Отношение (математика) - Relation (mathematics)
Транзитивные бинарные отношения | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
однородное отношение было транзитивным : для всех if и then и существуют дополнительные свойства, которым может удовлетворять однородное отношение. | указывает, что свойство столбца требуется по определению термина строки (в самом левом углу). Например, определение отношения эквивалентности требует, чтобы оно было симметричным. Все определения молчаливо требуют, чтобы
В математике , А бинарное отношение над множествами X и Y представляет собой подмножество в декартово произведение X × Y ; то есть, она представляет собой набор упорядоченных пар ( х , у ) , состоящих из элементов х в X и Y в Y . Он кодирует общую концепцию соотношения: элемент х имеет связанный с элементом у , тогда и только тогда , когда пара ( х , у ) принадлежит множеству упорядоченных пар , который определяет бинарное отношение . Бинарное отношение является наиболее изученным частным случаем п = 2 из п -ичного соотношения над множествами Х 1 , ..., Х п , которое является подмножеством декартова произведения X 1 × ... × X п .
Пример бинарного отношения является « делит » отношение над множеством простых чисел и множеством целых чисел , в котором каждый простой р имеет отношение к любому целому числу г , которое является кратным от р , но не является целым числом, которое не кратное p . В этом отношении, например, простое число 2 связано с такими числами, как -4, 0, 6, 10, но не с 1 или 9, точно так же, как простое число 3 связано с 0, 6 и 9, но не до 4 или 13.
Бинарные отношения используются во многих разделах математики для моделирования самых разных понятий. К ним, среди прочего, относятся:
- « больше », « равно » и «делит» отношения в арифметике ;
- отношение « конгруэнтно » в геометрии ;
- отношение «смежно с» в теории графов ;
- отношение « ортогонально » в линейной алгебре .
Функция может быть определена как особый вид бинарного отношения. Двоичные отношения также широко используются в информатике , например, в системе управления реляционными базами данных (СУБД).
Бинарное отношение над множествами X и Y представляет собой элемент из набора мощности из X × Y . Поскольку последнее множество упорядочено включением (⊆), каждое отношение имеет место в решетке подмножеств X × Y . Бинарное отношение - это либо однородное, либо гетерогенное отношение, в зависимости от того, X = Y или нет.
Поскольку отношения являются наборами, ими можно манипулировать, используя операции над наборами, включая объединение , пересечение и дополнение , а также выполнение законов алгебры множеств . Помимо этого, доступны такие операции, как обратное отношение и композиция отношений , удовлетворяющие законам исчисления отношений , для которых есть учебники Эрнста Шредера , Кларенса Льюиса и Гюнтера Шмидта . Более глубокий анализ отношений включает разложение их на подмножества, называемые концептами , и размещение их в полной решетке .
В некоторых системах аксиоматической теории множеств отношения распространяются на классы , которые являются обобщениями множеств. Это расширение необходимо, среди прочего, для моделирования концепций «является элементом» или «является подмножеством» в теории множеств, не сталкиваясь с логическими противоречиями, такими как парадокс Рассела .
Термины соответствие , диадическое отношение и двухместное отношение являются синонимами бинарного отношения, хотя некоторые авторы используют термин «бинарное отношение» для любого подмножества декартова произведения X × Y без ссылки на X и Y и оставляют за собой термин «соответствие». "для бинарного отношения со ссылкой на X и Y .
Определение
С учетом множества Х и Y , то декартово произведение X × Y определяется как {( х , у ) | x ∈ X и y ∈ Y } , а его элементы называются упорядоченными парами.
Бинарное отношение R над множествами X и Y представляет собой подмножество X × Y . Множество X называется доменом или набор отправления из R , а множество Y кообласть или набор назначения из R . Чтобы указать выбор множеств X и Y , некоторые авторы определяют бинарное отношение или соответствие как упорядоченную тройку ( X , Y , G ) , где G - подмножество X × Y, называемое графом бинарного отношения. Выражение ( x , y ) ∈ R читается как « x является R- связанным с y » и записывается в инфиксной записи как xRy . Область определения или активной области из R представляет собой множество всех х таких , что хКу по крайней мере , одного у . Кообласть определения , активные область значений , изображений или диапазон из R представляет собой множество всех у такого , что хКа , по крайней мере , одного х . Поле из R является объединением своей области определения и его кообласти определения.
