Лекция 3.
п.3. Отношения на множествах. Свойства бинарных отношений.
3.1. Бинарные отношения .
Когда говорят о родстве двух людей, например, Сергей и Анна, то подразумевают, что есть некая семья, к членам которой они относятся. Упорядоченная пара (Сергей, Анна) отличается от других упорядоченных пар людей тем, что между Сергеем и Анной есть некое родство (кузина, отец и т. д.).
В математике среди всех упорядоченных пар прямого произведения двух множеств A и B (A ´B ) тоже выделяются «особые» пары в связи с тем, что между их компонентами есть некоторые «родственные» отношения, которых нет у других. В качестве примера рассмотрим множество S студентов какого-нибудь университета и множество K читаемых там курсов. В прямом произведении S ´K можно выделить большое подмножество упорядоченных пар (s , k ), обладающих свойством: студент s слушает курс k . Построенное подмножество отражает отношение «… слушает …», естественно возникающее между множествами студентов и курсов.
Для строгого математического описания любых связей между элементами двух множеств введем понятие бинарного отношения.
Определение 3.1. Бинарным (или двухместным ) отношением r между множествами A и B называется произвольное подмножество A ´B , т. е.
В частности, если A= B (то есть rÍA 2), то говорят, что r есть отношение на множестве A.
Элементы a и b называются компонентами (или координатами ) отношения r.
Замечание. Договоримся, что для обозначения отношений между элементами множеств использовать греческий алфавит : r, t, j, s, w и т. д.
Определение 3.2. Областью определения D r={a | $ b , что a rb } (левая часть). Областью значений бинарного отношения r называется множество R r={b | $ a , что a rb } (правая часть).
Пример 3. 1. Пусть даны два множества A ={1; 3; 5; 7} и B ={2; 4; 6}. Отношение зададим следующим образом t={(x ; y )ÎA ´B | x+ y =9}. Это отношение будет состоять из следующих пар (3; 6), (5; 4) и (7; 2), которые можно записать в виде t={(3; 6), (5; 4), (7;2)}. В данном примере D t={3; 5; 7} и R t= B ={2; 4; 6}.
Пример 3. 2. Отношение равенства на множестве действительных чисел есть множество r={(x ; y ) | x и y – действительные числа и x равно y }. Для этого отношения существует специальное обозначение «=». Область определения совпадает с областью значений и является множеством действительных чисел, D r= R r.
Пример 3. 3. Пусть A – множество товаров в магазине, а B – множество действительных чисел. Тогда j={(x ; y )ÎA ´B | y – цена x } – отношение множеств A и B .
Если обратить внимание на пример 3.1., то можно заметить, что данное отношение было задано сначала в виде t={(x ; y )ÎA ´B | x+ y =9}, а потом записано в виде t={(3; 6), (5;4), (7;2)}. Это говорит о том, что отношения на множествах (или одном множестве) можно задавать различными способами. Рассмотрим способы задания бинарных отношений.
Способы задания отношений:
1) с помощью подходящего предиката;
2) множество упорядоченных пар;
3) в графической форме: пусть A и B – два конечных множества и r – бинарное отношение между ними. Элементы этих множеств изображаем точками на плоскости. Для каждой упорядоченной пары отношения r рисуют стрелку, соединяющую точки, представляющие компоненты пары. Такой объект называется ориентированным графом или орграфом , точки же, изображающие элементы множеств, принято называть вершинами графа .
4) в виде матрицы: пусть A ={a 1, a 2, …, an } и B ={b 1, b 2, …, bm }, r – отношение на A ´B . Матричным представлением r называется матрица M =[mij ] размера n ´m , определенная соотношениями
.
Кстати, матричное представление является представлением отношения в компьютере.
Пример 3. 4. Пусть даны два множества A ={1; 3; 5; 7}и B ={2; 4; 6}. Отношение задано следующим образом t={(x ; y ) | x+ y =9}. Задать данное отношение как множество упорядоченных пар, орграфом, в виде матрицы.
