Отношение (математика)

Эта статья посвящена основным понятиям (однородных бинарных) отношений в математике. Более подробное описание см. в разделе Бинарное отношение . Чтобы узнать об отношениях с любым количеством элементов, см. Финитарное отношение .

Иллюстрация примера отношения на множестве A = {a, b, c, d} . Стрелка от x к y существует связь указывает, что между x и y . Отношение представлено множеством { (a,a), (a,b), (a,d), (b,a), (b,d), (c,b), (d,c), (d,d) } упорядоченных пар.

В математике отношение может существовать в множестве , а может и не существовать между двумя заданными членами множества.Например, « меньше чем » — это отношение на множестве натуральных чисел ; оно справедливо, например, между значениями 1 и 3 (обозначается как 1 < 3 ), а также между 3 и 4 (обозначается как 3 < 4 ), но не между значениями 3 и 1 и не между 4 и 4 , т.е. , 3 < 1 и 4 < 4 оба оцениваются как ложные.Другой пример: « сестра » — это отношение на множестве всех людей, оно имеет место, например, между Марией Кюри и Брониславой Длуской , и наоборот.Члены множества не могут находиться в отношениях «в определенной степени» — они либо находятся в отношениях, либо нет.

Формально отношение R над множеством X можно рассматривать как набор пар ( x , y ) членов X. упорядоченных Отношение R сохраняется между x и y, ( x , y ) является членом R. если Например, отношение « меньше чем » для натуральных чисел представляет собой бесконечное множество R _less пар натуральных чисел, которое содержит как (1,3), так и (3,4) , но ни (3,1), ни (4). ,4) .Отношение « является нетривиальным делителем » : на множестве однозначных натуральных чисел достаточно мало, чтобы его можно было показать здесь R _дв = { (2,4), (2,6), (2,8), (3,6), (3,9), (4,8) } ; например, 2 является нетривиальным делителем 8 , но не наоборот, следовательно, (2,8) ∈ R _dv , но (8,2) ∉ R _dv .

Если R — это отношение, которое справедливо для x и y, часто пишут xRy . Для большинства распространенных в математике отношений вводятся специальные символы, такие как « < » для «меньше чем» и « | » для «является нетривиальным делителем» и наиболее популярный « = » для «равно» . Например, « 1 < 3 », « 1 меньше 3 » и « (1,3) ∈ R _less » означают одно и то же; некоторые авторы также пишут « (1,3) ∈ (<) ».

Исследуются различные свойства отношений.Отношение R является рефлексивным, если xRx выполняется для всех x , и иррефлексивным, если xRx выполняется ни для одного x .Оно симметрично, если xRy всегда подразумевает yRx , и асимметрично, если xRy подразумевает, что yRx невозможно.Оно транзитивно, если xRy и yRz всегда подразумевают xRz .Например, « меньше чем » является иррефлексивным, асимметричным и транзитивным, но не рефлексивным и не симметричным.« сестра » является переходным, но не рефлексивным (например, Пьер Кюри не является сестрой самого себя), ни симметричным, ни асимметричным; хотя быть иррефлексивным или нет может быть вопросом определения (каждая женщина — сестра самой себе?),« является предком » является транзитивным, а « является родителем » — нет.Известны математические теоремы о комбинациях свойств отношений, такие как «транзитивное отношение иррефлексивно тогда и только тогда, когда оно асимметрично».

Особое значение имеют отношения, удовлетворяющие определенным сочетаниям свойств.Частичный порядок – это рефлексивное, антисимметричное и транзитивное отношение. Отношение эквивалентности — это отношение, которое является рефлексивным, симметричным и транзитивным, Функция — это отношение , уникальное справа и тотальное слева (см. ниже ).

Поскольку отношения представляют собой множества, ими можно манипулировать с помощью операций над множествами, включая объединение , пересечение и дополнение , что приводит к алгебре множеств . Кроме того, исчисление отношений включает в себя операции взятия обратных и составления отношений .

