Слабая упорядоченность

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
(Перенаправлено с «Общего предзаказа »)
Транзитивные   бинарные отношения
Symmetric Antisymmetric Connected Well-founded Has joins Has meets Reflexive Irreflexive Asymmetric
Total, Semiconnex Anti-
reflexive
Equivalence relation Green tickY Green tickY
Preorder (Quasiorder) Green tickY
Partial order Green tickY Green tickY
Total preorder Green tickY Green tickY
Total order Green tickY Green tickY Green tickY
Prewellordering Green tickY Green tickY Green tickY
Well-quasi-ordering Green tickY Green tickY
Well-ordering Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
Lattice Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
Join-semilattice Green tickY Green tickY Green tickY
Meet-semilattice Green tickY Green tickY Green tickY
Strict partial order Green tickY Green tickY Green tickY
Strict weak order Green tickY Green tickY Green tickY
Strict total order Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
Symmetric Antisymmetric Connected Well-founded Has joins Has meets Reflexive Irreflexive Asymmetric
Definitions, for all and
Green tickY indicates that the column's property is always true the row's term (at the very left), while indicates that the property is not guaranteed in general (it might, or might not, hold). For example, that every equivalence relation is symmetric, but not necessarily antisymmetric, is indicated by Green tickY in the "Symmetric" column and in the "Antisymmetric" column, respectively.

All definitions tacitly require the homogeneous relation be transitive: for all if and then
A term's definition may require additional properties that are not listed in this table.

Слабый порядок на съемочной площадке где находится в рейтинге ниже и и имеют одинаковый ранг и занимает место выше и
I) представление как строгий слабый порядок где отображается стрелкой от к ;
II) представление в виде тотального предзаказа показано стрелками;
III) представление в виде упорядоченного разбиения, множества которого представлены в виде пунктирных эллипсов, а полный порядок на этих множествах показан стрелками.
13 возможных строгих слабых упорядочений набора из трех элементов Единственные общие заказы показаны черным цветом. Два порядка соединяются ребром, если они отличаются одной дихотомией.

В математике , особенно в теории порядка , слабый порядок — это математическая формализация интуитивного понятия ранжирования множества , связаны некоторые из членов которого могут быть друг с другом. Слабые порядки представляют собой обобщение полностью упорядоченных множеств (рангов без связей) и, в свою очередь, обобщаются (строго) частично упорядоченными множествами и предварительными порядками . [1]

Существует несколько распространенных способов формализации слабого упорядочения, которые отличаются друг от друга, но являются криптоморфными (взаимоконвертируемыми без потери информации): их можно аксиоматизировать как строгие слабые упорядочения (строго частично упорядоченные множества, в которых несравнимость является транзитивным отношением ), как полные предварительные порядки (транзитивные бинарные отношения, в которых между каждой парой элементов существует хотя бы одно из двух возможных отношений) или в виде упорядоченных разделов ( разделение элементов на непересекающиеся подмножества вместе с общим порядком на подмножествах). другое представление, называемое преференциальным соглашением , основанным на функции полезности Во многих случаях возможно и .

Слабые порядки подсчитываются по упорядоченным числам Белла . Они используются в информатике как часть алгоритмов уточнения разделов и в стандартной библиотеке C++ . [2]

Примеры [ править ]

В скачках использование фотофиниша устранило некоторые, но не все, ничьи или (как их называют в этом контексте) ничьи , поэтому результат скачек можно смоделировать с помощью слабого порядка. [3] В примере с бегом с препятствиями на Кубок Мэриленда по охоте в 2007 году Брюс был явным победителем, но две лошади Баг Ривер и Лир Чарм разделили второе место, а остальные лошади отстали; три лошади не финишировали. [4] В слабом порядке, описывающем этот результат, Брюс будет первым, Баг Ривер и Лир Чарм будут ранжироваться после Брюса, но перед всеми другими лошадьми, которые финишировали, а три лошади, которые не финишировали, будут помещены последними в порядке, но связаны друг с другом.

