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代数系统
第六章 格和布尔代数
§ 1格的概念
§ 2分配格
§ 3有补格
§ 4*布尔代数
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§ 1格的概念
1.偏序集合格
,定义, 格是一个偏序集合,其中每一对元素
都拥有一个最小上界和最大下界。通常用
表示 a和 b的最大下界,用 表示 a和 b的最小
上界。即:
—— 称为元素 a和 b的保交运算,
—— 称为元素 a和 b的保联运算。
???,L
Lba ?,
ba? ba?
babaG L B ??},{
babaL U B ??},{
3
§ 1格的概念
例:以下均为偏序集合格( D为整除关系,Sn为 n的因
子集合)。
4
§ 1格的概念
2.代数系统格
,定义,, 设 是一个格,如果在 A上定义两个
二元运算 ?和 ?,使得对于任意的 a,b?A,a?b等
于 a和 b的最小上界,a?b等于 a和 b的最大下界,那
么就称 <L,?,?> 为由格 所诱导的代数系统。
???,L
???,L
5
§ 1格的概念
3.格的主要性质:
(1)格的对偶原理
设 <L,≤>是格,,≤”的逆关系,≥”与 L组成的偏序集
<L,≥>也是格。两者互为对偶。前者的 GLB,LUB恰好
是后者的 LUB,GLB。如有关于 <L,≤>的有效命题,
将,≤”换成,≥”,,?”换成,?”,,?”换成
,?”,便能得到 <L,≥>的有效命题。反之亦然。
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§ 1格的概念
(2)对格 <L,≤>中任意 a和 b,有 a≤a?b及 a?b≤a。
(3) <L,≤>是格。对任意 a,b,c,d?L,如 a≤b,c≤d,则
a?c≤ b?d,a?c≤b?d
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§ 1格的概念
(4)(交换律)交和并运算是可交换的。
(5)(结合律)交和并运算是可结合的。
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§ 1格的概念
(6)(幂等律)对 L中每一个 a,有 a?a=a,a?a=a。
(7)(吸收律)对 L中任意 a,b,
有 a?(a?b)=a a?(a?b)=a。
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§ 2分配格
对格所定义的代数系统 <L,?,?>,其运算 ?和 ?不一定满
足分配律。
,定义, 设 <L,?,?>是由 <L,≤>所诱导的代数系统。如果
对任意的 a,b,c?L,满足:
a ?(b ? c)=(a ? b) ?(a ? c)
及 a ? (b ? c)=(a ? b) ? (a ? c)
则称 <L,≤>是分配格。
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§ 2分配格
讨论定义:
(1)定义中的两式互为对偶式。
(2)如 <L,≤>非为分配格,则有下面的分配不等式:
a ? (b ? c) ≤ (a ? b) ? (a ? c)
a ? (b ? c) ≥ (a ? b) ? (a ? c)
以及模不等式:
a≤c?a ? (b ? c) ≤ (a ? b) ? c
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§ 2分配格
,定义, 如对 L中任意 a,b,c有:
a≤c?a ? (b ? c) = (a ? b) ? c
则称 <L,≤>为模格。
例:
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§ 2分配格
,定理, 如果格中交对并是分配的,那么并对交也是分
配的,反之亦然。
证明:已知 a ? (b ? c) = (a ? b) ? (a ? c)
(a ? b) ? (a ? c)=((a ? b) ? a) ? ((a ? b) ? c)
=a ? ((a ? b) ? c)
=a ?((a ? c) ? (b ? c))
=(a ? (a ? c)) ? (b ? c)
=a ? (b ? c)
即:并对交也是分配的。
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§ 2分配格
,定理, 分配格是模格。
证明:由于 a ? (b ? c) = (a ? b) ? (a ? c)
(1)若 a≤c,则 a ? c=c,代入上式得
a ? (b ? c) = (a ? b) ? c
(2)若 a ? (b ? c) = (a ? b) ? c,则
a≤ a ? (b ? c) = (a ? b) ? c≤c,即,a≤c
∴ 分配格是模格
