Отношение, заданное на множестве, может обладать рядом свойств, а именно:
2. Рефлексивность
Определение. Отношение R намножестве Х называется рефлексивным, если каждый элемент х множества Х находится в отношении R с самим собой.
Используя символы, это отношение можно записать в таком виде:
R рефлексивно на Х Û("х Î Х ) х R х
Пример. Отношение равенства на множестве отрезков рефлексивно, т.к. каждый отрезок равен себе самому.
Граф рефлексивного отношения во всех вершинах имеет петли.
2. Антирефлексивность
Определение. Отношение R намножестве Х называется антирефлексивным, если ни один элемент х множества Х не находится в отношении R с самим собой.
R антирефлексивно на Х Û("х Î Х )
Пример. Отношение «прямая х перпендикулярна прямой у » на множестве прямых плоскости антирефлексивно, т.к. ни одна прямая плоскости не перпендикулярна самой себе.
Граф антирефлексивного отношения не содержит ни одной петли.
Заметим, что существуют отношения, не являющиеся ни рефлексивными, ни антирефлексивными. Например, рассмотрим отношение «точка х симметрична точке у » на множестве точек плоскости.
Точка х симметрична точке х – истинно; точка у симметрична точке у – ложно, следовательно, мы не можем утверждать, что все точки плоскости симметричны сами себе, также мы не можем и утверждать, что ни одна точка плоскости не симметрична сама себе.
3. Симметричность
Определение . Отношение R намножестве Х называется симметричным, если из того, что элемент х находится в отношении R с элементом у , следует, что и элемент у находится в отношении R с элементом х .
R симметричнона Х Û("х , у Î Х ) х R у Þ у R х
Пример. Отношение «прямая х пересекает прямую у на множестве прямых плоскости» симметрично, т.к. если прямая х пересекает прямую у , то и прямая у обязательно будет пересекать прямую х .
Граф симметричного отношения вместе с каждой стрелкой из точки х в точку у должен содержать стрелку, соединяющую те же точки, но в обратном направлении.
4. Асимметричность
Определение . Отношение R намножестве Х называется асимметричным, если ни для каких элементов х , у из множества Х не может случиться, что элемент х находится в отношении R с элементом у и элемент у находится в отношении R с элементом х .
R асимметричнона Х Û("х , у Î Х ) х R у Þ
Пример. Отношение «х < у » асимметрично, т.к. ни для какой пары элементов х , у нельзя сказать, что одновременно х < у и у < х .
Граф асимметричного отношения не имеет петель и если две вершины графа соединены стрелкой, то эта стрелка только одна.
5. Антисимметричность
Определение . Отношение R намножестве Х называется антисимметричным, если из того что х находится в отношении с у , а у находится в отношении с х следует, что х = у.
R антисимметричнона Х Û("х , у Î Х ) х R у Ù у R х Þ х = у
Пример. Отношение «х £ у » антисимметрично, т.к. условия х £ у и у £ х одновременно выполняются только тогда, когда х = у.
Граф антисимметричного отношения имеет петли и если две вершины графа соединены стрелкой, то эта стрелка только одна.
6. Транзитивность
Определение . Отношение R намножестве Х называется транзитивным, если для любых элементов х , у , z из множества Х из того, что х находится в отношении с у , а у находится в отношении с z следует, что х находится в отношении с z.
R транзитивнона Х Û("х , у , z Î Х ) х R у Ù у R z Þ х R z
Пример. Отношение «х кратно у » транзитивно, т.к. если первое число кратно второму, а второе кратно третьему, то первое число будет кратно третьему.
Граф транзитивного отношения с каждой парой стрелок от х к у и от у к z содержит стрелку, идущую от х к z.
7. Связность
Определение . Отношение R намножестве Х называется связным, если для любых элементов х , у из множества Х х находится в отношении с у или у находится в отношении с х или х = у .
R связнона Х Û("х , у , z Î Х ) х R у Ú у R z Ú х = у
Другими словами: отношение R намножестве Х называется связным, если для любых различных элементов х , у из множества Х х находится в отношении с у или у находится в отношении с х или х = у .
Пример. Отношение «х < у » связно, т.к. какие бы мы действительные числа не взяли, обязательно одно из них будет больше другого или они равны.
На графе связного отношения все вершины соединены между собой стрелками.
Пример. Проверить, какими свойствами обладает
отношение «х – делитель у », заданное на множестве
Х = {2; 3; 4; 6; 8}.
