Отношение (математика) - Relation (mathematics)

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:

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 ) | xX и yY } , 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 xy, то yRx может быть истинным или ложным независимо от xRy . Например, 3 делит 9, но 9 не делит 3.

Пример

2-й пример отношения
А
B
мяч автомобиль кукла чашка
Джон + - - -
Мэри - - + -
Венера - + - -
1-й пример отношения
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

Примеры четырех типов бинарных отношений над действительными числами : один-к-одному (зеленым), один-ко-многим (синим), многие-к-одному (красным), многие-ко-многим (черным) ).

Некоторые важные типы бинарных отношений R над множествами X и Y перечислены ниже.

Свойства уникальности:

Инъективный (также называемый уникальным слева )
Для всех x , zX и всех yY , 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 xX и всех y , zY , 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 RS = {( 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 RS = {( 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 SR = {( x , z ) | существует уY 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 SR , 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 хS и YS } 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 xS } - 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 yS } - 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 ) | xX } .

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 xX , xRx . Например, ≥ - рефлексивное отношение, а> - нет.
Нерефлексивный (или строгий )
для всех xX , 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 , yX , 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 , yX , если xRy и yRx, то x = y . Например, ≥ - антисимметричное отношение; так есть>, но бессмысленно (условие в определении всегда ложно).
Асимметричный
для всех x , yX , 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 , zX , 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 , yX таких, что xRy , существует некоторый zX такой, что xRz и zRy . Это используется в плотных заказах .
Связаны
для всех x , yX , если xy, 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 , yX , xRy или yRx . Это свойство иногда называют «общим», что отличается от определений «всего», приведенных в разделе « Особые типы бинарных отношений» .
Трихотомический
для всех x , yX 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 xX существует yX 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 ) | хХ } ∪ 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 ) | хХ } 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

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Библиография