Leyendo sobre el Teorema de Freyd del Funtor Adjunto, me topé con un álgebra booleana completa que no conocía y que resultó ser un ejemplo estándar en teoría de álgebras booleanas: el álgebra abierta regular de un espacio topológico.
Tal álgebra booleana se construye como sigue. Sea $X$ un espacio topológico. Definimos $$\mathbf{AR}(X):=\{V\subseteq X\mid V=\mathrm{IntCl}V\},$$ donde $\mathrm{Int}$ es el operador interior y $\mathrm{Cl}$ el operador cerradura. Es decir, $\mathbf{AR}(X)$ es el conjunto de los abiertos regulares de $X$ (un subconjunto $U\subseteq X$ se dice que es abierto regular si $U=\mathrm{IntCl}U$; dado $A\subseteq X$, a $\mathrm{IntCl}A$ se la llama la regularización de $A$). Se tiene que $\mathbf{AR}(X)$ es un álgebra booleana completa con el orden dado por la inclusión y bajo las siguientes operaciones $\bigvee$, $\bigwedge$ y $'$: $$\begin{align} \bigvee\mathcal{U} &:=\mathrm{IntCl}(\bigcup\mathcal{U})&(\mathcal{U}\subseteq\mathbf{AR}(X))\notag\\ \bigwedge\mathcal{U} &:=\mathrm{Int}(\bigcap\mathcal{U})&\notag\\ V' &:=\mathrm{Int}(X-V)&(V\in\mathbf{AR}(X)).\notag \end{align}$$ En general se tiene que \begin{equation} \text{si $A$ es un cerrado de un espacio $Y$, entonces $\mathrm{Int}A$ es abierto regular.} \end{equation} En efecto, sea $A$ cerrado de un espacio $Y$; entonces, $$\mathrm{Int}A\subseteq\mathrm{IntClInt}A.$$ Recíprocamente, se tiene que $\mathrm{Int}A\subseteq A$; de aquí, $\mathrm{ClInt}A\subseteq A$; luego, $$\mathrm{IntClInt}A\subseteq\mathrm{Int}A.$$ Ahora, tenemos entonces que $\bigvee\mathcal{U}\in\mathbf{AR}(X)$, pues $\mathrm{Cl}(\bigcup\mathcal{U})$ es cerrado de $X$, y $V'\in\mathbf{AR}(X)$ porque $X-V$ también es cerrado de $X$. En general se tiene si $\{A_i\}$ es una familia de subconjuntos de un espacio topológico $Y$, entonces \begin{align} &\mathrm{Cl}(\bigcap A_i)\subseteq \bigcap\mathrm{Cl}A_i \\ &\mathrm{Int}(\bigcap A_i)\subseteq \bigcap\mathrm{Int}A_i. \end{align} En efecto, (2) se sigue de que $\bigcap A_i\subseteq\bigcap\mathrm{Cl}A_i$ y (3) de que $\mathrm{Int}(\bigcap A_i)\subseteq\mathrm{Int}A_i$.
Veamos entonces que $\bigwedge\mathcal{U}\in\mathbf{AR}(X)$. Sea $\{V_i\}$ una familia de elementos de $\mathbf{AR}(X)$. Ya se tiene que $\mathrm{Int}(\bigcap V_i)\subseteq\mathrm{IntClInt}(\bigcap V_i)$, así que basta ver la contención recíproca. Notemos que como cada $V_i\in\mathbf{AR}(X)$, $$V_i=\mathrm{IntCl}V_i.$$ Entonces, \begin{align} \mathrm{IntClInt}(\bigcap V_i)&\subseteq\mathrm{IntClInCl}(\bigcap V_i)\notag\\ &=\mathrm{IntCl}(\bigcap V_i)&\text{(por (1)}\notag\\ &\subseteq\bigcap\mathrm{IntCl}V_i &\text{(por (2) y (3))}\notag\\ &=\bigcap V_i\notag; \end{align} de donde, $\mathrm{IntClInt}(\bigcap V_i)\subseteq\mathrm{Int}(\bigcap V_i)$.
Se tiene que $\emptyset,X\in\mathbf{AR}(X)$, y es fácil ver que $$V\wedge V'=\emptyset\qquad\text{y}\qquad V\vee V'=X.$$ Sea $\mathcal{U}\subseteq\mathbf{AR}(X)$. Veamos que $\bigvee\mathcal{U}$ es la mínima cota superior de $\mathcal{U}$ en $\mathbf{AR}(X)$ y que $\bigwedge\mathcal{U}$ es la máxima cota inferior de $\mathcal{U}$ en $\mathbf{AR}(X)$. Se tiene que $\bigcup\mathcal{U}$ es abierto y es el conjunto más pequeño que incluye a cada $V\in\mathcal{U}$; de donde, $\bigvee\mathcal{U}$ es la mínima cota superior de $\mathcal{U}$ en $\mathbf{AR}(X)$. Ahora, tenemos que $\bigwedge\mathcal{U}\subseteq V$ para todo $V\in\mathcal{U}$ y $\bigwedge\mathcal{U}\in\mathbf{AR}(X)$. Sea $B$ otra cosa inferior de $\mathcal{U}$; entonces, $B\subseteq\bigcap\mathcal{U}$; de donde, $B\subseteq\bigwedge\mathcal{U}$, pues $B$ es abierto de $X$.