Точки евклидовой плоскости можно упорядочить по их расстоянию от начала координат , что дает еще один пример слабого упорядочения с бесконечным количеством элементов, бесконечным множеством подмножеств связанных элементов (наборов точек, принадлежащих общему кругу с центром в начале координат). , и бесконечно много точек внутри этих подмножеств. Хотя это упорядочение имеет наименьший элемент (само начало координат), в нем нет ни вторых наименьших элементов, ни какого-либо самого большого элемента.

Опросы общественного мнения на политических выборах представляют собой пример такого порядка, который напоминает слабый порядок, но лучше моделируется математически другими способами. В результатах опроса один кандидат может явно опережать другого, или два кандидата могут быть статистически равны, что означает не то, что их результаты опроса равны, а, скорее, то, что они находятся в пределах погрешности друг друга. Однако, если кандидат статистически связано с и статистически связано с это все еще возможно для быть явно лучше, чем поэтому связь в данном случае не является транзитивным отношением . Из-за этой возможности рейтинги этого типа лучше моделировать как полупорядки , чем как слабые порядки. [5]

Аксиоматизации [ править ]

Предположим, что на протяжении всего этого однородное бинарное отношение на множестве (то есть, является подмножеством ) и как обычно пишите и скажи это выполняется или истинно тогда и только тогда, когда

Строгие слабые порядки [ править ]

Предварительные сведения о несравнимости и транзитивности несравнимости

Два элемента и из считаются несравнимыми по отношению к если ни то, ни другое ни правда. [1] Строгий частичный порядок является строгим слабым упорядочением тогда и только тогда, когда несравнимы по является отношением эквивалентности . Несравнимость по отношению к всегда является однородным симметричным отношением на Оно рефлексивно тогда и только тогда, когда является иррефлексивным (это означает, что всегда ложно), что будет предполагаться таким образом, что транзитивность — единственное свойство, необходимое этому «отношению несравнимости», чтобы быть отношением эквивалентности .

Определим также индуцированное однородное соотношение на заявив, что

и, что важно, это определение не обязательно совпадает с: если и только если Два элемента несравнимы по отношению к если и только если эквивалентны относительно (или менее многословно, -эквивалент ), что по определению означает, что оба верны. Отношение «несравнимы по отношению к Таким образом, идентично (то есть равно) отношению «являются -эквивалентен» (поэтому, в частности, первое транзитивно тогда и только тогда, когда транзитивно второе). Когда иррефлексивно, то свойство, известное как « транзитивность несравнимости » (определенное ниже), является именно тем условием, которое необходимо и достаточно для того, чтобы гарантировать, что отношение «является иррефлексивным». -эквивалент» действительно образует отношение эквивалентности на В этом случае он позволяет любым двум элементам удовлетворяющий идентифицироваться как единый объект (в частности, они идентифицируются вместе в их общем классе эквивалентности ).

Определение

Строгая слабая упорядоченность множества. это строгий частичный порядок на для которого соотношение несравнимости, индуцированное на к является транзитивным отношением . [1] Явно, строгий слабый приказ по это однородное отношение на который обладает всеми четырьмя из следующих свойств:

  1. Иррефлексивность : для всех это неправда, что
    • Это условие выполняется тогда и только тогда, когда индуцированное соотношение на является рефлексивным , где определяется, заявляя, что верно тогда и только тогда, когда является ложным .
  2. Транзитивность : для всех если затем
  3. Асимметрия : для всех если тогда это правда является ложным.
  4. Транзитивность несравнимости : Для всех если несравнимо с (это означает, что ни ни верно) и если несравнимо с затем несравнимо с
    • Два элемента несравнимы по отношению к тогда и только тогда, когда они эквивалентны относительно индуцированного отношения (что по определению означает, что оба верны), где, как и прежде, объявляется истинным тогда и только тогда, когда является ложным. Таким образом, это условие выполняется тогда и только тогда, когда симметрическое соотношение на определяется " эквивалентны относительно «является транзитивным отношением, означающим, что всякий раз, когда являются -эквивалентно, а также являются -эквивалентно, то обязательно являются -эквивалент. Это также можно переформулировать так: всякий раз, когда а также тогда обязательно

