타르스키 고정점 정리

순서론에서 타르스키 고정점 정리(영어: Tarski’s fixed point theorem) 또는 크나스터-타르스키 정리(영어: Knaster–Tarski theorem)는 완비 격자에서 자신으로 가는 단조함수고정점이 존재한다는 정리이다.

이는 이론 컴퓨터 과학형식 의미론추상 해석 분야에서 중요한 정리이다.

정의 편집

완비 격자  단조함수  가 주어졌다고 하자. 타르스키 고정점 정리에 따르면,  고정점의 집합

 

역시 완비 격자를 이룬다. (그러나,   의 부분 격자일 필요는 없다. 즉,  에서의 상한하한 에서와 일치하지 않을 수 있다.) 특히,  최대 고정점최소 고정점이 존재하며, 특히  는 적어도 하나의 고정점을 갖는다. 또한,  의 최대·최소 고정점은 각각 다음과 같이 주어진다.

 
 

증명 편집

타르스키를 따라, 다음 순서대로 증명한다.

  • (가)   최대 고정점이다.
  • (나)   최소 고정점이다.
  • (다)  완비 격자이다.

명제 (가)의 증명.  라고 하자. 임의의  에 대하여,  이므로,  이다. 따라서  이다. 반대로,  이므로,  의 정의에 따라  이다. 따라서  이다. 따라서,   고정점이다. 모든 고정점은  에 속하므로,   최대 고정점이다.

명제 (나)의 증명.  의 반대 격자  를 생각하자.   역시 완비 격자를 이루며,    위에서도 단조함수이다. 따라서  에 대하여 명제 (가)가 성립한다. 이는 정확히  에 대한 명제 (나)와 일치한다.

명제 (다)의 증명.   의 임의의 부분 집합이라고 하자.  에서  상한이 존재함을 보이면 충분하다.   에서의 상한  를 생각하자. 그렇다면 구간   상계의 집합이며, 완비 격자를 이룬다 (이는 부분 격자이기도 하지만, 부분 완비 격자가 아닐 수 있다). 임의의  에 대하여  이므로,  이다.  에 대하여, 만약  라면,  이다. 따라서,    위의 함수  로 여길 수 있다. 명제 (나)에 따라,  최소 고정점이 존재한다. 이는  의 고정점이며,  의 상계가 되는 가장 작은  의 고정점이다. 다시 말해,   에서의 상한이다.

고정점 집합이 부분 격자가 아닌 경우 편집

고정점 집합은 완비 격자이지만, 부분 격자가 아닐 수 있다. 예를 들어, 다음과 같은 부분 순서 집합을 생각하자.

 
 

그렇다면,  완비 격자를 이룬다. 이제  이며

 
 

라고 하자.    위의 단조함수이며,    고정점이지만,   고정점이 아니다. (   에서의 상한 가 아닌  이다.) 따라서,   의 부분 격자가 아니다.

귀결 편집

완비 격자는 공집합일 수 없으므로, 이 정리는 상기한  에 적어도 한개의 고정점이 있음을, 나아가서 최소 고정점이 있음을 보장한다.

조건을 추가하여 임의의 부분 순서 집합에 대하여 유사한 결과를 증명할 수 있다. 이를 동역학계 이론에 적용하여 프랙탈의 일종인 반복함수계(iterated function system) 연구에 사용할 수 있다.

모든 증가수열  에 대해  이면,  의 최소 고정점은  이며, 이는 정리의 구성적 버전(Kleene fixed-point theorem)을 제공한다.

이론 컴퓨터 과학에서, 단조함수에 대한 최소 고정점 정리는 프로그램 의미론을 정의하는 데 사용된다. 이 경우 특히 격자 L을 특정 집합의 모든 부분집합들을 모은 것, 즉 멱집합 격자로 가정하는 특수한 케이스에 대하여 집중하는 것이 일반적이다. 그리고 나서 f의 고정점이 되기 위해 필요한 조건을 가지는 최소의 집합을 찾아낸다.

