הגדרה 1 (סגירות תחת פונקציה)
תהי X קבוצה ותהי פונקציה f:X→X. תהי A⊆X.
הקבוצה A נקראת סגורה תחת f אם לכל a∈A מתקיים f(a)∈A.
הגדרה 2 (סגירות תחת קבוצת פונקציות)
תהי X קבוצה ותהי F קבוצה של פונקציות מעל X. כלומר, לכל f∈F קיימת מקומיות k∈N+ כך ש-f:Xk→X.
תהי A⊆X. נאמר כי A סגורה תחת F אם לכל f∈F ולכל a1,…,ak∈A מתקיים ש-f(a1,…,ak)∈A.
הגדרה 3 (קבוצה נוצרת (אינדוקטיבית))
יהיו B⊆W ו-F אוסף כללי יצירה (פונקציות מעל W)
נסמן ב-Λ את אוסף הקבוצות המכילות את B וסגורות תחת F. הקבוצה הנוצרת ע"י B ו-F הינה:
WB,F:=A∈Λ⋂A
תמיד תהיה קבוצה WB,F שכן תמיד יש לנו את W שהוא העולם כולו, והפונקציות ב-F חייבות להיות סגורות תחת W לפי משפט.
סדרת יצירה מעל XB,F עבור איבר a∈X היא סדרה סופית a1,a2,…,an כך ש:
א. a=an.
ב. לכל 1≤i≤n או ai∈B או ai התקבל מהפעלת f∈F על איברים מתוך a1,…,ai−1.
בהמשך הקורס אנחנו מאוד נאהב להשתמש בסדרות יצירה.
נגדיר את העולם כאוסף המחרוזות W={0,1,…,9,(,),+,−}∗, את הבסיס כ-B={0,1,…,9}∗ ואת כללי היצירה:
F={f+(x,y)=(x+y),f−(x,y)=(x−y)}
מי מבין האיברים הבאים שייך ל-WB,F?
א. 42 ב. (42−(1+1)) ג. −3.
פתרון א':
42 כן נמצא שכן 42∈B שכן B=i=1⋃∞{σ1σ2…σi∣∀1≤j≤i:σi∈{0,1,…,9}}. באופן פורמלי:
לפי הגדרת B מתקיים 42∈B. לפי תכונות הקבוצה האינדוקטיבית נובע כי 42∈B⊆WB,F.
פתרון ב':
נתון כי 1∈B ולכן, לפי תכונות קבוצה אינדוקטיבית נובע כי 1∈B⊆WB,F.
יש סגירות תחת f+ ולכן, (1+1)=f+(1,1)∈WB,F.
יש סגירות תחת f− ולכן, (42−(1+1))=f−(42,f+(1,1))∈WB,F.
לכן, (42−(1+1))∈WB,F.
היינו יכולים ליצור את סדרת היצירה:
- 42 נמצא בבסיס. נקבע a1=42.
- 1 נמצא בבסיס. נקבע a2=1.
- נקבע a3=f+(a2,a2)=(1+1).
- נקבע a4=f−(a1,a3)=(42−(1+1)).
מכיוון שקיימת סדרת יצירה עבור a4 מעל B,F אזי מתקיים a4∈WB,F.
פתרון ג':
האיבר −3 אינו יכול להיות בקבוצה הזו. באופן פורמלי נשתמש באינדוקציית מבנה:
משפט (ההוכחה באינדוקציית מבנה)
נתונה קבוצה X, תת קבוצה B⊆X וקבוצת פונקציות F מעל X.
נתונה T⊆X. אם מתקיימים התנאים הבאים:
- מתקיים B⊆T
- הקבוצה T סגורה תחת F
אזי, XB,F⊆T
הוכחת ג':
נגדיר T=B∪{{(}⋅w⋅{)}∣w∈W}.
בסיס: B⊆T לפי הגדרה.
סגור: נקח f∈F ונקח x,y∈T.
אם f=f+ אזי f+(x,y)=(x+y). מתקיים כי x+y∈W ולכן, (x+y)∈T.
אם f=f− אזי f−(x,y)=(x−y). מתקיים כי x−y∈W ולכן (x−y)∈T.
לכן, לפי הגדרה, T סגורה תחת F.
לפי אינדוקציית מבנה, WB,F⊆T. מכיוון ש-−3∈T מתקיים כי −3∈WB,F.
∎
יהיו קבוצה W, בסיס B⊆W וקבוצות כללי יצירה F1 ו-F2.
א. הוכיחו/הפריכו: WB,F1∪WB,F2⊆WB,F1∪F2.
ב. הוכיחו/הפריכו: WB,F1∪F2⊆WB,F1∪WB,F2.
טענה א' נכונה.
הוכחה א': (באמצעות אינדוקציית מבנה)
לפי הגדרת קבוצה אינדוקטיבית, B⊆WB,F1∪F2.
לפי הגדרת קבוצה אינדוקטיבית, WB,F1∪F2 סגורה תחת F1∪F2. לכל f∈F1 מתקיים f∈F1∪F2 לפי הגדרת איחוד ולכן, WB,F1∪F2 סגורה תחת F1.
לכן, לפי אינדוקציית מבנה, WB,F1⊆WB,F1∪F2.
באותו האופן, WB,F2⊆WB,F1∪F2.
לפי תכונות האיחוד, WB,F1∪WB,F2⊆WB,F1∪F2.
∎
טענה ב' אינה נכונה.
הפרכה ב':
נגדיר א"ב Σ={a,b} ונקח את העולם שלנו להיות W=Σ∗ ואת הבסיס שלנו להיות B={ε}.
נגדיר F1={fa(x)=xa} ו-F2={fb(x)=xb}.
נשים לב כי ε∈B⊆WB,F1∪F2 מהגדרת קבוצה אינדוקטיבית. f(ε)∈WB,F לפי תכונת סגירות של קבוצה אינדוקטיבית.
נגדיר את T כקבוצת כל המילים המכילות רק a-ים. אזי ε∈T באופן ריק ולכן B⊆T.