Свойства (1), (2) и (3) являются определяющими свойствами строгого частичного порядка, хотя в этом списке есть некоторая избыточность, поскольку асимметрия (3) подразумевает иррефлексивность (1), а также потому, что иррефлексивность (1) и транзитивность (2) вместе влечет за собой асимметрию (3). [6] Отношение несравнимости всегда симметрично и будет рефлексивным тогда и только тогда, когда является иррефлексивным отношением (что предполагается по приведенному выше определению). Следовательно, строгий частичный порядок является строгим слабым порядком тогда и только тогда, когда его индуцированное отношение несравнимости является отношением эквивалентности . В этом случае его классы эквивалентности разбиваются и более того, набор из этих классов эквивалентности могут быть строго полностью упорядочены с помощью бинарного отношения , также обозначаемого это определено для всех к:

для некоторых (или, что то же самое, для всех) представителей

И наоборот, любой строгий общий порядок в разделе из приводит к строгому слабому упорядочению на определяется тогда и только тогда, когда существуют множества в этом разделе так, что

Не всякий частичный порядок подчиняется переходному закону несравнимости. Например, рассмотрим частичный порядок в множестве определяется отношением Пары несравнимы, но и связаны, поэтому несравнимость не образует отношения эквивалентности, и этот пример не является строгим слабым упорядочением.

Для транзитивности несравнимости каждое из следующих условий необходимо , а для строгих частичных порядков и достаточно :

  • Если тогда для всех или или оба.
  • Если несравнимо с тогда для всех , или ( ) или ( ) или ( несравнимо с и несравнимо с ).

Всего предзаказов [ править ]

Строгие слабые порядки очень тесно связаны с полными предварительными порядками или (нестрогими) слабыми порядками , и те же математические концепции, которые можно смоделировать с помощью строгих слабых порядков, могут быть смоделированы одинаково хорошо с полными предварительными порядками. Полный предварительный порядок или слабый порядок — это предварительный порядок , в котором любые два элемента сравнимы. [7] Полный предзаказ удовлетворяет следующим свойствам:

  • Транзитивность : для всех если затем
  • Сильная связь : для всех
    • Что подразумевает рефлексивность : для всех

Полный порядок — это полный предварительный порядок, который антисимметричен, другими словами, который также является частичным порядком . Общие предварительные заказы иногда также называют отношениями предпочтения .

Дополнением строгого слабого порядка является тотальный предварительный порядок, и наоборот, но кажется более естественным связать строгие слабые порядки и полные предварительные порядки таким образом, чтобы сохранить , а не изменить порядок элементов. Таким образом, мы принимаем обратное дополнение: для строгого слабого упорядочения определить общий предзаказ установив всякий раз, когда это не так В другом направлении, чтобы определить строгий слабый порядок < из общего предзаказа набор всякий раз, когда это не так [8]

В любом предпорядке существует соответствующее отношение эквивалентности , где два элемента и определяются как эквивалентные , если В случае полного предзаказа соответствующий частичный порядок на множестве классов эквивалентности является полным порядком. Два элемента эквивалентны в полном предпорядке тогда и только тогда, когда они несравнимы в соответствующем строгом слабом порядке.

Упорядоченные разделы [ править ]

Раздел набора представляет собой семейство непустых непересекающихся подмножеств которые имеют как их союз. Раздел вместе с общим порядком на множествах раздела дает структуру, названную Ричардом П. Стэнли . упорядоченным разделом [9] и Теодора Моцкина список наборов . [10] Упорядоченное разбиение конечного множества можно записать как конечную последовательность множеств в разбиении: например, три упорядоченных разбиения множества являются

При строгом слабом упорядочении классы эквивалентности несравнимости дают разбиение множеств, в котором множества наследуют полный порядок от своих элементов, что приводит к упорядоченному разбиению. С другой стороны, любое упорядоченное разбиение порождает строгий слабый порядок, при котором два элемента несравнимы, если они принадлежат одному и тому же множеству в разбиении, а в противном случае наследуют порядок содержащих их множеств.