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§ 2分配格
,定理, 每个链均是分配格。
证明:设 <L,≤>是链。对任意 a,b,c?L
(1)若 a≤b或 a≤c,则 a ? (b ? c) = a,
(a ? b) ? (a ? c)= a
即,a ? (b ? c) = (a ? b) ? (a ? c)
(2)若 a≥b且 a≥c,则 a ? (b ? c) = b ? c,
(a ? b) ? (a ? c)= b ? c
即,a ? (b ? c) = (a ? b) ? (a ? c)。得证。
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§ 3有补格
,定义, 设 <L,≤>是一个格,如果存在元素 a?L,对于任
意的 x ?L,都有:
a≤x
则称 a为格 <L,≤>的全下界,记格的全下界为 0。
例:
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§ 3有补格
,定理, 如果格 <L,≤>有全上界(全下界),那么它是
唯一的。
证明:(反证法)设有两个全上界 a和 b,则由定义
a≤b,且 b≤a,由,≤”的反对称性,a= b。
,定义, 设 <L,≤>是一个格,格中存在全上界和全下界,
则称该格为有界格。
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§ 3有补格
,定理, 如果 <L,≤>是有界格,全上界和全下界分别是 1
和 0,则对任意元素 a?L,有:
a?1=1?a=1, a?1= 1?a=a,
a?0=0?a=a, a?0= 0?a=0。
证明:因为 1≤a?1,
又因 (a?1) ?L且 1是全上界,∴ a?1≤1,
∴ a?1=1。由交换律,1?a= a?1=1。
因为 a≤a,a≤1,∴ a ?a≤a ?1,即,a≤a ?1,
又 a?1≤a,∴ a?1= a。仿此可得另两式。
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§ 3有补格
,定义, 设 <L,≤>是一个有界格,对于 L中的一个元素 a,
如果存在 b?L,使得 a?b=1和 a?b= 0,则称元素 b是
元素 a的补元。
讨论定义:
( 1) ∵ ?和 ?是可交换的,∴ 补元是相互的。
( 2),即在有
界格中,1和 0互为补元;
( 3)由定义可知 L中一个元素的补元不一定是唯一的;
例:
101110,001010 ??????????
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东南大学远程教育
离 散 数 学
第 五十三讲
主讲教师:仲新宇
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§ 3有补格
,定义, 在一个有界格中,如果每个元素都至少有一个
补元素,则称此格为有补格。
讨论定义:
( 1)在有补格中,每一个元素一定存在补元(不一定
是一个补元);
( 2)有补格一定是有界格,而有界格不一定是有补格。
请看下例:
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§ 3有补格
,定义, 在一个有界格中,如果每个元素都至少有一个
补元素,则称此格为有补格。
讨论定义:
( 1)在有补格中,每一个元素一定存在补元(不一定
是一个补元);
( 2)有补格一定是有界格,而有界格不一定是有补格。
请看下例:
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§ 3有补格
,定理, 在有界分配格中,若有一个元素有补元,则必
是唯一的。
证明:
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§ 4 布尔代数
,定义, 一个有补分配格称为布尔格。
,定义, 一个格 <L,≤>如果它既是有补格,又是分配格,
则它为有补分配格。我们把有补分配格中任一元素 a
的唯一补元记为 a。
讨论定义:
(1)布尔格中,每个元素有唯一的补元。
(2)我们可以定义 L上的一个一元运算,称为补运算,记
为,-”。
-
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§ 4 布尔代数
,定义, 由布尔格 <L,≤>,可以诱导一个
包括交,并和补运算的代数系统 <L,?,?,->,称此代
数系统为布尔代数。
例:设 S是一个非空有限集,<?(S),?>是一个格,且是
一个布尔格。由 <?(S),?>所诱导的代数系统为
< ?(S),?,?,-> 是一个布尔代数。其中,?,?,-”分别是
集合的交、并、补运算。
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§ 4 布尔代数
,定理, 对于布尔代数中任意两个元素 a,b,必定有
aa ?
??