Когда X = Y , бинарное отношение называется однородным отношением (или эндорреляцией ). В противном случае это неоднородные отношения .
В бинарных отношениях важен порядок элементов; если x ≠ y, то yRx может быть истинным или ложным независимо от xRy . Например, 3 делит 9, но 9 не делит 3.
Пример
А
B ′
|
мяч | автомобиль | кукла | чашка |
---|---|---|---|---|
Джон | + | - | - | - |
Мэри | - | - | + | - |
Венера | - | + | - | - |
А
B
|
мяч | автомобиль | кукла | чашка |
---|---|---|---|---|
Джон | + | - | - | - |
Мэри | - | - | + | - |
Ян | - | - | - | - |
Венера | - | + | - | - |
Следующий пример показывает, что выбор кодомена важен. Предположим, есть четыре объекта A = {мяч, машина, кукла, чашка} и четыре человека B = {Джон, Мэри, Ян, Венера} . Возможное отношение на A и B - это отношение «принадлежит», задаваемое R = {(мяч, Джон), (кукла, Мэри), (машина, Венера)} . То есть Джон владеет мячом, Мэри владеет куклой, а Венера владеет машиной. Никто не владеет чашей, и Ян ничего не владеет, см. 1-й пример. Как набор, R не включает Яна, и поэтому R можно было бы рассматривать как подмножество A × {John, Mary, Venus} , то есть отношение над A и {John, Mary, Venus}, см. 2-й пример. В то время как 2-й пример отношения сюръективен (см. Ниже ), 1-й - нет.
Особые типы бинарных отношений
Некоторые важные типы бинарных отношений R над множествами X и Y перечислены ниже.
Свойства уникальности:
- Инъективный (также называемый уникальным слева )
- Для всех x , z ∈ X и всех y ∈ Y , если xRy и zRy, то x = z . Для получения такого соотношения, { Y } называется на первичный ключ из R . Например, зеленые и синие бинарные отношения на диаграмме инъективны, а красный - нет (поскольку он связывает как −1, так и 1 с 1), ни черный (поскольку он связывает как −1, так и 1 с 0). .
- Функциональная (также называемый правый уникальный , прямо определенный или однолистны )
- Для всех x ∈ X и всех y , z ∈ Y , если xRy и xRz, то y = z . Такое бинарное отношение называется частичной функцией . Для получения такого соотношения, { X } называется первичным ключом из R . Например, красные и зеленые бинарные отношения на диаграмме являются функциональными, а синее - нет (поскольку оно связывает 1 как с −1, так и с 1), ни с черным (поскольку оно связывает 0 с −1 и с 1). .
- Один к одному
- Инъективно и функционально. Например, бинарные отношения зеленого цвета на диаграмме взаимно однозначны, а отношения красного, синего и черного - нет.
- Один ко многим
- Инъективно и не функционально. Например, синее двоичное отношение на диаграмме - один ко многим, а красный, зеленый и черный - нет.
- Многие к одному
- Функциональный, а не инъекционный. Например, красное бинарное отношение на диаграмме - «многие к одному», а зеленый, синий и черный - нет.
- Многие-ко-многим
- Ни инъективный, ни функциональный. Например, черные бинарные отношения на диаграмме - это многие ко многим, а красные, зеленые и синие - нет.
Свойства целостности (можно определить, только если указаны домен X и домен Y ):
- Последовательный (также называемый полным слева )
- Для всех x в X существует y в Y такое, что xRy . Другими словами, область определения R равен X . Это свойство, хотя некоторые авторы также называют его общим , отличается от определения подключенного (также называемого некоторыми авторами общим ) в разделе « Свойства» . Такое бинарное отношение называется многозначной функцией . Например, красные и зеленые бинарные отношения на диаграмме являются последовательными, а синее - нет (поскольку оно не связывает -1 ни с каким действительным числом), ни черное (поскольку оно не связывает 2 ни с одним действительным числом. ).