Вышеупомянутая концепция отношения был обобщен, чтобы допустить отношения между членами двух разных множеств ( гетерогенное отношение , такое как « лежащее на » между множеством всех точек и множеством всех линий в геометрии), отношения между тремя или более множествами ( конечное отношение , такое как «человек x живет в городе y в момент времени z " ) и отношения между классами (например, « является элементом » в классе всех множеств, см. Бинарное отношение § Наборы и классы ).

Определение

Для данного множества X отношение R над X представляет собой набор упорядоченных пар элементов из X , формально: R ⊆ { ( x , y ) | Икс , у ∈ Икс } .

Утверждение ( x , y ) ∈ R читается как « x R - связано с y » и записывается в инфиксной записи как xRy . Порядок элементов важен; если x ≠ y , то yRx может быть истинным или ложным независимо от xRy . Например, 3 делит 9 , но 9 не делит 3 .

Представление отношений

Представление отношения R el знак равно { ( Икс , y ) ∈ R × R | х 2 + ху + у 2 = 1 }, поскольку 2D-график дает эллипс .

и х	1	2	3	4	6	12
1
2
3
4
6
12
Представление R div как булева матрица

Представление R div в виде диаграммы Хассе (черные линии) и ориентированного графа (все линии)

Отношение R на конечном множестве X можно представить как:

• Ориентированный граф : каждый член X соответствует вершине; направленное ребро из x в y существует тогда и только тогда, когда x , y ) ∈ R. (
• Булева матрица : члены X расположены в некоторой фиксированной последовательности x ₁ , ..., x _n ; матрица имеет размеры n × n , причем элемент в строке i , столбце j равен , если ( x _i , x _j ) ∈ R , и , в противном случае.
• 2D-график : В качестве обобщения булевой матрицы отношение на –бесконечном– множестве может R действительных чисел быть представлено в виде двумерной геометрической фигуры: используя декартовы координаты , нарисуйте точку в ( x , y ) всякий раз, когда ( Икс , у ) ∈ р .

Переходный отношение R на конечном множестве X можно также представить как

• Диаграмма Хассе : каждый член X соответствует вершине; направленные ребра рисуются так, что направленный путь от x до y существует тогда и только тогда, когда ( x , y ) ∈ R . По сравнению с представлением в виде ориентированного графа, диаграмме Хассе требуется меньше ребер, что приводит к менее запутанному изображению. Поскольку отношение « существует направленный путь от x до y » транзитивно, в диаграммах Хассе могут быть представлены только транзитивные отношения. Обычно диаграмма строится так, что все ребра направлены вверх, а стрелки опущены.

Например, на множестве всех делителей числа 12 определите отношение R _div следующим образом:

x R _div y, если x — делитель y и x ≠ y .

Формально X = { 1, 2, 3, 4, 6, 12 } и R _div = { (1,2), (1,3), (1,4), (1,6), (1,12). ), (2,4), (2,6), (2,12), (3,6), (3,12), (4,12), (6,12) } .Представление R _div в виде булевой матрицы показано в средней таблице; представление как в виде диаграммы Хассе, так и в виде ориентированного графа показано на левом рисунке.

Следующие действия эквивалентны:

• x R _div y верно.
• ( Икс , y ) ∈ р _дел .
• Путь от x до y существует в диаграмме Хассе, представляющей R _div .
• Ребро от x до y существует в ориентированном графе, представляющем R _div .
• В логической матрице, представляющей R _div , элемент в строке x и столбце y равен " ".

В качестве другого примера определите отношение R _el на R следующим образом:

x R _el y, если x ² + ху + у ² = 1 .

Представление R _el в виде 2D-графика имеет форму эллипса, см. рисунок справа. Поскольку R не конечно, ни ориентированный граф, ни конечная булева матрица, ни диаграмма Хассе не могут быть использованы для изображения R _эл .

Свойства отношений

Некоторые важные свойства, которыми может обладать отношение R над множеством X :

Рефлексивный

для всех x ∈ X , xRx . Например, ≥ — рефлексивное отношение, а > — нет.

