同相型
📂集合論同相型
定義
集合 X 上で同値関係 R が定義されているとしよう。x∈X に対して、x/R:={y∈X:yRx} をx の同値類と呼ぶ。与えられたX の全ての同値類を集めた集合をX/R:={x/R:x∈X} 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 上で3 で割った余りが同じならば同値とし、x,y∈Z が同値ならx≡y(mod3) のように表現しよう。5,7 は3 で割った余りがそれぞれ2,1 なので同値ではないが、11,17 は3 で割った余りが2 になるので、11≡17(mod3) のように書くことができる。
1≡4≡7≡10≡⋯(mod3)2≡5≡8≡11≡⋯(mod3)3≡6≡9≡12≡⋯(mod3)
上の計算から分かるように、1 の同値類は(1/≡)={1,4,7,10,⋯} であり、2 の同値類は(2/≡)={2,5,8,11,⋯} であり、3 の同値類は(3/≡)={3,6,9,12,⋯} であることが分かる。3 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/≡}
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/R=∅
- [2] x/R∩y/R=∅⟺xRy
- [3] x/R=y/R⟺xRy
- [4] x/R∩y/R=∅⟺x/R=y/R
証明
[1]
R はX 上の同値関係であるため、反射性により、全てのx∈X に対してxRx かつ、x∈x/R が成り立つべきだ。
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戦略 [2][3]:x,y と別のz 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/R とy/R は空集合ではなく、X 上の同値関係であるため、x/R∩y/R=∅ であり、これはあるz に対して
⟺⟺⟺z∈x/R∧z∈y/RzRx∧zRyxRz∧zRyxRy
と同値である。
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[3]
(⟹)
x/R=y/R であればx/R∩y/R=∅ であるため、[2]によりxRy
(⟸)
xRy であれば、全てのz∈x/R に対してzRx だ。xRy であるため、R の推移性によりzRy かつ、z∈y/R である。要約すると、
z∈x/R⟹z∈y/R
集合の包含関係の形で変えてみれば、
x/R⊂y/R
同じ方法でy/R⊂x/R を得ることができるので、
x/R=y/R
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[4]
三段論法により、[2]と[3]から、
x/R∩y/R=∅⟺xRy⟺x/R=y/R
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