Представление функциями [ править ]

Для множеств достаточно малой мощности возможна четвертая аксиоматизация, основанная на вещественных функциях. Если любое множество, то функция с действительным знаком на индуцирует строгий слабый порядок на установив

Соответствующий общий предварительный заказ задается установкой и связанную с ним эквивалентность, установив

Отношения не меняются, если заменяется на ( составная функция ), где является строго возрастающей действительной функцией, определенной, по крайней мере, в диапазоне Так, например, функция полезности определяет отношение предпочтения . В этом контексте слабый порядок также известен как преференциальный режим . [11]

Если конечен или счетен, каждый слабый порядок на может быть представлено функцией таким образом. [12] Однако существуют строгие слабые порядки, не имеющие соответствующей реальной функции. такой функции нет Например, для лексикографического порядка на Таким образом, хотя в большинстве моделей отношений предпочтений это отношение определяет функцию полезности с точностью до такой функции не существует преобразований, сохраняющих порядок, для лексикографических предпочтений .

В более общем смысле, если это набор, представляет собой множество со строгим слабым упорядочением и является функцией, то индуцирует строгое слабое упорядочение установив

Как и раньше, соответствующий общий предварительный заказ задается установкой и связанную с ним эквивалентность, установив Здесь не предполагается, что является инъективной функцией , поэтому класс двух эквивалентных элементов на может вызвать более широкий класс эквивалентных элементов на Также, не считается сюръективной функцией , поэтому класс эквивалентных элементов на может вызвать меньший или пустой класс на Однако функция индуцирует инъективную функцию, которая отображает разбиение на к этому на Таким образом, в случае конечных разбиений число классов в меньше или равно количеству классов на

Связанные типы заказа [ править ]

Полупорядки обобщают строгие слабые упорядочения, но не предполагают транзитивности несравнимости. [13] Строгий слабый порядок, который является трихотомическим , называется строгим тотальным порядком . [14] Полный предварительный порядок, который является обратным своему дополнению, в этом случае является полным порядком .

Для строгого слабого порядка другое связанное рефлексивное отношение — это его рефлексивное замыкание , (нестрогий) частичный порядок. Два связанных рефлексивных отношения различаются в зависимости от разных и для чего ни ни : в полном предпорядке, соответствующем строгому слабому порядку, получаем и в то время как в частичном порядке, заданном рефлексивным замыканием, мы не получаем ни ни Для строгих тотальных порядков эти два связанных рефлексивных отношения одни и те же: соответствующий (нестрогий) тотальный порядок. [14] Рефлексивное замыкание строгого слабого порядка — это разновидность последовательно-параллельного частичного порядка .

конечном множестве Все слабые порядки на

Комбинаторное перечисление [ править ]

Количество отдельных слабых заказов (представленных либо как строгие слабые заказы, либо как общее количество предзаказов) на Набор -элементов задается следующей последовательностью (последовательность A000670 в OEIS ):

Количество n -элементных бинарных отношений разных типов
Elem­ents Любой Переходный Рефлексивный Симметричный Предварительный заказ Частичный заказ Общий предзаказ Общий заказ Отношение эквивалентности
0 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 2 2 1 2 1 1 1 1 1
2 16 13 4 8 4 3 3 2 2
3 512 171 64 64 29 19 13 6 5
4 65,536 3,994 4,096 1,024 355 219 75 24 15
н 2 н 2 2 п ( п -1) 2 п ( п +1)/2 н
k =0
k ! S ( n , k )
н ! н
k знак равно 0
S ( п , k )
ОЭИС А002416 А006905 А053763 А006125 А000798 А001035 А000670 А000142 А000110

Обратите внимание, что S ( n , k ) относится к числам Стирлинга второго рода .

Эти числа также называются числами Фубини или упорядоченными числами Белла .

Например, для набора из трех помеченных предметов существует один слабый порядок, в котором все три предмета связаны. Существует три способа разделения элементов на один одиночный набор и одну группу из двух связанных элементов, и каждое из этих разделов дает два слабых порядка (один, в котором одиночный элемент меньше, чем группа из двух, и другой, в котором этот порядок является более строгим). перевернутый), давая шесть слабых ордеров этого типа. И существует единственный способ разбить набор на три одиночных элемента, которые можно полностью упорядочить шестью различными способами. Таким образом, всего по трем позициям имеется 13 различных слабых ордеров.