Решение. 1) t={(3; 6), (5; 4), (7; 2)} - есть задание отношения как множества упорядоченных пар;
2) соответствующий ориентированный граф показан на рисунке.
https://pandia.ru/text/78/250/images/image004_92.gif" width="125" height="117">. ,
Пример 3. 5 . Еще в качестве примера можно рассмотреть предложенную Дж. фон Нейманом (1903 – 1957) блок-схему ЭВМ последовательного действия, которая состоит из множества устройств M :
,
где a – устройство ввода, b – арифметическое устройство (процессор), c – устройство управления, d – запоминающее устройство, e – устройство вывода.
Рассмотрим информационный обмен между устройствами mi и mj , которые находятся в отношении r, если из устройства mi поступает информация в устройство mj .
Это бинарное отношение можно задать перечислением всех его 14 упорядоченных пар элементов:
Соответствующий орграф, задающий это бинарное отношение, представлен на рисунке:
Матричное представление этого бинарного отношения имеет вид:
. ,
Для бинарных отношений обычным образом определены теоретико-множественные операции: объединение, пересечение и т. д.
Введем обобщенное понятие отношения.
Определение 3.3. n-местное (n -арное ) отношение r – это подмножество прямого произведения n множеств, то есть множество упорядоченных наборов (кортежей )
rÍA 1´…´An ={(a 1, …, an )| a 1ÎA 1Ù … Ùan ÎAn }
Многоместные отношения удобно задавать с помощью реляционных таблиц . Такое задание соответствует перечислению множества n -к отношения r. Реляционные таблицы широко используются в компьютерной практике в реляционных базах данных . Заметим, что реляционные таблицы нашли применение в повседневной практике. Всевозможные производственные, финансовые, научные и другие отчеты часто имеют форму реляционных таблиц.
Слово «реляционная » происходит от латинского слова relation , которое в переводе на русский язык означает «отношение». Поэтому в литературе для обозначения отношения используют букву R (латинскую) или r (греческую).
Определение 3.4. Пусть rÍA ´B есть отношение на A ´B. Тогда отношение r-1 называется обратным отношением к данному отношению r на A ´B , которое определяется следующим образом:
r-1={(b , a ) | (a , b )Îr}.
Определение 3.5. Пусть r ÍA ´B есть отношение на A ´B, а s ÍB ´C – отношение на B ´C. Композицией отношений s и r называется отношение t ÍA ´C ,которое определяется следующим образом:
t=s◦r= {(a , c )| $ b Î B, что (a , b )Îr и (b , c )Îs}.
Пример 3. 6 . Пусть , и C ={, !, d, à}. И пусть отношение r на A ´B и отношение s на B ´C заданы в виде:
r={(1, x ), (1, y ), (3, x )};
s={(x ,), (x , !), (y , d), (y , à)}.
Найти r-1 и s◦r, r◦s.
Решение. 1) По определению r-1={(x , 1), (y , 1), (x , 3)};
2) Используя определение композиции двух отношений, получаем
s◦r={(1,), (1, !), (1, d), (1, à), (3,), (3, !)},
поскольку из (1, x )Îr и (x ,)Îs следует (1,)Îs◦r;
из (1, x )Îr и (x , !)Îs следует (1, !)Îs◦r;
из (1, y )Îr и (y , d)Îs следует (1, d)Îs◦r;
из (3, x )Îr и (x , !)Îs следует (3, !)Îs◦r.
Теорема 3.1. Для любых бинарных отношений выполняются следующие свойства:
2) 
;
3) 
- ассоциативность композиции.
Доказательство. Свойство 1 очевидно.
Докажем свойство 2. Для доказательства второго свойства покажем, что множества, записанные в левой и правой частях равенства, состоят из одних и тех же элементов. Пусть (a ; b ) Î (s◦r)-1 Û (b ; a ) Î s◦r Û $ c такое, что (b ; c ) Î r и (c ; a ) Î s Û $ c такое, что (c ; b ) Î r-1 и (a ; c ) Î s-1 Û (a ; b ) Î r -1◦s -1.
Свойство 3 доказать самостоятельно.
3.2. Свойства бинарных отношений .
Рассмотрим специальные свойства бинарных отношений на множестве A .
Свойства бинарных отношений.
1. Отношение r на A ´A называется рефлексивным , если (a ,a ) принадлежит r для всех a из A .
