R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
G ABRIELE H. G RECO
Operatori di tipo G su reticoli completi
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 72 (1984), p. 277-288
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Operatori tipo coxnpleti.
GABRIELE H. GRECO
(*)
Rispondendo
ad una domandaposta
da E. DeGiorgi,
inquesto
articolo si dimostra che due
G-operatori
che coincidono sulle funzionia valori in
{O, 1 ~
sono pureuguali
suogni
funzione a valori in unqual-
siasi reticolo
completamente
distributivo.Questa
condizione di com-pleta
distributività è anche necessaria affinchèvalga questo
teorema.Questo teorema,
come puregli
altripresenti
inquesto articolo, poggiano
su un teorema didecomposizione (di G-operatori
inlimitoidi)
e sulle
proprietà
dei limitoidi.Ricordiamo anzitutto la definizione di
G(A, £)-operatore,
intro-dotta in
[1]
da E. DeGiorgi.
Con .A si indica un insieme
qualsiasi;
mentre è unafamiglia
arbi-traria di reticoli
completi.
Perogni
L E £ il simbolo adm(A, L)
denotal’insieme di tutte le
f unzioni f
tali che il loro dominiodom f
c A e illoro insieme dei valori im
i
c L. Allora la definizione diG-operatore,
data da E. De
Giorgi,
è laseguente.
UnG(A, £)-operatore
è un opera-tore g
con leseguenti quattro proprietà:
(i) dom g
={( f , L) :
L E£, f
E adm(A, L)}
eg( f , L)
E adm(A, L)
per
ogni (i, L)
E dom g,(ii) ‘dLl, L2
Et, Vfi
E adm(A, Li),
E adm(A, L2) dom f 1 c
domf, Ll )
c domg ( f 2 , L2 ) ,
0
=> domL1) _ ~ ,
(*)
Indirizzo dell’A. :Dipartimento
di Matematica, Università di Trento, 38050 Povo(Trento),
Italia.gmomorlismo completo
diLl
inL2 , Vf
EI
T-limiti,
iG-operatori
elementari(vedi [1], [2])
equelli
otten utida
questi
percomposizione
sono tuttiGX-operatori.
Un
G(A, £)-operatore g
è dettoGA(A, £)-operatore
se valedove « è il
più piccolo
sottoreticolo chiuso di L contenente« im f ».
Nulla si sa, a mio
avviso,
sull’esistenza dioperatori
ditipo
G chenon siano
operatori
ditipo
Però sottoparticolari
condizioni con-cernenti L
(vedi
teorema1.1), ogni G(A, £)-operatore
è unGA(A, £)- operatore.
Inquesti
casi vale un teorema discomposizione
di unG-operatore
in limitoidi. Ciò è digrande importanza
inquesta nota, perchè
rendepossibile
trasferireproprietà
dei limitoidi aiG-operatori.
In
questo
modo sipuò
dimostrare il teoremapresentato
all’inizio ed altri teoremi sullarappresentazione,
sulla univocità dell’estensione esulla semicontinuità di un
G-operatore.
Ricordiamo la definizione di
limitoide,
introdotta in[3].
Sia Xun insieme non vuoto ed L un reticolo
completo.
Un limitoide. è unfunzionale verificante le
proprietà:
omomor f ismo completo
di L in LGli
esempi più semplici
di limitoidi sono dati dalle nozioni di limite inferiore e limitesuperiore, presentate
in[4]
nell’ambito delle funzioni numeriche.Se f è
una funzione da X in L ed % è unafamiglia
nondegenere
disottoinsiemi di X
(cioè
93 non è vuota e non contiene l’insiemevuoto),
allora si definisce il limite
inferiore
e,dualmente,
il limitesuperiore
dif
lungo
93 nelseguente
modo:Più in
generale ogni
funzionepolinomiale
di reticolo è unlimitoide;
in altre
parole, ogni
funzionale T che opera sulle funzioni tramite unnumero finito di
1B
e~/
è un limitoide.Quindi
iT-limiti,
ibridi o no, di funzioni numeriche o di multifunzioni(vedi [2])
sono limitoidi.Il teorema di
rappresentazione
dei limitoidi è in sostanza la « chiave » delle idee(teoremi
e lorodimostrazioni) presenti
inquesta
nota.Teorema di
rappresentazione
dei limitoidi(vedi [3]) .
Sia L un reticolocompletamente
distributivo e T: X un limitoide. Allora esistono duefamiglie A,
93 nondegeneri
di sottoinsiemi di X tali che1. Su alcune
proprietà
deiG-operatori.