1) данное отношение рефлексивно, т.к. каждое число из данного множества является делителем самого себя;
2) свойством антирефлексивности данное отношение не обладает;
3) свойство симметричности не выполняется, т.к. например, 2 является делителем числа 4, но 4 делителем числа 2 не является;
4) данное отношение антисимметрично: два числа могут быть одновременно делителями друг друга только в том случае, если эти числа равны;
5) отношение транзитивно, т.к. если одно число является делителем второго, а второе – делителем третьего, то первое число обязательно будет делителем третьего;
6) отношение свойством связности не обладает, т.к. например, числа 2 и 3 на графе стрелкой не соединены, т.к. два различных числа 2 и 3 делителями друг друга не являются.
Таким образом, данное отношение обладает свойствами рефлексивности, асимметричности и транзитивности.
§ 3. Отношение эквивалентности.
Связь отношения эквивалентности с разбиением множества на классы
Определение. Отношение R на множестве Х называется отношением эквивалентности, если оно рефлексивно, симметрично и транзитивно.
Пример. Рассмотрим отношение «х однокурсник у » на множестве студентов педфака. Оно обладает свойствами:
1) рефлексивности, т.к. каждый студент является однокурсником самому себе;
2) симметричности, т.к. если студент х у , то и студент у является однокурсником студента х ;
3) транзитивности, т.к. если студент х - однокурсник у , а студент у – однокурсник z , то студент х будет однокурсником студента z .
Таким образом, данное отношение обладает свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности, а значит, является отношением эквивалентности. При этом множество студентов педфака можно разбить на подмножества, состоящие из студентов, обучающихся на одном курсе. Получаем 5 подмножеств.
Отношением эквивалентности являются также, например, отношение параллельности прямых, отношение равенства фигур. Каждое такое отношение связано с разбиением множества на классы.
Теорема. Если на множестве Х задано отношение эквивалентности, то оно разбивает это множество на попарно непересекающиеся подмножества (классы эквивалентности).
Верно и обратное утверждение: если какое-либо отношение, заданное на множестве Х , порождает разбиение этого множества на классы, то оно является отношением эквивалентности.
Пример. На множестве Х = {1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8} задано отношение «иметь один и тот же остаток при делении на 3». Является ли оно отношением эквивалентности?
Построим граф данного отношения:
Данное отношение обладает свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности, следовательно, является отношение эквивалентности и разбивает множество Х на классыэквивалентности. В каждом классе эквивалентности будут числа, которые при делении на 3 дают один и тот же остаток: Х 1 = {3; 6}, Х 2 = {1; 4; 7}, Х 3 = {2; 5; 8}.
Считают, что класс эквивалентности определяется любым своим представителем, т.е. произвольным элементом этого класса. Так, класс равных дробей можно задать, указав любую дробь, принадлежащую этому классу.
В начальном курсе математики также встречаются отношения эквивалентности, например, «выражения х и у имеют одинаковые числовые значения», «фигура х равна фигуре у ».
Само понятие «отношение», конечно, вам знакомо. Мы часто его употребляем в речи. Например, мы можем сказать, что я в хороших отношениях со всеми студентами моей группы.
В жизни мы постоянно находимся в различных отношениях и вступаем в различные отношения. С членами своей семьи мы находимся в отношении родства, со школьными товарищами - в отношении дружбы, с руководителями учреждения, где мы учимся или работаем, - в отношении подчинения и т.д. В этом смысле отношение - это определенный характер связи .
В параграфе 2.2 мы говорили об отношениях, которые существуют между математическими объектами. Так, элемент по отношению к множеству находится в отношении принадлежности, два множества могут находиться в отношении включения или равенства.
Сейчас мы рассмотрим отношения, которые могут существовать между элементами множеств. Итак, мы сказали, что отношение, установленное между элементами множеств в рассмотренном примере, называется бинарными.
По существу в примере мы составили сначала декартово произведение заданных множеств, т.е. множество всех пар элементов этих множеств, так, что первый элемент пары принадлежит первому множеству, а второй - второму. Затем мы из множества этих пар выбрали подмножество тех пар, которые показывают, на каком же факультете учится каждый из студентов.
Определение 2.8. Бинарным отношением между множествами Ли В называется любое подмножество декартова произведения Ах В.
Бинарные отношения обычно обозначают буквами греческого алфавита: р («ро»), а («сигма»), |/ («пси») и др.
Если р - некоторое бинарное отношение между множествами А и В, то согласно определению бинарного отношения мы можем записать, что р с с Л х В.
Если пара (а, b ) принадлежит бинарному отношению р, т.е. (а, b ) е р, то говорят, что элемент а находится в отношении р с элементом b , и пишут арб. Так, в приведенном выше примере рассмотрено отношение «учиться на факультете». Тогда можно сказать, что Петр находится в данном отношении с факультетом математики.
