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传递闭包

来自Googology Wiki

集合的传递闭包

我们把满足这三个条件的唯一传递集合 Y 称作 X 的传递闭包(Transitive Closure),记作 𝒯𝒞(X):

对任意集合 X,存在唯一集合 Y,满足如下条件

  • Y 是传递集;
  • X⊆Y;
  • 如果传递集 Z 满足 X⊆Z,则 Y⊆Z。

定理

  • 传递闭包唯一存在

证明

使用自然数集上的归纳法,定义集合列 X0,X1,X2,⋯ 满足:

  • X0=X;
  • Xn+1=Xn∪(⋃Xn)。

这里的 ⋃Xn 是广义并,定义为 {x∣∃y∈Xn,x∈y}。这个集合的存在性由并集公理保证。

令 Y=⋃{Xn∣x∈ℕ},这里又用到了广义并。

下面证明,这样构造出的 Y 满足定理要求。

对任意的 y∈Y 和 x∈y,设 y∈Xn,则 x∈⋃Xn⊆Xn+1,即 x∈Xn+1,所以 x∈Y。所以 Y 是传递集。

显然 X=X0⊆Y。

设传递集 Z 满足 X⊆Z,即 X0⊆Z。我们证明:对任意 n∈ℕ,若 Xn⊆Z,则 Xn+1⊆Z。

假设 Xn⊆Z。对任意的 y∈Xn 和 x∈y,有 y∈Z。因为 Z 是传递集,所以 x∈Z。这说明 ⋃Xn⊆Z。又因为 Xn⊆Z,所以 Xn+1=Xn∪(⋃Xn)⊆Z。

因为 X0⊆Z,且若 Xn⊆Z 则 Xn+1⊆Z,所以对任意 n∈ℕ 都有 Xn⊆Z。所以 Y⊆Z。

这就证明了定理中的存在性。下面证明唯一性。

若 Y1,Y2 都满足以上三个条件,那么根据第三个条件,有 Y1⊆Y2 且 Y2⊆Y1,即 Y1=Y2。所以满足以上三个条件的集合唯一。

证毕。

关系的传递闭包

设 ℛ1 是集合 A 上的一个二元关系,如果 A 上的一个二元关系 ℛ2 满足如下条件,就称为 ℛ1 的传递闭包。

  • ℛ2 有传递性。
  • ℛ1⊆ℛ2。
  • 如果 A 上的一个二元传递关系 ℛ3 满足 ℛ1⊆ℛ3,则 ℛ2⊆ℛ3。