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반대로, 모든 단조함수고정점이 존재하는 격자완비 격자이다.[1]:313, Theorem 2 즉, 타르스키 고정점 정리는 완비 격자의 정의로 삼을 수 있다. 그러나 모든 단조함수고정점이 존재하는 부분 순서 집합완비 격자일 필요가 없다.

역의 증명 편집

격자  완비 격자 위에 항상 고정점이 없는 단조함수  를 구성하면 족하다. 두 부분 집합  에 대하여, 다음 조건들을 생각하자.

  • (라)  정렬 전순서 집합이다.
  • (마)  의 반대 순서 집합  정렬 전순서 집합이다.
  • (바) 임의의   에 대하여,  
  • (사) 동시에  상계이자  하계 의 원소가 존재하지 않는다.

만약   가 위 조건들을 만족시킨다면, 함수

 
 

단조함수이며, 고정점이 존재하지 않는다. 따라서, 조건 (라)~(사)를 만족시키는   를 찾는 것으로 족하다. 모든 부분 집합의 상한이 존재하는 부분 순서 집합완비 격자이므로, 상한이 없는  부분 집합  가 존재한다. 편의상 그 크기  가 최소라고 하자.  격자이므로,  은 0이거나 무한 기수이다. 이제, 임의의 순서수  에 대하여,  의 크기는  미만이므로, 상한

 

이 존재한다.  는 단조 초한 점렬이지만, 순단조가 아닐 수 있다. 중복된 항을 제거하여 순단조 초한 점렬  로 만들자 (길이가  인 것은  의 최소성을 사용하여 보일 수 있다). 이 경우,  정렬 전순서 집합이다. 만약  상한이 존재한다면, 이는  상한이 되어 모순이 일어난다. 따라서  상한이 존재하지 않는다.  상계들로 구성된 순감소 초한 점렬들의 집합 위에 다음과 같은 부분 순서를 주자.

 

즉, 끝에 항을 추가하면 더 큰 초한 점렬을 얻는다. 초른 보조정리에 따라, 이 부분 순서에 따른 극대 원소  가 존재한다 ( 기수일 필요는 없다).  의 반대 순서 집합  정렬 전순서 집합이다. 만약  가 존재한다면,   역시  상계이다.  의 상한이 존재하지 않으므로,   상계  가 존재한다. 이 경우,   의 상계이며,  이다. 이는  의 극대성과 모순이다. 따라서,  하한 역시 존재하지 않는다. 이제,   에 대하여 조건 (사)를 증명하는 일만 남았다. 귀류법을 사용하여,   상계이자  하계라고 하자. 그렇다면,  의 극대성에 따라  이다. 따라서   하한이며, 이는 모순이다.

일반화 편집

격자  의, 공집합이 아닌 두 부분 격자  ,  에 대하여, 다음과 같은 이항 관계를 정의하자.

 

특히, 만약  이라면, 임의의  에 대하여,   이 존재하며, 마찬가지로 임의의  에 대하여,   이 존재한다. 즉,  이며  이다. 이 이항 관계공집합이 아닌 부분 격자의 집합 위의 부분 순서를 이룬다.  의 원소는 자연스럽게  의 부분 격자로 여길 수 있다. 이 경우, 부분 격자의 순서는 원소의 순서를 확장한다. 따라서, 아래의 정리는 타르스키 고정점 정리를 일반화한다.

다음이 주어졌다고 하자.

  • 완비 격자  
  • 단조함수  . 여기서   의 부분 완비 격자의, 위에서 정의한 순서에 따른 부분 순서 집합이다. (부분 완비 격자는 완비 격자인 부분 격자보다 더 강한 개념이다. 전자는 모든 상한과 하한이 원래 격자와 일치하지만, 후자는 모든 유한 집합의 상한·하한의 일치만을 요구한다.)

그렇다면,  고정점 집합

 

완비 격자를 이룬다.[2]:297, Theorem 1 또한,  최대·최소 고정점은 다음과 같다.

 
 

일반화의 증명 편집

타르스키 고정점 정리의 증명과 유사하게, 다음 네 명제를 보인다. 이들 가운데 명제 (아)와 (자), 명제 (차)와 (카)는 서로 쌍대이므로 하나씩만 증명하여도 좋다.