Ricordiamo anzitutto alcune definizioni e
proprietà
dei reticoli.Con 2 si denoterà il reticolo
composto
da due elementi distinti:il massimo 1 ed il minimo 0. Con i simboli
0,
e1L
si indicheranno ri-spettivamente
il minimo ed il massimo elemento di un reticolo com-pleto
L. Un sottoinsieme L’ di un reticolocompleto
L si dice sotto-reticolo chiuso di L
(si
scriverà L’aL)
se perogni
sottoinsieme B non vuoto di L’gli
elementi~/B
eAB,
calcolati inL, appartengono
a L’.Il
più piccolo
sottoreticolo chiuso di L contenente un suo sottoin- siemeC,
si indicherà con0’. È
evidente che un sottoreticolo chiuso èun reticolo
completo rispetto
all’ordine indotto.Un’applicazione
1jJ: fra due reticoli
completi Ll, L2
si diceomomor f ismo
com-pleto
se perogni
sottoinsieme B non vuoto diLi
risulta1p(IBB)
==
1B1p(B)
=Un reticolo
comptetamente
distributivo è un reticolocompleto
L veri-ficante
leproprietà [5]:
per
ogni famiglia
non vuota di insiemi non vuoti e perogni
fun-zione f,
definita su{(i,j) : i
e EAi},
a valori in.L ;
ø è l’insieme d tutte lefunzioni 99
con dominio I e tali cheper i
E I.Sono reticoli
completamente
distributivi la rettaestesa R
e,più
in
generale,
le catenecomplete
e i sottoreticoli chiusi diprodotti
direttidi catene
complete [5].
L’insieme
T(X)
delleparti
di un insieme Xè, quindi,
un reticolocompletamente
distributivo.È
noto cheogni
reticolo booleano e com-pletamente
distributivo è isomorfo a perqualche
..~[5].
Ogni
reticolocompletamente
distributivo è brouweriano e dual- mente brouweriano. Si ricorda che un reticolocompleto
L è brouwerianose e solo se per
ogni
c E Ll’applicazione
di L inL,
definita =è un omomorfismo
completo [5].
Le
proprietà
dei£)-operatori
sono strettamente connesse conla ricchezza di £. Nel
seguito
lafamiglia
di reticoli £ saràsoggetta
averificare
qualcuna
delleseguenti
condizioni:(~.1)
2 E C edogni
L E C è un reticolocompletamente
distributivo(£.1’) ogni
L e £ è oisomorfo
alla retta estesaR
o un reticolo booleanocompletamente
distributivo o un reticolo distributivofinito ( ~.2 ) ogni
L e £ è un reticolocompletamente
distributivo( ~.3) ogni
L E L è brouweriano e dualmente brouwerianoQueste
condizioni sonolegate
tra di loro dalleseguenti implicazioni.
TEOREMA 1.1. Sia C’Una
f amiglia
di reticoliverificante
una delletre condizioni :
( ~..1 ), ( ~..1’ ), ( ~,.4) .
Alloraogni G(A, ~)-operatore
è un£)-operatore.
TEOREMA 1.2 . Se C
verifica ( ~. 2 ) ,
alloraogni G(A, C)-operatore
gtale che
è un
£)-operatore.
TEOREMA 1.3. Se £
veri f ica ( ~..2 ),
allora unG(A, £)-operatore
gveri f ica :
TEOREMA 1.4. Se ~
verifica (£..3),
alloraogni G(A, C)-operatore
gsoddisfa:
Questi
teoremipermettono
di definire in manieradiversa,
maequi- valente, gli operatori
ditipo
G. Ricordiamo che unoperatore g
è dettoG’(A, £)-operatore,
se verifica(i), (ii), (iii)
ePROPOSIZIONE 1.5.
famiglia
di reticolicompleti
con laproprietà (£.1)
o con la( ~.1’ ) .
Allora leseguenti
condizioni sonoequivalenti :
OSSERVAZIONE 1.6. A
proposito
del teorema1.4, l’ipotesi (C.3)
èessenziale. Infatti se
(£.3)
nonvalesse,
sipotrebbe
facilmente deter- minare un insieme A in modo che esista unG(A, £)-operatore
senzala
(iv")..
OSSERVAZIONE 1.7.
Operatori
con leproprietà (i), (ii), (*),
dettituzzy integrali,
sono facilmente descrivibili tramite funzioni d’insiememonotone, qualora
sia verificata(£.2) (vedi [6]). Questi
abbracciano la nozionegià
nota difuzzy integrale
di una funzione numerica.Alcuni
fuzzy integrali
sono ottenibili apartire
da unG(.A., ~,)-operatore g
nel
seguente
modo. Siscelga
una funzione una perogni
L E £. Alloral’operatore
go, definito dago( f, L)
=L)
perogni
verifica(i), (ii), (iii), (*),
ma, ingenerale,
nonsoddisfa
(iv).