Для некоторых отношений в математике существуют определенные знаки. Например,
В связи с тем что бинарное отношение - это множество пар, то, как любое множество, его можно задать либо перечислением этих пар, либо указанием характеристического свойства для выделения из декартова произведения пар, принадлежащих данному отношению.
Пример 2.6
Пусть заданы два числовых множества: А = {1, 3,5} и В = {2, 8, 10}. Зададим бинарное отношение о между этими множествами перечислением: а = {(1, 2), (5, 10)}. Это же отношение мы может задать и характеристическим свойством: бинарное отношение образуют пары чисел, такие что число из первого множества в два раза меньше числа из второго множества.
Пример 2.7
Рассмотрим множество студентов вашей академической группы. Установим в этом множестве отношение «быть другом». Для любой пары студентов академической группы можно сказать, находятся они в данном отношении или нет. Может даже случиться так, что это бинарное отношение будет образовывать пустое множество. В каком случае это будет?
В последнем примере нужно обратить внимание на то, что мы устанавливали отношение не между элементами двух множеств, а между элементами одного множества. Это также возможно и не противоречит определению бинарного отношения. Только в этом случае вместо декартова произведения двух множеств нужно рассмотреть декартов квадрат множества.
Бинарное отношение, заданное на множестве, может иметь разные свойства. Рассмотрим их.
1. Свойство рефлексивности.
Определение 2.9. рефлексивным , если для любого а е Л пара (а> а) е р.
Отношение «
2. Свойство симметричности.
Определение 2.10. Говорят, что бинарное отношение р, заданное на множестве Л, является симметричным , если для любых элементов а и b из Л из того, что пара (а , b ) находится в отношении р, следует, что пара (b , а) находится в отношении р.
Например, отношение равенства, заданное на множестве действительных чисел, симметрично, так как если число k равно числу п } то и число п равно числу k. Симметричным является и отношение «быть другом».
С другой стороны, отношение упорядоченности по величине (
3. Свойство антисимметричности.
Определение 2.11. Говорят, что бинарное отношение р, заданное на множестве Л, является антисимметричным у если для любых элементов а и b из Л из того, что пары (я, /;) и (/;, а) находятся в отношении р, следует, что а = Ь.
Например, отношение упорядоченности по величине на множестве действительных чисел антисимметрично. Ведь если известно, что для чисел х и у выполнено х и у то это означает, что х - у. А вот отношение параллельности прямых не является антисимметричным, так как если прямая / параллельна прямой t и прямая t параллельна прямой /, то это не означает, что прямые / и t совпадают. Они могут быть различны.
4. Свойство транзитивности.
Определение 2.12. Говорят, что бинарное отношение р, заданное на множестве Л, является транзитивным у если для любых элементов а , b и с из Л из того, что пары (я, b ) и (/?, с) находятся в отношении р, следует, что пара (а, с) также находится в отношении р.
Свойством транзитивности обладают отношения упорядоченности по величине, параллельности, отношение «быть родственником».
Отношение перпендикулярности прямых не является транзитивным (покажите это с помощью рисунка). Также по существу не является транзитивным и отношение «быть другом» (хотя и есть присказка, в которой выражено желание о транзитивности этого отношения: «Друг моего друга - мой друг»).
Мы рассмотрели только основные свойства бинарных отношений, которые определяют два широко используемых типа отношений.
Отношением эквивалентности (или эквивалентностью) называется бинарное отношение, которое обладает свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности.
Отношением упорядоченности (или упорядоченностью) называется бинарное отношение, которое обладает свойствами рефлексивности, антисимметричности и транзитивности.
Например, отношение «быть одноклассником» является эквивалентностью, так как оно обладает свойством рефлексивности, симметричности и транзитивности. Отношение «быть не выше ростом» на множестве людей является отношением упорядоченности.
Отношения эквивалентности и упорядоченности имеют очень важное значение в различных областях математики, а эквивалентность используется при выполнении классификаций различных объектов. Для того чтобы это понять, обратимся сначала к такому математическому понятию, как разбиение множества.
Определение 2.13. Разбиением множества/! называется представление этого множества в виде объединения непересекающихся подмножеств, которые называются классами разбиения.
Чтобы проверить, что мы имеем дело с разбиением множества, нужно проверить два условия:
- объединение полученных при разбиении подмножеств является исходным множеством;
- пересечение любых двух различных подмножеств является пустым множеством.
При выполнении классификации классами разбиения являются так называемые классы эквивалентности. Как же строятся эти классы?
Пусть на множестве А введено некоторое отношение эквивалентности р. Возьмем любой элемент а из А и все элементы из А, которые находятся с а в отношении р. Все эти элементы и будут образовывать класс эквивалентности элемента а. Понятно, что и сам элемент а попадет в этот класс. Действительно, если р - отношение эквивалентности, то оно обладает свойством рефлексивности, т.е. (а } а) е р, а это и означает, что сам элемент а входит в класс эквивалентности, который он образует.
