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lecture/math/discrete-math/lattice-basics.lecture.n.md
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そくlattice基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_428cd25d922c840eb6fde4f98fbe394ddescription束を、任意の二元に最小上界(結び)と最大下界(交わり)が存在する半順序集合として導入し、包含順序と整除順序で説明する講義である。prerequisites半順序関係と全順序関係 / Hasse図と極大元・極小元 / 順序同型と整列順序 / 集合演算と包含関係 / べき集合の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/discrete-math/discrete-mathematics-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/partial-and-total-orders.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/hasse-diagrams-and-maximal-minimal-elements.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/order-isomorphisms-and-well-orders.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/boolean-algebra-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/power-set-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/discrete-math/order-relations-and-lattices.exercise.n.md
mathdiscrete-mathlatticelecture

1導入どうにゅう

そくlattice理解りかいすべき中心ちゅうしんいは、「2 つの対象たいしょうobjectくらべたとき、両方りょうほううえからさえる最小さいしょう対象たいしょうobjectと、両方りょうほうしたにある最大さいだい対象たいしょうobject存在そんざいするか」である。

全順序関係ぜんじゅんじょかんけいtotal orderでは、2 つの対象たいしょうobjectおおきいほうちいさいほうがすぐにまる。しかし半順序関係はんじゅんじょかんけいpartial orderでは、2 つが比較ひかくできないことがある。それでも、両方りょうほううえにある最良さいりょう候補こうほと、両方りょうほうしたにある最良さいりょう候補こうほ存在そんざいするなら、そこにそくlattice構造こうぞうがある。

そくlatticeでは、任意にんいの 2 げんについてむすjoinまじわりmeet存在そんざいすることが必要ひつようである。半順序集合はんじゅんじょしゅうごうならかならそくになるわけではなく、最良さいりょう上界じょうかい下界かかいつかるかを調しらべる。

ここで「おおきい」「ちいさい」は数値すうち大小だいしょうとはかぎらず、使つかっている順序じゅんじょまる。包含順序ほうがんじゅんじょでは集合しゅうごう包含ほうがん整除順序せいじょじゅんじょではれるきとしてむ。

2用語ようご定義ていぎ

半順序集合はんじゅんじょしゅうごうpartially ordered set (P,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")])たいして、a,bP上界じょうかいupper boundとは、a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]u かつ b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]uたす uP である。下界かかいlower boundとは、[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]a かつ [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]bたす P である。

最小上界さいしょうじょうかいleast upper bound上限じょうげんsupremum)、またはむすjoinとは、上界じょうかいupper boundうち最小さいしょうのものであり、abく。最大下界さいだいかかいgreatest lower bound下限かげんinfimum)、またはまじわりmeetとは、下界かかいlower boundうち最大さいだいのものであり、abく。

任意にんいa,bP について abab存在そんざいするとき、(P,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")])そくlatticeという。

上界じょうかいupper bound最小上界さいしょうじょうかいleast upper bound下界かかいlower bound最大下界さいだいかかいgreatest lower bound区別くべつする。候補こうほ複数ふくすうあるとき、そのなか順序じゅんじょかんして最良さいりょうのものがむすびやまじわりである。

3方針ほうしん

そくlattice判定はんていするときは、たん上界じょうかいupper bound下界かかいlower bound存在そんざいするかだけをない。必要ひつようなのは、上界じょうかいupper boundなか最小元さいしょうげんleast elementと、下界かかいlower boundなか最大元さいだいげんgreatest elementである。

このちがいは重要じゅうようである。上界じょうかいupper bound複数ふくすう存在そんざいしても、そのなか最小さいしょうのものが存在そんざいしない場合ばあいがある。その場合ばあいむすjoin存在そんざいしない。

計算けいさんでは、まず共通きょうつううえにあるげんelement、または共通きょうつうしたにあるげんelementあつめる。つぎに、その集合しゅうごうなか順序じゅんじょかんして最小さいしょうまたは最大さいだいのものをえらぶ。

data/lecture/math/discrete-math/partial-and-total-orders.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

そくlatticeは、「合流ごうりゅう」と「共通部分きょうつうぶぶん」がつねれる半順序集合はんじゅんじょしゅうごうpartially ordered setである。包含順序ほうがんじゅんじょinclusion orderかんがえると、2 つの集合しゅうごうset B,CむすjoinBC であり、まじわりmeetBC である。

なぜなら、BCBC両方りょうほうふく集合しゅうごうsetうち最小さいしょうであり、BCBC両方りょうほうふくまれる集合しゅうごうsetうち最大さいだいだからである。

有限半順序集合ゆうげんはんじゅんじょしゅうごうfinite partially ordered setHasseHasse diagramでは、むすjoinは 2 げん共通上界きょうつうじょうかいうち最小さいしょうげんであり、では順序じゅんじょかんして共通きょうつう上側うえがわにあるもののうちもっとひくげんelementである。まじわりmeet共通下界きょうつうかかいうち最大さいだいげんであり、では順序じゅんじょかんして共通きょうつう下側したがわにあるもののうちもっとたかげんである。共通上界きょうつうじょうかい集合しゅうごう最小元さいしょうげんがないか、共通下界きょうつうかかい集合しゅうごう最大元さいだいげんがなければ、そのくみむすびまたはまじわりは存在そんざいしない。

