Álgebra generada por una clase no vacía

Sea X un conjunto no vacío y sea \mathcal{M} una clase no vacía de partes de X. Probaremos el siguiente resultado.

Teorema
Definimos las clases
\mathcal{M}_1 = \{ \emptyset, X \} \cup \mathcal{M} \cup \{ A^c : A \in \mathcal{M} \},

\mathcal{M}_2 = \pi(\mathcal{M}_1)= \{B: B=\cap_{i=1}^{n} A_i : A_i \in \mathcal{M}_1 \},

\mathcal{M}_3 = \{C: C=\cup_{j=1}^{m} B_j : B_j \in \mathcal{M}_2 \}.

Entonces \mathcal{M}_3 es el álgebra generada por \mathcal{M}.

Demostración.

Por construcción es \mathcal{M} \subset \mathcal{M}_1 \subset \mathcal{M}_2 \subset \mathcal{M}_3. Sea \mathcal{A} un álgebra que incluye a \mathcal{M}, entonces incluirá al conjunto vacío, al propio X y a los complementarios de los elementos de \mathcal{M}. Así pues

\mathcal{M}_1 \subset \mathcal{A}.
Pero toda álgebra es un \pi-sistema por lo que incluirá a las intersecciones finitas de sus elementos y así concluiremos que

\mathcal{M}_2 \subset \mathcal{A}.

Finalmente, sabemos que toda álgebra es cerrada para las uniones finitas de sus elementos por lo que

\mathcal{M}_3 \subset \mathcal{A}.

Sólo nos resta probar que \mathcal{M}_3 es un álgebra. Sean C_1 y C_2 elementos de \mathcal{M}_3, entonces

C_1 = \cup_{i=1}^{n} B_i, \quad C_2 = \cup_{j=1}^{m} D_j,

donde B_i y D_j son elementos de \mathcal{M}_2. Tenemos

C_1 \cap C_2 = (\cup_{i=1}^{n} B_i) \cap (\cup_{j=1}^{m} D_j) = \cup \{ B_i \cap D_j, i=1, \ldots, n, j=1, \ldots, m \}.

Pero como B_i \cap D_j \in \mathcal{M}_2, para i=1, \dots, n, j=1, \ldots, m, se sigue que C_1 \cap C_2 es un elemento de \mathcal{M}_3. Por otro lado, sea B = \cap_{i=1}^{r}A_i un elemento de \mathcal{M}_2, entonces

B^c = ( \cap_{i=1}^{r} A_i)^c = \cup_{i=1}^{r}A_i^c.

Esto significa que B^c \in \mathcal{M}_3. Finalmente, si C = \cup_{j=1}^{n} B_j es un elemento de \mathcal{M}_3 tenemos

C^c = (\cup_{j=1}^{n} B_j)^c = \cap_{j=1}^{n} B_j^c

y como cada B_j^c pertenece a \mathcal{M}_3 y esta clase es cerrada para la intersección concluimos que C^c es también un elemento de \mathcal{M}_3. Esto prueba que dicha clase es un anillo y como X \in \mathcal{M}_3, será un álgebra.

Comentarios

En primer lugar, hemos usado el hecho de que el álgebra generada por una clase es la intersección de todas las álgebras que la contienen por lo que si \mathcal{M}_3 es un álgebra incluida en todas las que incluyen a \mathcal{M} es obvio que coincide con la intersección de estas.

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