逆にssをPopP^{\mathrm{op}}におけるTTの下限とする。ssはPopP^{\mathrm{op}}におけるTTの下界であるから、同じ同値によりssは(P,≤)(P,\leq)におけるTTの上界である。uuを(P,≤)(P,\leq)におけるTTの上界とすると、同じ同値によりuuはPopP^{\mathrm{op}}におけるTTの下界であり、ssがPopP^{\mathrm{op}}における下限であることからu≤opsu\leq^{\mathrm{op}}s、すなわちs≤us\leq uである。よってssは(P,≤)(P,\leq)におけるTTの上限である。▨

問題 6.2.nnを正の整数、(X1,≤1),…,(Xn,≤n)(X_1,\leq_1),\dots,(X_n,\leq_n)を poset とし、X1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_nに積順序を入れる。TTをX1×⋯×XnX_1\times\cdots\times X_nの部分集合とし、Ti={xi∣x∈T}T_i=\{x_i\mid x\in T\}とおく。TTが上限をもつことと、すべてのiiについてTiT_iが上限をもつこととが同値であり、そのときTTの上限は各成分がTiT_iの上限である組であることを証明せよ。

解答.

まず、u∈X1×⋯×Xnu\in X_1\times\cdots\times X_nがTTの上界であることと、すべてのiiについてuiu_iがTiT_iの上界であることとは同値である。実際、uuがTTの上界であることは「すべてのx∈Tx\in Tと各iiについてxi≤iuix_i\leq_iu_iが成り立つ」ことであり、TiT_iの元はTTの元の第ii成分にほかならないからである。

すべてのiiについてTiT_iが上限sis_iをもつとし、s=(s1,…,sn)s=(s_1,\dots,s_n)とおく。各sis_iはTiT_iの上界であるからssはTTの上界である。uuをTTの上界とすると、各iiについてuiu_iはTiT_iの上界であり、sis_iが上限であることからsi≤iuis_i\leq_iu_iである。よってs≤produs\leq_{\mathrm{prod}}uであり、ssはTTの上限である。

逆にTTが上限ssをもつとする。ssはTTの上界であるから、各iiについてsis_iはTiT_iの上界である。kkを固定し、vvをTkT_kの上界とする。第kk成分がvvであり、i≠ki\neq kの第ii成分がsis_iである組をuuとすると、各成分が対応するTiT_iの上界であるからuuはTTの上界であり、ssが上限であることからs≤produs\leq_{\mathrm{prod}}u、とくにsk≤kvs_k\leq_kvである。よってsks_kはTkT_kの上限である。以上により同値が成り立ち、TTの上限は各成分がTiT_iの上限である組である。▨

問題 6.3.n≥2n\geq2とし、(X1,≤1),…,(Xn,≤n)(X_1,\leq_1),\dots,(X_n,\leq_n)を全順序集合とする。恒等写像

id ⁣:(X1×⋯×Xn,≤prod)⟶(X1×⋯×Xn,≤lex)\mathrm{id}\colon(X_1\times\cdots\times X_n,\leq_{\mathrm{prod}})\longrightarrow(X_1\times\cdots\times X_n,\leq_{\mathrm{lex}})

が順序を保つ写像であることを証明し、X1X_1とX2X_2がそれぞれ相異なる二元をもち、かつ3≤i≤n3\leq i\leq nを満たす各iiについてXiX_iが空でないときには順序埋め込みでないことを示せ。

解答.

x≤prodyx\leq_{\mathrm{prod}}yとする。x=yx=yならばx≤lexyx\leq_{\mathrm{lex}}yである。x≠yx\neq yならば、xi≠yix_i\neq y_iを満たす最小の添字iiについてxi≤iyix_i\leq_iy_iかつxi≠yix_i\neq y_iであるからxi<iyix_i<_iy_iであり、辞書式順序の定義によりx<lexyx<_{\mathrm{lex}}yである。よってid\mathrm{id}は順序を保つ。

X1X_1がa1<1b1a_1<_1b_1を満たす二元をもち、X2X_2がa2<2b2a_2<_2b_2を満たす二元をもち、3≤i≤n3\leq i\leq nを満たす各iiについてXiX_iが空でないとする。この各iiについてXiX_iの元cic_iを一つずつ取り、x=(a1,b2,c3,…,cn)x=(a_1,b_2,c_3,\dots,c_n)、y=(b1,a2,c3,…,cn)y=(b_1,a_2,c_3,\dots,c_n)とおく。xxとyyが食い違う最小の添字は11でありa1<1b1a_1<_1b_1であるからx<lexyx<_{\mathrm{lex}}yである。一方、第22成分についてb2≤2a2b_2\leq_2a_2が成り立たないのでx≤prodyx\leq_{\mathrm{prod}}yではない。よってid(x)≤lexid(y)\mathrm{id}(x)\leq_{\mathrm{lex}}\mathrm{id}(y)でありながらx≤prodyx\leq_{\mathrm{prod}}yが成り立たず、id\mathrm{id}は順序埋め込みではない。▨

順序の三つの水準と、上界、上限、鎖、極大元および整列順序の語は、以後の記事が繰り返し用いる。「束と完備束」は、任意の二元が上限と下限をもつ poset として束を定義し、poset では上限と下限が一意であることを根拠に、結びと交わりを二項演算として扱う。「順序数」は、本記事が定めた整列順序を出発点として整列集合と始切片を定め、超限帰納法の枠組みを作る。

参考文献

  1. B. A. Davey and H. A. Priestley, Introduction to Lattices and Order, 2nd ed., Cambridge University Press, 2002.前順序、半順序、上方集合と下方集合、順序を保つ写像および双対原理を参考にした。
  2. Garrett Birkhoff, Lattice Theory, 3rd ed., American Mathematical Society, Providence, Rhode Island, 1967.束論の出発点としての半順序集合、鎖、上限と下限を参考にした。
  3. Thomas Jech, Set Theory, 3rd millennium ed., Springer Monographs in Mathematics, Springer, Berlin, 2003.順序数の理論の出発点としての全順序と整列順序を参考にした。

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