- Сюръективный (также называемый тотальным справа или на )
- Для всех y в Y существует x в X такой, что xRy . Другими словами, кообласть определения R равен Y . Например, зеленые и синие бинарные отношения на диаграмме сюръективны, а красное - нет (поскольку оно не связывает ни одно действительное число с −1), ни черное (поскольку оно не связывает какое-либо действительное число с 2. ).
Свойства уникальности и полноты (можно определить, только если заданы домен X и домен Y ):
- функция
- Бинарное отношение, которое является функциональным и последовательным. Например, красные и зеленые бинарные отношения на диаграмме являются функциями, а синие и черные - нет.
- инъекции
- Функция, которая является инъективной. Например, зеленое бинарное отношение на диаграмме является инъекцией, а красный, синий и черный - нет.
- сюръекция
- Сюръективная функция. Например, зеленое бинарное отношение на диаграмме является сюрпризом, а красный, синий и черный - нет.
- биекция
- Инъективная и сюръективная функция. Например, зеленое бинарное отношение на диаграмме является взаимно однозначным, а красный, синий и черный - нет.
Операции над бинарными отношениями
Союз
Если R и S - бинарные отношения над множествами X и Y, то R ∪ S = {( x , y ) | хКа или вании } является объединение отношения из R и S над X и Y .
Элементом идентичности является пустое отношение. Например, ≤ - это объединение <и =, а ≥ - объединение> и =.
Пересечение
Если R и S - бинарные отношения над множествами X и Y, то R ∩ S = {( x , y ) | хКа и вании } является пересечение соотношения из R и S над X и Y .
Элемент идентичности - это универсальное отношение. Например, отношение «делится на 6» - это пересечение отношений «делится на 3» и «делится на 2».
Состав
Если R - бинарное отношение над множествами X и Y , а S - бинарное отношение над множествами Y и Z, то S ∘ R = {( x , z ) | существует у ∈ Y такое , что хКа и YSZ } (также обозначается через R ; S ) представляет собой композицию соотношение из R и S над X и Z .
Элементом идентичности является отношение идентичности. Порядок R и S в обозначениях S ∘ R , используемых здесь, согласуется со стандартным порядком обозначений для композиции функций . Например, композиция "является матерью" "является родителем" урожайности "является бабушкой и дедушкой по материнской линии", в то время как композиция "является родителем" ", является матерью" урожайности "является бабушкой". В первом случае, если x - родитель y, а y - мать z , то x - прародитель z по материнской линии .
Converse
Если R - бинарное отношение над множествами X и Y, то R T = {( y , x ) | хКу } является обратным соотношением из R над Y и X .
Например, = является обратным самому себе, как ≠, а <и> являются обратными друг другу, как и ≤ и ≥. Бинарное отношение равно своему обратному тогда и только тогда, когда оно симметрично .
Дополнение
Если R - бинарное отношение над множествами X и Y, то R = {( x , y ) | не хКа } (также обозначается через R или ¬ R ) является комплементарным отношением из R над X и Y .
Например, = и ≠ являются дополнениями друг друга, как и ⊆ и ⊈, ⊇ и ⊉, и ∈ и ∉, а для общего количества заказов также <и ≥, и> и ≤.
Дополнение обратного отношения R T является обратным дополнению:
Если X = Y , дополнение имеет следующие свойства:
- Если отношение симметрично, то и дополнение - тоже.
- Дополнение рефлексивного отношения иррефлексивно - и наоборот.
- Дополнение к строгому слабому заказу - это полный предварительный заказ, и наоборот.
Ограничение
Если R - бинарное однородное отношение над множеством X и S - подмножество X, то R | S = {( x , y ) | хКа и х ∈ S и Y ∈ S } является ограничение соотношения изRкSнадX.
