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二元关系

Abstract

掌握:有序对及卡氏积的概念及卡氏积的性质 

掌握:二元关系,A到B的二元关系,A上的二元关系,关系的定义域和值域,关系的逆,关系的合成,关系在集合上的限制,集合在关系下的象等概念,掌握关系的定义域、值域、逆、合成、限制、象等的主要性质  

掌握:关系矩阵与关系图的概念及求法

掌握:集合A上的二元关系的主要性质(自反性,反自反性,对称性,反对称性,传递性)的定义及判别法,对某些关系证明它们有或没有中的性质

掌握:A上二元关系的n次幂的定义及主要性质

掌握A上二元关系的自反闭包、对称闭包、传递闭包的定义及求法

掌握:等价关系、等价类、商集、划分、等概念,以及等价关系与划分之间的对应

掌握:偏序关系、偏序集、哈斯图、最大元、最小元、极大元、极小元、上界、下界、上确界、下确界等概念

二元关系是离散数学中的一个重要概念,它描述了两个集合之间的元素之间的关系。

二元关系是函数与图论的基础理论。

有序对与笛卡尔积

有序对

由两个元素 \(x\) 和 \(y\)(允许 \(x=y\))按一定顺序排列成的二元组叫做一个有序对(ordered pair)或序偶,记作 \(\langle x,y \rangle\),其中 \(x\) 是它的第一元素,\(y\) 是它的第二元素。

有序对的基本性质

  • \(x \neq y\)时,\(\langle x, y \rangle \neq \langle y, x \rangle\)

    Tip

    • 有序对中的元素是有序的

    • 集合中的元素是无序的

  • \(<x, y> = <u,v> \iff (x = u) \land (y = v)\)

笛卡尔积

设 \(A\),\(B\) 为集合,用 \(A\) 中元素为第一元素,\(B\) 中元素为第二元素构成有序对。所有这样的有序对组成的集合叫做 \(A\) 和 \(B\) 的笛卡儿积(Cartesian product),记作 \(A \times B\)。

笛卡儿积的符号化表示为:

\[ A \times B = \{\langle x,y \rangle \mid x \in A \land y \in B\} \]

笛卡尔积的运算性质

  1. 对任意集合A,根据定义有

    \[ A \times \varnothing = \varnothing, \varnothing \times A = \varnothing \]
  2. 一般的说,笛卡儿积运算不满足交换律,即

    \[ A \times B \neq B \times A \quad (当 A \neq \varnothing \land B \neq \varnothing \land A \neq B 时) \]
  3. 笛卡儿积运算不满足结合律,即

    \[ (A \times B) \times C \neq A \times (B \times C) \quad (当 A \neq \varnothing \land B \neq \varnothing \land C \neq \varnothing 时) \]
  4. 笛卡儿积运算对并和交运算满足分配律,即

    \[ A \times (B \cup C) = (A \times B) \cup (A \times C) \]
    \[ (B \cup C) \times A = (B \times A) \cup (C \times A) \]
    \[ A \times (B \cap C) = (A \times B) \cap (A \times C) \]
    \[ (B \cap C) \times A = (B \times A) \cap (C \times A) \]
  5. \(A \subseteq C \land B \subseteq D \Rightarrow A \times B \subseteq C \times D\)

n阶笛卡尔积

设 \(A_1, A_2, ..., A_n\) 为 \(n\) 个集合(\(n \geq 2\)),则 \(A_1 \times A_2 \times ... \times A_n\) 叫做 \(A_1, A_2, ..., A_n\) 的 \(n\) 阶笛卡尔积,记作 \(A_1 \times A_2 \times ... \times A_n\)。其中:

\[ A_1 \times A_2 \times ... \times A_n = \{\langle x_1, x_2, ..., x_n \rangle \mid x_1 \in A_1, x_2 \in A_2, ..., x_n \in A_n\} \]

当 \(A_1 = A_2 = ... = A_n = A\) 时,它们的 \(n\) 阶笛卡尔积可简记作 \(A^n\)。

Example

设 \(A = \{a, b\}\),则

\[ A^3 = A \times A \times A = \{\langle a, a, a \rangle, \langle a, a, b \rangle, \langle a, b, a \rangle, \langle a, b, b \rangle, \langle b, a, a \rangle, \langle b, a, b \rangle, \langle b, b, a \rangle, \langle b, b, b \rangle\} \]

二元关系的定义和表示

如果一个集合满足以下条件之一:

  1. 集合非空,且它的元素都是有序对

  2. 集合是空集

则称该集合为一个二元关系,记作 \(R\)。二元关系也可简称为关系。

对于二元关系 \(R\),如果 \(\langle x,y \rangle \in R\),可记作 \(xRy\);如果 \(\langle x,y \rangle \notin R\),则记作 \(x\not{R}y\)。

Example

设 \(R_1 = \{\langle 1,2 \rangle, \langle a,b \rangle\}\),\(R_2 = \{\langle 1,2 \rangle, a,b\}\)。

