Filter (Mathematik)

In d​er Mathematik i​st ein Filter e​ine nichtleere nach u​nten gerichtete Oberhalb-Menge innerhalb e​iner umgebenden halbgeordneten Menge. Der Begriff d​es Filters g​eht auf d​en französischen Mathematiker Henri Cartan[1] zurück.

Anschaulich betrachtet enthält e​in Filter Elemente, d​ie zu groß sind, a​ls dass s​ie den Filter passieren könnten. Ist x e​in Filterelement, s​o ist a​uch jedes i​n der gegebenen Ordnungsrelation größere Element y e​in Filterelement, u​nd je z​wei Filterelemente x u​nd y h​aben einen gemeinsamen Kern z, d​er selbst s​chon zu groß ist, a​ls dass e​r den Filter passieren könnte.

Filter i​n der umgekehrten Halbordnung heißen Ideale d​er Ordnung o​der Ordnungsideale.

Anwendungen

Filter treten in der Theorie der Ordnungen und Verbände auf. Ein wichtiger Spezialfall sind Mengenfilter, d. h. Filter in der durch die Mengeninklusion halbgeordneten Potenzmenge einer Menge. Mengenfilter werden besonders in der Topologie verwendet und erlauben dort die Verallgemeinerung des Begriffs der Folge für topologische Räume ohne abzählbare Umgebungsbasis. So bildet das System der Umgebungen ${\displaystyle {\mathcal {U}}(x)}$ eines Punktes ${\displaystyle x}$ in einem topologischen Raum einen speziellen Filter, den Umgebungsfilter. Umgebungsfilter können in Räumen, die kein Abzählbarkeitsaxiom erfüllen, zur Definition von Netzen verwendet werden, die die Rolle der Folgen aus der elementaren Analysis teilweise übernehmen. Man fasst dazu einen Filter als gerichtete Menge auf und betrachtet Netze auf dieser gerichteten Menge.

Mit e​inem Ultrafilter (der k​ein Hauptfilter ist) a​uf den natürlichen Zahlen lassen s​ich die hyperreellen Zahlen d​er Nichtstandardanalysis konstruieren. Allerdings w​ird die Existenz solcher Filter selbst n​ur durch d​as Auswahlaxiom – a​lso nicht konstruktiv – gesichert.

Allgemeine Definitionen

Eine nichtleere Teilmenge ${\displaystyle F}$ einer Quasiordnung ${\displaystyle {\boldsymbol {P}}=(P,\leq )}$[2] heißt Filter, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

1. ${\displaystyle F}$ ist eine Oberhalb-Menge: ${\displaystyle \forall x\in F:\forall y\in P\colon x\leq y\Rightarrow y\in F,}$

   (D. h. alle (mit ${\displaystyle x}$ in Relation stehenden) Elemente, die größer als ${\displaystyle x}$ sind, sind Teil des Filters.)

2. ${\displaystyle F}$ ist nach unten gerichtet: ${\displaystyle \forall x,y\in F\ \exists z\in F\colon z\leq x}$ und ${\displaystyle z\leq y.}$

   (D. h. ${\displaystyle F}$ ist bzgl. der Umkehrrelation der betrachteten Halbordnung gerichtet.)

Der Filter ${\displaystyle F}$ heißt eigentlicher (oder echter) Filter, wenn er nicht gleich ${\displaystyle P}$ ist, sondern eine echte Teilmenge ${\displaystyle F\subset P}$.[3]

Jeder Filter auf einer quasi- oder halbgeordneten Menge ${\displaystyle P}$ ist Element der Potenzmenge von ${\displaystyle P}$. Die Menge der auf derselben (schwach)[4] halbgeordneten Menge definierten Filter wird durch die Inklusionsrelation ${\displaystyle \subseteq }$ ihrerseits halbgeordnet. Sind ${\displaystyle F_{1}}$ und ${\displaystyle F_{2}}$ Filter auf derselben (schwach) halbgeordneten Menge ${\displaystyle P}$, so heißt ${\displaystyle F_{2}}$ feiner als ${\displaystyle F_{1}}$ ${\displaystyle (F_{1}}$ gröber als ${\displaystyle F_{2}),}$ wenn ${\displaystyle F_{1}\subseteq F_{2}}$. Ein maximal feiner echter Filter heißt Ultrafilter.