Если R - бинарное отношение над множествами X и Y и если S - подмножество X, то R | S = {( x , y ) | xRy и x ∈ S } - этолевое ограничение соотношение изRкSнадXиY.
Если R - бинарное отношение над множествами X и Y и если S - подмножество Y, то R | S = {( x , y ) | xRy и y ∈ S } - этоправое ограничение соотношение изRкSнадXиY.
Если отношение является рефлексивным , иррефлексивным, симметричным , антисимметричным , асимметричным , транзитивным , полным , трихотомическим , частичным , полным порядком , строгим слабым порядком , полным предварительным порядком (слабым порядком) или отношением эквивалентности , то то же самое относится к его ограничениям.
Однако транзитивное замыкание ограничения является подмножеством ограничения транзитивного замыкания, т. Е. В общем случае не равнозначно. Например, ограничение отношения « x является родителем y » женщинами дает отношение « x - мать женщины y »; его переходное закрытие не связывает женщину с бабушкой по отцовской линии. С другой стороны, транзитивное закрытие "является предком" является "является предком"; его ограничение женщинами действительно связывает женщину с ее бабушкой по отцовской линии.
Кроме того, различные концепции полноты (не путать с « полнотой ») не переносятся на ограничения. Так , например, над действительными числами свойство отношения ≤ является то , что каждое непустое подмножество S из R с верхней границей в R имеет минимум верхнюю границу (также называемый супремума) в R . Однако для рациональных чисел этот супремум не обязательно является рациональным, поэтому то же свойство не выполняется при ограничении отношения ≤ на рациональные числа.
Бинарное отношение R над множествами X и Y называется {{em |содержится в отношении S над X и Y , записывается,если R является подмножеством S , то есть для всех,иесли xRy , то xSy . Если R содержится в S и S содержится в R , то R и S , называются равно письменное R = S . Если R содержится в S, но S не содержится в R , то R называетсяменьше , чемS, написанный R ⊊ S . Например, длярациональных чиселотношение> меньше ≥ и равно композиции> ∘>.
Однородное отношение
Однородное отношение (также называемый endorelation ) над множеством X представляет собой бинарное отношение над X и сам, т.е. подмножество декартова произведения X × X . Это также просто называется (бинарное) отношение над X . Примером гомогенного отношения является отношение родства , где отношение распространяется на людей.
Однородное отношение R над множеством X может быть отождествлено с ориентированным простым графом, допускающим петли , или, если оно симметрично , с неориентированным простым графом, допускающим петли , где X - множество вершин, а R - множество ребер (есть ребро из вершины x в вершину y тогда и только тогда, когда xRy ). Это называется отношением смежности графа.
Множество всех однородных отношений над множеством X - это множество 2 X × X, которое является булевой алгеброй, дополненной инволюцией отображения отношения в обратное отношение . Рассматривая композицию отношений как бинарную операцию над , она образует полугруппу с инволюцией .
Особые однородные отношения
Некоторые важные частные однородные отношения над множеством X :
- Пустое отношение
- E = ∅ ⊆ X × X ;
- Универсальное соотношение
- U = X × X ;
- Отношение идентичности
- I = {( x , x ) | x ∈ X } .
Для произвольных элементов x и y элемента X :
- xEy держится никогда;
- xUy держится всегда;
- xIy выполняется тогда и только тогда, когда x = y .
Характеристики
Некоторые важные свойства, которыми может обладать однородное отношение R над множеством X :
- Рефлексивный
- для всех x ∈ X , xRx . Например, ≥ - рефлексивное отношение, а> - нет.
- Нерефлексивный (или строгий )
- для всех x ∈ X , а не xRx . Например,> - иррефлексивное отношение, а ≥ - нет.
Предыдущие 2 варианта не являются исчерпывающими; например, красное бинарное отношение y = x 2, данное в разделе § Специальные типы бинарных отношений, не является ни иррефлексивным, ни рефлексивным, поскольку оно содержит пару (0, 0) , но не (2, 2) , соответственно.