则 \(R_1\) 是二元关系,\(R_2\) 不是二元关系,只是一个集合,除非将 \(a\) 和 \(b\) 定义为有序对。

根据上面的记法可以写 \(1R_12\),\(aR_1b\),\(a\not{R_1}c\) 等。

集合到集合的二元关系

设 \(A\),\(B\) 为集合,\(A \times B\) 的任何子集所定义的二元关系叫做从 \(A\) 到 \(B\) 的二元关系;特别当 \(A = B\) 时,则叫做 \(A\) 上的二元关系。

Example

\(A = \{0,1\}\),\(B = \{1,2,3\}\),那么

\[ R_1 = \{\langle 0,2 \rangle\}, R_2 = A \times B, R_3 = \varnothing, R_4 = \{\langle 0,1 \rangle\} \]

等都是从 \(A\) 到 \(B\) 的二元关系,而 \(R_3\) 和 \(R_4\) 同时也是 \(A\) 上的二元关系。

Note

集合 \(A\) 上的二元关系的数目依赖于 \(A\) 中的元素数。

如果 \(|A| = n\),那么 \(|A \times A| = n^2\), \(A \times A\) 的子集就有 \(2^{n^2}\) 个。

每一个子集代表一个 \(A\) 上的二元关系,所以 \(A\) 上有 \(2^{n^2}\) 个不同的二元关系。

例如 \(|A| = 3\),则 \(A\) 上有 \(2^{3^2} = 2^9 = 512\) 个不同的二元关系。

常用的关系

对任意集合A,定义:

  • 全域关系:\(E_A = \{\langle x,y \rangle \mid x \in A \land y \in A\} = A \times A\)

  • 恒等关系:\(I_A = \{\langle x,x \rangle \mid x \in A\}\)

  • 空关系:\(\varnothing\)

  • 小于或等于关系:\(L_A = \{\langle x,y \rangle \mid x,y \in A \land x \leq y\},其中 A \subseteq R\)。

  • 整除关系:\(D_B = \{\langle x,y \rangle \mid x,y \in B \land x | y\},其中 B \subseteq Z^*\),\(Z^*\) 是非零整数集

  • 包含关系:\(R \subseteq = \{\langle x,y \rangle \mid x,y \in A \land x \subseteq y\}\),其中 A 是集合族。

Example

  1. 设 \(A = \{1,2\}\),则

    \[ E_A = \{\langle 1,1 \rangle, \langle 1,2 \rangle, \langle 2,1 \rangle, \langle 2,2 \rangle\} \]
    \[ I_A = \{\langle 1,1 \rangle, \langle 2,2 \rangle\} \]
  2. 设 \(A = \{1,2,3\}\),\(B = \{a,b\}\),则

    \[ L_A = \{\langle 1,1 \rangle, \langle 1,2 \rangle, \langle 1,3 \rangle, \langle 2,2 \rangle, \langle 2,3 \rangle, \langle 3,3 \rangle\} \]
    \[ D_B = \{\langle 1,1 \rangle, \langle 1,2 \rangle, \langle 1,3 \rangle, \langle 2,2 \rangle, \langle 3,3 \rangle\} \]
  3. 令 \(A = P(B) = \{\varnothing, \{a\}, \{b\}, \{a,b\}\}\),则 \(A\) 上的包含关系是

    \[ R \subseteq = \{\langle \varnothing, \varnothing \rangle, \langle \varnothing, \{a\} \rangle, \langle \varnothing, \{b\} \rangle, \langle \varnothing, \{a,b\} \rangle, \langle \{a\}, \{a\} \rangle, \langle \{a\}, \{a,b\} \rangle, \langle \{b\}, \{b\} \rangle, \langle \{b\}, \{a,b\} \rangle, \langle \{a,b\}, \{a,b\} \rangle\} \]

关系的表示方法

关系一般有三种表示方法:

  • 集合表达式

  • 关系矩阵

  • 关系图

关系矩阵和关系图可以表示有穷集合上的关系。

关系矩阵和关系图的实例

其实对数据结构的相关内容(邻接矩阵)有了解的话,会发现这二者的思想其实是高度重合的,包括下面的关系图也是如此。

关系矩阵

设 \(A = \{x_1, x_2, \cdots, x_n\}\),\(R\) 是 \(A\) 上的二元关系,令

\[ r_{ij} = \begin{cases} 1 & \text{if } x_i R x_j \\ 0 & \text{if } x_i \not{R} x_j \end{cases} \]

则 \(R\) 的关系矩阵为:

\[ M_R = \begin{bmatrix} r_{11} & r_{12} & \cdots & r_{1n} \\ r_{21} & r_{22} & \cdots & r_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ r_{n1} & r_{n2} & \cdots & r_{nn} \end{bmatrix} \]

关系图

设 \(A = \{x_1, x_2, \cdots, x_n\}\),\(R\) 是 \(A\) 上的关系。令图 \(G = \langle V,E \rangle\),其中顶点集合 \(V = A\),边集为 \(E\)。对于 \(\forall x_i, x_j \in V\),满足

\[ \langle x_i,x_j \rangle \in E \iff x_i R x_j \]

称图G为R的关系图,记作 \(G_R\)。

关系的运算

关系的定义域、值域和域

设 \(R\) 是二元关系,则:

