Ein Mengenring, auch einfach kurz Ring genannt, ist in der Maßtheorie ein spezielles Mengensystem und somit eine Menge von Mengen. Ringe und ihre Erweiterungen zu komplexeren Mengensystemen wie σ-Algebren spielen eine wichtige Rolle im axiomatischen Aufbau der Wahrscheinlichkeitstheorie und der Integrationstheorie.
Felix Hausdorff nannte aufgrund „einer ungefähren Analogie“ zur algebraischen Struktur eines Ringes in der algebraischen Zahlentheorie einen Mengenverband „Ring“.[1] Unter einem Ring versteht man heute in der Maßtheorie üblicherweise ein wie hier definiertes Mengensystem.[2]
Der hier verwendete Begriff des Ringes unterscheidet sich außerdem von dem eines Rings im Sinne der Algebra, beide stehen aber in einem Zusammenhang.
Definition
Sei
eine beliebige Menge. Ein Mengensystem
über
, also eine Menge von Teilmengen von
, heißt ein Mengenring oder Ring über
, wenn folgende Eigenschaften erfüllt sind:
(
ist nicht leer).
(Stabilität/Abgeschlossenheit bezüglich Vereinigung).
(Stabilität/Abgeschlossenheit bezüglich Differenz).
Jeder Mengenring
enthält mit der leeren Menge
ein Nullelement bzw. eine Null, denn
enthält mindestens ein Element
und damit ist
.
Äquivalente Definitionen befinden sich im entsprechenden unten stehenden Abschnitt.
Beispiele
Potenzmengen
Über einer beliebigen Menge
ist jede Potenzmenge

von einer Menge
ein Mengenring. Denn
ist nicht leer und stabil bezüglich allen Mengenoperationen, da
per Definition alle Teilmengen von
enthält, die ebenso Teilmengen von
sind.
Insbesondere ist die Potenzmenge
der größte Mengenring über
, enthält sie doch alle Teilmengen von
.
Die Potenzmenge der leeren Menge
ist wiederum der kleinste Mengenring über
, weil immer zumindest
ist.
System aller endlichen Teilmengen
Ist
eine beliebige Menge und bezeichnet
die Mächtigkeit der Menge
, so ist das System

aller endlichen Teilmengen von
ein Mengenring, weil Vereinigungen und Differenzen von jeweils zwei endlichen Mengen wieder endlich sind.
Ein in der Anwendung wichtiger Mengenring über
ist der Ring der
-dimensionalen Figuren[3]
.
Er besteht aus allen Mengen, die sich als endliche Vereinigungen von rechtsoffenen
-dimensionalen Intervallen darstellen lassen, und ist der von dem Mengenhalbring

erzeugte Ring (s. u.).
Eigenschaften
Stabilität bezüglich Mengenoperationen
Für zwei beliebige Mengen
gilt stets
und
. Daher ist auch jeder Mengenring
stabil/abgeschlossen bezüglich Durchschnitt und symmetrischer Differenz:
.
.
Aus der Stabilität bezüglich Vereinigung, Durchschnitt und symmetrischer Differenz folgt jeweils induktiv, dass auch alle endlichen Vereinigungen sowie alle nicht leeren, endlichen Durchschnitte und symmetrischen Differenzen von Elementen des Mengenringes
in ihm enthalten sind, d. h. für alle
gilt:
und
.
.
.
Mengenring mit Eins
Da jeder Mengenring
vereinigungs- und durchschnittsstabil ist, ist er auch ein Mengenverband. Wenn
als solcher auch
als Einselement bzw. Eins enthält, dann ist
ein Mengenring mit Eins oder kurz ein Ring mit Eins.
Jede Potenzmenge

einer Menge
ist ein Mengenring über
mit Einselement
.
Dagegen ist das Mengensystem

aller endlichen Teilmengen von
ein Beispiel für einen Mengenring ohne Eins, denn
.
Beziehung zum Ring im Sinne der Algebra
Das Tripel
mit dem Mengenring
ist ein Ring im Sinne der Algebra und die leere Menge
ist dessen Nullelement. Falls
ein Mengenring mit Eins ist, ist
zudem das Einselement von
.
Ist umgekehrt
ein Mengensystem, so dass
ein Ring im Sinne der Algebra ist, dann ist
wegen
und
für alle
auch immer ein Mengenring.
Damit sich jeder Mengenring
als Ring im Sinne der Algebra darstellen lässt, darf
nicht leer sein, denn die leere Menge
kann kein Nullelement enthalten und daher keine Trägermenge eines Ringes im Sinne der Algebra sein.
Äquivalente Definitionen
Wenn
ein System von Teilmengen von
ist und wenn
Mengen sind, dann sind wegen
und
folgende zwei Aussagen äquivalent:
.
und falls
auch
.
Ist außerdem
, so sind wegen
und
sowie
für jede Menge
mit
ebenso äquivalent:
ist ein Mengenring.
ist ein differenzstabiler Mengenverband.
ist ein vereinigungsstabiler Mengenhalbring.
ist stabil bezüglich symmetrischer Differenz
und Durchschnitt
.
ist eine abelsche Gruppe und
ist eine Halbgruppe.
ist ein Ring im Sinne der Algebra mit Addition
und Multiplikation
.
ist ein idempotenter (kommutativer) Ring im Sinne der Algebra.
ist stabil bezüglich symmetrischer Differenz
und Vereinigung
.
und falls
existiert ein
mit
.
und es existiert ein
mit
.
Operationen mit Ringen
Schnitt von Ringen
Der Schnitt
von zwei Mengenringen
und
ist stets wieder ein Ring. Denn sind
, so sind auch
und
, also
sowie
. Somit ist
auch in
, der Schnitt ist folglich stabil bezüglich Vereinigung. Die Stabilität bezüglich der Differenz folgt analog.
Die Aussage gilt ebenso für den Schnitt einer beliebigen Anzahl von Mengenringen, da sich die obige Argumentation dann auf alle diese Ringe ausweiten lässt. Somit gilt:
Ist
eine beliebige Indexmenge und sind alle
für
Mengenringe über derselben Grundmenge
, so ist der Schnitt aller dieser Ringe wieder ein Mengenring über
:
.
Vereinigung von Ringen
Die Vereinigung
zweier Mengenringe
und
ist jedoch im Allgemeinen kein Mengenring mehr. Betrachtet man beispielsweise die beiden Ringe

