Filter (Mathematik)

Einführung

In der Mathematik ist ein Filter eine nichtleere nach unten gerichtete Oberhalb-Menge innerhalb einer umgebenden halbgeordneten Menge. Der Begriff des Filters geht auf den französischen Mathematiker Henri Cartan zurück.

Veranschaulichung

Anschaulich betrachtet definiert ein Filter in der Topologie eine Art Durchgangsgangskontrolle, bei der zu grobe Element den Filter nicht passieren können. In einem topologischen Raum $(X,{\mathcal {T}})$ ist die Menge der Umgebungen ${\mathfrak {U}}_{\mathcal {T}}((x_{o})$ von $x_{o}$ selbst ein Filter und ein beliebiger Filter ${\mathcal {F}}$ konvergiert gegen den Punkt $x_{o}$ ("passiert den Umgebungsfilter"), wenn dieser Filter ${\mathcal {F}}$ feiner ist, als der Umgebungsfilter ${\mathfrak {U}}_{\mathcal {T}}((x_{o})$ von $x_{o}$.

Bemerkung - Ideale

Filter in der umgekehrten Halbordnung heißen Ideale der Ordnung oder Ordnungsideale.

Anwendungen

Filter treten in der Theorie der Ordnungen und Verbände auf.

Mengenfilter

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.

Umgebungsfilter

So bildet das System der Umgebungen ${\mathcal {U}}(x)$ eines Punktes $x$ 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.

Gerichtete Mengen

Man fasst dazu einen Filter als gerichtete Menge auf und betrachtet Netze auf dieser gerichteten Menge.

Ultrafilter

Mit einem Ultrafilter (der kein Hauptfilter ist) auf den natürlichen Zahlen lassen sich die hyperreellen Zahlen der Nichtstandardanalysis konstruieren. Allerdings wird die Existenz solcher Filter selbst nur durch das Auswahlaxiom – also nicht konstruktiv – gesichert.

Allgemeine Definitionen

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

• (Q1) $F$ ist eine Oberhalb-Menge: $\forall x\in F:\forall y\in P\colon x\leq y\Rightarrow y\in F,$
• (Q2) $F$ ist nach unten gerichtet: $\forall x,y\in F\ \exists z\in F\colon z\leq x$ und $z\leq y.$

Erläuterung - gerichtetes Mengensystem

• (Q1) bedeutet, dass alle (mit $x$ in Relation stehenden) Elemente, die größer als $x$ sind, sind Teil des Filters.
• (Q2) bedeutet, dass $F$ ist bzgl. der Umkehrrelation der betrachteten Halbordnung gerichtet.

Definition - eigentlicher Filter

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

Bemerkung - Halbordnung

Jeder Filter auf einer quasi- oder halbgeordneten Menge $P$ ist Element der Potenzmenge von $P$. Die Menge der auf derselben (schwach) halbgeordneten Menge definierten Filter wird durch die Inklusionsrelation $\subseteq$ ihrerseits halbgeordnet. Sind $F_{1}$ und $F_{2}$ Filter auf derselben (schwach) halbgeordneten Menge $P$, so heißt $F_{2}$ feiner als $F_{1}$ $(F_{1}$ gröber als $F_{2}),$ wenn $F_{1}\subseteq F_{2}$. 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 $F$ des Verbandes $(P,\leq )$, die eine Oberhalb-Menge ist und abgeschlossen unter endlichen Infima, d. h. für alle $x,y\in F$ ist auch $x\wedge y\in F$.

Hauptfilter

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

Primfilter

Ein echter Filter $F$ in einem Verband $P$ mit der Zusatzeigenschaft

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

heißt Primfilter.

Ideale

Der zum Filter duale Begriff ist der des Ideals: Ein Ideal (auch Ordnungsideal) ist eine gerichtete Unter-Halbmenge in einer Quasi- oder Halbordnung.

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

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

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

Beispiele

Teilbarkeit

In $(\mathbb {N} ,\mid )$, dem beschränkten Verband der natürlichen Zahlen unter Teilbarkeit, ist für alle $n\in \mathbb {N}$ die Teilermenge $T_{n}$ von $n$ ein Ideal. $T_{n}\!\!\setminus \!\{n\}$ ist genau dann ein Ideal, wenn $n=0$.

Nullstrahlen

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

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

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

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

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

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

Die Ordnungsideale in $\left(\mathbb {C} ^{\times },\trianglelefteq \right)$ 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:

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

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

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

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 $\left({\mathcal {P}}(X),\subseteq \right)$ einer beliebigen nichtleeren Menge $X$ aus. Eine echte Teilmenge ${\mathcal {F}}\subset {\mathcal {P}}(X)$ ist genau dann ein Mengenfilter oder Filter, wenn folgende Eigenschaften erfüllt sind:

• (F1) $\emptyset \notin {\mathcal {F}}$ und $X\in {\mathcal {F}}$,
• (F2) $F,G\in {\mathcal {F}}\ \Rightarrow \ F\cap G\in {\mathcal {F}}$,
• (F3) $F\in {\mathcal {F}},\;G\supset F\ \Rightarrow \ G\in {\mathcal {F}}$.

Ein Mengenfilter, für den gilt

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

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

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

Beispiele 1 für Mengenfilter

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

Filterbasis

• (FB1) $\emptyset \notin {\mathcal {B}}$ und
• (FB2) $\forall B_{1},B_{2}\in {\mathcal {B}}\ \exists B_{3}\in {\mathcal {B}}\colon B_{3}\subseteq B_{1}\cap B_{2}$,

so heißt ${\mathcal {B}}$ Filterbasis in $X$.

Erzeugter Filter aus Filterbasis

Ein solches Mengensystem erzeugt auf natürliche Weise einen Filter

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

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

Definition - Bildfilter

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

Anwendungen in der Topologie

In der Topologie ersetzen Filter und Netze die dort für eine befriedigende Konvergenztheorie unzureichenden Folgen. Insbesondere die Filter als sich verengende Mengensysteme haben sich hier als gut geeignet zur Konvergenzmessung erwiesen. Man erhält auf diesem Wege oft analoge Sätze zu Sätzen über Folgen in metrischen Räumen.

Konvergenz von Filtern

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

Stetigkeit von Abbildung über Filterkonvergenz

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

Konvergenz gegen mehrere Punkte

In einem nicht-hausdorffschen Raum kann ein Filter gegen mehrere Punkte konvergieren. Hausdorff-Räume lassen sich sogar gerade dadurch charakterisieren, dass in ihnen kein Filter existiert, welcher gegen zwei verschiedene Punkte konvergiert.

Beispiel - Konvergenz

In der chaotischen Topologie $(\mathbb {R} ,{\mathcal {T}})$ ${\mathcal {T}}:=\{\emptyset ,\mathbb {R} \}$ konvergiert jeder Filter gleichzeitig gegen alle Punkte aus $\mathbb {R}$.

Siehe auch

• Netze (Mathematik)
• 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.

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