Структура смежности [ править ]

Пермутоэдр на четырех элементах, трехмерный выпуклый многогранник . Он имеет 24 вершины, 36 ребер и 14 двумерных граней, что вместе со всем трехмерным многогранником соответствует 75 слабым упорядочениям по четырем элементам.

В отличие от частичных порядков, семейство слабых порядков на данном конечном множестве, как правило, не связано ходами, которые добавляют или удаляют одно отношение порядка к данному порядку или из него. Например, для трех элементов порядок, в котором все три элемента связаны, отличается как минимум на две пары от любого другого слабого порядка в том же множестве либо в строгом слабом порядке, либо в аксиоматизации полного предпорядка. Однако возможен и другой вид хода, при котором слабые порядки множества связаны более тесно. Определите дихотомию как слабую упорядоченность с двумя классами эквивалентности и определите дихотомию как совместимую с заданным слабым упорядочением, если каждые два элемента, которые связаны в упорядочении, либо связаны одинаковым образом, либо связаны в дихотомии. Альтернативно, дихотомию можно определить как разрез Дедекинда для слабого упорядочения. Тогда слабый порядок можно охарактеризовать набором совместимых дихотомий. Для конечного набора помеченных элементов каждая пара слабых упорядочений может быть связана друг с другом последовательностью ходов, которые добавляют или удаляют по одной дихотомии за раз в этот набор дихотомий или из него. Более того, Неориентированный граф , вершинами которого являются слабые упорядочения, а ребрами — движения, образует частичный куб . [15]

Геометрически полный порядок данного конечного набора может быть представлен как вершины пермутоэдра , а дихотомии на этом же наборе — как грани пермутоэдра. В этом геометрическом представлении слабые упорядочения на множестве соответствуют граням всех различных измерений пермутоэдра (включая сам пермутоэдр, но не пустое множество как грань). Коразмерность . грани дает число классов эквивалентности в соответствующем слабом порядке [16] В этом геометрическом представлении частичный куб ходов слабых порядков представляет собой граф, описывающий отношение накрытия решетки граней пермутоэдра.

Например, для пермутоэдр на трёх элементах — это всего лишь правильный шестиугольник. Решетка граней шестиугольника (опять же включая сам шестиугольник как грань, но не включая пустое множество) имеет тринадцать элементов: один шестиугольник, шесть ребер и шесть вершин, что соответствует одному полностью связанному слабому упорядочению, шести слабым упорядочениям. с одной ничьей и шестью заказами. График ходов по этим 13 слабым порядкам показан на рисунке.

Приложения [ править ]

Как упоминалось выше, слабые порядки имеют применение в теории полезности. [12] В линейном программировании и других типах задач комбинаторной оптимизации приоритет решений или баз часто задается слабым порядком, определяемым вещественной целевой функцией ; явление связей в этих упорядочениях называется «вырождением», и несколько типов правил разрешения связей использовались для уточнения этого слабого упорядочения до полного упорядочения, чтобы предотвратить проблемы, вызванные вырождением. [17]

Слабые порядки также использовались в информатике , в алгоритмах на основе уточнения разделов для лексикографического поиска в ширину и лексикографического топологического упорядочения . В этих алгоритмах слабый порядок вершин графа (представленный как семейство множеств, разделяющих вершины, вместе с двусвязным списком , обеспечивающим общий порядок множеств) постепенно уточняется в ходе работы алгоритма, в конечном итоге создание общего порядка, который является результатом работы алгоритма. [18]

В стандартной библиотеке C ++ языка программирования типы данных set и multiset сортируют свои входные данные с помощью функции сравнения, которая указывается во время создания экземпляра шаблона и которая, как предполагается, реализует строгий слабый порядок. [2]

См. также [ править ]