5代表例だいひょうれい

5.11. べき集合しゅうごうpower setそくlatticeである

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]P(A)包含ほうがんinclusion 順序じゅんじょづける。このとき、任意にんいB,CA について

BC=BC,BC=BC

である。したがって ([PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]P(A),)そくlatticeである。

さらに [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")]最小元さいしょうげんleast elementA最大元さいだいげんgreatest elementである。このそくlatticeブールそくBoolean lattice基本例きほんれいである。

data/lecture/math/discrete-math/power-set-basics.lecture.n.md

5.22. せい整数せいすうinteger整除順序せいじょじゅんじょdivisibility order

せい整数せいすうintegera[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]b を「abる」と定義ていぎする。この順序じゅんじょでは、ab最小公倍数さいしょうこうばいすうleast common multipleab最大公約数さいだいこうやくすうgreatest common divisorである。

たとえば 610 について、上界じょうかいupper boundは 6 と 10 の公倍数こうばいすうであり、その最小さいしょう30 である。したがって 610=30 である。下界かかいlower boundは 6 と 10 の公約数こうやくすうであり、その最大さいだい2 である。したがって 610=2 である。

整除順序せいじょじゅんじょdivisibility orderでは、うえにあるとは「倍数ばいすうである」ことを意味いみする。したがってむすjoin最小公倍数さいしょうこうばいすうleast common multipleまじわりmeet最大公約数さいだいこうやくすうgreatest common divisorになり、通常つうじょう大小だいしょうとはべつ判断はんだんになる。

6例題れいだい包含順序ほうがんじゅんじょinclusion orderむすjoinまじわりmeetもとめる

6.1問題もんだい

A={1,2,3}B={1,2}C={2,3} とする。([PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]P(A),) における BCBCもとめよ。

6.2解説かいせつ

包含順序ほうがんじゅんじょinclusion orderでは、むすjoin和集合わしゅうごうunionである。したがって

BC=BC={1,2,3}

である。これは BC両方りょうほうふく集合しゅうごうsetうち最小さいしょうである。

また、まじわりmeet共通部分きょうつうぶぶんintersectionである。したがって

BC=BC={2}

である。これは BC両方りょうほうふくまれる集合しゅうごうsetうち最大さいだいである。

このれいは、そくlattice抽象的ちゅうしょうてきabstract定義ていぎが、集合演算しゅうごうえんざんset operation対応たいおうすることを確認かくにんしている。

7わるものと保存ほぞんされるもの

視点してんわるもの保存ほぞんされるもの
半順序集合はんじゅんじょしゅうごうpartially ordered set 比較ひかくできないくみゆる反射性はんしゃせいreflexivity 反対称性はんたいしょうせいantisymmetry推移性すいいせいtransitivity
そくlattice 任意にんいの 2 げんむすjoinまじわりmeet要求ようきゅうする半順序関係はんじゅんじょかんけいpartial order
ブールそくBoolean lattice補集合ほしゅうごうcomplement まであつか和集合わしゅうごうunion 共通部分きょうつうぶぶんintersectionによるそくlattice

順序同型じゅんじょどうけいorder isomorphism比較ひかくたもつため、むすjoinまじわりmeet存在そんざいするなら、その対応先たいおうさきおな役割やくわりつ。保存ほぞんされるのは数値すうちではなく、順序じゅんじょさだまる最良性さいりょうせいである。

8見分みわかた

  • 任意にんいの 2 げん最小上界さいしょうじょうかいleast upper bound最大下界さいだいかかいgreatest lower boundがあるなら、そくlatticeである。
  • 包含順序ほうがんじゅんじょinclusion order では、むすjoinまじわりmeet である。
  • 整除順序せいじょじゅんじょdivisibility order では、むすjoin最小公倍数さいしょうこうばいすうleast common multipleまじわりmeet最大公約数さいだいこうやくすうgreatest common divisorである。
  • 全順序関係ぜんじゅんじょかんけいtotal order では、2 げんおおきいほうむすjoinちいさいほうまじわりmeetになる。

そくかどうかは、代表例だいひょうれいだけでなく任意にんいの 2 げんについて確認かくにんする。一組ひとくみでもむすjoinまたはまじわりmeet存在そんざいしなければ、その半順序集合はんじゅんじょしゅうごうそくではない。

9証明しょうめい補足ほそく:meet と join の単調性たんちょうせい

そくlattice では、a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]b なら

ac[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]bc,ac[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]bc

成立せいりつする。これは meet と join が順序じゅんじょ保存ほぞんするという意味いみである。

まず meet を証明しょうめいする。acac下界かかいである。したがって ac[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]a かつ ac[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]c である。a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]b なので ac[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]bしたがう。よって acbc下界かかいである。bcbc最大下界さいだいかかいなので、ac[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]bc である。

join も双対そうつい証明しょうめいできる。bcbc上界じょうかいであり、a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]bcc[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]bc だから、bcac上界じょうかいである。acac最小上界さいしょうじょうかいなので、ac[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]bc である。

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