Иррефлексивный (или строгий )

для всех x ∈ X , а не xRx . Например, > — иррефлексивное отношение, а ≥ — нет.

Предыдущие 2 альтернативы не являются исчерпывающими; например, красное соотношение y = x ² приведенная на диаграмме ниже, не является ни иррефлексивной, ни рефлексивной, поскольку 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, поскольку 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; то же самое и > , 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, > является асимметричным отношением, а ≥ – нет.

Опять же, предыдущие три альтернативы далеко не исчерпывающие; Например, отношение xRy , определяемое x > 2, не является ни симметричным (например, 5 R 1 , но не 1 R 5 ), ни антисимметричным (например, 6 R 4 , но также 4 R 6 ), не говоря уже о 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.

Подключено

для всех x , y ∈ X , если x ≠ y, то xRy или yRx . Например, в натуральных числах < связно, а " является делителем " - нет (например, ни 5 R 7 , ни 7 R 5 ).

Сильно связаны

для всех x , y ∈ X , xRy или yRx . Например, в натуральных числах ≤ сильно связен, а < нет. Отношение является сильно связным тогда и только тогда, когда оно связно и рефлексивно.

Примеры четырех типов отношений над действительными числами : один-к-одному (зеленый), один-ко-многим (синий), многие-к-одному (красный), многие-ко-многим (черный). . Используется представление 2D-графика.

Свойства уникальности:

инъективный (также называемый уникальным слева )

Для всех x , y , z ∈ X , если xRy и zRy , то x = z . Например, зеленое и синее отношения на диаграмме являются инъективными, а красное - нет (поскольку оно связывает как -1 , так и 1 с 1 ), а также черное (поскольку оно связывает и -1 , и 1 с 0 ). .

Функциональный (также называемый уникальным по праву , правоопределенный или одновалентный )

Для всех x , y , z ∈ X , если xRy и xRz, то y = z . Такое отношение называется частичной функцией . Например, красные и зеленые отношения на диаграмме являются функциональными, а синие — нет (поскольку они связывают 1 как с −1, так и с 1 ), а также не являются черными (поскольку они связывают 0 как с —1, так и с 1). .

Свойства совокупности:

Серийный (также называемый общим или левым итогом )

Для всех x ∈ X существует такой y ∈ X , что xRy . Такое отношение называется многозначной функцией . Например, красные и зеленые отношения на диаграмме являются полными, а синее — нет (поскольку оно не соотносит −1 с каким-либо действительным числом), а также не является черным (поскольку оно не соотносит 2 ни с каким действительным числом). ). Другой пример: > — это последовательное отношение к целым числам. нет такого y Но это не серийное отношение к положительным целым числам, потому что среди положительных целых чисел , что 1 > y . Однако < является последовательным отношением к положительным целым числам, рациональным числам и действительным числам. Каждое рефлексивное отношение является серийным: для данного x выберите y = x .

Сюръективный (также называемый правом тоталом или на )

Для всех y ∈ Y существует x ∈ X такой, что xRy . Например, зелёное и синее отношения на диаграмме являются сюръективными, а красное — нет (поскольку оно не связывает ни одно действительное число с −1 ), а также чёрное (поскольку оно не связывает ни одно действительное число с 2) . ).

Комбинации свойств

Отношения по собственности скрывать

	Рефлексивность	Симметрия	Транзитивность	Связность	Пример
Частичный заказ	Рефл	Антисим	Да		Подмножество
Строгий частичный порядок	Иррефл	Асим	Да		Строгое подмножество
Общий заказ	Рефл	Антисим	Да	Да	Алфавитный порядок
Строгий общий порядок	Иррефл	Асим	Да	Да	Строгий алфавитный порядок
Отношение эквивалентности	Рефл	Сим	Да		Равенство

Отношения, которые удовлетворяют определенным комбинациям вышеперечисленных свойств, особенно полезны и поэтому получили собственные имена.