Filter in Verbänden

Während diese Definition von Filter die allgemeinste für beliebige quasi- oder halbgeordnete Mengen ist, wurden Filter ursprünglich für Verbände definiert. In diesem Spezialfall ist ein Filter eine nichtleere Teilmenge ${\displaystyle F}$ des Verbandes ${\displaystyle (P,\leq )}$, die eine Oberhalb-Menge ist und abgeschlossen unter endlichen Infima, d. h. für alle ${\displaystyle x,y\in F}$ ist auch ${\displaystyle x\wedge y\in F}$.

Hauptfilter

Der kleinste Filter, der ein vorgegebenes Element ${\displaystyle p}$ enthält, ist ${\displaystyle \{x\in P\mid p\leq x\}}$. Filter dieser Form heißen Hauptfilter, und ${\displaystyle p}$ ein Hauptelement des Filters. Der zu ${\displaystyle p}$ gehörende Hauptfilter wird als ${\displaystyle \operatorname {\uparrow } p}$ geschrieben.

Primfilter

Ein echter Filter ${\displaystyle F}$ in einem Verband ${\displaystyle P}$ mit der Zusatzeigenschaft

${\displaystyle a\vee b\in F\iff (a\in F\;\mathrm {oder} \;b\in F)}$

heißt Primfilter.

Ideale

Der z​um Filter d​uale Begriff i​st der d​es Ideals: Ein Ideal (auch Ordnungsideal) i​st eine gerichtete Unter-Halbmenge i​n einer Quasi- o​der Halbordnung.[3]

Betrachtet man in einer halbgeordneten Menge ${\displaystyle {\boldsymbol {P}}=(P,\leq )}$ die Umkehrrelation ${\displaystyle \leq ^{-1}={\geq }}$, so ist auch ${\displaystyle (P,\geq )}$ wieder eine halbgeordnete Menge. Die so durch Dualisierung entstehende Struktur als ${\displaystyle {\boldsymbol {P}}^{\text{opp}}=(P,\geq )}$ notiert.

Ein Filter in ${\displaystyle {\boldsymbol {P}}^{\text{opp}}}$ ist ein Ideal in ${\displaystyle {\boldsymbol {P}}}$ und umgekehrt.

Ebenso erhält man aus einem (distributiven) Verband ${\displaystyle (P,\vee ,\wedge )}$ durch Vertauschen der beiden Verbandsverknüpfungen Supremum ${\displaystyle \vee }$ und Infimum ${\displaystyle \wedge }$ wieder einen (distributiven) Verband. Sind in ${\displaystyle P}$ ein kleinstes Element 0 und ein größtes Element 1 vorhanden, so werden sie ebenfalls vertauscht.

Beispiel

Wir betrachten in der sogenannten punktierten komplexen Ebene ${\displaystyle \mathbb {C} ^{\times }:=\mathbb {C} {\setminus }\{0\}}$ die Teilmengen ${\displaystyle s_{\alpha }=\{z\in \mathbb {C} ^{\times }\mid \operatorname {Arg} (z)=\alpha \},}$ für ${\displaystyle 0\leq \alpha <2\pi ,}$ der (offenen) Strahlen aus der Null (kurz: Nullstrahlen). Auf ${\displaystyle \mathbb {C} ^{\times }}$ definieren wir nun eine Halbordnung ${\displaystyle \trianglelefteq }$, indem wir ${\displaystyle z_{1}\in \mathbb {C} ^{\times }}$ als kleiner-gleich ${\displaystyle z_{2}\in \mathbb {C} ^{\times }}$ betrachten, falls ${\displaystyle z_{1}}$ und ${\displaystyle z_{2}}$ auf demselben Strahl liegen und ${\displaystyle z_{1}}$ betraglich kleiner-gleich ${\displaystyle z_{2}}$ ist. D. h.

