Algebra Boole'a – struktura algebraiczna stosowana w matematyce, informatyce teoretycznej oraz elektronice cyfrowej. Jej nazwa pochodzi od nazwiska angielskiego matematyka, filozofa i logika George'a Boole'a. Teoria algebr Boole'a jest działem matematyki na styku teorii porządków częściowych, algebry, logiki matematycznej i topologii.
Typowymi przykładami algebr Boole'a są: rodzina wszystkich podzbiorów ustalonego zbioru wraz działaniami na zbiorach jako operacjami algebry oraz dwuelementowa algebra wartości logicznych {0, 1} z działaniami koniunkcji, alternatywy i negacji.
Spis treści |
Algebra Boole'a to struktura algebraiczna
, w której
i
są działaniami dwuargumentowymi,
jest operacją jednoargumentową, a 0 i 1 są wyróżnionymi różnymi elementami zbioru
, spełniająca następujące warunki dla wszystkich
:
![]() |
![]() |
łączność |
![]() |
![]() |
przemienność |
![]() |
![]() |
absorpcja |
![]() |
![]() |
rozdzielność |
![]() |
![]() |
pochłanianie |
| Suma | Iloczyn | Negacja |
|---|---|---|
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
Istnieją co najmniej trzy różne, szeroko rozpowszechnione tradycje oznaczeń w teorii algebr Boole'a. W definicji sformułowanej powyżej użyto symboli
, ale w częstym użyciu są również
oraz
. Symbole oznaczające operacje dwuczłonowe algebry Boole'a są prawie zawsze wprowadzane przez wybór jednej z par
,
albo
. W oznaczeniach operacji jednoargumentowej algebry istnieje mniejsza konsekwencja i można się spotkać zarówno z symbolami
jak i
.
System oznaczeń przedstawiony powyżej (i dalej przyjmowany w tym artykule) jest używany np. w podręczniku Heleny Rasiowej.
W badaniach teoriomnogościowych aspektów algebr Boole'a przeważa tradycja używania oznaczeń
. Ten sam system został też wybrany za wiodący przez redaktorów monografii Handbook of Boolean Algebras.
Z kolei symbole
zgodne z oznaczeniami w teorii krat są częściej używane w kontekstach algebraicznych (i teoriokratowych).
Spotykane są też inne kombinacje tychże symboli lub wręcz inne symbole (na przykład & w miejsce
, lub
zamiast
). W elektronice i informatyce często stosuje się OR, AND oraz NOT w miejsce
,
oraz
.
Powyższa (tradycyjna) definicja algebry Boole'a nie jest minimalna, np. nie jest konieczne wprowadzanie w niej symboli 0 i 1. Mogą one być konsekwencją aksjomatyki a nie niezbędną dla niej definicją. 0 można zastąpić przez
a 1 przez
. Dzięki prawom de Morgana można też z aksjomatyki wyeliminować działanie
lub
. (W istocie wszystkie działania można tak naprawdę zastąpić jednym – dysjunkcją (NAND) lub binegacją (NOR)).
Istnieją równoważne, ale oszczędniejsze definicje algebry Boole'a. Przykładowy układ niezależnych aksjomatów to:
jest przemienne,
jest łączne,
.Inny taki układ to:
jest przemienne
jest łączne
Istnieją też systemy z jednym aksjomatem.
Najprostsza algebra Boole'a ma tylko dwa elementy, 0 i 1, a operacje tej algebry są zdefiniowane przez następujące tabele działań:
|
|
|
Algebra ta stanowi podstawę elektroniki cyfrowej.
Jeśli
jest ciałem podzbiorów zbioru
, to
jest algebrą Boole'a (gdzie
oznacza operację dopełnienia).
Niech
będzie zbiorem zdań w rachunku zdań. Niech
będzie relacją dwuargumentową na zbiorze
określoną jako:
wtedy i tylko wtedy, gdy
jest tautologią rachunku zdań.Można sprawdzić, że
jest relacją równoważności na zbiorze
. Na zbiorze
wszystkich klas abstrakcji
relacji
można wprowadzić operacje
przez następujące formuły:
,
,
.W ten sposób otrzymuje się poprawnie zdefiniowane operacje na zbiorze
(tzn. wynik nie zależy od wyboru reprezentantów klas abstrakcji), a
jest algebrą Boole'a. Algebra ta jest nazywana algebrą Lindenbauma-Tarskiego.
Algebry Lindenbauma-Tarskiego rozważa się również dla języków pierwszego rzędu. Niech
będzie zbiorem zdań w ustalonym alfabecie
i niech
będzie niesprzeczną teorią w tym samym języku. Relację dwuargumentową
na zbiorze
można wprowadzić przez określenie
wtedy i tylko wtedy, gdy
.Wówczas
jest relacją równoważności na zbiorze
. Podobnie jak wcześniej:
,
,
.Można pokazać, że
jest algebrą Boole'a.
Niech
będzie algebrą Boole'a. Dla wszystkich
zachodzi:











W zbiorze
wprowadza się porządek boole'owski
:
wtedy i tylko wtedy, gdy 
Tak zdefiniowana relacja
jest częściowym porządkiem na zbiorze
. Zbiór
z relacją ≤ jest kratą rozdzielną.
Niepusty zbiór
jest ideałem w algebrze
, jeśli są spełnione następujące dwa warunki:
, oraz
.Każdy ideał zawiera element
. Ideał, który nie zawiera elementu
, nazywany jest ideałem właściwym. Jedynym niewłaściwym ideałem jest całe
.
Pojęciem dualnym jest pojęcie filtru: niepusty zbiór
jest filtrem w algebrze
, jeśli:

oraz
.Każdy filtr zawiera element
. Filtr, który nie zawiera elementu
, nazywany jest filtrem właściwym. Jedynym niewłaściwym filtrem jest całe
.
Niech
będzie właściwym ideałem w algebrze
. Niech
będzie relacją dwuczłonową na
taką, że
wtedy i tylko wtedy gdy
.Wówczas
jest relacją równoważności na
. W zbiorze
klas abstrakcji tej relacji można zdefiniować działania
:
,
,
.Pokazuje się, że powyższe definicje są poprawne (tzn. wynik operacji nie zależy od wyboru reprezentantów z klas abstrakcji) oraz że
jest algebrą Boole'a. Algebra ta jest nazywana algebrą ilorazową i jest oznaczana przez
.
Niech
będzie algebrą Boole'a i niech
będzie funkcją odwzorowującą
w
. Mówimy, że funkcja
jest homomorfizmem algebr Boole'a, jeśli zachowuje ona działania w algebrze, tzn. dla wszystkich
zachodzą trzy równości:
,
,
.Jeśli dodatkowo
jest funkcją wzajemnie jednoznaczną z
na
, to funkcja
zwana jest izomorfizmem algebr Boole'a.
Jeśli
jest ideałem w algebrze
, to odwzorowanie
jest homomorfizmem.
Jeśli
jest algebrą Boole'a oraz
jest homomorfizmem na
, to
jest ideałem w algebrze
a algebra ilorazowa
jest izomorficzna z
.
Niech
(operacje
i
zostały zamienione rolami, podobnie jak stałe 0 i 1). Wtedy także
jest algebrą Boole'a izomorficzną z wyjściową algebrą
. Kanoniczny izomorfizm d tych dwóch algebr jest swoją własną odwrotnością (jest inwolucją zbioru B) i jest dany wzorem:

