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同相型 📂集合論

同相型

定義 1

集合 XX 上で同値関係 RR が定義されているとしよう。xXx \in X に対して、x/R:={yX:yRx}x / R := \left\{ y \in X : y R x \right\}xx同値類と呼ぶ。与えられたXX の全ての同値類を集めた集合をX/R:={x/R:xX}X / R := \left\{ x / R : x \in X \right\} のように表現する。

説明

表現が少し汚く見えるかもしれないが、例を考えれば全然難しい概念ではない。自然数集合 N\mathbb{N} 上で33 で割った余りが同じならば同値とし、x,yZx,y \in \mathbb{Z} が同値ならxy(mod3)x \equiv y \pmod{3} のように表現しよう。5,75,733 で割った余りがそれぞれ2,12,1 なので同値ではないが、11,1711,1733 で割った余りが22 になるので、1117(mod3)11 \equiv 17 \pmod{3} のように書くことができる。 14710(mod3)25811(mod3)36912(mod3) 1 \equiv 4 \equiv 7 \equiv 10 \equiv \cdots \pmod{3} \\ 2 \equiv 5 \equiv 8 \equiv 11 \equiv \cdots \pmod{3} \\ 3 \equiv 6 \equiv 9 \equiv 12 \equiv \cdots \pmod{3} 上の計算から分かるように、11 の同値類は(1/)={1,4,7,10,}( 1 / \equiv) = \left\{ 1, 4, 7, 10, \cdots \right\} であり、22 の同値類は(2/)={2,5,8,11,}(2 / \equiv) = \left\{ 2, 5, 8, 11, \cdots \right\} であり、33 の同値類は(3/)={3,6,9,12,}(3 / \equiv) = \left\{ 3, 6, 9, 12, \cdots \right\} であることが分かる。33 より大きい数からは上記の三つの同値類が繰り返され、したがって、 (N/)={1/,2/,3/} (\mathbb{N} / \equiv) = \left\{ 1 / \equiv , 2 / \equiv , 3 / \equiv \right\} 上の例から確認できるように、同値類は次のような常識的な性質を持つ。

基本的な性質

  • [1] x/Rx / R \ne \emptyset
  • [2] x/Ry/R    xRy x / R \cap y / R \ne \emptyset \iff xRy
  • [3] x/R=y/R    xRyx/R = y/R \iff x R y
  • [4] x/Ry/R    x/R=y/Rx / R \cap y / R \ne \emptyset \iff x/R = y/R

証明

[1]

RRXX 上の同値関係であるため、反射性により、全てのxXx \in X に対してxRxx R x かつ、xx/Rx \in x / R が成り立つべきだ。

戦略 [2][3]:x,yx,y と別のzz を一つ選び、同値関係の対称性と推移性を利用して式をつなげる。

[2]

x/Rx/Ry/Ry/R は空集合ではなく、XX 上の同値関係であるため、x/Ry/Rx/R \cap y/R \ne \emptyset であり、これはあるzz に対して zx/Rzy/R    zRxzRy    xRzzRy    xRy \begin{align*} & z \in x / R \land z \in y / R \\ \iff & z R x \land z R y \\ \iff & x R z \land z R y \\ \iff & x R y \end{align*} と同値である。

[3]

(    )( \implies ) x/R=y/Rx/R = y/R であればx/Ry/Rx/R \cap y/R \ne \emptyset であるため、[2]によりxRyx R y


(    )( \impliedby ) xRyx R y であれば、全てのzx/Rz \in x / R に対してzRxz R x だ。xRyx R y であるため、RR の推移性によりzRyz R y かつ、zy/Rz \in y / R である。要約すると、 zx/R    zy/R z \in x / R \implies z \in y / R 集合の包含関係の形で変えてみれば、 x/Ry/R x / R \subset y / R 同じ方法でy/Rx/R y / R \subset x / R を得ることができるので、 x/R=y/R x / R = y / R

[4]

三段論法により、[2]と[3]から、 x/Ry/R    xRy    x/R=y/R x / R \cap y / R \ne \emptyset \iff xRy \iff x/R = y/R


  1. 이흥천 역, You-Feng Lin. (2011). 집합론(Set Theory: An Intuitive Approach): p147. ↩︎