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"independent family"の構成のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

独立集合族

ナンブ キトラ
HTML変換日:2026年7月26日

1 導入

この文章ではいわゆるindependent family(独立集合族)を構成する. この文章では,独立集合族とほとんど交わらない集合族が互いに翻訳可能であるということを示す. そのためにこの間を補完する概念として, 弱独立性,弱弱独立性,弱弱弱独立性を導入する. もちろんこれらの概念は集合族に対する適切な変換を通じて互いに翻訳可能である(定理10を参照のこと).

自然数の集合ω0上には濃度が連続体であるような独立集合族が(ZFにおいて)存在することが知られている.これはここで紹介する最後の定理10の系でもある.

2 準備

まず記法について述べる. 記号ω0で非負整数全体の集合を表す. また2ω0という記号でカントール集合を表す. つまりこの集合は{0,1}に値を取る可算点列全体の集合ということである. 集合Sに対して[S]<ω0Sの有限部分集合全体を表すことにする.

今から定理を述べるのに必要な集合族の概念を導入する.

定義 1.

集合Sの部分集合からなる集合族独立であるとは, の任意の二つの有限部分族 𝒜 について𝒜= を満たすならば 集合

A𝒜AB(SB)

が常に無限集合になるときにいう.

この集合族の独立という言葉は線形独立性と関係がある. 実際,独立集合族は一番最初 ([1, p. 80])には 関数空間の中の(代数的に)独立なベクトルを構成するのに用いられた.

定義 2.

集合Sの部分集合からなる集合族弱独立であるとは, の元 Aと任意の有限部分族 についてA を満たすならば 集合

AB(SB)

が常に無限集合になるときにいう.

定義 3.

集合Sの部分集合からなる集合族弱弱独立であるとは, の元 Aと任意の有限部分族 についてAを満たすならば

AB(SB)

となるときにいう.

定義 4.

集合Sの部分集合からなる集合族弱弱弱独立であるとは, の任意の二つの元 AB についてABを満たすならば

A(SB)

となるときにいう.

注意.

弱独立性,弱弱独立性,弱弱弱独立性はこの文章のみで通用するものである. ブログなんだしふざけた名前でも勘弁して.

定義 5.

集合Sの部分集合からなる集合族ほとんど交わらないとは, の任意の異なる二つの元 AB について AB が有限集合となるときに いう.

3 本文

まず最初に弱弱弱独立な集合族からほとんど交わらない集合族を構成する方法を述べる.

定理 6.

Sを可算無限集合とし, を弱弱弱独立集合族とする. このときと同じ濃度を持つ ほとんど交わらない集合族𝒢が存在する. さらにが無限集合のみからなるのならば𝒢もそのように取れる.

証明.

適当にSωを同一視する. 各An0に対して gn(A)=[0,n]A とし, G(A)={gn(A)n0} とする. このとき集合族{G(A)A}[S]<ω0の部分集合からなる集合族である.

今から𝒢がほとんど交わらないことを示す. 任意に異なるG(A)G(B)を取る.このとき A(SB) なので要素kをこの集合から取る. するとk<n,mとなるn,mについて kgn(A)であるが kgm(B)なので gn(A)gm(B)である. よって G(A)G(B)は集合 {gn(A)0nk}{gn(B)0nk} に含まれる. つまりG(A)G(B) は有限集合であるから𝒢 はほとんど交わらない集合族である.

また以上の議論からA,B が異なるならばG(A)G(B)も異なるので 𝒢の濃度は等しい. 最後にS[S]<ω0 の濃度は等しいので,適当に同一視すれば Sの上にと同じ濃度の ほとんど交わらない集合族が構成できた. ∎

ほとんど交わらない集合族の要素は無限集合と仮定しても良いことを述べるのが次である.

定理 7.

Sを可算無限集合とし, をほとんど交わらない集合族とする. このときと同じ濃度を持ち, 無限集合族だけからなる ほとんど交わらない集合族𝒢が存在する.

証明.

𝒥={ACard(A)<0}とおく. このとき 𝒥[S]<ω0の部分集合で Sは無限集合なので𝒥の濃度はS以下である.今o𝒥を適当に見繕って, 各Aに対してK(A)Aが有限集合のときはK(A)=A×{o}S×{A}とし,Aが無限集合のときはK(A)=A×{o} と定義する. このとき各K(A) は無限集合である. さらに 任意のA,Bに対してK(A)K(B)=(AB)×{o}が成り立つ. 特にさらにABならばK(A)K(B)ということがわかる. またがほとんど交わらないということから 集合族 𝒢={K(A)A}S×𝒥の無限部分集合からなるほとんど交わらないということがわかる. 適当にSS×𝒥を同一視すれば 欲しかった集合族を得ることができる. ∎

無限集合から成るほとんど交わらない集合族から独立集合族が構成できる. 以下で述べる構成法は K. P. Hartによるものらしいのだが ([2], [3]),原論文を見つけられなかった.

定理 8.

Sを可算無限集合とし, Sの無限集合から成るほとんど交わらない集合族とする. このときと同じ濃度を持つ 独立集合族𝒢が存在する.