sowie
,
so ist
.
Dieses Mengensystem ist aber weder vereinigungsstabil, da es
nicht enthält, noch ist es differenzstabil, da es
nicht enthält, und somit auch kein Mengenring.
Produkt von Ringen
Es seien
ein Mengensystem über
und
ein Mengensystem über
. Das direkte Produkt von
und
ist definiert als das Mengensystem

über
.
Das direkte Produkt von zwei Mengenringen ist jedoch im Allgemeinen kein Mengenring mehr, sondern lediglich ein Mengenhalbring.
Betrachtet man als Gegenbeispiel den Potenzmengenring
,
so enthält das Mengensystem
die Mengen

und
.
Die Menge

ist jedoch nicht in
enthalten, da sie sich nicht als kartesisches Produkt zweier Mengen aus
darstellen lässt. Somit ist das direkte Produkt
nicht differenzstabil und damit auch kein Mengenring.
Das Ringprodukt von zwei Mengenringen
über
und
über
definiert man daher als deren Tensorprodukt
,
sodass dieses wieder ein Mengenring über
ist, nämlich der von
erzeugte Ring (s. u.).
Spur eines Rings
Die Spur eines Rings
über
in einer Menge
, also das Mengensystem
,
ist immer ein Mengenring über
und über
.
Erzeugung von Ringen
Da beliebige Schnitte von Mengenringen wieder Ringe sind (s. o.), lässt sich für jedes Mengensystem
über
durch

eine Hülle definieren. Diese ist per Definition der kleinste Mengenring über
, der das Mengensystem
enthält, und wird der von
erzeugte Ring genannt.
Teilweise kann der erzeugte Ring direkt angegeben werden. So ist der von einem Mengenhalbring
erzeugte Ring von der Form
.
Ein explizites Beispiel dieser Form ist das obige Beispiel des Mengenrings der
-dimensionalen Figuren.
Ebenso gilt für das oben besprochene Produkt zweier Mengenringe
und
:
.
Verwandte Mengensysteme
Verallgemeinerungen
- Mengenhalbring
Jeder Mengenring ist ein (vereinigungsstabiler) Mengenhalbring, aber nicht jeder Mengenhalbring ist auch ein Mengenring:
Denn der Mengenhalbring

ist kein Mengenring, weil
weder vereinigungs- noch differenzstabil ist.
- Mengenverband
Ein Mengenring ist stets ein (differenzstabiler) Mengenverband, jedoch ist nicht jeder Mengenverband ein Mengenring:
Der Mengenverband

ist kein Mengenring, da
nicht differenzstabil ist.
Spezielle Mengenringe
- Mengenalgebra
Ein Mengenring
über einer Menge
mit
, wird eine Mengenalgebra über
genannt. Somit ist jede Mengenalgebra
ein Mengenring mit der Eins
, aber nicht jeder Mengenring ist eine Mengenalgebra.
So ist auch der Mengenring

keine Mengenalgebra über der Grundmenge
, da
. Nimmt man dagegen seine Eins
als Grundmenge, so ist
und damit ist
eine Mengenalgebra über
.
Für den Begriff der Mengenalgebra ist daher die vorausgesetzte Grundmenge wesentlich.
- δ-Ring
Ein Mengenring, der abgeschlossen bezüglich abzählbar vielen Schnitten ist, wird ein δ-Ring genannt.
- σ-Ring
Ein Mengenring, der abgeschlossen bezüglich abzählbar vielen Vereinigungen ist, wird ein σ-Ring genannt.
- Monotone Klassen
Jeder Ring
, der eine monotone Klasse ist, ist ein σ-Ring (und damit auch ein δ-Ring). Denn sind alle
für
, so ist aufgrund der Eigenschaften des Ringes auch
.
Die Mengen
bilden aber eine monoton wachsende Mengenfolge, daher ist aufgrund der Eigenschaften der monotonen Klasse ihr Grenzwert
.
ist also abgeschlossen bezüglich abzählbaren Vereinigungen. Somit ist die von einem Ring
erzeugte monotone Klasse immer ein σ-Ring.
Siehe auch
Literatur
Einzelnachweise
- ↑ Felix Hausdorff: Grundzüge der Mengenlehre. Veit & Comp., Leipzig 1914, S. 14. Hausdorff bezeichnete dabei die Vereinigung als „Summe“.
- ↑ Hausdorff nannte ein solches einen „Körper“ (Grundzüge der Mengenlehre. S. 15).
- ↑
Peter Eichelsbacher: Wahrscheinlichkeitstheorie. Ruhr-Universität Bochum, S. 5 f. ([1] [PDF; abgerufen am 30. Oktober 2018] Vorlesungsskript Wintersemester 2016/17).