Finalmente, veamos que $$V\wedge(\bigvee V_i)=\bigvee(V\wedge V_i).$$ En general, se tiene que \begin{equation} \text{si $U$ es abierto de un espacio $Y$, entonces $\mathrm{Cl}(U\cap A)=\mathrm{Cl}(U\cap\mathrm{Cl}A)$ para todo subconjunto $A$ de $Y$} \end{equation} (véase el punto 1 de la entrada anterior). De aquí, \begin{equation} \text{si $U$ es abierto de $Y$, $U\cap\mathrm{Cl}A\subseteq\mathrm{Cl}(U\cap A)$ para todo $A\subseteq Y$.} \end{equation} Ahora, sea $\{V_i\}$ una familia de elementos de $\mathbf{AR}(X)$ y sea $V\in\mathbf{AR}(X)$. Entonces, \begin{align} V\wedge\bigvee V_i &=V\cap\mathrm{IntCl}(\bigcup V_i)\notag\\ &=\mathrm{Int}V\cap\mathrm{IntCl}(\bigcup V_i)\notag\\ &=\mathrm{Int}(V\cap\mathrm{Cl}(\bigcup V_i)) &\text{(propiedad de $\mathrm{Int}$)}\notag\\ &\subseteq\mathrm{IntCl}(V\cap\bigcup V_i) &\text{(por (5))}\notag\\ &=\bigvee(V\wedge V_i)\notag. \end{align} Recíprocamente, \begin{align} \bigvee(V\wedge V_i) &=\mathrm{IntCl}(\bigcup V\cap V_i)\notag\\ &=\mathrm{IntCl}(V\cap\bigcup V_i)\notag\\ &\subseteq\mathrm{IntCl}V\cap\mathrm{IntCl}(\bigcup V_i)&\text{(por (2) y (3))}\notag\\ &=V\wedge\bigvee V_i\notag. \end{align} Por lo tanto, $(\mathbf{AR}(X),\vee,\wedge,',\emptyset,X)$ es un álgebra booleana completa. A dicha álgebra se la llama el álgebra abierta regular de $X$.
Tal álgebra booleana se construye como sigue. Sea $X$ un espacio topológico. Definimos $$\mathbf{AR}(X):=\{V\subseteq X\mid V=\mathrm{IntCl}V\},$$ donde $\mathrm{Int}$ es el operador interior y $\mathrm{Cl}$ el operador cerradura. Es decir, $\mathbf{AR}(X)$ es el conjunto de los abiertos regulares de $X$ (un subconjunto $U\subseteq X$ se dice que es abierto regular si $U=\mathrm{IntCl}U$; dado $A\subseteq X$, a $\mathrm{IntCl}A$ se la llama la regularización de $A$). Se tiene que $\mathbf{AR}(X)$ es un álgebra booleana completa con el orden dado por la inclusión y bajo las siguientes operaciones $\bigvee$, $\bigwedge$ y $'$: $$\begin{align} \bigvee\mathcal{U} &:=\mathrm{IntCl}(\bigcup\mathcal{U})&(\mathcal{U}\subseteq\mathbf{AR}(X))\notag\\ \bigwedge\mathcal{U} &:=\mathrm{Int}(\bigcap\mathcal{U})&\notag\\ V' &:=\mathrm{Int}(X-V)&(V\in\mathbf{AR}(X)).\notag \end{align}$$ En general se tiene que \begin{equation} \text{si $A$ es un cerrado de un espacio $Y$, entonces $\mathrm{Int}A$ es abierto regular.} \end{equation} En efecto, sea $A$ cerrado de un espacio $Y$; entonces, $$\mathrm{Int}A\subseteq\mathrm{IntClInt}A.$$ Recíprocamente, se tiene que $\mathrm{Int}A\subseteq A$; de aquí, $\mathrm{ClInt}A\subseteq A$; luego, $$\mathrm{IntClInt}A\subseteq\mathrm{Int}A.$$ Ahora, tenemos entonces que $\bigvee\mathcal{U}\in\mathbf{AR}(X)$, pues $\mathrm{Cl}(\bigcup\mathcal{U})$ es cerrado de $X$, y $V'\in\mathbf{AR}(X)$ porque $X-V$ también es cerrado de $X$. En general se tiene si $\{A_i\}$ es una familia de subconjuntos de un espacio topológico $Y$, entonces \begin{align} &\mathrm{Cl}(\bigcap A_i)\subseteq \bigcap\mathrm{Cl}A_i \\ &\mathrm{Int}(\bigcap A_i)\subseteq \bigcap\mathrm{Int}A_i. \end{align} En efecto, (2) se sigue de que $\bigcap A_i\subseteq\bigcap\mathrm{Cl}A_i$ y (3) de que $\mathrm{Int}(\bigcap A_i)\subseteq\mathrm{Int}A_i$.