Отношение эквивалентности

Отношение, которое является рефлексивным, симметричным и транзитивным. Это также отношение симметричное, транзитивное и серийное, поскольку эти свойства предполагают рефлексивность.

Заказы:

Частичный заказ

Отношение, которое является рефлексивным, антисимметричным и транзитивным.

Строгий частичный порядок

Отношение, которое является иррефлексивным, асимметричным и транзитивным.

Общий заказ

Отношение рефлексивное, антисимметричное, транзитивное и связное.

Строгий общий порядок

Отношение, которое является иррефлексивным, асимметричным, транзитивным и связным.

Свойства уникальности:

Один к одному

Инъективный и функциональный. Например, зеленое отношение на диаграмме взаимно однозначное, а красное, синее и черное — нет.

Один ко многим

Инъективный и не функциональный. Например, синее отношение на диаграмме является отношением «один ко многим», а красное, зеленое и черное — нет.

Многие к одному

Функциональный и не инъективный. Например, красное отношение на диаграмме является отношением многие-к-одному, а зеленое, синее и черное — нет.

Многие ко многим

Не инъективный и не функциональный. Например, черное отношение на диаграмме является отношением многие-ко-многим, а красное, зеленое и синее — нет.

Свойства уникальности и совокупности:

Функция ​

Отношение функциональное и тотальное. Например, красные и зеленые отношения на диаграмме являются функциями, а синие и черные — нет.

Инъекция ​

Функция, которая является инъективной. Например, зеленое отношение на диаграмме является инъекцией, а красное, синее и черное — нет.

Сюръекция ​

Функция, которая является сюръективной. Например, зеленое отношение на диаграмме является сюръекцией, а красное, синее и черное — нет.

Биекция ​

Функция, которая является инъективной и сюръективной. Например, зеленое отношение на диаграмме является биекцией, а красное, синее и черное — нет.

Операции над отношениями

Союз

Если R и S — отношения над X, то R ∪ S знак равно { ( Икс , y ) | xRy или xSy } это объединения отношение R и S. — Элементом идентификации этой операции является пустое отношение. Например, ≤ — это объединение < и = , а ≥ — это объединение > и = .

Пересечение

Если R и S — отношения над X , то R ∩ S знак равно { ( x , y ) | xRy и xSy } это пересечения R — и S. отношение Элементом идентичности этой операции является универсальное отношение. Например, «является младшей картой той же масти, что» является пересечением «является младшей картой, чем» и «принадлежит той же масти, что и».

Состав

Если R и S являются отношениями над X , то S ∘ R знак равно { ( Икс , z ) | существует y ∈ X такой, что xRy и ySz } также обозначаемый R ; S является относительным произведением R ( и S. ) Элементом идентичности является отношение идентичности. Порядок R и S в обозначениях S ∘ R , используемых здесь, соответствует стандартному порядку обозначений композиции функций . Например, композиция «является матерью» ∘ «является родителем» дает «является бабушкой и дедушкой по материнской линии», а композиция «является родителем» ∘ «является матерью» дает «является бабушкой». В первом случае, если x является родителем y , а y является матерью z , то x является прародителем z по материнской линии .

Конверсы

Если R — отношение над множествами X и Y, то R ^Т знак равно { ( у , Икс ) | xRy } — отношение R Y над X и . обратное Например, = является обратным самому себе, как и ≠ , а < и > являются обратными друг другу, как и ≤ и ≥ .

Дополнить

Если R — отношение над X, то R знак равно { ( x , y ) | x , y ∈ X , а не xRy } также обозначаемый R или ¬R ) является дополнительным отношением R. ( Например, = и ≠ являются дополнением друг друга, как и ⊆ и ⊈ , ⊇ и ⊉ , а также ∈ и ∉ , а для полных порядков также < и ≥ , и > и ≤ . Дополнение обратного отношения R ^Т является обратным дополнению: ${\overline {R^{\mathsf {T}}}}={\bar {R}}^{\mathsf {T}}.$