Можно доказать, что классы эквивалентности различных элементов множества либо совпадают, либо не пересекаются. В связи с этим можно предположить, что эти классы могут рассматриваться в качестве классов разбиения.
Действительно, существует теорема, которая говорит о том, что если на множестве задано отношение эквивалентности, то множество всех классов эквивалентности, содержащих элементы этого множества, является разбиением этого множества.
С другой стороны, можно доказать, что если есть некоторое разбиение множества и на этом множестве задано бинарное отношение так, что пара элементов множества находится в этом отношении только при условии, что они оба принадлежат одному классу разбиения, то это бинарное отношение будет эквивалентностью.
Можно попробовать доказать каждое из этих утверждений самостоятельно или разобрать доказательство, которое приведено в работе .
При использовании классов эквивалентности мы разбиваем множество на подмножества, в каждое из которых входят своего рода «одинаковые» элементы. Например, множество всех положительных дробей можно разбить на классы эквивалентности таким образом: 1) взять каждую несокра-
тимую дробь (например, -); 2) в каждый класс эквивалентности соответ-
2 4 6 8 ч т
ствующеи дроби отнести все равные ей дроби - = - = - = 1аким
образом, мы разобьем все положительные дроби на соответствующие классы эквивалентности. Каждый такой класс является положительным рациональным числом.
- В Большой советской энциклопедии говорится, что «отношение - эмоционально-волевая установка личности на что-либо, т.е. выражение ее позиции; мысленное сопоставление различных объектов или сторон данного объекта». В толковом словаре Д. Н. Ушакова«отношение - взаимное общение, связь между людьми, обществами, странами и т.п., образующаяся из общения на какой-нибудь почве».
Очевидно, что произвольные бинарные отношения изучать в общем плане не особенно интересно, о них можно сказать очень мало. Однако, если отношения удовлетворяют некоторым дополнительным условиям, относительно них можно делать более содержательные утверждения. В этом разделе мы рассмотрим некоторые из основных свойств бинарных отношений.
- 1. Бинарное отношение на множестве X называется рефлексивным, если для любого элемента aX выполняется условие a:
- (aX) a* a.
Если отношение представлено с помощью графа, то рефлексивность этого отношения означает, что в каждой вершине графа обязательно имеется петля.
Для отношения, заданного с помощью булевой матрицы его рефлексивность равносильна тому, что по главной диагонали этой матрицы (идущей из ее левого верхнего угла в правый нижний) стоят только символы 1.
2. Бинарное отношение на X называется антирефлексивным, если ни для одного aX не выполняется условие a * a:
Обозначим через I x отношение на множестве X, состоящее из пар вида (a, a), где a X:
I x = {(a, a)| a X}.
Отношение Ix обычно называют диагональю множества X или отношением тождества на X.
Очевидно, что отношение на множестве X рефлексивно, если диагональ I x является подмножеством множества:
Отношение антирефлексивно, если диагональ I x и отношение б не имеют ни одного общего элемента:
- 3. Бинарное отношение на множестве X называется симметричным, если из a * b следует b * a:
- (a, bX)(a* b b*a).
Примерами симметричных отношений являются:
отношение перпендикулярности на множестве прямых;
отношение касания на множестве окружностей;
отношение "быть похожим" на множестве людей;
отношение "иметь одинаковый пол" на множестве животных.
Отношение "x брат y" на множестве всех людей не является симметричным. В то же время отношение "x брат y" на множестве мужчин симметричным является.
В графе симметричного отношения для каждой дуги из вершины x в вершину y имеется дуга из y в x. Поэтому симметричные отношения можно представлять графами с неориентированными ребрами. При этом каждая пара ориентированных ребер xy и yx заменяется одним неориентированным ребром.
На рисунке 8 представлено отношение
б= {(a, b), (b, a), (b, c), (c, b), (d, c)}
с помощью ориентированного и неориентированного графов.
Рис. 8.
Матрица симметричного отношения симметрична относительно главной диагонали.
Теорема: Объединение и пересечение любого семейства симметричных отношений снова являются симметричными отношениями.
Определение. Бинарное отношение на множестве X называется антисимметричным, если для любых различных элементов a и b условия a * b и b * a не выполняются одновременно:
(a, bX) (a * b & b* a a = b).
Например, отношение "делится" на множестве натуральных чисел является антисимметричным, так как из a b и b a следует, что a = b. Однако на множестве целых чисел отношение "делится" антисимметричным не является, так как (-2) 2 и 2 (-2), но -22.
