λa. Рассмотрим также систему B = hR 3 ; +, {λ·} λ∈R i, носитель которой состоит из троек вещественных чисел (x, y, z), + — двухместная операция покоординатного сложения троек, а функция λ· — операция умно- жения троек на число λ для всех вещественных чисел λ. Системы A и B яв- ляются линейными пространствами над полем R. Отображение ϕ, ставящее в соответствие вектору a ∈ E 3 его координатную строку (x, y, z) в некотором фиксированном базисе e 1 , e 2 , e 3 , является биекцией (ϕ: E 3 ↔ R 3 ), при кото- рой сохраняются действия операций: ϕ(a+b) = ϕ(a)+ϕ(b) и ϕ(λ·a) = λ·ϕ(a). Таким образом, ϕ — изоморфизм линейных пространств A и B, и, следова- тельно, изучение геометрических векторов можно свести к изучению троек чисел и наоборот. 2. Рассмотрим два равномощных алфавита X, X 0 и алгебры A = hW (X);ˆi, B = hW (X 0 );ˆi (см. пример 2.1.2). Покажем, что A ' B. Так как |X| = |X 0 |, то существует биекция ϕ: X ↔ X 0 . Построим по ней би- екцию ψ: W (X) ↔ W (X 0 ), при которой слову α ∈ W (X) ставится в соответ- ствие слово β ∈ W (X 0 ), получающееся заменой каждого символа x в слове α на символ ϕ(x). Построенная биекция ψ дает искомый изоморфизм A на B, поскольку ψ(α 1 ˆα 2 ) = ψ(α 1 )ˆψ(α 2 ) для любых α 1 , α 2 ∈ W (X). 3. Для заданного множества U система hP(U); ∩, ∪, , 0, 1i изоморфна си- стеме hP(U); ∪, ∩, , 1, 0i с биекцией ϕ: A 7→ A. Действительно, по законам де Моргана ϕ(B ∩ C) = B ∩ C = B ∪ C = ϕ(B) ∪ ϕ(C) и ϕ(B ∪ C) = B ∪ C = B ∩ C = ϕ(B) ∩ ϕ(C) для любых B, C ∈ P(U). Кроме того, ϕ(A) = A = ϕ(A), ϕ(0) = 0 = 1 и ϕ(1) = 1 = 0. 4. Рассмотрим группы A = h(0, ∞); ·i, B = hR; +i и отображение ϕ: (0, ∞) → R по правилу ϕ(x) = log p (x) для некоторого фиксированно- го p ∈ (0, ∞), p 6= 1. Отображение ϕ является изоморфизмом систем A и B, называемым логарифмом (по основанию p). Это позволяет произво- дить умножение положительных чисел при помощи сложения вещественных чисел на основании тождества a · b = ϕ −1 (ϕ(a) + ϕ(b)), которое получается из равенства ϕ(a · b) = ϕ(a) + ϕ(b) применением отображения ϕ −1 к обеим частям. ¤ 2.3. ПОДСИСТЕМЫ 57 § 2.3. Подсистемы Алгебраическая система A = hA; Σi называется подсистемой системы B = hB; Σi (обозначается через A ⊆ B), если выполняются следующие условия: а) A ⊆ B; б) для любого функционального символа f (n) ∈ Σ, соответствующих функций f A и f B и любых элементов a 1 , a 2 , . . ., a n ∈ A выполняется равен- ство f A (a 1 , . . . , a n ) = f B (a 1 , . . . , a n ), т. е. интерпретации символа f действуют одинаково на элементах из A; в) для любого предикатного символа P (n) ∈ Σ, соответствующих пре- дикатов P A и P B справедливо равенство P A = P B ∩ A n , т. е. предикат P A содержит в точности те кортежи отношения P B , которые состоят из элемен- тов множества A. Если Σ — функциональная (предикатная) сигнатура, то подсистема A алгебры (модели) B называется подалгеброй (подмоделью). Пример 2.3.1. 1. Если V 0 — подпространство линейного пространства V , то V 0 — подсистема (подалгебра) системы V . 2. Если Σ = {P (1) }, B = hB; Σi — система, ∅ 6= A ⊆ B, то A = hA; Σi является подсистемой системы B тогда и только тогда, когда P A = P B ∩A. ¤ Теорема 2.3.1. Если B — алгебраическая система, X ⊆ B, X 6= ∅, то существует единственная подсистема B(X) ⊆ B с носителем B(X), такая, что X ⊆ B(X) и B(X) ⊆ A для любой подсистемы A ⊆ B с усло- вием X ⊆ A. Доказательство. В качестве B(X) рассмотрим пересечение носите- лей A всех подсистем A ⊆ B, содержащих X. Так как X ⊆ B(X), то B(X) 6= ∅. Единственность подсистемы B(X) очевидна. ¤ Подсистема B(X) из теоремы 2.3.1 называется подсистемой, порожден- ной множеством X в B. Она является наименьшей подсистемой системы B, содержащей множество X. Пример 2.3.2. Напомним, что если V — линейное пространство, S — некоторое непустое множество векторов пространства V , то линейная обо- лочка L(S) множества S в V состоит из всевозможных линейных комби- наций векторов из S. Алгебра L(S) является подалгеброй пространства V , порожденной множеством S. ¤