${\displaystyle {\begin{aligned}z_{1}\trianglelefteq z_{2}&:\Leftrightarrow &\operatorname {Arg} (z_{1})=\operatorname {Arg} (z_{2})&\ \ \mathrm {und} &\left|z_{1}\right|\leq \left|z_{2}\right|\end{aligned}}}$

für ${\displaystyle z_{1},z_{2}\in \mathbb {C} ^{\times }}$.

In der halbgeordneten Menge ${\displaystyle \left(\mathbb {C} ^{\times },\trianglelefteq \right)}$ sind nun alle Filter gegeben durch die Nullstrahlen und deren offene und abgeschlossene Teilstrahlen

${\displaystyle s(z):=\{z'\in \mathbb {C} ^{\times }\mid z\trianglelefteq z',z\neq z'\}\subset {\bar {s}}(z):=\{z'\in \mathbb {C} ^{\times }\mid z\trianglelefteq z'\}\subset s_{\alpha }}$

für alle ${\displaystyle z\in \mathbb {C} ^{\times }}$ mit ${\displaystyle \alpha =\operatorname {Arg} (z).}$ Jeder dieser Filter ist echt. Außerdem folgt aus ${\displaystyle z_{1}\trianglelefteq z_{2}}$, dass ${\displaystyle {\bar {s}}(z_{1})}$ feiner ${\displaystyle s(z_{1})}$ feiner ${\displaystyle {\bar {s}}(z_{2})}$ feiner ${\displaystyle s(z_{2})}$; insbesondere ist ${\displaystyle s_{\alpha }\ (0\leq \alpha <2\pi )}$ ein maximal-feiner echter Filter und damit ein Ultrafilter. Für jede komplexe Zahl ${\displaystyle z\in \mathbb {C} ^{\times }}$ ist der abgeschlossene Strahl ${\displaystyle {\bar {s}}(z)}$ ihr Hauptfilter ${\displaystyle \operatorname {\uparrow } z}$ mit ${\displaystyle z}$ als (einzigem) Hauptelement.

Die Ordnungsideale in ${\displaystyle \left(\mathbb {C} ^{\times },\trianglelefteq \right)}$ entsprechen den fehlenden Strahlenabschnitten zwischen der Null und dem Beginn jedes Teilstrahls. Ist der Teilstrahl offen, enthält er also nicht seinen Aufpunkt, so fehlt auch im entsprechenden Ordnungsideal der Aufpunkt – analog ist er im abgeschlossenen Fall in Teilstrahl und Ideal jeweils enthalten. (Filter und Ordnungsideal sind also nicht disjunkt!) Aus dem Nullstrahl ergibt sich kein entsprechendes Ordnungsideal, da der „fehlende“ Strahlenabschnitt durch die leere Menge gegeben wäre (die kein Filter sein kann). Die Ideale haben also die Form:

${\displaystyle s^{{-}1}(z)=(s_{\alpha }{\setminus }s(z))\setminus \{z\}=\{z'\in \mathbb {C} ^{\times }\mid z\trianglerighteq z',z\neq z'\}}$ und

${\displaystyle {\bar {s}}^{{-}1}(z)=(s_{\alpha }{\setminus }{\bar {s}}(z))\cup \{z\}=\{z'\in \mathbb {C} ^{\times }\mid z\trianglerighteq z'\}}$

für alle ${\displaystyle z\in \mathbb {C} ^{\times }}$ und ${\displaystyle \alpha =\operatorname {Arg} (z)}$.