  1. \(R\) 中所有有序对的第一元素构成的集合称为 \(R\) 的定义域(domain),记为 \(dom R\)。形式化表示为:

    \[ dom R = \{x \mid \exists y (\langle x,y \rangle \in R)\} \]
  2. \(R\) 中所有有序对的第二元素构成的集合称为 \(R\) 的值域(range) ,记作 \(ran R\)。形式化表示为:

    \[ ran R=\{y \mid \exists x (\langle x,y \rangle \in R)\} \]
  3. \(R\) 的定义域和值域的并集称为 \(R\) 的域(field),记作 \(fld R\)。形式化表示为:

    \[ fld R=dom R \cup ran R \]

Example

求 \(R = \{\langle 1,2 \rangle, \langle 1,3 \rangle, \langle 2,4 \rangle, \langle 4,3 \rangle\}\) 的定义域、值域和域。

\[ dom R = \{1,2,4\} \]
\[ ran R = \{2,3,4\} \]
\[ fld R = \{1,2,3,4\} \]

图解法表示二元关系

首先用两个封闭的曲线表示 \(R\) 的定义域(或集合 \(A\))和值域(或集合 \(B\)),如果 \(xRy\),则从 \(x\) 出发,沿着有向边(箭头)到达 \(y\)。

关系的逆、合成、限制和像

  1. 设 \(F\) 为二元关系,\(F\) 的逆关系,简称 \(F\) 的逆(inverse),记作 \(F^{-1}\),其中

    \[ F^{-1} = \{\langle x,y \rangle \mid yFx\} \]
  2. 设 \(F\),\(G\) 为二元关系,\(F\) 与 \(G\) 的合成(composite)记作 \(F \circ G\) (左复合),其中

    \[ F \circ G = \{\langle x,y \rangle \mid \exists z (xGz \land zFy)\} \]
  3. \(F\) 在 \(A\) 上的限制(restriction)记作 \(F\upharpoonright A\),其中

    \[ F\upharpoonright A = \{\langle x,y \rangle \mid xFy \land x \in A\} \]
  4. \(A\) 在 \(F\) 下的像(image)记作 \(F\lbrack A\rbrack\),其中

    \[ F\lbrack A\rbrack = ran(F\upharpoonright A) \]

Example

  1. 设 \(F = \{\langle 3,3 \rangle, \langle 6,2 \rangle\}\),\(G = \{\langle 2,3 \rangle\}\),则

    \[ F^{-1} = \{\langle 3,3 \rangle, \langle 2,6 \rangle\} \]
    \[ F \circ G = \{\langle 2,3 \rangle\} \]
    \[ G \circ F = \{\langle 6,3 \rangle\} \]
  2. 设 \(R = \{\langle 1,2 \rangle, \langle 1,3 \rangle, \langle 2,2 \rangle, \langle 2,4 \rangle, \langle 3,2 \rangle\}\),则

    \[ R\upharpoonright \{1\} = \{\langle 1,2 \rangle, \langle 1,3 \rangle\}, \quad R\upharpoonright \varnothing = \varnothing, \quad R\upharpoonright \{2,3\} = \{\langle 2,2 \rangle, \langle 2,4 \rangle, \langle 3,2 \rangle\} \]
    \[ R\lbrack \{1\}\rbrack = \{2,3\}, \quad R\lbrack \varnothing \rbrack = \varnothing, \quad R\lbrack \{3\}\rbrack = \{2\} \]

Note

  • \(R\) 在 \(A\) 上的限制 \(R\upharpoonright A\) 是 \(R\) 的子关系。

  • \(A\) 在 \(R\) 下的像 \(R\lbrack A\rbrack\) 是 \(ran R\) 的子集。

关系与集合

关系是集合,集合运算对于关系也是适用的。

规定:

  • 关系运算中逆运算优先于其它运算

  • 所有的关系运算都优先于集合运算

  • 优先权的运算以括号决定运算顺序

关系运算的部分定理

  1. 设 \(F\),\(G\),\(H\) 是任意的关系,则有

    \[ (F^{-1})^{-1} = F \]
    \[ dom F^{-1} = ran F, \quad ran F^{-1} = dom F \]
    \[ (F \circ G) \circ H = F \circ (G \circ H) \]
    \[ (F \circ G)^{-1} = G^{-1} \circ F^{-1} \]
  2. 设 \(F\),\(G\),\(H\) 是任意的关系,则有

    \[ (F \circ G)^{-1} = G^{-1} \circ F^{-1} \]
    \[ F \circ (G \cup H) = F \circ G \cup F \circ H \]
    \[ (G \cup H) \circ F = G \circ F \cup H \circ F \]
    \[ F \circ (G \cap H) \subseteq F \circ G \cap F \circ H \]
    • 推论:

      基于数学归纳法不难证明定理2的结论对于有限多个关系的并和交也是成立的,即有

      \[ R \circ (R_1 \cup R_2 \cup \cdots \cup R_n) = R \circ R_1 \cup R \circ R_2 \cup \cdots \cup R \circ R_n \]
      \[ (R_1 \cup R_2 \cup \cdots \cup R_n) \circ R = R_1 \circ R \cup R_2 \circ R \cup \cdots \cup R_n \circ R \]
      \[ R \circ (R_1 \cap R_2 \cap \cdots \cap R_n) \subseteq R \circ R_1 \cap R \circ R_2 \cap \cdots \cap R \circ R_n \]
      \[ (R_1 \cap R_2 \cap \cdots \cap R_n) \circ R \subseteq R_1 \circ R \cap R_2 \circ R \cap \cdots \cap R_n \circ R \]

关系的幂运算

设 \(R\) 为 \(A\) 上的关系,\(n\) 为自然数,则 \(R\) 的 \(n\) 次幂定义为:

\[ R^0 = \{\langle x,x \rangle \mid x \in A\} = I_A \]
\[ R^0 = \{\langle x,x \rangle \mid x \in A\} = I_A \]
\[ R^{n+1} = R^n \circ R \]

Note

对于 \(A\) 上的任何关系 \(R_1\) 和 \(R_2\) 都有

\[ R_1^0 = R_2^0 = I_A \]

即:\(A\) 上任何关系的0次幂都相等,都等于 \(A\) 上的恒等关系 \(I_A\)。

对于 \(A\) 上的任何关系 \(R\) 都有

\[ R_1 = R = R_0 \circ R = I_A \circ R = R \]

Example

幂运算的性质

  • 设 \(A\) 为 \(n\) 元集,\(R\) 是 \(A\) 上的关系,则存在自然数 \(s\) 和 \(t\),使得 \(R^s = R^t\)。

    Note

    该定理说明有穷集上只有有穷多个不同的二元关系。当 \(t\) 足够大时,\(R^t\) 必与某个 \(R^s\)(\(s<t\)) 相等(如上面例子中的 \(R^4 = R^2\))。

  • 设 \(R\) 是 \(A\) 上的关系,\(m,n \in \mathbb{N}\),则

    1. \(R^m \circ R^n = R^{m+n}\)

    2. \((R^m)^n = R^{mn}\)

关系的性质

关系的自反性和反自反性

设 \(R\) 为 \(A\) 上的关系,

  • 若 \(\forall x (x \in A \rightarrow \langle x,x \rangle \in R)\),则称 \(R\) 在 \(A\) 上是自反(reflexivity)的。

  • 若 \(\forall x (x \in A \rightarrow \langle x,x \rangle \notin R)\),则称 \(R\) 在 \(A\) 上是反自反(irreflexivity)的。

Info

全域关系 \(E_A\),恒等关系 \(I_A\),小于等于关系 \(L_A\),整除关系 \(D_A\) 都是为 \(A\) 上的自反关系。

包含关系 \(R\) 是给定集合族 \(A\) 上的自反关系。

小于关系和真包含关系都是给定集合或集合族上的反自反关系。

Example

设 \(A = \{1,2,3\}\),\(R_1\),\(R_2\),\(R_3\) 是 \(A\) 上的关系,其中 \(R_1 = \{\langle 1,1 \rangle, \langle 2,2 \rangle\}\), \(R_2 = \{\langle 1,1 \rangle, \langle 2,2 \rangle, \langle 3,3 \rangle, \langle 1,2 \rangle\}\), \(R_3 = \{\langle 1,3 \rangle\}\),说明 \(R_1\),\(R_2\) 和 \(R_3\) 是否为 \(A\) 上的自反关系和反自反关系。

  • \(R_1\) 既不是自反的也不是反自反的,

  • \(R_2\) 是自反的,

  • \(R_3\) 是反自反的。

关系的对称性和反对称性

设 \(R\) 为 \(A\) 上的关系,

  • 若 \(\forall x \forall y (x,y \in A \land \langle x,y \rangle \in R \rightarrow \langle y,x \rangle \in R)\),则称 \(R\) 为 \(A\) 上对称(symmetry)的关系。

  • 若 \(\forall x \forall y (x,y \in A \land \langle x,y \rangle \in R \land \langle y,x \rangle \in R \rightarrow x = y)\),则称 \(R\) 为 \(A\) 上的反对称(antisymmetry)关系。

Info

\(A\) 上的全域关系 \(E_A\),恒等关系 \(I_A\) 和空关系都是 \(A\) 上的对称关系。

恒等关系 \(I_A\) 和空关系也是 \(A\) 上的反对称关系。

但全域关系 \(E_A\) 一般不是 \(A\) 上的反对称关系,除非 \(A\) 为单元集或空集。

Example

设 \(A = \{1,2,3\}\),\(R_1\),\(R_2\),\(R_3\) 和 \(R_4\) 都是 \(A\) 上的关系,其中 \(R_1=\{\langle 1,1 \rangle, \langle 2,2 \rangle\}\), \(R_2=\{\langle 1,1 \rangle, \langle 1,2 \rangle, \langle 2,1 \rangle\}\), \(R_3=\{\langle 1,2 \rangle, \langle 1,3 \rangle\}\), \(R_4=\{\langle 1,2 \rangle, \langle 2,1 \rangle, \langle 1,3 \rangle\}\),说明 \(R_1\),\(R_2\),\(R_3\) 和 \(R_4\) 是否为 \(A\) 上的对称关系和反对称关系。