2. Отношение r называется антирефлексивным , если из (a ,b )Îr следует a ¹b .
3. Отношение r симметрично , если для a и b , принадлежащих A , из (a ,b )Îr следует, что (b ,a )Îr.
4. Отношение r называется антисимметричным , если для a и b из A , из принадлежности (a ,b ) и (b ,a ) отношению r следует, что a =b .
5. Отношение r транзитивно , если для a , b и c из A из того, что (a ,b )Îr и (b ,c )Îr, следует, что (a ,c )Îr.
Пример 3. 7. Пусть A ={1; 2; 3; 4; 5; 6}. На этом множестве задано отношение rÍA 2, которое имеет вид: r={(1, 1), (2, 2), (3, 3), (4; 4), (5; 5), (6; 6), (1; 2), (1; 4), (2; 1), (2;4), (3;5), (5; 3), (4; 1), (4; 2)}. Какими свойствами обладает данное отношение?
Решение. 1) Это отношение рефлексивно, так как для каждого a ÎA , (a ; a )Îr.
2) Отношение не является антирефлексивным, так как не выполняется условие этого свойства. Например, (2, 2)Îr, но отсюда не следует, что 2¹2.
3) Рассмотрим все возможные случаи, показав, что отношение r является симметричным:
(a , b )Îr | (b , a ) | (b , a )Îr? |
|
4) Данное отношение не является антисимметричным, поскольку (1, 2)Îr и (2,1)Îr, но отсюда не следует, что 1=2.
5) Можно показать, что отношение r транзитивно, используя метод прямого перебора.
(a , b )Îr | (b , c )Îr | (a , c ) | (a , c )Îr? |
|
Как по матрице представления
определить свойства бинарного отношения
1. Рефлексивность: на главной диагонали стоят все единицы, звездочками обозначены нули или единицы.
.
2. Антирефлексивность: на главной диагонали все нули.
3. Симметричность: если .
4. Антисимметричность: все элементы вне главной диагонали равны нулю; на главной диагонали тоже могут быть нули.
.
Операция «*» выполняется по следующему правилу: 
, где , .
5. Транзитивность: если . Операция «◦» выполняется по обычному правилу умножения, при этом надо учитывать: .
3.3 Отношение эквивалентности. Отношение частичного порядка.
Отношение эквивалентности является формализацией такой ситуации, когда говорят о сходстве (одинаковости) двух элементов множества.
Определение 3.6. Отношение r на A есть отношение эквивалентности , если оно рефлексивно, симметрично и транзитивно. Отношение эквивалентности a rb часто обозначается: a ~ b .
Пример 3. 8 . Отношение равенства на множестве целых чисел есть отношение эквивалентности.
Пример 3. 9 . Отношение «одного роста» есть отношение эквивалентности на множестве людей X .
Пример 3. 1 0 . Пусть ¢ - множество целых чисел. Назовем два числа x и y из ¢ сравнимыми по модулю m (m Î¥) и запишем , если равны остатки этих чисел от деления их на m , т. е. разность (x -y ) делится на m .
Отношение «сравнимых по модулю m целых чисел» есть отношение эквивалентности на множестве целых числе ¢. В самом деле:
это отношение рефлексивно, т. к. для "x ΢ имеем x -x =0, и, следовательно, оно делится на m ;
это отношение симметрично, т. к. если (x -y ) делится на m , то и (y -x ) тоже делится на m ;
это отношение транзитивно, т. к. если (x
-y
) делится на m
, то для некоторого целого t
1 имеем https://pandia.ru/text/78/250/images/image025_23.gif" width="73" height="24 src=">, отсюда 
, т. е. (x
-z
) делится на m
.
Определение 3.7. Отношение r на A есть отношение частичного порядка , если оно рефлексивно, антисимметрично и транзитивно и обозначается символом °.
Частичный порядок важен в тех ситуациях, когда мы хотим как-то охарактеризовать старшинство. Иными словами, решить при каких условиях считать, что один элемент множества превосходит другой.
Пример 3. 11 . Отношение x £y на множестве действительных чисел есть отношение частичного порядка. ,
Пример 3. 1 2 . Во множестве подмножеств некоторого универсального множества U отношение A ÍB есть отношение частичного порядка.