Infine si osserva che mediante ifuzzy integrali
sipuò
verificare
l’indipendenza
dellaproprietà (A)
dalle(i), (ii), (iii), (iv")
(vedi (1.2)
dellaproposizione precedente)..
2. Teorema di
scomposizione
di unG-operatore
in limitoidi.Sia g
unG’(A, £)-operatore.
Allora in virtù di(ii),
esiste una fun-zione yg : - detta
f unzione
leader di g, tale chePoichè in
opportune ipotesi,
viste nelparagrafo precedente,
unoperatore
ditipo
G è unoperatore
ditipo Gz,
dalla definizione di limitoide segue ilTEOREMA DI SCOMPOSIZIONE. Sia g un
G(A, £)-operatore
e sia £una
f amigliac
di reticoliverificante
almeno una delle treproprietà : ( ~..1 ), (£.1’), (£.4).
Allora perogni
X cA,
perogni
yEYa(X)
e perogni
L E ~il
funzionale
gX,L,lI: Lde f inito
daè un limitoide.
OSSERVAZIONE 2.1. L’insieme
C, y)
deiG’(A, ~,)-operatori,
aventi una stessa funzione leader y, si
atteggia
in maniera naturale ad insieme ordinato. Piùdettagliatamente rispetto
alla relazioned’ordine « », definita da «
g1( f, L)
c Lg2(f, L)
perogni ( f, L)
EE dom 9~ »,
l’insiemeG’ (A, £,y)
è un reticolocompleto.
Inoltrerisulta che
Se
ogni
L E C ècompletamente distributivo,
allora ognuno diquesti
tre reticoli di
operatori
ècompletamente distributivo;
e,viceversa,
se uno dei tre è
completamente distributivo,
ancheogni
L E C lo è.Se £ è una
famiglia
autoduale(cioè
perogni
L E C esiste un reticoloL’E £ antiisomorfo ad
L),
alloraGA(A, C, y)
eG(,A, £,, y)
sono autoduali.Più
precisamente
perogni operatore gEG(A,C,y) (oppure, EGA(A,C,y)
esiste un unico
operatore gd
EG(A, C, y) (oppure
EGÄ(A, ~, y)),
dettoil duale di g, tale che
(2.3) antiomomor f ismo completo
di L inL’, b’ f E
E adm
(A, L) L’)
=L) ~
ed inoltre
questa applicazione
che associa adogni operatore
g il suoduale gd
èun’involuzione,
5 cioègdd
= g,(/B
igi)
=V
iga,
í~~/
igi)d
=g,.
i i3. Teoremi di univocità e di
rappresentazione
di unG-operatore.
In
risposta
ad unquesito
delprof.
E. DeGiorgi
si ha ilseguente
TEOREMA 3.1. una
famiglia
di reticoliveri f icante ( ~.1 ) .
Perogni coppia
gl, g2 diG(A, £)-operatori
(3.1)
segl( f , 2)
=g2( f , 2)
perogni f
E adm(A, 2),
allora gl = g2 . Daquesto
teorema segueTEOREMA DI RAPPRESENTAZIONE. una
f amiglia
di reticoliverificante (£.1)
e sia g unG(A, £)-operatore.
Allora perogni
X c A edy
E y9(X )
esiste unafamiglia
nondegenere
di sottoinsiemi di X tale che:(3.2)
L EC, f
E adm(A, L),
domf
= X ~g(1, L)(y)
=f
dove con « L-liminf » si intende che il limite
in f eriore
è calcolato in L.OSSERVAZIONE 3.2.
L’ipotesi
dicompleta distributività, presente
nel teorema 3.1 è essenziale per la validità di tale teorema. Nel senso
che,
se ~, contenesse un reticoloLo
che non siacompletamente
distri-butivo,
perogni
insiemeAo
con cardinalitàmaggiore
diquella
di.Lo
esisterebbero due
G(Ao, £)-operatori
g1, g2 per iquali
la(3.1)
non vale.OSSERVAZIONE 3.3. Il teorema 3.1 e
quello
dirappresentazione
continuano a
valere,
mutatismutandis,
nel caso che la condizione si sostituisca con la(~.1’). Questo
in un certo sensogiustifica
il fattoche in una
prima
formulazione del teorema dirappresentazione
deilimitoidi di funzioni numeriche
(vedi [4]),
non è richiesto che i limitoidi ingioco
verifichino la(L.3).