Veamos entonces que $\bigwedge\mathcal{U}\in\mathbf{AR}(X)$. Sea $\{V_i\}$ una familia de elementos de $\mathbf{AR}(X)$. Ya se tiene que $\mathrm{Int}(\bigcap V_i)\subseteq\mathrm{IntClInt}(\bigcap V_i)$, así que basta ver la contención recíproca. Notemos que como cada $V_i\in\mathbf{AR}(X)$, $$V_i=\mathrm{IntCl}V_i.$$ Entonces, \begin{align} \mathrm{IntClInt}(\bigcap V_i)&\subseteq\mathrm{IntClInCl}(\bigcap V_i)\notag\\ &=\mathrm{IntCl}(\bigcap V_i)&\text{(por (1)}\notag\\ &\subseteq\bigcap\mathrm{IntCl}V_i &\text{(por (2) y (3))}\notag\\ &=\bigcap V_i\notag; \end{align} de donde, $\mathrm{IntClInt}(\bigcap V_i)\subseteq\mathrm{Int}(\bigcap V_i)$.
Se tiene que $\emptyset,X\in\mathbf{AR}(X)$, y es fácil ver que $$V\wedge V'=\emptyset\qquad\text{y}\qquad V\vee V'=X.$$ Sea $\mathcal{U}\subseteq\mathbf{AR}(X)$. Veamos que $\bigvee\mathcal{U}$ es la mínima cota superior de $\mathcal{U}$ en $\mathbf{AR}(X)$ y que $\bigwedge\mathcal{U}$ es la máxima cota inferior de $\mathcal{U}$ en $\mathbf{AR}(X)$. Se tiene que $\bigcup\mathcal{U}$ es abierto y es el conjunto más pequeño que incluye a cada $V\in\mathcal{U}$; de donde, $\bigvee\mathcal{U}$ es la mínima cota superior de $\mathcal{U}$ en $\mathbf{AR}(X)$. Ahora, tenemos que $\bigwedge\mathcal{U}\subseteq V$ para todo $V\in\mathcal{U}$ y $\bigwedge\mathcal{U}\in\mathbf{AR}(X)$. Sea $B$ otra cosa inferior de $\mathcal{U}$; entonces, $B\subseteq\bigcap\mathcal{U}$; de donde, $B\subseteq\bigwedge\mathcal{U}$, pues $B$ es abierto de $X$.
Finalmente, veamos que $$V\wedge(\bigvee V_i)=\bigvee(V\wedge V_i).$$ En general, se tiene que \begin{equation} \text{si $U$ es abierto de un espacio $Y$, entonces $\mathrm{Cl}(U\cap A)=\mathrm{Cl}(U\cap\mathrm{Cl}A)$ para todo subconjunto $A$ de $Y$} \end{equation} (véase el punto 1 de la entrada anterior). De aquí, \begin{equation} \text{si $U$ es abierto de $Y$, $U\cap\mathrm{Cl}A\subseteq\mathrm{Cl}(U\cap A)$ para todo $A\subseteq Y$.} \end{equation} Ahora, sea $\{V_i\}$ una familia de elementos de $\mathbf{AR}(X)$ y sea $V\in\mathbf{AR}(X)$. Entonces, \begin{align} V\wedge\bigvee V_i &=V\cap\mathrm{IntCl}(\bigcup V_i)\notag\\ &=\mathrm{Int}V\cap\mathrm{IntCl}(\bigcup V_i)\notag\\ &=\mathrm{Int}(V\cap\mathrm{Cl}(\bigcup V_i)) &\text{(propiedad de $\mathrm{Int}$)}\notag\\ &\subseteq\mathrm{IntCl}(V\cap\bigcup V_i) &\text{(por (5))}\notag\\ &=\bigvee(V\wedge V_i)\notag. \end{align} Recíprocamente, \begin{align} \bigvee(V\wedge V_i) &=\mathrm{IntCl}(\bigcup V\cap V_i)\notag\\ &=\mathrm{IntCl}(V\cap\bigcup V_i)\notag\\ &\subseteq\mathrm{IntCl}V\cap\mathrm{IntCl}(\bigcup V_i)&\text{(por (2) y (3))}\notag\\ &=V\wedge\bigvee V_i\notag. \end{align} Por lo tanto, $(\mathbf{AR}(X),\vee,\wedge,',\emptyset,X)$ es un álgebra booleana completa. A dicha álgebra se la llama el álgebra abierta regular de $X$.