)(
??? ??? baba
??? ??? baba
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§ 4 布尔代数
证明:
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§ 4 布尔代数
,定理, 设 <A,?,?,->是由有限布尔格 <A,≤>所诱导的一
个有限布尔代数,S是布尔格 <A,≤>中的所有原子的集
合,则 <A,?,?,->和 <?(S),?,?,~>同构。
讨论定 理,
(1)当 布尔代数 <A,?,?,->的载体 A的基数 |A|是有限数时,
则称之为有限布尔代数。
(2)设 <A,?,?,->是一个布尔代数,a∈ A,如果 a盖住 0,则
称元素 a是该布尔代数的一个 原子 。
例如:
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东南大学远程教育
离 散 数 学
第 五十四讲
主讲教师:仲新宇
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§ 4 布尔代数
例,<?(S),?,?,~,?,S>,其中 S={a,b,c},
在这个布尔代数中的元素分三种情况:
( ⅰ )界:全上界 S,全下界 ? ;
( ⅱ ) {a},{b},{c}单个元素集合的元素;
( ⅲ )二,三个元素作为集合的元素,但它们均可用单
个元素的集合的元素来表述:
{a,b}={a}?{b},{a,c}={a}?{c},
{b,c}={b}?{c},
{a,b,c}={a}?{b}?{c} 。
{a,c}
{a,b,c}
{a,b}
{b,c}
{a}{c}
{b}
?
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§ 4 布尔代数
(3)A中除 0外的每个元素,都可以唯一地表示成原子的
并。
该定理可得以下两个推论:
a)<B,*,?,’,0,1>与 <p(S),∪,∩,~,?,S>同构,
|p(S)|=2|s|所以,|B|=2|s|,故 任一有限布尔代数载体
的基数是 2的幂。
b)任一有限布尔代数和它的原子集合 S构成的幂集集合
代数 <p(S),∪,∩,~,?,S>同构,但后者又与任一基
数相同的幂集集合代数同构,故 具有相同载体基数的
有限布尔代数都同构。
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§ 4 布尔代数

有界格 有补格
布尔代数
分配格
结合律 吸收律
交换律 幂等律
同一律
零一律 互补律
分配律
德 ·摩根律
双重否定律
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§ 4 布尔代数
例:
设 A是一非空集合,?(A)是 A的幂集,可以验
证,< ?(A),∪,∩,~,?,A>是个布尔代数,称此为集合
代数,其中运算为 ∪,∩,~,最小元 ?,最大元 A。
S是命题公式的全体,则 <S,∨,∧,?,0,1>是一个布尔代
数,称之为命题代数。其中运算为 ∨,∧,?,最小元
是恒假公式 0,最大元是恒真公式 1。
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§ 4 布尔代数
因此,
从逻辑观点看,布尔代数是命题演算系统。
从集合论观点看,布尔代数是集合代数。
从抽象代数的观点看,布尔代数是一个代数系统。
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第三篇小结
通过本篇的学习应该达到以下基本要求:
(1)给定集合与运算的解析表达式,写出该运算的运算表。
(2)给定集合和运算,判别该集合对运算是否封闭。
(3)给定二元运算,说明运算是否满足交换律、结合律、
幂等律、分配律和吸收律。
(4)给定集合 S上的二元运算,求出该运算的幺元、零元、
幂等元和所有可逆元素的逆元。
(5)给定集合 S和二元运算 *,能判定 <S,*>是否构成半群、
独异点和群。
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第三篇小结
(6)给定半群 S和子集 B,判定 B是否为 S的子半群;给定
独异点 V和子集 B,判定 B是否为 V的子独异点,给定
群 G和子集 H,判定 H是否为 G的子群。
(7)求循环群的所有生成元。
(8)给定代数系统 V1=<S1,o>,V2=<S2,*>,其中,o”
和” *“为二元运算,判定 ?,S1? S2是否为 V1到 V2
的同态映射。如果是,说明 ?是否为单同态、满同态
和同构,并求出同态象 ?(V1)。
(9)判别格、分配格、有界格、有补格和布尔格。求有界
格的全上界,全下界和给定元素的补元。
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例题选讲
例 1.
设,S= {a,b},则 S上可以定义多少个二元运算?其中有
4个运算如下表所示,则有哪些满足交换律,哪些满足
幂等律,哪些有幺元,哪些有零元?
?1 a b
a a a
b a a
?2 a b
a a b
b b a
?3 a b
a b a
b a a
?4 a b
a a b
b a b
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例题选讲
例 2.
对以下定义的集合和运算判别它们能否构成代数系统?
如能,请说明是构成哪一种代数系统?
(1),+为普通加法;
(2), *为普通乘法;
(3), ≤ 为小于等于关系;
},.,,,2,1,0{1 nS ????
}2,0,21{2 ?S
}3,2,1,0{3 ?S
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例题选讲