  • \(R_1\) 既是对称也是反对称的。

  • \(R_2\) 是对称的但不是反对称的。

  • \(R_3\) 是反对称的但不是对称的。

  • \(R_4\) 既不是对称的也不是反对称的。

关系的传递性

设 \(R\) 为 \(A\) 上的关系,若

\[ \forall x \forall y \forall z (x,y,z \in A \land \langle x,y \rangle \in R \land \langle y,z \rangle \in R \rightarrow \langle x,z \rangle \in R) \]

则称 \(R\) 是 \(A\) 上的传递(transitivity)关系。

Info

\(A\) 上的全域关系 \(E_A\),恒等关系 \(I_A\) 和空关系都是 \(A\) 上的传递关系。

小于等于关系,整除关系和包含关系也是相应集合上的传递关系。

小于关系和真包含关系仍旧是相应集合上的传递关系。

Example

设 \(A = \{1,2,3\}\),\(R_1\),\(R_2\),\(R_3\) 是 \(A\) 上的关系,其中 \(R_1=\{\langle 1,1 \rangle, \langle 2,2 \rangle\}\), \(R_2=\{\langle 1,2 \rangle, \langle 2,3 \rangle\}\), \(R_3=\{\langle 1,3 \rangle\}\),说明 \(R_1\),\(R_2\) 和 \(R_3\) 是否为 \(A\) 上的传递关系。

  • \(R_1\) 和 \(R_3\) 是 \(A\) 上的传递关系,

  • \(R_2\) 不是 \(A\) 上的传递关系。

关系性质的特点

自反性 反自反性 对称性 反对称性 传递性
集合表达式 \(I_A \subseteq R\) \(R \cap I_A = \varnothing\) \(R = R^{-1}\) \(R \cap R^{-1} \subseteq I_A\) \(R \circ R \subseteq R\)
关系矩阵 主对角线元素全是 \(1\) 主对角线元素全是 \(0\) 矩阵是对称矩阵 若 \(r_{ij}=1\),且 \(i \neq j\),则 \(r_{ji}=0\) 对 \(M^2\) 中 \(1\) 所在位置,\(M\) 中相应的位置都是 \(1\)
关系图 每个顶点都有环 每个顶点都没有环 如果两个顶点之间有边,一定是一对方向相反的边(无单边) 如果两点之间有边,一定是一条有向边(无双向边) 如果顶点 \(x_i\) 到 \(x_j\) 有边,\(x_j\) 到 \(x_k\) 有边,则从 \(x_i\) 到 \(x_k\) 也有边

Example

关系的闭包

闭包的定义

设 \(R\) 是非空集合 \(A\) 上的关系,\(R\) 的自反(对称或传递)闭包是 \(A\) 上的关系 \(R'\),使得 \(R'\) 满足以下条件:

  • \(R'\) 是自反的(对称的或传递的)

  • \(R \subseteq R'\)

  • 对 \(A\) 上任何包含 \(R\) 的自反(对称或传递)关系 \(R''\) 有 \(R' \subseteq R''\)。

一般将 \(R\) 的自反闭包记作 \(r(R)\),对称闭包记作 \(s(R)\),传递闭包记作 \(t(R)\)。

Example

闭包的构造方法

设 \(R\) 为非空集合 \(A\) 上的关系,则有:

  1. \(r(R) = R \cup R^0\)

  2. \(s(R) = R \cup R^{-1}\)

  3. \(t(R) = R \cup R^2 \cup R^3 \cup \cdots\)

证明思路

  • 1.和2.:证明右边的集合满足闭包定义的三个条件。

  • 3.:采用集合相等的证明方法。

    • 证明左边包含右边,即 \(t(R)\) 包含每个 \(R^n\)。

    • 证明右边包含左边,即 \(R \cup R^2 \cup \cdots\) 具有传递的性质。

<!--

证明

  • \(r(R) = R \cup R^0\)

    由 \(I_A = R^0 \subseteq R \cup R^0\),可知 \(R \cup R^0\) 是自反的,

    \(R \subseteq R \cup R^0\)。

    设 \(R''\) 是 \(A\) 上包含 \(R\) 的自反关系, 则有 \(R \subseteq R''\) 和 \(I_A \subseteq R''\)。

    任取 \(\langle x,y \rangle\),必有

    \[ \begin{align} \langle x,y \rangle \in R \cup R^0 & \iff \langle x,y \rangle \in R \cup I_A \\ & \Rightarrow \langle x,y \rangle \in R'' \cup R'' = R'' \end{align} \]

    所以 \(R \cup R^0 \subseteq R''\)。

    综上所述,\(r(R) = R \cup R^0\)。

  • \(s(R) = R \cup R^{-1}\)

  • \(t(R) = R \cup R^2 \cup R^3 \cup \cdots\)

-->

推论

设 \(R\) 为有穷集 \(A\) 上的关系,则存在正整数 \(r\) 使得

\[ t(R)=R \cup R^2 \cup \cdots \cup R^r \]