- Симметричный
- для всех x , y ∈ X , если xRy, то yRx . Например, «является кровным родственником» является симметричным отношением, потому что x является кровным родственником y тогда и только тогда, когда y является кровным родственником x .
- Антисимметричный
- для всех x , y ∈ X , если xRy и yRx, то x = y . Например, ≥ - антисимметричное отношение; так есть>, но бессмысленно (условие в определении всегда ложно).
- Асимметричный
- для всех x , y ∈ X , если xRy, то не yRx . Отношение асимметрично тогда и только тогда, когда оно одновременно антисимметрично и иррефлексивно. Например,> - это асимметричное отношение, а ≥ - нет.
Опять же, предыдущие 3 альтернативы далеко не исчерпывающие; в качестве примера для натуральных чисел отношение xRy, определяемое x > 2, не является ни симметричным, ни антисимметричным, не говоря уже об асимметричном.
- Переходный
- для всех x , y , z ∈ X , если xRy и yRz, то xRz . Транзитивное отношение иррефлексивно тогда и только тогда, когда оно асимметрично. Например, «является предком» является транзитивным отношением, а «является родителем» - нет.
- Плотный
- для всех x , y ∈ X таких, что xRy , существует некоторый z ∈ X такой, что xRz и zRy . Это используется в плотных заказах .
- Связаны
- для всех x , y ∈ X , если x ≠ y, то xRy или yRx . Это свойство иногда называют «общим», что отличается от определений «всего», приведенных в разделе « Особые типы бинарных отношений» .
- Сильно связан
- для всех x , y ∈ X , xRy или yRx . Это свойство иногда называют «общим», что отличается от определений «всего», приведенных в разделе « Особые типы бинарных отношений» .
- Трихотомический
- для всех x , y ∈ X выполняется ровно одно из xRy , yRx или x = y . Например,> - это трихотомическое отношение, в то время как отношение «делится» на натуральные числа - нет.
- Последовательный (или слева )
- для всех x ∈ X существует y ∈ X такое, что xRy . Например,> - это последовательное отношение над целыми числами. Но это не последовательное отношение по положительным целым числам, потому что в натуральных числах нет y, такого что 1> y . Однако <является последовательным отношением к положительным целым числам, рациональным числам и действительным числам. Каждое рефлексивное отношение серийно: для данного x выберите y = x .
- Обоснованный
- каждое непустое подмножество S из X содержит минимальный элемент по отношению к R . Обоснованность подразумевает условие убывающей цепи (то есть, бесконечная цепочка ... x n R ... Rx 3 Rx 2 Rx 1 существовать не может). Если принять аксиому зависимого выбора , оба условия эквивалентны.
- Предзаказ
- Отношение рефлексивное и переходное.
- Общий предварительный заказ (также линейный предварительный заказ или слабый заказ )
- Отношение рефлексивное, транзитивное и связное.
- Частичный заказ (также, заказ )
- Отношение рефлексивное, антисимметричное и транзитивное.
- Строгий частичный порядок (также строгий порядок )
- Отношение, которое является иррефлексивным, антисимметричным и транзитивным.
- Общий порядок (также линейный порядок , простой порядок или цепочка )
- Отношение рефлексивное, антисимметричное, транзитивное и связное.
- Строгий общий порядок (также строгий линейный порядок , строгий простой порядок или строгая цепочка )
- Отношение, которое является иррефлексивным, антисимметричным, транзитивным и связным.
- Отношение частичной эквивалентности
- Отношение, которое является симметричным и транзитивным.
- Отношение эквивалентности
- Отношение рефлексивное, симметричное и транзитивное. Это также отношение, которое является симметричным, транзитивным и последовательным, поскольку эти свойства подразумевают рефлексивность.
Операции
Если R является однородным отношением над множеством X, то каждое из следующих отношений является однородным отношением над X :
- Рефлексивное закрытие
- R = , определяемый как R = = {( x , x ) | х ∈ Х } ∪ R или наименьшее рефлексивное отношение над X , содержащей R . Это может быть доказано , чтобы быть равным пересечение всех рефлекторных отношений , содержащих R .
