ジェネリックフィルター(generic filter)とは、強制概念の条件を互いに両立するように集めたフィルターのうち、基礎モデル $M$ に属するすべての稠密集合と交わるものをいう。$M$ に属するすべての稠密開集合、前稠密集合、極大な反鎖と交わることとも同値で、極大な反鎖とはちょうど一元で交わる。稠密集合が可算個なら条件を順に強めて構成でき(Rasiowa–Sikorski の補題)、非原子的な強制概念ではジェネリックフィルターは $M$ に属さない。Cohen 強制ではその条件の和が $M$ にない二値列を与える。
ジェネリックフィルター(generic filter)は、強制概念の条件を互いに矛盾しないように集めたもの(フィルター)のうち、基礎モデルが持つすべての「満たせる要求」(稠密集合)を満たすものである。強制法では、基礎モデル $M$ にジェネリックフィルター $G$ を付け加えてジェネリック拡大 $M[G]$ を作る。たとえば二値列の有限個の項を決める Cohen 強制では、ジェネリックフィルターに属する条件をすべて合わせると、どの項も決まった一本の二値列になり、しかもそれは $M$ のどの二値列とも異なる。
どの稠密集合と交わる必要があるかは基礎モデルによって決まる。そのため「ジェネリック」は $M$ に相対的な性質であり、$M$ の外のすべての稠密集合と交わることは要求しない(要求すると存在しなくなる)。この記事では、定義、同値な言い換え、可算個の稠密集合に対する存在定理、ジェネリックフィルターが基礎モデルの外にあることを証明し、代表的な例で何が得られるかを見る。
以下、強制概念 $\mathbb P=(P,\le,\mathbf 1)$ では $p\le q$ を「$p$ は $q$ 以上に強い」と読む。$p,q$ が両立するとは $r\le p$ かつ $r\le q$ となる $r$ があることで、両立しないとき $p\perp q$ と書く。$D\subset P$ が稠密とは任意の $q$ に対して $d\le q$ となる $d\in D$ があること、開とは $d\in D$ かつ $q\le d$ なら $q\in D$ となること、前稠密とは任意の $q$ が $D$ のある元と両立することである。互いに両立しない条件からなる集合を反鎖といい、真に大きい反鎖がないものを極大な反鎖という。これらの詳しい説明と例は強制概念にある。
$G\subset P$ がフィルターであるとは、次の三条件を満たすことをいう。
(i) $G$ は空でない。
(ii) $p\in G$ かつ $p\le q$ なら $q\in G$(弱い条件へ閉じている)。
(iii) $p,q\in G$ なら、$r\le p$ かつ $r\le q$ となる $r\in G$ がある($G$ の中で強められる)。
(iii) から $G$ のどの二条件も両立する。(ii) から、$G$ が空でなければ $\mathbf 1\in G$ である。条件の向きに注意する。強い条件 $p$ を採用したら、そこに含まれる弱い指定 $q\ge p$ も採用する。逆に強い条件をすべて採用するわけではない。
$M$ を推移的な ZFC のモデル、$\mathbb P\in M$ を強制概念とする。フィルター $G\subset P$ が $M$ 上 $\mathbb P$-ジェネリックであるとは、$D\in M$ である $P$ の任意の稠密部分集合 $D$ について $G\cap D\ne\emptyset$ となることをいう。
$M$ が推移的とは、$x\in y\in M$ なら $x\in M$ となることである。このとき、$P,\le,D$ が $M$ に属すれば「$D$ は稠密である」「$A$ は極大な反鎖である」などの主張は、量化子が $P$ の元だけを動くので(「$A$ は極大な反鎖」は「$A$ は反鎖で、どの $q\in P$ も $A$ のある元と両立する」と言い換えて判定する)、$M$ の中で判定しても外で判定しても同じ結果になる。以下で $M$ の中の集合を $M$ の外から論じるときは、この一致を断りなく使う。
多くの教科書は、説明のために $M$ を外側から見て可算な推移的モデルとする。この仮定は下の存在定理を使うためのものである。可算推移モデルの存在は ZFC から証明できないので、相対無矛盾性の議論では有限個の公理だけを満たす可算モデルに置き換える(Hal12 pp. 304–305)。この記事の定理は、存在定理を除き、$M$ の可算性を使わない。
$p\in P$ について $\{q\in P\mid p\le q\}$ はフィルターである。(iii) では $p$ 自身を $r$ にとればよい。