OSSERVAZIONE 3.4. Il teorema 3.1 si
può interpretare
come unteorema sull’univocità dell’estensione di un
G(A, {2})-operatore.
Inaltre
parole
se go è unG (A, {2})-operatore
ed £ contiene2,
esiste almenoun
G(A, £)-operatore
che estende go .Quindi
indicati cong~
e9t, rispet- tivamente,
ilpiù piccolo
e ilpiù grande G(A, £)-operatore
fraquelli
che estendono go
(questi
dueoperatori
sono nel reticolocompleto G(A, C,
vedi osservazione2.1),
il teorema 3.1 dice che le esten- sionig;,9t
coincidono sullecoppie ( f , L)
perogni
reticolo L che siacompletamente distributivo;
mentre l’osservazione 3.2 afferma che le suddette estensioni di go possono non coinciderequando
.L fallisced’essere
completamente
distributivo. Osserviamo cheproprio
ilpoter esplicitare gli operatori 9;,9t,
nel caso chevalga (£.3),
chiarisce la necessità dellacompleta
distributività per la validità del teo-rema 3.1.
Un raffinamento del teorema 3.1 nasce dalla soluzione di
questo problema:
« Fissati H c adm(A, 2), £
con laproprietà (£.1)
ed L EC,
determinare le funzioni
f
E adm(A, L)
tali che(3.3)
perogni coppia
9~, 92 diG(A, ~)-operatori
TEOREMA 3.5. Sia £ con la
proprietà (L.1).
Allora vale la(3.3)
see solo se
(f, L)
è H-misurabile.Per si ponga
Una
coppia ( f , L),
dovef
E adm(A, L),
è detta H-misurabile se e solo seQuesta
nozione di misurabilitàrispetto
ad unafamiglia
di insiemiè studiata in
[7]
nell’ambito delle funzioni a valori in un reticolo com-pleto.
Alcuneproprietà
viste in[7]
possono servire a dimostrare il teoremaprecedente.
4.
Semicontinuità deiG-operatori.
Su
ogni
reticolocompleto
latopologia,
che ha comeprebase
dichiusi la
famiglia degli
intervallichiusi,
ècompatta (vedi
intervaltopology in [5]).
D’altro canto se il reticolo ècompletamente
distri-butivo, questa topologia
è di Hausdorff.Quindi
suogni
reticolo com-pletamente
distributivo L esiste un’unica uniformitàUL
che induce l’intervaltopology.
Ora una
famiglia
di funzioni definite su un insieme X e a valori in un reticolo Lcompletamente distributivo ;
e sianof
un’altrafunzione da X in .L ed Y un filtro su J. Si dirà che converge
uniformemente
verso( f , L) (lungo il filtro Y),
converge uni- formementeverso f rispetto
a~IL (lungo Y).
TEOREMA DI CONTINUITÀ.
famiglia di
reticoloverificante
una delle due
proprietà: (C.1), (C.1’);
e sia g unG(A,
SeL E
t, f
E adm(A,
adm(A, L), filtro
suJ,
e domf
==
dom
per allora:« è
effettuato rispetto
alll’intervaltopology.
I,Y
Questo
teoremadipende
dallaseguente
caratterizzazione della convergenza uniforme. Si è dimostrato in[8]
che convergeuniformemente verso
f (lungo Y) rispetto
aUz
se e solo sevalgono :
(4.2)
c X(subconvergenza uniforme)
(4.3) Vfi(B)
VB c X(superconvergenza uniforme) .
OSSERVAZIONE 4.1. Nelle stesse
ipotesi
del teoremaprecedente valgono
(4.4) ~( f ; , L)~ ~ subconverge
a( f , L)
~g( f , L) g(fi, L) (4.5) ~( f f, L)~ f
superconverge a( f, L) ~ g( f, L) >
g( f ; , .L) .
5. Un teorema di isomorfismo fra
G(A, 2)-operatori
eG(A, £)-operatori.
L’insieme
C)
di tutti iG(.A., £)-operatori
è un insiemeparzial-
mente ordinato dalla relazione d’ordine « », definita da se
e solo se VL E
£" Vf
E adm(.A, .L)
si ha dom9~(t, L)
= dom92(f, L)
eg1(f, L)
c Lgz(f, L)
».Ogni
funzione y:~(A) -~
crescente(cioè y(B) c y(C)
per B c C cA)
è la funzione leader diqualche G(A, £)-operatore;
e vice-versa. Perciò ognuna di
queste
funzioni y sarà dettaf unzione
leadersu .A.. ’
Si è osservato
nel §
2ed,
inparticolare,
nell’osservazione 2.1 che1
dove y
percorre le funzioni leader su A. Ed inoltre si è visto cheogni G(A, C, y)
è un reticolocompleto rispetto
alla relazione d’ordine in- dotta daG(A, ~) ;
e sipuò
notare che dueoperatori
con funzioni leaderdistinte non sono confrontabili.
