形式陈述
有向集由非空集合 A 与其上的二元关系 公理库 关系 Relation · Binary relation 带源集与目标集的二元关系,其底层关系图是 A×B 的子集。 ⪯ 组成。关系至少满足自反性与传递性,并且
∀ α , β ∈ A ∃ γ ∈ A α ⪯ γ ∧ β ⪯ γ . 最后一条称为向上有向性:任意两个阶段都能在 A 内找到共同后继。反复使用它可得,任意有限非空子集 F ⊆ A 都有某个 γ ∈ A 同时满足 α ⪯ γ (α ∈ F )。
这里通常允许 ⪯ 只是预序而非偏序 公理库 偏序 Partial order · Partially ordered set 满足自反、反对称和传递性的关系。 :若 α ⪯ β 且 β ⪯ α ,两个索引仍可不同。把互相可达的索引组成商集 公理库 商集 Quotient set · Set of equivalence classes 等价关系的所有等价类组成的集合。 ,可得到仍有共同后继的偏序。一个谓词或网若要直接下降到这个商,须在每个等价类上取相同值;在此前提下,商前后的尾部对应,最终成立与网收敛才随之保持。任意选取每类的代表元,不能保证保留原网的全部取值。若采用向下有向约定,则把不等号全部反转;两种约定不能在同一证明中无声混用。
直觉
序列把进度排成一条线,有向集只要求不同进展可以继续合并。一个阶段可能已经满足条件组 F ,另一个阶段满足条件组 G ;共同后继代表同时处理 F ∪ G 的更晚阶段。因而有向性记录的不是“任意两项可比较”,而是“任意有限批要求最终可兼容”。
对 α 0 ∈ A ,尾部
A ⪰ α 0 = { α ∈ A : α 0 ⪯ α } 表示已经越过阶段 α 0 的所有索引。性质 P ( α ) 最终成立,意为存在 α 0 ,使所有 α ⪰ α 0 都满足 P 。任意两个尾部有共同的更深部分,这使“最终”具有稳定含义。
例子与边界
自然数按通常次序是有向集,max ( m , n ) 是共同后继。任意集合 I 的有限子集族 P fin ( I ) 按包含关系也是有向集,F ∪ G 是共同后继;当 I 不可数时,这个索引结构通常不能由一条可数序列完整替代。
在拓扑空间中,固定点 x 的邻域可按反向包含 定向:
U ⪯ V ⟺ V ⊆ U . 更小的邻域被视为更晚、信息更精细的阶段。若仍按普通包含排序,逼近方向就会反转;集合相同不表示定向语义相同。
例如取两个不同索引 a , b ,规定它们彼此都在对方之后,则每个尾部都是 { a , b } 。让网在离散空间 { 0 , 1 } 中分别取值 f ( a ) = 0 , f ( b ) = 1 ,它既不收敛到 0 ,也不收敛到 1 。互相可达的索引商只有一个点;若只保留代表 a ,所得常值网却收敛到 0 。共同后继结构保留下来了,原网没有直接下降。
有两个互不相交分支且没有共同后继的预序不是有向集。任何非空全序都向上有向,因为任意两元素中较大者就是共同后继;相比之下,仅有传递性或集合无限都不够。还要区分“整个索引集是有向的”与“偏序中的某个子集是有向子集”:后者是DCPO 公理库 有向完备偏序 Directed-complete partial order · DCPO · Directed complete poset 每个非空有向子集都具有上确界的偏序,用于汇聚相容的信息近似。 定义中被取上确界的对象。
推论与应用
网 公理库 网 Net · Moore–Smith net · 拓扑网 以有向集为索引的点族,用共同后继表达一般拓扑中的逼近。 以有向集作为索引,把一般拓扑中的有限邻域要求组织成逼近过程。域论则对偏序中的有向子集取上确界,将相容的有限信息汇成极限。两处共享共同后继机制,但一个索引点族,另一个研究偏序内部的极限,不能把“网收敛”与“有向上确界存在”当成同一定义。
有向集也出现在滤过余极限、有限信息系统和并行逼近中。使用它时应明确三件事:关系方向、是否允许仅为预序,以及“有向”是否要求集合非空。部分文献允许空有向集;那会使“每个有向集都有上确界”自动要求底元,本库采用非空约定,并把底元作为 pointed 条件单独声明。
参考资料
John L. Kelley, General Topology , Springer, 1955, Chapter 2.
B. A. Davey and H. A. Priestley, Introduction to Lattices and Order , 2nd ed., Cambridge University Press, 2002, Chapter 1.
G. Gierz et al., Continuous Lattices and Domains , Cambridge University Press, 2003, Chapter I.