  • Сравнимость - свойство элементов, связанных неравенствами.
  • Предварительный порядок - рефлексивное и транзитивное бинарное отношение
  • Слабый компонент - разделение вершин ориентированного графа - эквивалентные подмножества в наименьшем слабом порядке, согласующемся с заданным соотношением.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Перейти обратно: а б с Робертс, Фред; Тесман, Барри (2011), Прикладная комбинаторика (2-е изд.), CRC Press, Раздел 4.2.4 Слабые порядки, стр. стр. 254–256, ISBN.  9781420099836 .
  2. ^ Перейти обратно: а б Джосуттис, Николай М. (2012), Стандартная библиотека C++: учебное пособие и справочник , Аддисон-Уэсли, стр. 469, ISBN  9780132977739 .
  3. ^ де Конинк, Дж. М. (2009), «Эти увлекательные числа» , Американское математическое общество, стр. 4, ISBN  9780821886311 .
  4. ^ Бейкер, Кент (29 апреля 2007 г.), «Брюс держится за победу в Кубке Ханта: Баг Ривер, Лир Чарм финиширует вторым в ничьей» , The Baltimore Sun , заархивировано из оригинала 29 марта 2015 г.
  5. ^ Регенветтер, Мишель (2006), Поведенческий социальный выбор: вероятностные модели, статистические выводы и приложения , Cambridge University Press, стр. 113ff , ISBN  9780521536660 .
  6. ^ Флашка, В.; Ежек, Дж.; Кепка, Т.; Кортелайнен, Дж. (2007), Транзитивные замыкания бинарных отношений I (PDF) , Прага: Школа математики - Карлов университет физики, с. 1, S2CID   47676001 , заархивировано из оригинала (PDF) 06 апреля 2018 г. , Лемма 1.1 (iv). Обратите внимание, что в этом источнике асимметричные отношения называются «строго антисимметричными».
  7. ^ Такое отношение еще называют сильно связным .
  8. ^ Эрготт, Матиас (2005), Многокритериальная оптимизация , Спрингер, предложение 1.9, стр. 10, ISBN  9783540276593 .
  9. ^ Стэнли, Ричард П. (1997), Перечислительная комбинаторика, Vol. 2 , Кембриджские исследования по высшей математике, том. 62, Издательство Кембриджского университета, стр. 62. 297 .
  10. ^ Моцкин, Теодор С. (1971), «Сортировка чисел для цилиндров и других классификационных чисел», Комбинаторика (Proc. Sympos. Pure Math., Том XIX, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес, Калифорния, 1968) , Провиденс, Род-Айленд : Амер. Математика. Соц., стр. 167–176, МР   0332508 .
  11. ^ Гросс, О.А. (1962), «Преференциальные соглашения», The American Mathematical Monthly , 69 (1): 4–8, doi : 10.2307/2312725 , JSTOR   2312725 , MR   0130837 .
  12. ^ Перейти обратно: а б Робертс, Фред С. (1979), Теория измерения с приложениями к принятию решений, коммунальным услугам и социальным наукам , Энциклопедия математики и ее приложений, том. 7, Аддисон-Уэсли, теорема 3.1 , ISBN  978-0-201-13506-0 .
  13. ^ Люс, Р. Дункан (1956), «Полупорядки и теория дискриминации полезности» (PDF) , Econometrica , 24 (2): 178–191, doi : 10.2307/1905751 , JSTOR   1905751 , MR   0078632 .
  14. ^ Перейти обратно: а б Веллеман, Дэниел Дж. (2006), Как это доказать: структурированный подход , Cambridge University Press, стр. 204, ISBN  9780521675994 .
  15. ^ Эппштейн, Дэвид ; Фальмань, Жан-Клод ; Овчинников, Сергей (2008), Теория медиа: междисциплинарная прикладная математика , Springer, раздел 9.4, Слабые порядки и кубические комплексы, стр. 188–196 .
  16. ^ Циглер, Гюнтер М. (1995), Лекции по многогранникам , Тексты для аспирантов по математике, том. 152, Спрингер, с. 18 .
  17. ^ Хватал, Вашек (1983), Линейное программирование , Macmillan, стр. 29–38, ISBN  9780716715870 .
  18. ^ Хабиб, Мишель; Пол, Кристоф; Вьенно, Лоран (1999), «Методы уточнения разделов: интересный набор алгоритмических инструментов», International Journal of Foundations of Computer Science , 10 (2): 147–170, doi : 10.1142/S0129054199000125 , MR   1759929 .