Example

求整数集合 \(Z\) 上的关系 \(R = \{\langle a,b \rangle \mid a<b\}\) 的自反闭包和对称闭包。

\[ r(R) = R \cup R^0 = \{\langle a,b \rangle \mid a<b\} \cup \{\langle a,b \rangle \mid a=b\} = \{\langle a,b \rangle \mid a≤b\} \]
\[ s(R) = R \cup R^{-1} = \{\langle a,b \rangle \mid a<b\} \cup \{\langle b,a \rangle \mid b<a\} = \{\langle a,b \rangle \mid a \neq b\} \]

通过关系图求闭包

设关系 \(R\),\(r(R)\),\(s(R)\),\(t(R)\) 的关系图分别记为 \(G\),\(G_r\),\(G_s\),\(G_t\),则 \(G_r\),\(G_s\),\(G_t\) 的顶点集与 \(G\) 的顶点集相等。

除了 \(G\) 的边以外,以下述方法添加新的边:

  1. 考察 \(G\) 的每个顶点,如果没有环就加上一个环。最终得到 \(G_r\)。

  2. 考察 \(G\) 的每一条边,如果有一条 \(x_i\) 到 \(x_j\) 的单向边,\(i \neq j\),则在 \(G\) 中加一条边 \(x_j\) 到 \(x_i\) 的反方向边。最终得到 \(G_s\)。

  3. 考察 \(G\) 的每个顶点 \(x_i\),找出从 \(x_i\) 出发的所有2步,3步,…,\(n\) 步长的路径(\(n\) 为 \(G\) 中的顶点数)。

    设路径的终点为 \(x_{j_1}, x_{j_2}, \ldots, x_{j_k}\)。如果没有从 \(x_i\) 到 \(x_{j_k}\) 的边,就加上这条边。当检查完所有的顶点后就得到图 \(G_t\)。

Example

通过关系矩阵求闭包

设关系 \(R\),\(r(R)\),\(s(R)\),\(t(R)\) 的关系矩阵分别为 \(M\),\(M_r\),\(M_s\) 和 \(M_t\),则:

  • 对角线上的值都改为 \(1\):\(M_r = M + E\)

  • 若 \(a_{ij} = 1\),则令 \(a_{ji} = 1\):\(M_s = M + M'\)

  • 沃舍尔算法:\(M_t = M + M^2 + M^3 + \cdots\)(沃舍尔算法是一种求传递闭包的算法)

    Warshall算法

    输入:\(M\)(\(R\) 的关系矩阵)

    输出:\(M_t\)(\(t(R)\) 的关系矩阵)

    M_T ← M
    for k ← 1 to n do
        for i ← 1 to n do
            for j ← 1 to n do
                M_T[i,j]←M_T[i,j]+M_T[i,k]*M_T[k,j]
    

    注意:算法中矩阵加法和乘法中的元素相加都使用逻辑加。

其中 \(E\) 是和 \(M\) 同阶的单位矩阵,\(M'\) 是 \(M\) 的转置矩阵。

注意在上述等式中矩阵的元素相加时使用逻辑加。

等价关系和偏序关系

等价关系

设 \(R\) 为非空集合 \(A\) 上的关系。如果 \(R\) 是自反的、对称的和传递的,则称 \(R\) 为 \(A\) 上的等价关系(equivalent relation)。设 \(R\) 是一个等价关系,若 \(\langle x,y \rangle \in R\),称 \(x\) 等价于 \(y\),记做 \(x \sim y\)。

Info

  1. 平面上三角形集合中,三角形的相似关系是等价关系。

  2. 人群中的同性关系是等价关系。

  3. 朋友关系与同学关系不是等价关系,可能不是传递的!

Example

等价类

设 \(R\) 为非空集合 \(A\) 上的等价关系,\(\forall x \in A\),令

\[ \left[x\right]_R = \{y \mid y \in A \land xRy\} \]

称 \(\left[x\right]_R\) 为 \(x\) 关于 \(R\) 的等价类,简称为 \(x\) 的等价类,简记为 \(\left[x\right]\)。

x 的等价类是 A 中所有与 x 等价的元素构成的集合。

等价类的性质

设 \(R\) 是非空集合 \(A\) 上的等价关系,则

  1. \(\forall x \in A\),\(\left[x\right]\) 是 A 的非空子集。

  2. \(\forall x,y \in A\),如果 \(xRy\),则 \(\left[x\right] = \left[y\right]\)。

  3. \(\forall x,y \in A\),如果 \(\langle x,y \rangle \notin R\),则 \(\left[x\right]\) 与 \(\left[y\right]\) 不交。

  4. \(\bigcup_{x \in A} \left[x\right] = A\)。

商集

设 \(R\) 是非空集合 \(A\) 上的等价关系,以 \(R\) 的所有等价类作为元素的集合称为 \(A\) 关于 \(R\) 的商集(quotient set),记作 \(A/R\)。

\[ A/R = \{\left[x\right] \mid x \in A\} \]