Отношения "выше", "тяжелее", "старше" антисимметричны на множестве людей. Отношение "быть сестрой" на множестве всех людей антисимметричным не является.
В графе антисимметричного отношения две различные вершины могут быть соединены не более чем одной дугой.
Определение 3.5. Бинарное отношение a на множестве X называется транзитивным, если для любых трех элементов a, b, c X из a*b и b*c следует a*c:
(a, b, c X) (a* b & b* c a*c).
Примерами транзитивных отношений служат:
отношение "делится" на множестве действительных чисел;
отношение "больше" на множестве действительных чисел;
отношение "старше" на множестве людей игрушек;
отношение "иметь одинаковый цвет" на множестве детских игрушек;
д) отношение "быть потомком" на множестве людей.
Феодальное отношение "быть вассалом" не является транзитивным. Это в частности подчеркивается в некоторых учебниках истории: "вассал моего вассала не мой вассал".
Отношение "быть похожим" на множестве людей не обладает свойством транзитивности.
Для произвольного отношения можно найти минимальное транзитивное отношение такое, что аb. Таким отношением является транзитивное замыкание отношения.
Пример 3.1. Транзитивным замыканием бинарного отношения на множестве людей "быть ребенком" является отношение "быть потомком".
Справедлива теорема.
Теорема 3.2. Для любого отношения транзитивное замыкание равно пересечению всех транзитивных отношений, включающих в качестве подмножества.
Определение 3.6. Бинарное отношение на множестве X называется связным, если для любых двух различных элементов a и b имеет место a*b, либо b*a:
(a, b, c X)(ab a*b b*a).
Примером связного отношения является отношение "больше" на множестве действительных чисел. Отношение "делится" на множестве целых чисел связным не является.
4. Инвариантность отношений
В этом параграфе мы перечислим некоторые случаи, когда те или иные свойства отношений сохраняются при выполнении над ними операций .
Теорема 4.4. Чтобы произведение симметричных отношений было симметрично, необходимо и достаточно, чтобы отношения и коммутировали.
Отношение эквивалентности
Важным видом бинарного отношения является отношение эквивалентности.
Определение 1. Бинарное отношение на множестве X называется отношением эквивалентности на X, если рефлексивно, симметрично и транзитивно.
Отношение эквивалентности часто обозначают символами ~,.
Примерами отношения эквивалентности служат:
отношение тождества I X = {(a, a)|aX} на непустом множестве X;
отношение параллельности на множестве прямых плоскости;
отношение подобия на множестве фигур плоскости;
отношение равносильности на множестве уравнений;
отношение "иметь одинаковые остатки при делении на фиксированное натуральное число m" на множестве целых чисел. Это отношение в математике называют отношением сравнимости по модулю m и обозначают ab (mod m);
отношение "принадлежать одному виду" на множестве животных;
отношение "быть родственниками" на множестве людей;
отношение "быть одного роста" на множестве людей;
отношение "жить в одном доме" на множестве людей.
Отношения "жить на одной улице", "быть похожими" на множестве людей отношениями эквивалентности не являются, так как не обладают свойством транзитивности.
Из перечисленных выше свойств бинарных отношений следует, что пересечение отношений эквивалентности является отношением эквивалентности.
Классы эквивалентности
С отношением эквивалентности тесно связано разбиение множества на классы.
Определение 1. Система непустых подмножеств
{M 1 , M 2 , …}
множества M называется разбиением этого множества, если
Сами множества M 1 , M 2 , … называются при этом классами данного разбиения.
Примерами разбиений служат:
разложение всех многоугольников на группы по числу вершин - треугольники, четырехугольники, пятиугольники и т. д.;
разбиение всех треугольников по свойствам углов (остроугольные, прямоугольные, тупоугольные);
разбиение всех треугольников по свойствам сторон (разносторонние, равнобедренные, равносторонние);
разбиение всех треугольников на классы подобных треугольников;
разбиение множества всех учащихся данной школы по классам.
Широкое применение отношений эквивалентности в современной науке связано с тем, что всякое отношение эквивалентности осуществляет разбиение множества, в котором оно определено, на классы, обычно принимаемые за новые объекты. Другими словами с помощью отношений эквивалентности порождаются новые объекты, понятия.
Так, например, отношение сонаправленности лучей разбивает множество всех лучей плоскости или пространства на классы сонаправленных лучей. Каждый из этих классов лучей называется направлением. Таким образом, интуитивное понятие направления получает точное математическое описание как класс разбиения множества лучей с помощью отношения эквивалентности.