条件の列 $p_0\ge p_1\ge p_2\ge\cdots$ について
$$
G=\{q\in P\mid (\exists n)\ p_n\le q\}
$$
はフィルターである。$q,q'\in G$ で $p_i\le q$、$p_j\le q'$ なら、$n=\max(i,j)$ について $p_n\in G$ が両方の強化になる。この形のフィルターが、下の存在定理で作るものである。
Cohen 強制 $\operatorname{Fn}(\omega,2)$($\omega$ の有限部分集合から $\{0,1\}$ への関数全体、延長するほど強い)で、全域の二値列 $x\colon\omega\to2$ を一本とり、$G_x=\{p\mid p\subset x\}$ とおくとフィルターになる。二条件 $p,q\subset x$ の和 $p\cup q$ も $x$ に含まれ、共通の強化だからである。後で見るように、$M$ 上ジェネリックなフィルターはすべてこの形であり、問題は $x$ が $M$ に属さないことにある。
ジェネリック性は「稠密集合と交わる」で定義したが、稠密開集合・前稠密集合・極大な反鎖のどれで言い換えてもよい。極大な反鎖による言い換えは、「互いに排反で、全体を尽くす選択肢の一覧から、ちょうど一つを選ぶ」という読み方を与える。
$M$ を推移的な ZFC のモデル、$\mathbb P\in M$ を強制概念、$G\subset P$ をフィルターとする。次は同値である。
(a) $G$ は $M$ に属するすべての稠密集合と交わる($M$ 上ジェネリック)。
(b) $G$ は $M$ に属するすべての稠密開集合と交わる。
(c) $G$ は $M$ に属するすべての前稠密集合と交わる。
(d) $G$ は $M$ に属するすべての極大な反鎖と交わる。
さらにこのとき、$M$ に属する極大な反鎖 $A$ について $G\cap A$ はちょうど一元からなる。
$D\subset P$ に対し、$D$ のどれかの元より強い条件全体を $D^{\downarrow}=\{q\in P\mid(\exists d\in D)\ q\le d\}$ と書く。$D\in M$ なら $D^{\downarrow}$ は $M$ の中で分出公理により定義できるので $D^{\downarrow}\in M$ である。フィルターは弱い条件へ閉じているから、次が成り立つ。
$(\ast)$ $G\cap D^{\downarrow}\ne\emptyset$ なら $G\cap D\ne\emptyset$ である。実際 $q\in G\cap D^{\downarrow}$ と $q\le d\in D$ をとれば、(ii) から $d\in G$ となる。
(a)⇒(c):$D\in M$ を前稠密とする。強制概念の「前稠密集合の特徴づけ」により $D^{\downarrow}$ は稠密であり、$M$ に属する。(a) から $G\cap D^{\downarrow}\ne\emptyset$ で、$(\ast)$ から $G\cap D\ne\emptyset$ である。
(c)⇒(d):極大な反鎖は前稠密である(同じ命題)。
(d)⇒(a):$D\in M$ を稠密とする。$M$ は ZFC を満たすので、$M$ の中で Zornの補題を使い、$D$ に含まれる反鎖のうち包含について極大なもの $A\in M$ をとれる(包含について鎖をなす反鎖の族の和集合がまた反鎖になることを使う。反鎖の「反鎖の極大拡張」と同じ議論である)。$A$ が $P$ 全体の中でも極大な反鎖であることを示す。ある $q\in P$ が $A$ のどの元とも両立しないとする。$D$ の稠密性から $d\le q$ となる $d\in D$ がある。$d$ と $a\in A$ の共通の強化は $q$ と $a$ の共通の強化でもあるので、$d$ も $A$ のどの元とも両立しない。特に $d\notin A$($d$ は $d$ 自身と両立する)であり、$A\cup\{d\}$ は $D$ に含まれる真に大きい反鎖となって、$A$ の極大性に反する。よって $A$ は極大な反鎖であり、(d) から $G\cap A\ne\emptyset$ である。$A\subset D$ だから $G\cap D\ne\emptyset$ である。
(a)⇒(b) は稠密開集合が稠密であることから明らかである。(b)⇒(a):$D\in M$ が稠密なら、強制概念の「稠密集合から稠密開集合へ」により $D^{\downarrow}\in M$ は稠密開集合なので $G\cap D^{\downarrow}\ne\emptyset$ であり、$(\ast)$ から $G\cap D\ne\emptyset$ である。