Example

划分

设 \(R\) 是非空集合 \(A\) 上的等价关系,\(A\) 的子集族 \(\mathcal{P}\) 满足:

  1. \(\forall X \in \mathcal{P}\),\(X \neq \varnothing\)。

  2. \(\forall X,Y \in \mathcal{P}\),如果 \(X \neq Y\),则 \(X \cap Y = \varnothing\)。

  3. \(\bigcup_{X \in \mathcal{P}} X = A\)。

则称 \(\mathcal{P}\) 为 \(A\) 的一个划分(partition)。

Abstract

设集合 \(\pi\) 是 \(A\) 的非空子集的集合,若这些非空子集两两不相交,且它们的并等于 \(A\),则称 \(\pi\) 是集合 \(A\) 的划分。

Example

设 \(A = \{a,b,c,d\}\),给定 \(\pi_1, \pi_2, \pi_3, \pi_4, \pi_5, \pi_6\),如下:

  • \(\pi_1 = \{\{a,b,c\},\{d\}\}\)

  • \(\pi_2 = \{\{a,b\},\{c\},\{d\}\}\)

  • \(\pi_3 = \{\{a\},\{a,b,c,d\}\}\)

  • \(\pi_4 = \{\{a,b\},\{c\}\}\)

  • \(\pi_5 = \{\varnothing,\{a,b\},\{c,d\}\}\)

  • \(\pi_6 = \{\{a,\{a\}\},\{b,c,d\}\}\)

\(\pi_1\) 和 \(\pi_2\) 是 \(A\) 的划分,其它都不是 \(A\) 的划分。

因为 \(\pi_3\) 中的子集 \(\{a\}\) 和 \(\{a,b,c,d\}\) 有交,\(\bigcup \pi_4 \neq A\),\(\pi_5\) 中含有空集,而 \(\pi_6\) 根本不是 \(A\) 的子集族。

商集和划分

  • 商集就是 \(A\) 的一个划分,并且不同的商集将对应于不同的划分。

  • 反之,任给 \(A\) 的一个划分 \(\pi\),如下定义 \(A\) 上的关系 \(R\):

    \[ R = \{\langle x,y \rangle \mid x,y \in A \land x \text{ 与 } y \text{ 在 } \pi \text{ 的同一划分块中}\} \]

    则不难证明 \(R\) 为 \(A\) 上的等价关系,且该等价关系所确定的商集就是 \(\pi\)。

  • 由此可见,\(A\) 上的等价关系与 \(A\) 的划分是一一对应的。

Example

偏序关系

设 \(R\) 为非空集合 \(A\) 上的关系。如果 \(R\) 是自反的、反对称的和传递的,则称 \(R\) 为 \(A\) 上的偏序关系(partial order relation)。设 \(R\) 是一个偏序关系,若 \(\langle x,y \rangle \in R\),称 \(x\) 小于或等于 \(y\),记做 \(x \leq y\)。

Warning

这里的“小于或等于”不是指数的大小,而是在偏序关系中的顺序性。\(x\)“小于或等于”\(y\)的含义是:依照这个序,\(x\) 排在 \(y\) 的前边或者 \(x\) 就是 \(y\) 。根据不同偏序的定义,对序有着不同的解释。

其他常用关系

  • 小于或等于关系:\(L_A = \{\langle x,y \rangle \mid x,y \in A \land x \leq y\}\),其中 \(A \subseteq R\)。

  • 整除关系:\(D_B = \{\langle x,y \rangle \mid x,y \in B \land x | y\}\),其中 \(B \subseteq Z^*\),\(Z^*\) 是非零整数集。

  • 包含关系:\(R \subseteq = \{\langle x,y \rangle \mid x,y \in A \land x \subseteq y\}\),其中 \(A\) 是集合族。

Example

偏序集

设 \(R\) 是非空集合 \(A\) 上的偏序关系,则称集合 \(A\) 以 \(R\) 为偏序关系构成的偏序集,记作 \(\langle A,R \rangle\)。

Example

  • 整数集 \(\mathbb{Z}\) 上的小于或等于关系 \(\leq\) 构成的偏序集为 \(\langle \mathbb{Z},\leq \rangle\)。

  • 集合 \(A\) 的幂集 \(P(A)\) 上的包含关系 \(\subseteq\) 构成的偏序集为 \(\langle P(A),\subseteq \rangle\)。

偏序集的特殊元素

设 \(\langle A, \leq \rangle\) 是偏序集,\(B \subseteq A\),\(y \in B\),如果

  • \(\forall x(x\in B \rightarrow x \leq y)\),则称 \(y\) 为 \(B\) 的最大元(maximum)。

  • \(\forall x(x\in B \rightarrow y \leq x)\),则称 \(y\) 为 \(B\) 的最小元(minimum)。

  • \(\exists x(x\in B \wedge x < y)\),则称 \(y\) 为 \(B\) 的极小元(minimal)。

  • \(\exists x(x\in B \wedge y < x)\),则称 \(y\) 为 \(B\) 的极大元(maximal)。

Example

特殊元素的性质
  • 最小元是 \(B\) 中最小的元素,它与 \(B\) 中其它元素都可比。

  • 极小元不一定与 \(B\) 中元素可比,只要没有比它小的元素,它就是极小元。

  • 对于有穷集 \(B\),极小元一定存在,但最小元不一定存在。最小元如果存在,一定是唯一的。

  • 极小元可能有多个,但不同的极小元之间是不可比的(无关系)。

  • 如果 \(B\) 中只有一个极小元,则它一定是 \(B\) 的最小元。

  • 哈斯图中,集合 \(B\) 的极小元是 \(B\) 中各元素中的最底层。

可比

设 \(R\) 为非空集合 \(A\) 上的偏序关系,定义

\[ \forall x, y \in A, x \leq y \wedge y \leq x \iff x \text{ 与 } y \text{ 可比 } \]