Пример 3. 1 3 . Схема организации подчинения в учреждении есть отношение частичного порядка на множестве должностей.
Прообразом отношения частичного порядка является интуитивное понятие отношения предпочтения (предшествования). Отношение предпочтения выделяет класс задач, которые можно объединить, как задача о проблеме выбора наилучшего объекта .
Формулировка задачи: пусть имеется совокупность объектов A и требуется сравнить их по предпочтительности, т. е. задать отношение предпочтения на множестве A и определить наилучшие объекты.
Отношение предпочтения P , которое можно определить как «aPb , a , b ÎA Û объект a не менее предпочтителен, чем объект b » является по смыслу рефлексивным и антисимметричным (каждый объект не хуже самого себя, и, если объект a не хуже b и b не хуже a , то они одинаковы по предпочтительности). Естественно считать, что отношение P транзитивно (хотя в случае, когда, например, предпочтения обсуждаются группой лиц с противоположными интересами, это свойство может быть нарушено), т. е. P – отношение частичного порядка.
Один из возможных способов решения задачи сравнения объектов по предпочтительности – ранжирование , т. е. упорядочение объектов в соответствии с убыванием их предпочтительности или равноценности. В результате ранжирования мы выделяем «наилучшие» или «наихудшие» с точки зрения отношения предпочтения объекты.
Области применения задачи о проблеме выбора наилучшего объекта: теория принятия решений, прикладная математика, техника, экономика, социология, психология.
Лекция 21. Свойства отношений
1. Свойство рефлексивености
2. Свойство симметричности
3. Свойство транзитивности
Мы установили, что бинарное отношение на множестве X представляет собой множество упорядоченных пар элементов, принадлежащих декартову произведению X х Х. Это математическая сущность всякого отношения. Но, как и любые другие понятия, отношения обладают свойствами. Их удалось выделить, изучая различные конкретные отношения. Свойств достаточно много, в нашем курсе мы будем изучать только некоторые.
Рассмотрим на множестве отрезков, представленных на рис. 98, отношения перпендикулярности, равенства и «длиннее». Построим графы этих отношений (рис. 99) и будем их сравнивать. Видим, что граф отношения равенства отличается от двух других наличием петель в каждой его вершине. Эти петли - результат того, что отношение равенства отрезков обладает свойством: любой отрезок равен самому себе. Говорят, что отношение равенства обладает свойством рефлексивности или просто, что оно рефлексивно.
Определение. Отношение R на множестве X называется рефлексивным, если о каждом элементе множества X можно сказать, что он находится в отношении R с самим собой.
R рефлексивно на Х ↔ х R х для любого х € X.
опр.
Если отношение R рефлексивно на множестве X, то в каждой вершине графа данного отношения имеется петля. Справедливо и обратное утверждение: граф, каждая вершина которого имеет петлю, задает отношения, обладающие свойством рефлексивности.
Примеры рефлексивных отношений:
Отношение «кратно» на множестве натуральных чисел (каждое натуральное число кратно самому себе);
Отношение подобия треугольников (каждый треугольник подобен самому себе).
Существуют отношения, которые свойством рефлексивности не обладают. Таким, например, является отношение перпендикулярности на множестве отрезков: нет ни одного отрезка, о котором можно сказать, что он перпендикулярен самому себе. Поэтому на графе отношения перпендикулярности (рис. 99) нет ни одной петли. Не обладает свойством рефлексивности и отношение «длиннее» для отрезков.
Обратим теперь внимание на графы отношений перпендикулярности и равенства отрезков. Они «похожи» тем, что если есть одна стрелка, соединяющая пару элементов, то обязательно есть и другая, соединяющая те же элементы, но идущая в противоположном направлении. Эта особенность графа отражает те свойства, которыми обладают отношения параллельности и равенства отрезков:
Если один отрезок перпендикулярен другому отрезку, то этот «другой» перпендикулярен первому;
Если один отрезок равен другому отрезку, то этот «другой» равен первому.
Про отношения перпендикулярности и равенства отрезков говорят, что они обладают свойством симметричности или просто симметричны.