最後の主張:(d) から $G\cap A$ は空でない。相異なる $a,b\in G\cap A$ があれば、フィルターの (iii) から $a,b$ は両立するが、反鎖の相異なる元は両立しないので矛盾する。$\square$
(a)(b)(d) の同値は Hal12 Fact 14.6(pp. 291–292)にある。(d)⇒(a) では、$M$ の中で選択公理(Zorn の補題)を使った点に注意する。極大な反鎖で見ると、ジェネリックフィルターは $M$ が用意した選択肢の一覧それぞれから一つずつを選び、その選び方が全体として矛盾しないものである。
ジェネリック性は、フィルターが含む一つの条件の下だけで確かめてもよい。$D$ が $p$ の下で稠密とは、$q\le p$ を満たす任意の $q$ に対して $d\le q$ となる $d\in D$ があることをいう。
$G$ を $p\in G$ であるフィルターとする。$G$ が $M$ 上ジェネリックであることと、$M$ に属し $p$ の下で稠密なすべての $D$ と $G$ が交わることは同値である。
稠密集合は $p$ の下でも稠密なので、後者から前者が従う。逆に $G$ をジェネリック、$D\in M$ を $p$ の下で稠密とし、
$$
D'=D\cup\{q\in P\mid q\perp p\}
$$
とおく。$D'\in M$ である。$D'$ が稠密であることを示す。$r\in P$ をとる。$r\perp p$ なら $r\in D'$ である。そうでなければ $s\le r$ かつ $s\le p$ となる $s$ があり、$s\le p$ だから $d\le s\le r$ となる $d\in D$ がある。よって $D'$ は稠密で、$q\in G\cap D'$ がある。$q,p\in G$ は両立するので $q\perp p$ ではなく、$q\in D$ である。$\square$
この命題は Hal12 Fact 14.7(p. 292)で読者に委ねられている。強制関係の議論では「$p$ の下で稠密な集合と交わる」という形で使うことが多い。
ジェネリックフィルターが存在するかどうかは、交わるべき稠密集合の個数で決まる。可算個なら、条件を一歩ずつ強めていけば作れる。
$\mathbb P$ を強制概念、$D_0,D_1,D_2,\ldots$ を $P$ の稠密部分集合の可算列、$p\in P$ とする。このとき $p\in G$ であり、すべての $n$ について $G\cap D_n\ne\emptyset$ となるフィルター $G$ が存在する。
$p_0=p$ とおく。$p_n$ まで選んだら、$D_n$ の稠密性により $p_{n+1}\in D_n$ かつ $p_{n+1}\le p_n$ となる条件を選ぶ(各段の選択が前の段の結果に依存するので、使うのは従属選択公理である。$P\times\omega$ 上の関係「$(q,n)$ から $(q',n+1)$ へ進めるのは $q'\le q$ かつ $q'\in D_n$ のとき」に適用すればよい)。こうして $p_0\ge p_1\ge p_2\ge\cdots$ を得る。
$$
G=\{q\in P\mid (\exists n)\ p_n\le q\}
$$
とおくと、ex-generic-filter-examples のとおり $G$ はフィルターである。$p=p_0\in G$ であり、各 $n$ について $p_{n+1}\in G\cap D_n$ である。$\square$
$M$ を外側から見て可算な推移的 ZFC のモデル、$\mathbb P\in M$ を強制概念とする。任意の $p\in P$ に対して、$p$ を含む $M$ 上 $\mathbb P$-ジェネリックなフィルターが($M$ の外に)存在する。
$M$ は可算なので、$M$ に属する $P$ の稠密部分集合も可算個であり、外側で $D_0,D_1,\ldots$ と列挙できる(有限個なら同じものを繰り返す。$P$ 自身が稠密なので少なくとも一つある)。Rasiowa–Sikorski の補題を適用すればよい。$\square$
この補題と系は Hal12 Proposition 13.1(p. 276)、Gun18 §3.2(p. 10)・§4.1(p. 11)にある。強制法の「可算モデル上のジェネリックフィルター」も同じ系である。列挙と選択は $M$ の外で行っており、得られた $G$ が $M$ に属するとは言っていない。次節で見るように、非原子的な強制概念では実際に $G\notin M$ となる。