在具有偏序关系的集合 \(A\) 中任取两个元素 \(x\) 和 \(y\),可能有下述几种情况发生:

  • \(x < y\)(或 \(y < x\)),\(x = y\),\(x\) 与 \(y\) 不是可比的。

    其中 \(x < y\) 读作 \(x\)“小于”\(y\)。这里所说的“小于”是指在偏序中 \(x\) 排在 \(y\) 的前边。

Example

\(A = \{1,2,3\}\),≤是 \(A\) 上的整除关系,则有

\[ D_A = \{\langle 1,1 \rangle, \langle 1,2 \rangle, \langle 1,3 \rangle, \langle 2,2 \rangle, \langle 3,3 \rangle\} \]
  • \(1 = 1\),\(1 < 2\),\(1 < 3\),\(2 = 2\),\(3 = 3\),\(1\) 和 \(1,2,3\) 都是可比的

  • \(2\) 和 \(3\) 不可比

覆盖

设 \(\langle A, \leq \rangle\) 是偏序集,\(x, y \in A\),如果 \(x \leq y\) 且不存在 \(z \in A\) 使得 \(x < z < y\),则称 \(y\) 覆盖 \(x\)。

Example

\(A = \{1,2,4,6\}\) 上的整除关系

\[ D_A = \{\langle 1,1 \rangle, \langle 1,2 \rangle, \langle 1,4 \rangle, \langle 1,6 \rangle, \langle 2,2 \rangle, \langle 2,4 \rangle, \langle 2,6 \rangle, \langle 4,4 \rangle, \langle 6,6 \rangle\} \]
  • \(2\) 覆盖 \(1\),\(4\) 和 \(6\) 都覆盖 \(2\)。

  • \(4\) 不覆盖 \(1\),因为有 \(1 < 2 < 4\)。

  • \(6\) 也不覆盖 \(4\),因为 \(4 < 6\) 不成立。

全序关系

设 \(R\) 为非空集合 \(A\) 上的偏序关系,如果 \(\forall x, y \in A\),\(x\) 和 \(y\) 都是可比的,则称 \(R\) 为 \(A\) 上的全序关系(total order relation)或线序关系。

Example

  • 数集上的小于或等于关系是全序关系,因为任何两个数总是可比大小的。

  • 整除关系一般来说不是全序关系,如集合 \(\{1,2,3\}\) 上的整除关系就不是全序关系,因为 \(2\) 和 \(3\) 不可比。

哈斯图

利用偏序关系的自反性、反对称性和传递性所得到的偏序集合图,称为哈斯图(Hasse diagram)。

画偏序集 \(\langle A, \leq \rangle\) 的哈斯图的方法:

  1. 用小圆圈代表元素。

  2. \(\forall x,y \in A\),若 \(x < y\),则将 \(x\) 画在 \(y\) 的下方。

  3. 对于 \(A\) 中的两个不同元素 \(x\) 和 \(y\),如果 \(y\) 覆盖 \(x\),就用一条线段连接 \(x\) 和 \(y\)。

上下界

设 \(\langle A, \leq \rangle\) 是偏序集,\(B \subseteq A\),\(y \in A\):

  • 若 \(\forall x(x\in B \rightarrow x \leq y)\),则称 \(y\) 为 \(B\) 的上界(upper bound)。

  • 若 \(\forall x(x\in B \rightarrow y \leq x)\),则称 \(y\) 为 \(B\) 的下界(lower bound)。

  • 令 \(C = \{y \mid y \text{ 为 } B \text{ 的上界}\}\),则称 \(C\) 的最小元为 \(B\) 的最小上界或上确界。

  • 令 \(D = \{y \mid y \text{ 为 } B \text{ 的下界}\}\),则称 \(D\) 的最大元为 \(B\) 的最大下界或下确界。

Example

上下界的性质
  • \(B\) 的最小元一定是 \(B\) 的下界,同时也是 \(B\) 的最大下界。

  • \(B\) 的最大元一定是 \(B\) 的上界,同时也是 \(B\) 的最小上界。

  • \(B\) 的下界不一定是 \(B\) 的最小元,因为它可能不是 \(B\) 中的元素。

  • \(B\) 的上界也不一定是 \(B\) 的最大元。

  • \(B\) 的上界、下界、最小上界、最大下界都可能不存在。如果存在,最小上界与最大下界是唯一的。