Определение. Отношение R на множестве X называется симметричным, если выполняется условие: из того, что элемент х находится в отношении R с элементом у, следует, что и элементу находится в отношении R с элементом х.
Используя символы, это отношение можно записать в таком виде:
R симметрично на Х ↔ (х R y →yRx).
опр.
Граф симметричного отношения обладает особенностью: вместе с каждой стрелкой, идущей от х к у, граф содержит и стрелку, идущую от у к x . Справедливо и обратноеутверждение. Граф, содержащий вместе с каждой стрелкой, идущей от x к у, и стрелку, идущую от у к x , является графом симметричного отношения.
В дополнение к рассмотренным двум примерам симметричных отношений присоединим еще такие:
Отношениепараллельности на множестве прямых (если прямая x параллельна прямой у, то и прямая у параллельна прямой х)
Отношение подобия треугольников (если треугольник F подобен треугольнику Р, то треугольник Р подобен треугольнику F).
Существуют отношения, которые свойством симметричности не обладают. Таким, например, является отношение «длиннее» на множестве отрезков. Действительно, если отрезок x длиннее отрезка у, то отрезок у не может быть длиннее отрезка х. Про отношения «длиннее» говорят, что оно обладает свойством антисимметричности или просто антисимметрично.
Определение. Отношение R на множестве X называется антисимметричным, если для различных элементов х и у из множества X выполнено условие: из того, что х находится в отношении R с элементом у, следует, что элемент у в отношении R с элементом х не находится.
R симметрично на Х ↔ (х R y ^ x≠y →yRx).
опр.
Граф антисимметричного отношения обладает особенностью: если две вершины графа соединены стрелкой, то эта стрелка только одна. Справедливо и обратное утверждение: граф, вершины которого соединены только одной стрелкой, есть граф антисимметричного отношения.
Кроме отношения «длиннее» на множестве отрезков свойством антисимметричности, например, обладают:
Отношение «больше» для чисел (если х
больше у,
то у
не может
быть больше х);
Отношение «больше на 2» для чисел (если х больше у на 2, то у не может быть больше на 2 числа х),
Существуют отношения, не обладающие ни свойством симметричности, ни свойством антисимметричности. Рассмотрим, например, отношение «быть сестрой» на множестве детей одной семьи. Пусть в семье трое детей: Катя, Маша и Толя. Тогда граф отношения «быть сестрой» будет таким, как на рисунке 100. Он показывает, что данное отношение не обладает ни свойством симметричности, ни свойством антисимметричности.
Обратим внимание еще раз на одну особенность графа отношения «длиннее» (рис. 99). На нем можно заметить: если стрелки проведены от е к а и от а к с, то есть стрелка от е к с ; если стрелки приведены от е к b и от b к с, то есть стрелка и от е к с и т.д. Эта особенность графа отражает важное свойство отношения «длиннее»: если первый отрезок длиннее второго, а второй - длиннее третьего, то первый - длиннее третьего. Говорят, что это отношение обладает свойством транзитивности или просто транзитивно.
Определение. Отношение R на множестве X называется транзитивным, если выполняется условие; из того, что элемент х находится в отношении R с элементом у и элемент у находится в отношении R с элементом z, следует, что элемент х находится в отношении К с элементом z .
Используя символы, это определение можно записать в таком виде:
R транзитивно на X ↔ (х R y ^ yRz → xRz).
опр.
Граф транзитивного отношения с каждой парой стрелок, идущих от x к у и у к z , содержит стрелку, идущую от х к z. Справедливо и обратное утверждение.
Кроме отношения «длиннее» на множестве отрезков свойством транзитивности обладает отношение равенства: если отрезок х равен отрезку у и отрезок у равен отрезку z, то отрезок х равен отрезку z, Это свойство отражено и на графе отношения равенства (рис. 99)
Существуют отношения, которые свойством транзитивности не обладают. Таким отношением является, например, отношение перпендикулярности: если отрезок а перпендикулярен отрезку d , а отрезок d перпендикулярен отрезку b, то отрезки а и b не перпендикулярны!
Рассмотрим еще одно свойство отношений, которое называют свойством связанности, а отношение, обладающее им, называют связанным.
