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Lattice · Lattice order

任意两元素都有最大下界与最小上界的偏序集。

条目类型
定义

形式陈述

非空偏序集 (L,) 称为格,若任意 x,yL 都存在最大下界(交)与最小上界(并),分别记为

xy,xy.

等价地,格可代数化为带两个二元运算的集合。单独看 ,各自都是半格运算;两者还要共同满足吸收律,才能来自同一个格次序。具体公理为交换律、结合律、幂等律以及

x(xy)=x,x(xy)=x.

这里的“格”是序理论 lattice,不是欧氏空间中由整数线性组合形成的几何格点集合。

直觉

格要求任意两元素都有最佳共同上界与最佳共同下界,因此允许把“合并信息”和“提取共同信息”作为内部运算。上界很多时只选最小者,下界很多时只选最大者;存在某个上界远远不够。格不必是全序,恰恰常用来组织多条不可比较分支。

例子与边界

幂集 P(S) 按包含排序是格,AB=ABAB=AB。正整数按整除排序也是格,交为最大公因数,并为最小公倍数。一般偏序集未必是格:两个元素可能没有共同上界,或有多个不可比较的极小上界。

在四元素“菱形”偏序 0<a,b<1 中,ab 不可比,但仍有 ab=0ab=1,说明格不要求全序。相反,若偏序中两个元素有两个互不可比的极小共同上界,那么它们没有最小上界,该偏序便不是格;“共同上界存在”不够。

推论与应用

偏序通过唯一的 join 与 meet 升级为格,幂集中的并与交给出标准模型,链与反链描述其中的可比层次。有限格自动有顶元和底元;无限格却未必是完备格,因为完备性要求任意子集、而不只是任意二元组都有上确界和下确界。

布尔代数、子空间格和类型子类关系都使用 join/meet 组织组合结构。单调数据流分析还把控制流合流点解释为抽象事实的 join,并在完备格上借Knaster–Tarski 不动点定理刻画方程解;transfer、worklist 与收敛策略属于分析层,不能从二元格运算本身推出。加入分配律、补元或完备性后,会得到更强的代数结构与相应定理。

参考资料
  • Eric Lehman, F. Thomson Leighton, and Albert R. Meyer, Mathematics for Computer Science, rev. 2018,§§7.3–7.4。
  • Garrett Birkhoff, Lattice Theory, 3rd ed., American Mathematical Society, 1967,Ch. I。
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