Ограничение

Если R — отношение над X , а S — подмножество X , то R _{| S} знак равно { ( Икс , y ) | xRy и x , y ∈ S } — это ограничения отношение R к S . Выражение Р _{| S} знак равно { ( Икс , y ) | xRy и x ∈ S } — это левого ограничения отношение R к S ; выражение Р ^{| С} знак равно { ( Икс , у ) | xRy и y ∈ S } называется правоограниченное R S к . отношение Если отношение является рефлексивным , иррефлексивным, симметричным , антисимметричным , асимметричным , транзитивным , полным , трихотомическим , частичным порядком , полным порядком , строгим слабым порядком , полным предпорядком (слабый порядок) или отношением эквивалентности , то такими же являются и его ограничения. Однако транзитивное замыкание ограничения является подмножеством ограничения транзитивного замыкания, т. е., вообще говоря, не равно. Например, ограничение отношения « x является родителем y » женщинами приводит к отношению « x — мать женщины y »; его транзитивное замыкание не связывает женщину с ее бабушкой по отцовской линии. С другой стороны, транзитивное замыкание «является родителем» есть «является предком»; его ограничение на женщин действительно связывает женщину с ее бабушкой по отцовской линии.

Отношение R над множествами X и Y называется содержится в отношении S над X и Y , записанном R ⊆ S , если R является подмножеством S , то есть для всех x ∈ X и y ∈ Y , если xRy , то xSy . Если R содержится в S а S содержится в R , то R и S называются равными и пишут R = S. , Если R содержится в S , но S не содержится в R , то R называется меньше чем S , пишется R ⊊ S. , Например, для рациональных чисел отношение > меньше, чем ≥ , и равно композиции > ∘ > .

Теоремы об отношениях

• Отношение асимметрично тогда и только тогда, когда оно антисимметрично и иррефлексивно.
• Транзитивное отношение иррефлексивно тогда и только тогда, когда оно асимметрично.
• Отношение рефлексивно тогда и только тогда, когда его дополнение иррефлексивно.
• Отношение является сильно связным тогда и только тогда, когда оно связно и рефлексивно.
• Отношение равно обратному тогда и только тогда, когда оно симметрично.
• Отношение связно тогда и только тогда, когда его дополнение антисимметрично.
• Отношение является сильно связным тогда и только тогда, когда его дополнение асимметрично.
• Если отношение R содержится в отношении S , то
  • Если R рефлексивно, связно, сильно связно, тотально слева или тотально справа, то то же самое относится и к S .
  • Если S иррефлексивно, асимметрично, антисимметрично, уникально слева или уникально справа, то и R таким же является .
• Отношение является рефлексивным, иррефлексивным, симметричным, асимметричным, антисимметричным, связным, сильно связным и транзитивным, если обратное отношение соответственно.

Примеры

• Орденские отношения , в том числе строгие приказы :
  • Больше, чем
  • Больше или равно
  • Меньше, чем
  • Меньше или равно
  • Делит (равномерно)
  • Подмножество ​
• Отношения эквивалентности :
  • Равенство
  • Параллельно с (для аффинных пространств )
  • Находится в биекции с
  • изоморфный
• Отношение толерантности — рефлексивное и симметричное отношение:
  • Отношение зависимости , конечное отношение допуска.
  • Отношение независимости — дополнение к некоторому отношению зависимости.
• Родственные отношения

Обобщения

Вышеупомянутая концепция отношения была обобщена, чтобы допустить отношения между членами двух разных множеств.Учитывая множества X и Y , гетерогенное отношение R над X и Y является подмножеством { ( x , y ) | Икс € Икс , у € Y } . Когда X = Y , получается описанная выше концепция отношения; его часто называют гомогенным отношением (или эндореляцией ) отличить его от его обобщения.Вышеупомянутые свойства и операции, отмеченные " " и " ", соответственно, обобщают на гетерогенные отношения.Примером гетерогенного отношения является «океан x граничит с континентом y ».Наиболее известными примерами являются функции с отдельными доменами и диапазонами, например sqrt : N → R ₊ .