Определение. Отношение R на множестве X называется связанным, если для любых элементов х и у из множества X выполняется условие: из того, что х и у различны, следует, что либо х находится в отношении R с элементом у, либо элемент у находится в отношении R с элементом х.
Используя символы, это определение можно записать в таком виде:
R связано на множестве X ↔ (х ≠ у => хRу v уRх).
опр.
Например, свойством связанности обладают отношения «больше» длянатуральных чисел: для любых различных чисел х и у можно утверждать, что либо х > у, либо у > х.
На графе связанного отношения любые две вершины соединены стрелкой. Справедливо и обратное утверждение.
Существуют отношения, которые свойством связанности не обладают. Таким отношением, например, является отношение делимости на множестве натуральных чисел: можно назвать такие числа х и у, что ни число х не является делителем числа у, ни число у не является делителем числа х.
Выделенные свойства позволяют анализировать различные отношения с общих позиций - наличия (или отсутствия) у них тех или иных свойств.
Так, если суммировать все сказанное об отношении равенства, заданном на множестве отрезков (рис. 99), то получается, что оно рефлексивно, симметрично и транзитивно. Отношение «длиннее» на том же множестве отрезков антисимметрично и транзитивно, а отношение перпендикулярности - симметрично, но оно не обладает свойствами рефлексивности и транзитивности. Все эти отношения на заданном множестве отрезков связанными не являются.
Задача 1. Сформулировать свойства отношения R, заданного при помощи графа (рис. 101).
Решение. Отношение R -антисимметрично, так как вершины графа соединяются только одной стрелкой.
Отношение R - транзитивно, так как с парой стрелок, идущих от b к а и от а к с, на графе есть стрелка, идущая от b к с.
Отношение R - связанно, так как любые две вершины соединены стрелкой.
Отношение R свойством рефлексивности не обладает, так как на графе есть вершины, в которых петли нет.
Задача 2. Сформулировать свойства отношения «больше в 2 раза», заданного на множестве натуральных чисел.
Решение. «Больше в 2 раза» - это краткая форма отношения «число х больше числа у в 2 раза». Это отношение антисимметрично, так как выполняется условие: из того, что число х больше числа у в 2 раза, следует, что число y не больше числа x 2 раза.
Данное отношение не обладает свойством рефлексивности, потому что ни про одно число нельзя сказать, что оно больше самого себя в 2 раза.
Заданное отношение не транзитивно, так как из того, что число x больше числа у на 2, а число у больше числа z на 2, следует, что число х не может быть больше числа z на 2.
Это отношение на множестве натуральных чисел свойством связанности не обладает, так как существуют пары таких чисел х и у, что ни число х не больше числа у в два раза, ни число у не больше х в 2 раза. Например, это числа 7 и 3, 5 и 8 и др.
Элементы множества, как правило, находятся в каком-либо отношении друг относительно друга. Эти отношения можно задать в виде неполных предложений -- предикатов, например, «меньше, чем...», «больше, чем...», «эквивалентно», «конгруэнтно» и т. п.
Тот факт, что некоторый элемент находится в каком-либо отношении к элементу того же множества x j , математически записывают как XiRxj, где R -- символ отношения.
Отношение из двух элементов множества X называют бинарным. Бинарные отношения множеств X и Y представляют собой некоторое множество упорядоченных пар (х, у), образованных декартовым произведением X х Y. В общем случае можно говорить не только о множестве упорядоченных пар, но и о множестве упорядоченных троек, четверок элементов и т. д., т. е. о парных отношениях, получаемых в результате декартова произведения , где п -- размерность n -строчек.
Рассмотрим основные виды отношений -- отношения эквивалентности, порядка и доминирования.
Некоторые элементы множеств можно считать эквивалентными в том случае, когда любой из этих элементов при определенных условиях можно заменить другим, т. е. данные элементы находятся вот-ношении эквивалентности. Примерами отношений эквивалентности являются отношения параллельности на множестве прямых какой-либо плоскости; подобия на множестве треугольников; принадлежности к одной функциональной группе микросхем или к одному классу типоразмеров и т. д.