О подобных фигурах обычно говорят, что они имеют одинаковую форму. Но что такое форма геометрической фигуры? Интуитивно ясно, что это то общее, что объединяет подобные фигуры. С помощью отношения эквивалентности удается это интуитивное понятие перевести в точное математическое. Отношение подобия, являясь отношением эквивалентности, разбивает множество фигур на классы подобных фигур. Каждый такой класс можно назвать формой. Тогда выражение "две одинаковые фигуры имеют одинаковую форму" имеет следующий точный смысл "две подобные фигуры принадлежат одной форме".
Отношения эквивалентности встречаются всюду, где осуществляются разбиения множеств на классы. Мы часто пользуемся ими, не замечая этого.
Приведем элементарный пример. Когда дети играют со множеством разноцветных игрушек (например, с блоками Дьенеша) и решают задачу разложить игрушки по цветам, то они пользуются отношением "иметь один цвет". Полученные в результате классы одноцветных фигур воспринимаются детьми как новые понятия: красные, желтые, синие и т. д.
Аналогично в результате решения задачи разложения блоков по форме дети получают классы, каждый из которых воспринимается как форма: прямоугольные, круглые, треугольные и т. д.
Связи между отношениями эквивалентности, определенными на множестве M, и разбиениями множества M на классы описываются в следующих двух теоремах.
Теорема 1 Всякое разбиение непустого множества M на классы определяет (индуцирует) на этом множестве отношение эквивалентности такое, что:
всякие два элемента одного класса находятся в отношении;
всякие два элемента различных классов не находятся в отношении. Доказательство. Пусть имеется некоторое разбиение непустого множества M. Определим бинарное отношение следующим образом: xay(K)(xK&yK).
То есть два элемента x и y aиз множества M связаны отношением в том и только в том случае, если в разбиении найдется такой класс K, которому одновременно принадлежат элементы x и y.
Так определенное отношение, очевидно, рефлексивно и симметрично. Докажем транзитивность отношения. Пусть x*y и x*z. Тогда по определению в существуют классы K 1 и K 2 такие, что x, yK 1 и y, zK 2 . Так как различные классы в разбиении не имеют общих элементов, то K 1 = K 2 , то есть x, z K 1 . Поэтому x*z, что и требовалось доказать.
Теорема 2. Всякое отношение эквивалентности в непустом множестве M порождает разбиение этого множества на классы эквивалентности такое, что всякие два элемента одного класса находятся в отношении;
всякие два элемента различных классов не находятся в отношении.
Доказательство. Пусть б - некоторое отношение эквивалентности на множестве M. Каждому элементу x из поставим в соответствие подмножество [x] множества M, состоящее из всех элементов y, находящихся в отношении с элементом x:
Система подмножеств [x], образует разбиение множества M. Действительно, во-первых, каждое подмножество [x]O, так как в силу рефлексивности отношения x[x].
Во-вторых, два различных подмножества [x] и [y] не имеют общих элементов. Рассуждая от противного, допустим существование элемента z такого, что z[x] и z[y]. Тогда zax и zay. Поэтому для любого элемента a[x] из a* x, z*x и z*y в силу симметричности и транзитивности отношения вытекает a*y, то есть a[y]. Следовательно, [x] [y]. Аналогично получаем, что [y][x]. Полученные два включения влекут равенство [x] = [y], противоречащее предположению о несовпадении подмножеств [x] и [y]. Таким образом, [x]y] = O.
В-третьих, объединение всех подмножеств [x] совпадает со множеством M, ибо для любого элемента xM выполняется условие x[x].
Итак, система подмножеств [x], образует разбиение множества M. Несложно показать, что построенное разбиение удовлетворяет условиям теоремы. Разбиение множества M, обладающее свойствами, указанными в теореме, называется фактор-множеством множества M по отношению и обозначается M/б.
1. Рефлексивность:
2. Слабая рефлексивность:
3. Сильная рефлексивность:
4. Антирефлексивность:
5. Слабая антирефлексивность:
6. Сильная антирефлексивность:
7. Симметричность:
8. Антисимметричность:
9. Асимметричность:
10. Сильная линейность:
11. Слабая линейность:
12. Транзитивность:
Рефлексивность, свойство бинарных (двуместных, двучленных) отношений, выражающее выполнимость их для пар объектов с совпадающими членами (так сказать, между объектом и его "зеркальным отражением"): отношение R называется рефлексивным, если для любого объекта х из области его определения выполняется xRx. Типичные и наиболее важные примеры рефлексивных отношений: отношения типа равенства (тождества, эквивалентности, подобия и т.п.: любой предмет равен самому себе) и отношения нестрогого порядка (любой предмет не меньше и не больше самого себя). Интуитивные представления о "равенстве" (эквивалентности, подобии и т.п.), очевидным образом наделяющие его свойствами симметричности и транзитивности, "вынуждают" и свойство Р., поскольку последнее свойство следует из первых двух. Поэтому многие употребительные в математике отношения, по определению Р. не обладающие, оказывается естественным доопределить таким образом, чтобы они становились рефлексивными, например, считать, что каждая прямая или плоскость параллельна самой себе, и т.п.