Mengenfilter

Definition

Ein wichtiger Spezialfall eines Filters – vor allem in der Topologie – sind Mengenfilter. Man geht in diesem Fall von der durch die Mengeninklusion halbgeordneten Potenzmenge ${\displaystyle \left({\mathcal {P}}(X),\subseteq \right)}$ einer beliebigen nichtleeren Menge ${\displaystyle X}$ aus. Eine echte Teilmenge ${\displaystyle {\mathcal {F}}\subset {\mathcal {P}}(X)}$ ist genau dann ein Mengenfilter oder Filter, wenn folgende Eigenschaften erfüllt sind:

1. ${\displaystyle \emptyset \notin {\mathcal {F}}}$ und ${\displaystyle X\in {\mathcal {F}}}$,
2. ${\displaystyle F,G\in {\mathcal {F}}\ \Rightarrow \ F\cap G\in {\mathcal {F}}}$,
3. ${\displaystyle F\in {\mathcal {F}},\;G\supset F\ \Rightarrow \ G\in {\mathcal {F}}}$.

Ein Mengenfilter, für d​en gilt

${\displaystyle F\subseteq X\Rightarrow F\in {\mathcal {F}}\lor X\!\setminus \!{F}\in {\mathcal {F}}}$,

der also zu jeder Teilmenge diese selber oder ihr Komplement enthält, heißt Ultrafilter auf ${\displaystyle {\mathcal {P}}}$.[3]

Diese Definitionen stimmen mit den oben gegebenen für echte Filter in Verbänden überein, da die Potenzmenge von ${\displaystyle X}$ einen Verband bildet.

Beispiele für Mengenfilter

• ${\displaystyle {\mathcal {F}}_{C}:=\{M\subseteq X\mid C\subseteq M\}}$ heißt der von ${\displaystyle C\subseteq X}$ erzeugte Hauptfilter.
• Ist ${\displaystyle (X,\tau )}$ ein topologischer Raum mit Topologie ${\displaystyle \tau }$, dann heißt ${\displaystyle {\mathcal {U}}(x):=\left\{U\subseteq X\mid \exists O\in \tau \colon O\subseteq U\land x\in O\right\}}$ Umgebungsfilter von ${\displaystyle x}$.
• Ist ${\displaystyle S}$ eine unendliche Menge, dann heißt ${\displaystyle \{M\subseteq S\mid S\setminus M{\text{ endlich}}\}}$ Fréchet-Filter der Menge ${\displaystyle S}$.
• Ist ${\displaystyle {\mathcal {B}}}$ ein nichtleeres Mengensystem von ${\displaystyle {\mathcal {P}}(X)}$ mit folgenden Eigenschaften
  1. ${\displaystyle \emptyset \notin {\mathcal {B}}}$ und
  2. ${\displaystyle \forall B_{1},B_{2}\in {\mathcal {B}}\ \exists B_{3}\in {\mathcal {B}}\colon B_{3}\subseteq B_{1}\cap B_{2}}$,

so heißt ${\displaystyle {\mathcal {B}}}$ Filterbasis in ${\displaystyle X}$. Ein solches Mengensystem erzeugt auf natürliche Weise einen Filter

${\displaystyle {\mathcal {F}}_{\mathcal {B}}:=\langle {\mathcal {B}}\rangle$ :=\left\{M\subseteq X\mid \exists B\in {\mathcal {B}}\colon B\subseteq M\right\}}

Dieser heißt der von ${\displaystyle {\mathcal {B}}}$ erzeugte Filter.

• Ist ${\displaystyle f\colon X\rightarrow Y}$ eine Abbildung zwischen zwei nichtleeren Mengen und ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ ein Filter auf ${\displaystyle X}$, so bezeichnet ${\displaystyle f({\mathcal {F}})}$ den von der Filterbasis ${\displaystyle \{B\subseteq Y\mid \exists F\in {\mathcal {F}}\colon f(F)=B\}}$ erzeugten Filter. Dieser heißt Bildfilter von ${\displaystyle f}$.[5]

Anwendungen in der Topologie

→ Hauptartikel: Filterkonvergenz

In d​er Topologie ersetzen Filter u​nd Netze d​ie dort für e​ine befriedigende Konvergenztheorie unzureichenden Folgen. Insbesondere d​ie Filter a​ls sich verengende Mengensysteme h​aben sich h​ier als g​ut geeignet z​ur Konvergenzmessung erwiesen.[6] Man erhält a​uf diesem Wege o​ft analoge Sätze z​u Sätzen über Folgen i​n metrischen Räumen.