dla dowolnego
.
Algebra Boole'a
jest wolna, jeśli pewien zbiór
ma następującą własność:
i każdego odwzorowania
istnieje dokładnie jeden homomorfizm
z algebry
w algebrę
, przedłużający
(czyli taki, że
).Zbiór
o własności opisanej powyżej jest nazywany zbiorem wolnych generatorów algebry
. Jeśli moc zbioru
jest
, to mówimy, że
jest wolną algebrą Boole'a z
generatorami.
Skończona algebra Boole'a jest wolna wtedy i tylko wtedy, gdy ma ona
elementów (dla
). Algebra mocy
jest izomorficzna z ciałem wszystkich podzbiorów zbioru z
elementami i jako taka ma
wolnych generatorów.
Nieskończona przeliczalna algebra Boole'a jest wolna wtedy i tylko wtedy, gdy jest bezatomowa, tzn. każdy niezerowy element algebry zawiera przynajmniej dwa różne niezerowe elementy algebry. W zapisie formalnym: 
Ponieważ w algebrze Boole'a istnieje porządek częściowy, to dla zbioru
można rozpatrywać jego kresy (które istnieją lub nie).
Jeśli dwuczłonowe operacje algebry Boole'a są oznaczane przez
(tak jak w tym artykule), to kres górny zbioru
(gdy istnieje) jest oznaczany przez
, a jego kres dolny (gdy istnieje) jest oznaczany przez
. Jeśli natomiast symbolami dla tych operacji są
, to kresy oznaczane są przez
,
.
Dla zbioru pustego:
oraz
.Zakładając istnienie odpowiednich kresów, zachodzą wzory de Morgana:
oraz 
Ponadto, jeśli
, to:
wtedy i tylko wtedy, gdy
oraz
,
wtedy i tylko wtedy, gdy
oraz
.Następujące dwa stwierdzenia są równoważne dla algebry Boole'a
:
ma kres górny;
ma kres dolny.Algebry, w których każdy zbiór ma kres górny (tzn. takie dla których porządek boole'owski
jest zupełny), są nazywane zupełnymi algebrami Boole'a. Zupełne algebry Boole'a są szczególnie ważne w teorii forsingu; są one też przykładami krat zupełnych.
Niech
będzie liczbą kardynalną, a
będzie algebrą Boole'a. Powiemy, że algebra
jest
-zupełna, jeśli każdy zbiór
mocy mniejszej niż
ma kres górny (tzn.
istnieje ilekroć
). Równoważnie: algebra
jest
-zupełna wtedy i tylko wtedy, gdy każdy zbiór
, o mocy mniejszej niż
, ma kres dolny (tzn
). Algebry
-zupełne są też nazywane algebrami
-zupełnymi.
Jeśli
jest
-ciałem borelowskich podzbiorów prostej rzeczywistej (a więc jest to
-zupełna algebra Boole'a) oraz
, jest rodziną wszystkich zbiorów
, które są pierwszej kategorii, to
jest ideałem w algebrze
i algebra ilorazowa
jest zupełna. Podobnie dla rodziny
wszystkich borelowskich zbiorów miary zero.
Podzbiór
algebry Boole'a
nazywany jest niezależnym, gdy dla dowolnych zbiorów skończonych 
.Do klasycznych twierdzeń dotyczących zbiorów niezależnych w algebrach Boole'a należą:
W badaniach i opisach algebr Boole'a często używa się funkcji kardynalnych. Przykładami takich funkcji kardynalnych są następujące funkcje.
algebry Boole'a
jest to supremum mocy antyłańcuchów w
.
algebry Boole'a
to
jest łańcuchem 
algebry Boole'a
to
jest dobrze uporządkowanym łańcuchem
.
algebry Boole'a
to
oraz
.
algebry Boole'a
to
oraz
.Twierdzenie Stone'a o reprezentacji algebr Boole'a mówi, że każda algebra Boole'a jest izomorficzna z pewnym ciałem zbiorów (traktowanym jako algebra Boole'a). Dokładniej mówiąc, algebra Boole'a
jest izomorficzna z ciałem otwarto-domkniętych podzbiorów przestrzeni ultrafiltrów na
, tzw. przestrzeni Stone'a algebry
. Twierdzenie Stone'a nie może być udowodnione przy użyciu tylko ZF – wymaga ono założenia pewnej formy aksjomatu wyboru (rozszerzalności ideałów w algebrach Boole'a do ideałów pierwszych).
Każda skończona algebra Boole'a jest izomorficzna z całym zbiorem potęgowym
dla pewnego 
Nazwa „algebra Boole'a” pochodzi od nazwiska George'a Boole'a (1815–1864), angielskiego matematyka-samouka. Wprowadził on algebraiczne ujęcie logiki matematycznej w niewielkiej pracy The Mathematical Analysis of Logic (Matematyczna analiza logiki), opublikowanej w 1847 roku. W późniejszej książce The Laws of Thought (Prawa myśli), opublikowanej w 1854, Boole formułuje problem w bardziej dojrzały sposób, zauważając dualność operacji ∪ i ∩. Dalszy rozwój algebra Boole'a zawdzięcza Williamowi Jevonsowi i Charlesowi Peirce'owi, których prace opublikowane zostały w latach sześćdziesiątych XIX wieku. W 1890 w Vorlesungen (Wykłady) Ernsta Schrödera pojawia się pierwszy systematyczny wykład algebry Boole'a i krat rozdzielnych. Dokładniejsze badania algebr Boole'a podjął Alfred North Whitehead w wydanym w 1898 roku dziele Universal Algebra (Algebra ogólna). Algebra Boole'a jako aksjomatyczna struktura algebraiczna pojawiła się w 1904 roku w pracach Huntingtona. Garrett Birkhoff w Lattice Theory (1940) rozwinął teorię krat. W latach sześćdziesiątych Paul Cohen, Dana Scott i inni osiągnęli głębokie rezultaty w dziedzinie logiki matematycznej i aksjomatycznej teorii zbiorów, korzystając z metody forsingu osadzonej w teorii algebr Boole'a.
Z pojęciem algebry Boole'a związane jest pojęcie pierścienia Boole'a. Pierścień Boole'a to pierścień przemienny z jedynką
, w którym mnożenie spełnia warunek
dla każdego elementu
.W pierścieniu Boole'a każdy element jest rzędu 2, to znaczy spełnia równość:
. Dowód:

więc
.
Wynika stąd, że:
oraz
.Niech
będzie algebrą Boole'a. Jeżeli w zbiorze
określi się operację różnicy symetrycznej
przez

to
będzie pierścieniem Boole'a; za mnożenie
przyjmuje się
.
I na odwrot – niech
będzie pierścieniem Boole'a. Jeżeli zdefiniuje się operacje
i
na
przez
,
i
,to
będzie algebrą Boole'a spełniającą