Глава 1. Элементы теории множеств
1.1 Множества
Наиболее простая структура данных, используемая в математике, имеет место в случае, когда между отдельными изолированными данными отсутствуют какие-либо взаимосвязи. Совокупность таких данных представляет собой множество . Понятие множества является неопределяемым понятием. Множество не обладает внутренней структурой. Множество можно представить себе как совокупность элементов, обладающих некоторым общим свойством. Для того чтобы некоторую совокупность элементов можно было назвать множеством, необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:
Должно существовать правило, позволяющее определить, принадлежит ли указанный элемент данной совокупности.
Должно существовать правило, позволяющее отличать элементы друг от друга. (Это, в частности, означает, что множество не может содержать двух одинаковых элементов).
Множества обычно обозначаются заглавными латинскими буквами. Если элемент
принадлежит множеству , то это обозначается:Если каждый элемент множества
является также и элементом множества , то говорят, что множество является подмножеством множества :Подмножество
множества называется собственным подмножеством , еслиИспользуя понятие множества можно построить более сложные и содержательные объекты.
1.2 Операции над множествами
Основными операциями над множествами являются объединение , пересечение и разность .
Определение 1 . Объединением
Определение 2 . Пересечением двух множеств называется новое множество
Определение 3 . Разностью двух множеств называется новое множество
Если класс объектов, на которых определяются различные множества обозначить
(Универсум ), то дополнением множества называют разность упорядоченную n-ку , называют мощностью отношения .Замечание. Понятие отношения является очень важным не только с математической точки зрения. Понятие отношения фактически лежит в основе всей реляционной теории баз данных. Как будет показано ниже, отношения являются математическим аналогом таблиц . Сам термин "реляционное представление данных", впервые введенный Коддом , происходит от термина relation , понимаемом именно в смысле этого определения.
Т. к. любое множество можно рассматривать как декартовое произведение степени 1, то любое подмножество, как и любое множество, можно считать отношением степени 1. Это не очень интересный пример, свидетельствующий лишь о том, что термины "отношение степени 1" и "подмножество" являются синонимами. Нетривиальность понятия отношения проявляется, когда степень отношения больше 1. Ключевыми здесь являются два момента:
Во-первых , все элементы отношения есть однотипные кортежи. Однотипность кортежей позволяет считать их аналогами строк в простой таблице, т.е. в такой таблице, в которой все строки состоят из одинакового числа ячеек и в соответствующих ячейках содержатся одинаковые типы данных. Например, отношение, состоящее из трех следующих кортежей { (1, "Иванов", 1000), (2, "Петров", 2000), (3, "Сидоров", 3000) } можно считать таблицей, содержащей данные о сотрудниках и их зарплатах. Такая таблица будет иметь три строки и три колонки, причем в каждой колонке содержатся данные одного типа.
В противоположность этому рассмотрим множество { (1), (1,2), (1, 2,3) }, состоящее из разнотипных числовых кортежей. Это множество не является отношением ни в
, ни в , ни в . Из кортежей, входящих в это множество нельзя составить простую таблицу. Правда, можно считать это множество отношением степени 1 на множестве всех возможных числовых кортежей всех возможных степенейЭлементы множества, как правило, находятся в каком-либо отношении друг относительно друга. Эти отношения можно задать в виде неполных предложений -- предикатов, например, «меньше, чем...», «больше, чем...», «эквивалентно», «конгруэнтно» и т. п.
Тот факт, что некоторый элемент находится в каком-либо отношении к элементу того же множества x j , математически записывают как XiRxj, где R -- символ отношения.
Отношение из двух элементов множества X называют бинарным. Бинарные отношения множеств X и Y представляют собой некоторое множество упорядоченных пар (х, у), образованных декартовым произведением X х Y. В общем случае можно говорить не только о множестве упорядоченных пар, но и о множестве упорядоченных троек, четверок элементов и т. д., т. е. о парных отношениях, получаемых в результате декартова произведения , где п -- размерность n -строчек.
Рассмотрим основные виды отношений -- отношения эквивалентности, порядка и доминирования.
Некоторые элементы множеств можно считать эквивалентными в том случае, когда любой из этих элементов при определенных условиях можно заменить другим, т. е. данные элементы находятся вот-ношении эквивалентности. Примерами отношений эквивалентности являются отношения параллельности на множестве прямых какой-либо плоскости; подобия на множестве треугольников; принадлежности к одной функциональной группе микросхем или к одному классу типоразмеров и т. д.