証明.

Aに対して

H(A)={C[S]<ω0CA}

と定義する.つまりH(A)Aと交わるSの部分集合全体の集合である. ここでABならばH(A)H(B)に注意しよう. そして𝒢={H(A)A} とおく. 今から𝒢 が独立集合族であることを示そう. 集合族𝒢の有限な部分集合族𝒜𝒜=を満たすものをとる. ここでの二つの有限部分集合族 𝒩をとって 𝒜={H(A)A} かつ ={H(B)B𝒩} と表されてるとしても良い. 集合族がほとんど交わらないことを使って 各AB𝒩 に対してr(A,B)r(A,B)Ar(A,B)B となるものとする.これはAB(𝒜=より), Aが無限集合,ABが有限集合であるなどの事実から存在性がわかる. ここでE={r(A,B)A,B𝒩} とするとEは有限集合であり, 任意のAについてEAであり, 任意のB𝒩についてEB= である. とくにEを含む有限集合TであってBと交わらない ものは無限個存在し TAH(A)B𝒩H(B) となるので 𝒢は独立集合族となる. ∎

集合 ω上では弱弱弱独立集合をかなり具体的に構成できる.

定理 9.

ωの部分集合からなる集合族で 弱弱弱独立であり連続体濃度を持つものが,ZFのもとで存在する. または無限集合のみを元とするように取れる.

証明.

x=(xi)i02ω0 に対して Ex={(xi+2)ii0} とする.つまりxi=0のときは2iが,xi=1 のときは3iExに属する. そして{Exx2ω0} とするとこれが求める集合族になっている. ここでa,b{0,1}i,j0について(a+2)i=(b+2)jならばa=bかつi=jに注意しよう. ∎

最後に以下の定理がわかる.

定理 10.

Sを可算集合とし,Sの部分集合族からなる 集合であって,以下の条件のどれか一つを満たすとする.

  1. (A)

    独立性

  2. (B)

    弱独立性

  3. (C)

    弱弱独立性

  4. (D)

    弱弱弱独立性

  5. (E)

    ほとんど交わらない

  6. (F)

    各元は無限集合であり,なおかつほとんど交わらない

このときこのとき上の条件それぞれに対してそれを満たす集合族であってと同じ濃度を持つものが存在する. さらに,以下のことが成り立つ.

  1. (1)

    S=ω0のときは, 各性質に対して連続体濃度を持つ集合族でその性質を持つものがZFにおいて構成できる.

証明.

前半は上で述べた諸定理6, 7, そして8から従う. 後半の(1)[ω0]<ω0ω0 の間に具体的に全単射が作れることと, 定理9からわかる. ∎

3.1 独立集合系の構成

この節では,上で述べたことは無視して可算集合の上に 連続体濃度をもつ独立集合系が存在することを証明する. というか上で述べた構成法を一気にやったのが以下の通りである.

定理 11.

ω上に独立集合系が存在する.

証明.

集合SS=ω0×[ω0]ω0 と定義する. つまり

S={(n,A)nω,A[ω0]<ω0}

である.もちろんSは可算集合である. 今からSの元をアルファベットsで表すとき s=(ns,As)というふうに表示することにする. ここでω0の互いに素な無限部分集合からなる可算族 {Ts}sSであって sSTs=ω0 とする. ここでK𝔓(ω0)s=(ns,As)に対して

H(K,s)={TsK[0,ns]Asのとき:それ以外のとき.

と定義する. さらに写像M:𝔓(ω0)𝔓(ω0)M(K)=sSH(K,s) と定義する. まずMは単射である事を見よう. K,L𝔓(ω0)KLを満たすとする. このときnω0が存在して K[0,n]L[0,n] となる.A={K[0,n]}として s=(n,A)とするとsSであり, TsM(K)かつ TsM(L)= となる. よってM(K)M(L)であり,単射である.

次に ={M(K)K𝔓(ω0)} が独立集合系であることを証明しよう. 𝒜の 有限な部分集合族とし 𝒜= となるものとする. そして𝔓(ω0) の有限部分集合PQによって 𝒜={M(K)KP}={M(L)LQ} と表されているとしても良い. もちろんP, Qは有限集合であり,PQ=を満たす. さて,PQは有限集合なので nω0 が存在して任意のKPLQに対して K[0,n]L[0,n] を満たす. そして A={K[0,n]K𝒜} と定義しs=(n,A)とすると sSである. そして 任意のKPに対して TsM(K) でなおかつ任意のLQについて TsM(L)である. よって 集合(A𝒜A)(B(SB)) は無限集合である. 以上で連続体濃度をもつω0上の 独立集合系が存在する. ∎

References

  • [1] G. Fichtenholz, L. Kantorovitch, Sur les opérations linéaires dans l’espace des fonctions bornées. Studia Math. 5 (1935), pp. 69-98.
  • [2] S. Geschke, Almost disjoint and independent families, 数理解析研究所講究録第1790巻, 2012, 1–9.
  • [3] M. J. Perron, On the Structure of Independent Families, PhD. Thesis, Ohio univ., 68 pages, 2017.