可算という仮定は外せない。$\operatorname{Fn}(\omega,\omega_1)$($\omega$ の有限部分集合から $\omega_1$ への関数全体)で、$\alpha<\omega_1$ ごとの $R_\alpha=\{p\mid\alpha\in\operatorname{ran}p\}$ と $n<\omega$ ごとの $E_n=\{p\mid n\in\operatorname{dom}p\}$ はどれも稠密だが、この $\aleph_1$ 個すべてと交わるフィルター $G$ があれば、$\bigcup G$ は $\omega$ から $\omega_1$ への全射になって矛盾する(Hal12 Proposition 13.4、p. 278)。$\aleph_1$ 個を含む $2^{\aleph_0}$ 未満の個数の稠密集合について存在を主張する命題が Martinの公理であり、そこでは強制概念に可算鎖条件を課す。
条件 $p$ が原子であるとは、$p$ の任意の二つの強化が両立することをいう。原子を持たない強制概念を非原子的という。Cohen 強制は非原子的である($\operatorname{dom}p$ の外の $n$ に $0$ を足すか $1$ を足すかで、両立しない二つの強化ができる)。
$M$ を推移的な ZFC のモデル、$\mathbb P\in M$ を非原子的な強制概念とする。$G$ が $M$ 上 $\mathbb P$-ジェネリックなら $G\notin M$ である。
$G$ を任意のフィルターとし、$P\setminus G$ が稠密であることを示す。$p\in P$ をとる。非原子性から、両立しない強化 $q,r\le p$ がある。フィルターの二元は両立するので、$q,r$ の両方が $G$ に属することはなく、どちらかが $P\setminus G$ に属する。それが $p$ の下にある $P\setminus G$ の元である。
いま $G\in M$ とすると、$P\setminus G\in M$ であり、これは $M$ に属する稠密集合で $G$ と交わらない。これは $G$ のジェネリック性に反する。$\square$
この証明は Hal12 Fact 14.24(p. 304)と同じである。前半は $M$ を使わずに示したので、次のことも分かる。
$\mathbb P$ が非原子的なら、$P$ のすべての稠密部分集合と交わるフィルターは存在しない。
そのようなフィルター $G$ があれば、上の証明の前半により $P\setminus G$ は稠密なので $G$ と交わるはずだが、$G\cap(P\setminus G)=\emptyset$ である。$\square$
ジェネリック性の定義で「$M$ に属する」稠密集合に限ったのは、このためである。原子がある場合は逆に、基礎モデルの中にジェネリックフィルターができてしまう。
$p$ を $\mathbb P$ の原子とし、$G_p=\{q\in P\mid q\text{ と }p\text{ は両立する}\}$ とおく。$G_p$ は $P$ のすべての稠密部分集合と交わるフィルターである。特に $\mathbb P,p\in M$ なら $G_p\in M$ であり、$G_p$ は $M$ 上ジェネリックである。
$p\in G_p$ なので空でない。$q\in G_p$、$q\le q'$ なら、$q$ と $p$ の共通の強化は $q'$ と $p$ の共通の強化でもあるので $q'\in G_p$ である。$q_1,q_2\in G_p$ とし、$r_i\le q_i$ かつ $r_i\le p$ を選ぶ($i=1,2$)。$r_1,r_2$ は原子 $p$ の強化なので両立し、$s\le r_1$ かつ $s\le r_2$ となる $s$ がある。$s\le p$ なので $s\in G_p$ であり、$s\le q_1$ かつ $s\le q_2$ である。よって $G_p$ はフィルターである。$D$ が稠密なら $d\le p$ となる $d\in D$ があり、$d\in G_p$ である。$G_p$ は $M$ の中で分出公理により定義できるので、$\mathbb P,p\in M$ なら $G_p\in M$ である。$\square$
原子があると $M$ の中にジェネリックフィルター $G_p$ ができ、それによる拡大は $M$ 自身になる(ジェネリック拡大の「フィルターが元のモデルにある場合」)。強制法で非原子的な強制概念を使うのはこのためである。