- Рефлексивное сокращение
- R ≠ , определяемый как R ≠ = R \ {( x , x ) | х ∈ Х } или по величине иррефлексивного отношения над X , содержащимся в R .
- Переходное закрытие
- R + , определяется как наименьшее транзитивное отношение над X , содержащей R . Это можно видеть, равно пересечению всех транзитивных отношений , содержащих R .
- Рефлексивное переходное закрытие
- R *, определяется как R * = ( R + ) = наименьшее предпорядок , содержащий R .
- Рефлексивное транзитивное симметричное замыкание
- R ≡ , определяется как наименьшее отношение эквивалентности над X , содержащей R .
Все операции, определенные в разделе § Операции с бинарными отношениями, также применимы к однородным отношениям.
Однородные отношения по собственности Рефлексивность Симметрия Транзитивность Связность Условное обозначение Пример Направленный граф → Ненаправленный граф Симметричный Зависимость Рефлексивный Симметричный Турнир Нерефлексивный Антисимметричный Порядок иерархии Предзаказ Рефлексивный да ≤ Предпочтение Всего предзаказ Рефлексивный да да ≤ Частичный заказ Рефлексивный Антисимметричный да ≤ Подмножество Строгий частичный заказ Нерефлексивный Антисимметричный да < Строгое подмножество Общий заказ Рефлексивный Антисимметричный да да ≤ Алфавитный порядок Строгий общий порядок Нерефлексивный Антисимметричный да да < Строгий алфавитный порядок Отношение частичной эквивалентности Симметричный да Отношение эквивалентности Рефлексивный Симметричный да ∼, ≡ Равенство
Примеры
-
Порядковые отношения , в том числе строгие приказы :
- Больше чем
- Больше или равно
- Меньше, чем
- Меньше или равно
- Делит (равномерно)
- подмножеству из
-
Отношения эквивалентности :
- Равенство
- Параллельно с (для аффинных пространств )
- Находится в биекции с
- Изоморфный
-
Отношение толерантности , рефлексивное и симметричное отношение:
- Отношение зависимости, отношение конечной терпимости
- Отношение независимости , дополнение некоторого отношения зависимости
- Родственные отношения
Смотрите также
- Система рерайтинга аннотаций
- Аддитивное отношение , многозначный гомоморфизм между модулями
- Категория отношений , категория, имеющая множества как объекты и разнородные бинарные отношения как морфизмы.
- Confluence (переписывание терминов) , обсуждает несколько необычных, но фундаментальных свойств бинарных отношений.
- Соответствие (алгебраическая геометрия) , бинарное отношение, определяемое алгебраическими уравнениями
- Диаграмма Хассе , графическое средство для отображения отношения порядка
- Структура заболеваемости, неоднородное отношение между множеством точек и линий
- Логика родственников , теория отношений Чарльза Сандерса Пирса
- Теория порядка , исследует свойства отношений порядка.
Примечания
использованная литература
Библиография
- Кодд, Эдгар Франк (1990). Реляционная модель для управления базами данных: версия 2 (PDF) . Бостон: Эддисон-Уэсли . ISBN 978-0201141924.
- Эндертон, Герберт (1977). Элементы теории множеств . Бостон: Academic Press . ISBN 978-0-12-238440-0.
- Килп, Мати; Кнауэр, Ульрих; Михалев, Александр (2000). Моноиды, акты и категории: с приложениями к сплетенным изделиям и графам . Берлин: Де Грюйтер . ISBN 978-3-11-015248-7.
- Пирс, Чарльз Сандерс (1873). "Описание обозначения логики родственников, являющееся результатом обобщения представлений логического исчисления Буля" . Воспоминания Американской академии искусств и наук . 9 (2): 317–178. DOI : 10.2307 / 25058006 . hdl : 2027 / hvd.32044019561034 . JSTOR 25058006 . Проверено 5 мая 2020 .
- Шмидт, Гюнтер (2010). Реляционная математика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-76268-7.