Ist ${\displaystyle (X,\tau )}$ ein topologischer Raum, heißt ein Filter ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ genau dann konvergent gegen ein ${\displaystyle x\in X}$, wenn ${\displaystyle {\mathcal {U}}(x)\subseteq {\mathcal {F}}}$, d. h., wenn ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ feiner ist als der Umgebungsfilter ${\displaystyle {\mathcal {U}}(x)}$ von ${\displaystyle x}$, d. h. alle (es genügen offene) Umgebungen von ${\displaystyle x}$ enthält. Schreibweise: ${\displaystyle {\mathcal {F}}\rightarrow x.}$ Von der Verfeinerung von Zerlegungen spricht man besonders im Zusammenhang mit Integrationstheorien.

So ist zum Beispiel eine Abbildung ${\displaystyle f\colon X\rightarrow Y}$ zwischen zwei topologischen Räumen genau dann stetig, wenn für jeden Filter ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ mit ${\displaystyle {\mathcal {F}}\rightarrow x}$ gilt, dass ${\displaystyle f({\mathcal {F}})\rightarrow f(x)}$.

In e​inem nicht-hausdorffschen Raum k​ann ein Filter g​egen mehrere Punkte konvergieren. Hausdorff-Räume lassen s​ich sogar gerade dadurch charakterisieren, d​ass in i​hnen kein Filter existiert, welcher g​egen zwei verschiedene Punkte konvergiert.[7]

Siehe auch

• Filtrierung (Wahrscheinlichkeitstheorie)
• Anfangsstrecke
• Anfangsstück
• Cauchy-Filter

Literatur

Zu den allgemeinen, ordnungs- und verbandstheoretischen Begriffsbildungen und ihren Anwendungen: Zu den Anwendungen in der mengentheoretischen Topologie:

• Boto von Querenburg: Mengentheoretische Topologie. 3., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2001, ISBN 3-540-67790-9.
• Thorsten Camps, Stefan Kühling, Gerhard Rosenberger: Einführung in die mengentheoretische und die algebraische Topologie (= Berliner Studienreihe zur Mathematik. Bd. 15). Heldermann, Lemgo 2006, ISBN 3-88538-115-X.
• Lutz Führer: Allgemeine Topologie mit Anwendungen. Vieweg, Braunschweig 1977, ISBN 3-528-03059-3.
• Horst Schubert: Topologie. 4. Auflage. B. G. Teubner, Stuttgart 1975, ISBN 3-519-12200-6.

Originalarbeiten

• Henri Cartan: Théorie des filtres. In: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences. Band 205, 1937, ISSN 0001-4036, S. 595–598, Digitalisat.
• Henri Cartan: Filtres et ultrafiltres. In: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences. Band 205, 1937, S. 777–779, Digitalisat.

Einzelnachweise und Anmerkungen

1. Cartan: Comptes rendus. Band 205, S. 595–598, 777–779.
2. d. h. einer Menge ${\displaystyle P}$ mit einer reflexiven und transitiven Relation ${\displaystyle \leq }$, auch Präordnung, schwache Halbordnung oder schwache partielle Ordnung genannt. Insbesondere fällt jede halbgordnete Menge unter diese Voraussetzung.${\displaystyle \leq }$
3. Stefan Bold: AD und Superkompaktheit, Mathematisches Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelm-Universität Bonn, April 2002, Seite 2–3
4. schwach halbgeordnet syn. quasigeordnet
5. Analog für Ideale.
6. Führer: Allgemeine Topologie mit Anwendungen. 1977, S. 9.
7. Schubert: Topologie. 1975, S. 44.