См. также

• Структура инцидентности , неоднородное отношение между набором точек и линий.
• Теория порядка исследует свойства отношений порядка.
• Алгебра отношений

Библиография

• Лучший, Эйке (1996). Семантика последовательных и параллельных программ . Прентис Холл. ISBN  978-0-13-460643-9 .
• Кодд, Эдгар Франк (июнь 1970 г.). «Реляционная модель данных для больших общих банков данных» (PDF) . Коммуникации АКМ . 13 (6): 377–387. дои : 10.1145/362384.362685 . S2CID   207549016 . Проверено 29 апреля 2020 г.
• Кодд, Эдгар Франк (1990). Реляционная модель управления базами данных: версия 2 (PDF) . Бостон: Аддисон-Уэсли . ISBN  978-0201141924 .
• Эндертон, Герберт (1977). Элементы теории множеств . Бостон: Академическая пресса . ISBN  978-0-12-238440-0 .
• Флашка, В.; Ежек, Дж.; Кепка, Т.; Кортелайнен, Дж. (2007). Транзитивные замыкания бинарных отношений I (PDF) . Прага: Школа математики – Физика Карлова университета. Архивировано из оригинала (PDF) 2 ноября 2013 г.
• Халмос, Пол Р. (1968). Наивная теория множеств . Принстон: Ностранд.
• Килп, Мати; Кнауэр, Ульрих; Михалев, Александр (2000). Моноиды, акты и категории: с приложениями к сплетенным произведениям и графам . Берлин: Де Грюйтер . ISBN  978-3-11-015248-7 .
• Мэс, Стефан (2007), «Рассуждения об ограничениях пространственной семантической целостности», Теория пространственной информации: 8-я Международная конференция, COSIT 2007, Мельбурн, Австралия, 19–23 сентября, Труды , Конспекты лекций по информатике, том. 4736, Springer, стр. 285–302, номер документа : 10.1007/978-3-540-74788-8_18.
• Мюллер, Мэн (2012). Открытие реляционных знаний . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-19021-3 .
• Нивергельт, Ив (2002), Основы логики и математики: приложения к информатике и криптографии , Springer-Verlag
• Паль, Питер Дж.; Дамрат, Рудольф (2001). Математические основы вычислительной техники: Справочник . Springer Science & Business Media. ISBN  978-3-540-67995-0 .
• Пирс, Чарльз Сандерс (1873). «Описание обозначений логики родственников, возникающее в результате расширения представлений о логическом исчислении Буля» . Мемуары Американской академии искусств и наук . 9 (2): 317–178. Бибкод : 1873MAAAS...9..317P . дои : 10.2307/25058006 . hdl : 2027/hvd.32044019561034 . JSTOR   25058006 . Проверено 5 мая 2020 г.
• Риман, Роберт-Кристоф (1999). Моделирование параллельных систем: структурные и семантические методы в исчислении сетей Петри высокого уровня . Герберт Утц Верлаг. ISBN  978-3-89675-629-9 .
• Розенштейн, Джозеф Г. (1982), Линейные порядки , Academic Press, ISBN  0-12-597680-1
• Шмидт, Гюнтер (2010). Реляционная математика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-0-521-76268-7 .
• Шмидт, Гюнтер ; Стрёлейн, Томас (1993). Отношения и графики: дискретная математика для компьютерщиков . Берлин: Шпрингер. ISBN  978-3-642-77970-1 .
• Смит, Дуглас; Эгген, Морис; Сент-Андре, Ричард (2006), Переход к высшей математике (6-е изд.), Брукс / Коул, ISBN  0-534-39900-2
• Ван Гастерен, Антонетта (1990). О форме математических аргументов . Берлин: Шпрингер. ISBN  9783540528494 .
• Яо, ГГ; Вонг, СКМ (1995). «Обобщение грубых наборов с использованием связей между значениями атрибутов» (PDF) . Материалы 2-й ежегодной совместной конференции по информационным наукам : 30–33.