  • (아)  에 대하여,   최대 고정점이다.
  • (자)  에 대하여,   최소 고정점이다.
  • (차) 모든   에서의 상한이 존재한다.
  • (카) 모든   에서의 하한이 존재한다.

명제 (아)의 증명.  이므로,  이면 충분하다. 임의의  가 주어졌다고 하자.  의 정의에 따라,  이며  라고 하자.  이며  단조함수이므로,  이며  라고 하자.  이 부분 완비 격자이므로,  이다. 임의의  에 대하여  이므로,  이다.  의 단조성에 따라,   가 존재한다. 즉,  이며, 따라서  이다. 따라서,   고정점이 맞다.

명제 (차)의 증명.    에서의 상한이라고 하자. 그렇다면,  완비 격자를 이룬다. 임의의  에 대하여,  이며  이므로,   가 존재한다. 이 경우,  이며  이다. 따라서,  의 단조성에 의하여, 만약  라면,  공집합이 아니다. 또한,   의 부분 완비 격자이다. 따라서,   의 부분 완비 격자를 이룬다. 즉,  단조함수  를 정의한다. 명제 (자)에 따라,  최소 고정점이 존재하며, 이는   에서의 상한이다.

역사 편집

 
브로니스와프 크나스터 (1893~1980)
 
알프레트 타르스키 (1901~1983)

1927년 브로니스와프 크나스터(폴란드어: Bronisław Knaster)와 알프레트 타르스키멱집합 격자 위 단조함수고정점의 존재를 증명하였다.[3][4]:286, 각주 2 타르스키 고정점 정리의 오늘날 형태는 1939년 타르스키가 도입하였으며, 1939년~1942년 동안 타르스키의 몇몇 공개 강의에서 소개되었다.[4]:286, 각주 2 타르스키 고정점 정리의 역은 앤 모렐(영어: Anne C. Morel)이 증명하였다.[1] 타르스키 고정점 정리의 다중 값 일반화는 저우린(중국어: 周林)이 초모듈러 게임(영어: supermodular game)의 내시 균형의 존재를 보이기 위하여 증명 및 사용하였다.[2]

같이 보기 편집

참고 문헌 편집

  1. Davis, Anne C. (1955). “A characterization of complete lattices”. 《Pacific Journal of Mathematics》 (영어) 5: 311–319. doi:10.2140/pjm.1955.5.311. ISSN 1945-5844. MR 0074377. Zbl 0064.26101. 
  2. Zhou, Lin (1994). “The set of Nash equilibria of a supermodular game is a complete lattice”. 《Games and Economic Behavior》 (영어) 7 (2): 295–300. doi:10.1006/game.1994.1051. ISSN 0899-8256. MR 1295306. Zbl 0809.90138. 
  3. Knaster, Bronisław (1928). “Un théorème sur les fonctions d’ensembles”. 《Annales de la Société Polonaise de Mathématique》 (프랑스어) 6: 133–134. ISSN 0066-2216. JFM 54.0091.04. 
  4. Tarski, Alfred (1955). “A lattice-theoretical fixpoint theorem and its applications”. 《Pacific Journal of Mathematics》 (영어) 5: 285–309. doi:10.2140/pjm.1955.5.285. ISSN 1945-5844. MR 0074376. Zbl 0064.26004. 
  • S. Hayashi (1985). “Self-similar sets as Tarski's fixed points”. 《Publ. RIMS Kyoto Univ.》 21 (5): 1059–1066. doi:10.2977/prims/1195178796. 
  • J. Jachymski; L. Gajek; K. Pokarowski (2000). “The Tarski-Kantorovitch principle and the theory of iterated function systems”. 《Bull. Austral. Math. Soc.》 61 (2): 247–261. doi:10.1017/S0004972700022243. 
  • E.A. Ok (2004). “Fixed set theory for closed correspondences with applications to self-similarity and games”. 《Nonlinear Anal.》 56 (3): 309–330. CiteSeerX 10.1.1.561.4581. doi:10.1016/j.na.2003.08.001. 

외부 링크 편집