Термин «отношение эквивалентности» будем применять при выполнении следующих условий:
1) каждый элемент эквивалентен самому себе;
2) высказывание, что два элемента являются эквивалентными, не требует уточнения того, какой из элементов рассматривается первым, а какой вторым;
3) два элемента, эквивалентные третьему, эквивалентны между собой.
Введем для обозначения эквивалентности символ ~, тогда рассмотренные условия можно записать следующим образом:
1) х ~ х (рефлективность);
2) х ~ уу ~ х (симметричность);
3) х ~ у и у ~ z х ~ z (транзитивность).
Следовательно, отношение R называют отношением эквивалентности, если оно рефлексивно, симметрично и транзитивно.
Пусть некоторому элементу х X эквивалентно некоторое подмножество элементов А X, тогда это подмножество образует класс эквивалентности, эквивалентный х. Очевидно, что все элементы одного и того же класса эквивалентности эквивалентны между собой (свойство транзитивности). Тогда всякий элемент хХ может находиться в одном и только одном классе эквивалентности, т. е. в этом случае множество X разбивается на некоторое непересекающееся подмножество классов эквивалентности , где J -- некоторое множество индексов.
Таким образом, каждому отношению эквивалентности на множестве X соответствует некоторое разбиение множества X на классы.
Часто сталкиваются с отношениями, которые определяют некоторый порядок расположения элементов множества. Например, в процессе автоматизированного конструирования требуется вводить множество одних исходных данных раньше или позже, чем множество других. При этом может оказаться, что элементы одного множества больше или меньше элементов другого и т. д. Во всех этих случаях можно расположить элементы множества X или группы элементов в некотором порядке (например, в виде убывающей или возрастающей последовательности), т. е. ввести отношение порядка на множестве X.
Различают отношения строгого порядка, для которых применяют символы и отношения нестрогого порядка, где используют символы. Эти отношения характеризуются следующими свойствами:
для отношения строгого порядка:
х
х<У, а У<х -- взаимоисключаются (несимметричность);
x<у и у
для отношения нестрогого порядка:
х X -- истинно (рефлексивность);
ху и ух х = у -- (антисимметричность);
х у и у z xу z -- (транзитивность).
Множество X называют упорядоченным, если любые два элемента х и у этого множества сравнимы, т. е. если для них выполняется одно из условий: х < у, х = у, у < х.
Упорядоченное множество называют кортежем. В общем случае кортеж -- это последовательность элементов, т. е. совокупность элементов, в которой каждый элемент занимает вполне определенное место. Элементы упорядоченного множества называются компонентами кортежа. Примерами кортежа может служить упорядоченная последовательность чисел арифметической или геометрической прогрессий, последовательность технологических операций при изготовлении какого-либо радиоэлектронного изделия, упорядоченная последовательность установочных позиций печатной платы для закрепления конструктивных элементов.
Во всех этих множествах место каждого элемента вполне определено и не может произвольно изменяться.
При обработке конструкторской информации на ЭВМ часто используют отношения доминирования. Говорят, что хX доминирует над уX, т. е. х>>у, если элемент х в чем-либо превосходит (имеет приоритет) элемент у того же множества. Например, под х можно понимать один из списков данных, который должен поступить на обработку первым. При анализе нескольких конструкций РЭА какой-либо из них должен быть отдан приоритет, так как эта конструкция обладает лучшими, с нашей точки зрения, свойствами, чем другие, т. е. конструкция х доминирует над конструкцией у.
Свойство транзитивности при этом не имеет места. Действительно, если, например, конструкцию х по каким-либо одним параметрам предпочли конструкции у, а конструкцию у по каким-либо другим параметрам предпочли конструкции z, то отсюда еще не следует, что конструкции х должно быть отдано предпочтение по сравнению с конструкцией г.
Отображение множеств. Одним из основных понятий теории множеств является понятие отображения. Если заданы два непустых множества X и Y, то закон, согласно которому каждому элементу xX ставится в соответствие элемента, называют однозначным отображением X в Y или функцией, определенной на X и принимающей значение на Y.
На практике приходится иметь дело и с многозначными отображениями множества X на множестве Y, которые определяют закон, согласно которому каждому элементу хX ставится в соответствие некоторое подмножество , называемое образом элементов. Возможны случаи, когда Гх = 0.
