Слабая упорядоченность
В математике , особенно в теории порядка , слабый порядок — это математическая формализация интуитивного понятия ранжирования множества , некоторые из членов которого могут быть связаны 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 слабых упорядочений, 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
[ редактировать ]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 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Предварительные сведения о несравнимости и транзитивности несравнимости
Два элемента и из считаются несравнимыми по отношению к если ни то, ни другое ни это 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: тогда и только тогда, когда Два элемента несравнимы по отношению к тогда и только тогда, когда 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 в точности тем условием, которое необходимо и достаточно для того, чтобы гарантировать, что отношение «является -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:
- 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 .
- Транзитивность : для всех если затем
- Асимметрия : для всех если тогда это правда является ложным.
- Транзитивность несравнимости : Для всех если несравнимо с (это означает, что ни ни это правда) 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 отношение 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) влечет за собой 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
[ редактировать ]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 тотальные 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.
Заказанные разделы
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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, когда 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
Сопутствующие виды заказа
[ редактировать ]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 .
Все слабые порядки на конечном множестве
[ редактировать ]Комбинаторное перечисление
[ редактировать ]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 ):
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 к = 0 к ! С ( п , к ) | н ! | ∑ н k =0 S ( n , 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
[ редактировать ]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, связанные 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 слабого упорядочения 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 трех 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
[ редактировать ]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 действительной 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 уточнения разделов алгоритмах 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 языка C++ 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
[ редактировать ]- 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
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Робертс, Фред; Тесман, Барри (2011), Прикладная комбинаторика (2-е изд.), CRC Press, раздел 4.2.4 Слабые порядки, стр. 254–256, ISBN 9781420099836 .
- ^ Перейти обратно: а б Джосуттис, Николай М. (2012), Стандартная библиотека C++: учебное пособие и справочник , Аддисон-Уэсли, стр. 469, ISBN 9780132977739 .
- ^ де Конинк, Дж. М. (2009), Эти увлекательные числа , Американское математическое общество, стр. 4, ISBN 9780821886311 .
- ^ 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.
- ^ Регенветтер, Мишель (2006), Поведенческий социальный выбор: вероятностные модели, статистические выводы и приложения , Cambridge University Press, стр. 113ff , ISBN 9780521536660 .
- ^ 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) 6 апреля 2018 г. , Лемма 1.1 (iv). Обратите внимание, что в этом источнике асимметричные отношения называются «строго антисимметричными».
- ^ Такое отношение еще называют сильно связным .
- ^ Эрготт, Матиас (2005), Многокритериальная оптимизация , Спрингер, предложение 1.9, стр. 10, ISBN 9783540276593 .
- ^ Стэнли, Ричард П. (1997), Перечислительная комбинаторика, Vol. 2 , Кембриджские исследования по высшей математике, том. 62, Издательство Кембриджского университета, с. 297 .
- ^ 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 .
- ^ Гросс, О.А. (1962), «Преференциальные соглашения», The American Mathematical Monthly , 69 (1): 4–8, doi : 10.2307/2312725 , JSTOR 2312725 , MR 0130837 .
- ^ 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 .
- ^ Люс, Р. Дункан (1956), «Полупорядки и теория дискриминации полезности» (PDF) , Econometrica , 24 (2): 178–191, doi : 10.2307/1905751 , JSTOR 1905751 , MR 0078632 .
- ^ Перейти обратно: а б Веллеман, Дэниел Дж. (2006), Как это доказать: структурированный подход , Cambridge University Press, стр. 204, ISBN 9780521675994 .
- ^ 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 .
- ^ Циглер, Гюнтер М. (1995), Лекции по многогранникам , Тексты для аспирантов по математике, том. 152, Спрингер, с. 18 .
- ^ Хватал, Вашек (1983), Линейное программирование , Macmillan, стр. 29–38, ISBN 9780716715870 .
- ^ 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 .