$\mathbb P=\operatorname{Fn}(\omega,2)$ とし、$G$ を $M$ 上ジェネリックとする。$G$ の二条件は両立するので、共通の定義域では値が一致し、$c=\bigcup G$ は関数である。各 $n$ について $E_n=\{p\mid n\in\operatorname{dom}p\}\in M$ は稠密なので、$G\cap E_n\ne\emptyset$ から $n\in\operatorname{dom}c$ となり、$c$ は $\omega$ から $\{0,1\}$ への全域関数である。
さらに $c\notin M$ である(強制法の「ジェネリックな和は新しい実数」)。また $G=\{p\mid p\subset c\}$ が成り立ち、$G$ は $c$ から復元できる(ジェネリック拡大の「Cohen 実数からフィルターを復元する」)。前節の thm-generic-filter-not-in-ground と合わせると、$G\notin M$ であることと $c\notin M$ であることが対応している。
$\kappa\in M$ を $M$ の中で非可算な基数とし、$\mathbb P=\operatorname{Fn}(\omega,\kappa)$($M$ の中で作る)、$G$ を $M$ 上ジェネリックとする。$E_n=\{p\mid n\in\operatorname{dom}p\}$ と $R_\alpha=\{p\mid\alpha\in\operatorname{ran}p\}$($\alpha<\kappa$)はどれも $M$ に属する稠密集合である(稠密性は強制概念の「崩壊の強制」)。したがって $f=\bigcup G$ は $\omega$ 全体で定義された関数で、どの $\alpha<\kappa$ も値にとる。つまり $f$ は $\omega$ から $\kappa$ への全射である。
$M$ の中には $\omega$ から $\kappa$ への全射はないので、$f\notin M$ である。$f$ は拡大 $M[G]$ に属する($G\in M[G]$ であることはジェネリック拡大の「ジェネリックフィルターは拡大に属する」、和集合をとれることは $M[G]$ が ZFC を満たすことによる)ので、$M$ で非可算だった $\kappa$ が $M[G]$ では可算になる。$M$ が外側から見て可算なら、$\kappa\subset M$ も外側では可算な順序数である。したがってこの例は、真の $\omega_1$ についての前節の議論($\operatorname{Fn}(\omega,\omega_1)$ の $\aleph_1$ 個の稠密集合と交わるフィルターはない)とは矛盾しない。
$B\in M$ を Boole 代数とし、$\mathbb P$ を零元以外の元全体に $B$ の順序を入れた強制概念とする。$G$ が $M$ 上ジェネリックなら、$G$ は $B$ の超フィルターである。実際、$b\in B$ が $0,1$ でないとき、$\{b,\neg b\}$ は極大な反鎖である($c\ne0$ は $c\wedge b$ と $c\wedge\neg b$ の少なくとも一方が $0$ でないので、$b$ か $\neg b$ と両立する)。thm-generic-filter-equivalent により $b$ と $\neg b$ のちょうど一方が $G$ に属する。また $b,c\in G$ なら共通の強化 $r\in G$ について $r\le b\wedge c$ なので $b\wedge c\in G$ である。
強制概念 $\mathbb P$ から $\mathbb Q$ への稠密埋め込み $h$ とは、$p\le p'\Leftrightarrow h(p)\le h(p')$ を満たし、像が $Q$ で稠密な写像である(強制概念の「稠密埋め込み」)。稠密埋め込みで結ばれた強制概念は、ジェネリックフィルターを互いに移し合う。
$M$ を推移的な ZFC のモデル、$\mathbb P,\mathbb Q\in M$、$h\in M$ を稠密埋め込み $P\to Q$ とする。
(a) $G$ が $M$ 上 $\mathbb P$-ジェネリックなら、$H=\{q\in Q\mid(\exists p\in G)\ h(p)\le q\}$ は $M$ 上 $\mathbb Q$-ジェネリックである。
(b) $H$ が $M$ 上 $\mathbb Q$-ジェネリックなら、$h^{-1}[H]$ は $M$ 上 $\mathbb P$-ジェネリックである。
以下では強制概念の「稠密埋め込みが保つもの」の (a)〜(c) を使う。