Ora
sia g
unG(A, 2)-operatore
e sia 2 E~.;
si indichi con g- il minimo fra i£)-operatori
cheestendono g (vedi
osservazione3.4).
TEOREMA DI ISOMORFISMO. - Se £
verifica (C.1), l’applicazione
9 1-+ g- è unisomor f ismo
d’ordine diG(A, 2)
suG(A, L)
che induce un isomor-completo
diG(A, 2, y)
suG(A., C, y)
perogni f unzione
leader y di A.Siano 91’ 92 due
G(A, L)-operatori.
Ilprodotto
9192 è ilG(A, C)- operatore
definito daL) = L), L) .
TEOREMA SUL PRODOTTO DI DUE G-OPERATORI. Se £
veri f ica
e gl, g2 sono due
G(A, 2)-operatori,
allora =Si
può
osservare che il teorema 3.1(sull’univocità
dell’estensione di unG(A, 2)-operatore),
il teorema dirappresentazione
deiG-operatori
ed infine il teorema di isomorfismo ed il teorema sul
prodotto
di dueG-operatori
costituiscono imolteplici aspetti
dellacompleta
distri-butività dei
reticoli;
nel senso che sipuò
dimostrare che lacompleta
distributività non solo è sufficiente ma anche necessaria affinchè uno
qualsiasi
dei suddetti teoremivalga.
6.
G-operatori polinomiali.
I
G-operatori
sono ottenibili mediante ilprodotto
diG-operatori
elementari? Ricordiamo che
questi operatori
elementari sono definiti in[1], [2].
La
risposta
ènegativa.
Diamo unesempio.
ESEMPIO 6.1. Sia
M5
il reticolocomposto
da 5 elementidistinti;
il minimo
0,
il massimo 1 ed altri treelementi a, b,
c tali che =1,
=
1,
=1,
=0,
a/Bc =0,
= 0. Sia A. un insiemecontenente almeno due elementi distinti x. e yo; e sia y:
S(A) -
definita da
y(A) = A
e-y(B) = 0
perogni
Si ponga C= {R,
Si definisca
l’operatore
go con funzioneleader y
nelseguente
mo- do :b’ f E adm (A, L)
si pone funzionevuota,
sedom 1 =FA;
altrimenti si pone(risp.= f (yo)),
se L =M,
(risp.
L =R)
».Questo operatore go è
unG(A, £)-operatore
che non è ottenibilemediante il
prodotto
diG-operatori elementari, perchè ogni prodotto
di
G-operatori
elementari è unG-operatore polinomiale,
mentre gonon lo è.
Diamo la definizione di
G-operatore polinomiale.
Se X è un insiemenon vuoto un
polinomio in
X èun’espressione
formale contenente i simboli x e i simboliA, V
che è definita da:« (1) ogni a:(EX)
è unpolinomio
inX; (2)
se I è un insieme non vuoto eP=
è unpolinomio
in X per
ogni i E I,
alloraA Pi
eV Pi
sonopolinomi
in X ». UnG(A, £)-
iel ;EI
operatore
g è dettopolinomiale,
se VX cA, Vy E yo(X )
esiste unpoli-
nomio in .X tale che
g(f, Z) ( y) = Pg,y( f , L)
perogni
edcon
dom f = X; L)
indica l’elemento di L ot- tenutoassegnando
adogni
simbolo x il valoref (x)
edeseguendo
leoperazioni /~, V
in L.Notiamo che
qualunque
sia ilG(A, £)-operatore polinomiale g
equalunque
sia esiste sempre unG(A, £’)-operatore
che estende g.Non è chiaro se
questa proprietà
di estendibilitàvalga
solo per iG-ope-
ratori
polinomiali.
Si osserva pure che l’insieme
G,(A, £,,y)
dei£)-operatori poli- nomiali,
aventi una stessaguida y,
è un sottoreticolo chiuso di~, y). Ogni G(A, 2)-operatore
èpolinomiale; più
ingenerale G,(A, ~)
=G(.A, £)
perogni famiglia
di reticoli E verificante(£.1).
BIBLIOGRAFIA
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of
variations,Topics
in Func-tional
Analysis
1980-81, Quaderno della Sc. Nor.Sup.
Pisa(1982).
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Ann. Univ. Ferrara, 29(1983),
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