58 Глава 2. АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Для описания устройства подсистемы B(X) определим индукцией по по- строению понятие терма сигнатуры Σ: 1) переменные x, y, z, . . . и константные символы из Σ суть термы; 2) если f ∈ Σ — n-местный функциональный символ, t 1 , t 2 , . . ., t n — термы, то f (t 1 , . . . , t n ) — терм; 3) никаких термов, кроме построенных по пп. 1, 2, нет. Таким образом, термом является любое функциональное выражение, со- ставленное с помощью переменных и (или) сигнатурных функциональных символов. Множество всех термов сигнатуры Σ обозначается через T (Σ). Пример 2.3.3. 1. Термами сигнатуры Σ = {+, ·, 6, 0} будут, например, 0, x, x + y, z · (x + z) + 0 · y, а x + y 6 (0 + z) · x термом не является. 2. Если Σ = {f, g, h} — функциональная сигнатура, где µ(f ) = 3, µ(g) = 1, µ(h) = 2, то выражения h(f (x 1 , x 2 , x 3 ), g(x 2 )), g(f (h(x 1 , x 2 ), x 1 , g(x 2 )) — тер- мы, а h(x 1 , f (x 1 , x 3 )) не образует терма. 3. В сигнатуре Σ = {отец (1) , Иван (0) } терм отец(отец(Иван)) можно про- интерпретировать как “дедушка Ивана”. ¤ Пусть t(x 1 , x 2 , . . . , x k ) — терм из T (Σ), все переменные которого содер- жатся среди x 1 , x 2 , . . . , x k ; A = hA; Σi — алгебраическая система. Значение терма t при значениях a 1 , a 2 , . . . , a k ∈ A переменных x 1 , x 2 , . . . , x k (обозна- чается через t(a 1 , a 2 , . . . , a k )) определяется по индукции: 1) если t есть переменная x i (константный символ c), то значение t есть a i (соответственно c); 2) если терм t есть f (t 1 , . . . , t n ), а значения t 1 , . . . , t n суть b 1 , . . . , b n , то зна- чение терма t есть f (b 1 , . . . , b n ). Теорема 2.3.2. Если B = hB; Σi — алгебраическая система, ∅ 6= X ⊆ B, то носитель подсистемы B(X) равен {t(a 1 , . . . , a n ) | t ∈ T (Σ), a 1 , . . . , a n ∈ X}. Доказательство. Индукцией по числу шагов построения терма t по- лучаем, что если t(x 1 , . . . , x n ) ∈ T (Σ) и a 1 , . . . , a n ∈ X, то t(a 1 , . . . , a n ) ∈ X для любой подсистемы A ⊆ B, содержащей X. Поэтому достаточно пока- зать, что множество Y {t(a 1 , . . . , a n ) | t ∈ T (Σ), a 1 , . . . , a n ∈ X} замкнуто относительно операций системы B. Пусть f (m) ∈ T (Σ), t 1 , . . . , t m ∈ T (Σ), b i = t i (a 1 , . . . , a n ) ∈ Y , i = 1, . . . , m. Тогда f (b 1 , . . . , b m ) ∈ Y , поскольку f (t 1 , . . . , t m ) ∈ T (Σ). ¤
2.4. КОНГРУЭНЦИИ. ФАКТОР-АЛГЕБРЫ. ТЕОРЕМА О ГОМОМОРФИЗМЕ 59 Таким образом, носитель подсистемы B( X) состоит из всех элементов, которые получаются при подстановке элементов из X в термы. Пример 2.3.4. 1. Найдем носитель подсистемы B( X) системы B = hQ \ {0 }; ·i для множества X = {1 2 }. Так как сигнатура Σ системы B есть {·}, то T (Σ) = {x1 , x1 · x2 , ( x1 · x2 ) · x3 , x1 · ( x2 · ·x3 ) , . . .}. По теореме 2.3.2 получаем B( X) = {1 2 ,1 2 ·1 2 ,1 2 ·1 2 ·1 2 , . . .} = {1 2 ,1 4 ,1 8 ,1 16 , . . .} = {1 2 n| n > 1 }. 2. Если B = hQ \ {0 }; ·, : i, X = {1 2 }, то, поскольку по сравнению с предыдущим примером сигнатура дополняется операцией деления x : y, множество B( X) содержит также числа 1 2 n: 1 2 m= 2 m−n, m, n > 1, т. е. C = {2 n| n ∈ Z } ⊆ B( X). Так как множество C замкнуто относительно операций умножения и деления, т. е. hC; Σ i является подсистемой системы B и содержит множество X, то B( X) ⊆ C. Следовательно, B( X) = C. 3. Найдем носитель подсистемы B( X) системы B = hC; + ,.