(a) $G$ が空でないので $H$ も空でなく、$H$ は定義から弱い条件へ閉じている。$q_1,q_2\in H$ とし、$h(p_i)\le q_i$($p_i\in G$)とする。$p\le p_1$ かつ $p\le p_2$ となる $p\in G$ をとると、$h(p)\in H$ で $h(p)\le q_1,q_2$ である。よって $H$ はフィルターである。$E\in M$ を $Q$ の稠密集合とすると、$E^{\downarrow}$ は稠密開集合で、$h^{-1}[E^{\downarrow}]\in M$ は $P$ で稠密である。$p\in G\cap h^{-1}[E^{\downarrow}]$ をとれば $h(p)\le e$ となる $e\in E$ があり、$e\in H\cap E$ である。
(b) $G=h^{-1}[H]$ とおく。$h[P]\in M$ は稠密なので $H$ と交わり、$G$ は空でない。$p\in G$、$p\le p'$ なら $h(p)\le h(p')$ なので $h(p')\in H$、すなわち $p'\in G$ である。$M$ に属する $P$ の稠密集合 $D$ について、$h[D]\in M$ は $Q$ で稠密なので $H$ と交わり、$G\cap D\ne\emptyset$ となる。残るのは $G$ の中で強められること(フィルターの (iii))である。$p_1,p_2\in G$ とし、
$$
D=\{p\in P\mid (p\le p_1\text{ かつ }p\le p_2)\text{ または }p\perp p_1\text{ または }p\perp p_2\}
$$
とおく。$D\in M$ は稠密である。$r\in P$ が $p_1$ と両立しなければ $r\in D$、両立すれば $s\le r,p_1$ をとり、$s$ が $p_2$ と両立しなければ $s\in D$、両立すれば $t\le s,p_2$ が $D$ の $r$ の下の元になる。上で示したとおり $p\in G\cap D$ がある。$p\perp p_1$ なら $h(p)\perp h(p_1)$ だが、$h(p),h(p_1)\in H$ は両立するので矛盾する。$p\perp p_2$ も同様に起きない。よって $p\le p_1,p_2$ で $p\in G$ である。$\square$
この対応は Hal12 Fact 14.3(p. 291)で、証明は読者に委ねられている。さらに $M[G]=M[H]$ となることも同所に述べられているが、この記事では証明しない。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 交わる相手を「$M$ に属する」稠密集合に限ること | 非原子的な $\mathbb P$ のすべての稠密集合 | 交わるフィルターの存在 |
| 稠密集合が可算個 | $\operatorname{Fn}(\omega,\omega_1)$ の $\aleph_1$ 個の $R_\alpha,E_n$ | 交わるフィルターの存在 |
| フィルターの (iii)($G$ の中で強められる) | Cohen 強制で $G=P$ | 条件の和が関数になる |
| フィルターの (ii)(弱い条件へ閉じる) | 条件の列 $\{p_n\}$ そのもの | 極大な反鎖との交わり(thm-generic-filter-equivalent の (a)⇒(d)) |
| 非原子性 | 原子を持つ強制概念 | $G\notin M$ |
1 行目は cor-generic-filter-no-absolute、2 行目は存在定理の後の議論で示した。
3 行目:$P$ はどの稠密集合とも交わり、空でなく弱い条件へ閉じているが、$\{(0,0)\}$ と $\{(0,1)\}$ の共通の強化はないので (iii) を満たさない。$\bigcup P$ は $0$ に $0$ と $1$ の両方を対応させ、関数にならない。
4 行目:$M$ を可算推移モデルとし、Rasiowa–Sikorski の補題の証明で $p_0=\{(0,0),(1,0)\}$ から始めた列 $p_0\ge p_1\ge\cdots$ の集合 $S=\{p_n\mid n\in\omega\}$ を考える。$S$ は $M$ のすべての稠密集合と交わり、鎖なので二元はいつも $S$ の中で強められる。しかし極大な反鎖 $A=\{\{(0,0)\},\{(0,1)\}\}\in M$ とは交わらない。$p_n$ はどれも定義域に $0,1$ を含むので $A$ の元ではないからである。
5 行目は prop-generic-filter-atom である。
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