Термин «отношение эквивалентности» будем применять при выполнении следующих условий:
1) каждый элемент эквивалентен самому себе;
2) высказывание, что два элемента являются эквивалентными, не требует уточнения того, какой из элементов рассматривается первым, а какой вторым;
3) два элемента, эквивалентные третьему, эквивалентны между собой.
Введем для обозначения эквивалентности символ ~, тогда рассмотренные условия можно записать следующим образом:
1) х ~ х (рефлективность);
2) х ~ уу ~ х (симметричность);
3) х ~ у и у ~ z х ~ z (транзитивность).
Следовательно, отношение R называют отношением эквивалентности, если оно рефлексивно, симметрично и транзитивно.
Пусть некоторому элементу х X эквивалентно некоторое подмножество элементов А X, тогда это подмножество образует класс эквивалентности, эквивалентный х. Очевидно, что все элементы одного и того же класса эквивалентности эквивалентны между собой (свойство транзитивности). Тогда всякий элемент хХ может находиться в одном и только одном классе эквивалентности, т. е. в этом случае множество X разбивается на некоторое непересекающееся подмножество классов эквивалентности , где J -- некоторое множество индексов.
Таким образом, каждому отношению эквивалентности на множестве X соответствует некоторое разбиение множества X на классы.
Часто сталкиваются с отношениями, которые определяют некоторый порядок расположения элементов множества. Например, в процессе автоматизированного конструирования требуется вводить множество одних исходных данных раньше или позже, чем множество других. При этом может оказаться, что элементы одного множества больше или меньше элементов другого и т. д. Во всех этих случаях можно расположить элементы множества X или группы элементов в некотором порядке (например, в виде убывающей или возрастающей последовательности), т. е. ввести отношение порядка на множестве X.
Различают отношения строгого порядка, для которых применяют символы и отношения нестрогого порядка, где используют символы. Эти отношения характеризуются следующими свойствами:
для отношения строгого порядка:
х
х<У, а У<х -- взаимоисключаются (несимметричность);
x<у и у
для отношения нестрогого порядка:
х X -- истинно (рефлексивность);
ху и ух х = у -- (антисимметричность);
х у и у z xу z -- (транзитивность).
Множество X называют упорядоченным, если любые два элемента х и у этого множества сравнимы, т. е. если для них выполняется одно из условий: х < у, х = у, у < х.
Упорядоченное множество называют кортежем. В общем случае кортеж -- это последовательность элементов, т. е. совокупность элементов, в которой каждый элемент занимает вполне определенное место. Элементы упорядоченного множества называются компонентами кортежа. Примерами кортежа может служить упорядоченная последовательность чисел арифметической или геометрической прогрессий, последовательность технологических операций при изготовлении какого-либо радиоэлектронного изделия, упорядоченная последовательность установочных позиций печатной платы для закрепления конструктивных элементов.
Во всех этих множествах место каждого элемента вполне определено и не может произвольно изменяться.
При обработке конструкторской информации на ЭВМ часто используют отношения доминирования. Говорят, что хX доминирует над уX, т. е. х>>у, если элемент х в чем-либо превосходит (имеет приоритет) элемент у того же множества. Например, под х можно понимать один из списков данных, который должен поступить на обработку первым. При анализе нескольких конструкций РЭА какой-либо из них должен быть отдан приоритет, так как эта конструкция обладает лучшими, с нашей точки зрения, свойствами, чем другие, т. е. конструкция х доминирует над конструкцией у.
Свойство транзитивности при этом не имеет места. Действительно, если, например, конструкцию х по каким-либо одним параметрам предпочли конструкции у, а конструкцию у по каким-либо другим параметрам предпочли конструкции z, то отсюда еще не следует, что конструкции х должно быть отдано предпочтение по сравнению с конструкцией г.
Отображение множеств. Одним из основных понятий теории множеств является понятие отображения. Если заданы два непустых множества X и Y, то закон, согласно которому каждому элементу xX ставится в соответствие элемента, называют однозначным отображением X в Y или функцией, определенной на X и принимающей значение на Y.
На практике приходится иметь дело и с многозначными отображениями множества X на множестве Y, которые определяют закон, согласно которому каждому элементу хX ставится в соответствие некоторое подмножество , называемое образом элементов. Возможны случаи, когда Гх = 0.
Пусть задано некоторое подмножество АX. Для любого хА образом х является подмножество . Совокупность всех элементов Y, являющихся образами для всех х в А, назовем образом множества А и будем обозначать ГА. В этом случае