ıi для множе- ства X = {−2 , 2 }. Так как все термы из T (Σ) являются переменными, кон- стантой .ı или образуются из переменных и константы .ı с помощью операции сложения, то каждый элемент из B( X) получается подстановкой элементов из X в некоторый терм x1 + x2 + . . . + xm+ .ı + .ı + . . . + .ı. Следовательно, B( X) = {2 m + ni | m ∈ Z , n ∈ ω}. ¤ § 2.4. Конгруэнции. Фактор-алгебры. Теорема о гомоморфизме Конгруэнцией на алгебре A = hA; Σ i называется такое отношение эквива- лентности θ ⊆ A2 , при котором для любого n ∈ ω, любого n-местного симво- ла f ∈ Σ (напомним, что сигнатура алгебры состоит только из функциональ- ных символов), произвольных наборов ( a1 , a2 , . . . , an), ( b1 , b2 , . . . , bn) ∈ An, если a1 θ b1 , a2 θ b2 , . . . , anθ bn, то f ( a1 , a2 , . . . , an) θ f ( b1 , b2 , . . . , bn). Это означает, что все операции согласованы с отношением эквивалент- ности θ. Например, для операции сложения это выглядит так: для любых элементов x, y ∈ A, любых a ∈ θ( x), b ∈ θ( y) элемент a + b принадлежит классу θ( x + y). Рассмотрим фактор-множество множества Aпо конгруэнции θ: A/θ = {θ( x) | x ∈ A}. Определим на этом множестве алгебру сигнатуры Σ. Константе c алгебры A поставим в соответствие элемент θ( c), который в A/θ 60 Глава 2. АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ будет интерпретировать константный символ c. Если f — n-местный символ из Σ, то зададим на множестве A/θ действие функции f по правилу f (θ(x 1 ), . . . , θ(x n )) θ(f (x 1 , . . . , x n )). Убедимся, что для любых x 1 , . . . , x n ∈ A это определение корректно, т. е. не зависит от выбора представителей классов эквивалентности. Действи- тельно, если θ(x i ) = θ(y i ), i = 1, 2, . . . , n, то x i θ y i , откуда в силу свойства конгруэнции имеем f (x 1 , . . . , x n ) θf (y 1 , . . . , y n ), т. е. θ(f (x 1 , . . . , x n )) = θ(f (y 1 , . . . , y n )). Получившаяся алгебра A/θ hA/θ; Σi называется фактор-алгеброй ал- гебры A по конгруэнции θ. Очевидно, что отображение A → A/θ, при котором элементу x ∈ A ста- вится в соответствие класс θ(x), является эпиморфизмом алгебры A на фактор-алгебру A/θ. Этот эпиморфизм называется естественным гомо- морфизмом. Если ϕ: A → B — гомоморфизм алгебр, то множество Ker ϕ {(a, a 0 ) | ϕ(a) = ϕ(a 0 )} оказывается конгруэнцией на алгебре A и называется ядром гомомор- физма ϕ. Докажем теорему, согласно которой гомоморфный образ алгебры изо- морфен фактор-алгебре по ядру гомоморфизма. Теорема 2.4.1 (теорема о гомоморфизме). Если ϕ: A → B — эпи- морфизм, ψ: A → A/Ker ϕ — естественный гомоморфизм, то существует изоморфизм χ: B ∼ → A/Ker ϕ такой, что ϕ ◦ χ = ψ. Доказательство. Положим χ(b) = ψ(a), где a ∈ A выбрано так, что b = ϕ(a). Если b = ϕ(a 0 ), то (a, a 0 ) ∈ Ker ϕ, откуда ψ(a) = ψ(a 0 ). Следо- вательно, отображение χ определено корректно. Равенство ϕ ◦ χ = ψ оче- видно. Из него вытекает, что χ — сюръекция. Непосредственно проверяется, что χ — гомоморфизм. Если χ(b) = χ(b 0 ), то ψ(a) = ψ(a 0 ), где b = ϕ(a), b 0 = ϕ(a 0 ). Отсюда (a, a 0 ) ∈ Ker ϕ, следовательно, b = b 0 , что доказывает взаимную однозначность отображения χ. Так как сигнатура функциональ- на, из существования функции χ −1 и того, что χ — гомоморфизм, следует, что χ является изоморфизмом. ¤
2.5. ДЕКАРТОВЫ ПРОИЗВЕДЕНИЯ АЛГЕБР. ТЕОРЕМА БИРКГОФА 61 - •? ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ = ••A B A /Ker ϕϕψχ'Рис. 2.1Отображения ϕ, ψ и χ из теоремы 2.4.1 можно представить диаграммой, показанной на рис. 2.1. § 2.5. Декартовы произведения алгебр. Теорема Биркгофа Пусть Ai, i ∈ I, — семейство множеств. Декартовым произведением мно-жеств Ai, i ∈ I, называется множество Y i∈IAi {f | f : I → ∪i∈IAi, где f ( i) ∈ Aiдля всех i}.Отметим, что если I = {1 , 2 |