Пусть задано некоторое подмножество АX. Для любого хА образом х является подмножество . Совокупность всех элементов Y, являющихся образами для всех х в А, назовем образом множества А и будем обозначать ГА. В этом случае
Определение . Бинарным отношением R называется подмножество пар (a,b)∈R декартова произведения A×B, т. е. R⊆A×B . При этом множество A называют областью определения отношения R, множество B – областью значений.
Обозначение: aRb (т. е. a и b находятся в отношении R). /
Замечание : если A = B , то говорят, что R есть отношение на множестве A .
Способы задания бинарных отношений
1. Списком (перечислением пар), для которых это отношение выполняется.
2. Матрицей. Бинарному отношению R ∈ A × A , где A = (a 1 , a 2 ,..., a n), соответствует квадратная матрица порядка n , в которой элемент c ij , стоящий на пересечении i-й строки и j-го столбца, равен 1, если между a i и a j имеет место отношение R , или 0, если оно отсутствует:
Свойства отношений
Пусть R – отношение на множестве A, R ∈ A×A . Тогда отношение R:
рефлексивно, если Ɐ a ∈ A: a R a (главная диагональ матрицы рефлексивного отношения содержит только единицы);
антирефлексивно, если Ɐ a ∈ A: a R a (главная диагональ матрицы рефле сивного отношения содержит только нули);
симметрично, если Ɐ a , b ∈ A: a R b ⇒ b R a (матрица такого отношения симметрична относительно главной диагонали, т.е. c ij c ji);
антисимметрично, если Ɐ a, b ∈ A: a R b & b R a ⇒ a = b (в матрице такого отношения отсутствуют единицы, симметричные относительно главной диагонали);
транзитивно, если Ɐ a, b, c ∈ A: a R b & b R c ⇒ a R c (в матрице такого отношения должно выполняться условие: если в i-й строке стоит единица, например в j-ой координате (столбце) строки, т. е. c ij = 1 , то всем единицам в j-ой строке (пусть этим единицам соответствуют k е координаты такие, что, c jk = 1) должны соответствовать единицы в i-й строке в тех же k-х координатах, т. е. c ik = 1 (и, может быть, ещё и в других координатах).
Задача 3.1. Определите свойства отношения R – «быть делителем», заданного на множестве натуральных чисел.
Решение.
отношение R = {(a,b):a делитель b}:
рефлексивно, не антирефлексивно, так как любое число делит само себя без остатка: a/a = 1 для всех a∈N ;
не симметрично, антисимметрично, например, 2 делитель 4, но 4 не является делителем 2;
транзитивно,таккакесли b/a ∈ N и c/b ∈ N, то c/a = b/a ⋅ c/b ∈ N, например, если 6/3 = 2∈N и 18/6 = 3∈N, то 18/3 = 18/6⋅6/3 = 6∈N.
Задача 3.2.
Определите свойства отношения R – «быть братом», заданного на множестве людей.
Решение.
Отношение R = {(a,b):a - брат b}:
не рефлексивно, антирефлексивно из-за очевидного отсутствия aRa для всех a;
не симметрично, так как в общем случае между братом a и сестрой b имеет место aRb , но не bRa ;
не антисимметрично, так как если a и b –братья, то aRb и bRa, но a≠b;
транзитивно, если называть братьями людей, имеющих общих родителей (отца и мать).
Задача 3.3. Определите свойства отношения R – «быть начальником», заданного на множестве элементов структуры
Решение.
Отношение R = {(a,b) : a - начальник b}:
- не рефлексивно, антирефлексивно, если в конкретной интерпретации не имеет смысла;
- не симметрично, антисимметрично, так как для всех a≠b не выполняется одновременно aRb и bRa;
- транзитивно, так как если a начальник b и b начальник c , то a начальник c .
Определите свойства отношения R i , заданного на множестве M i матрицей, если:
- R 1 «иметь один и тот же остаток от деления на 5»; M 1 множество натуральных чисел.
- R 2 «быть равным»; M 2 множество натуральных чисел.
- R 3 «жить в одном городе»; M 3 множество людей.
- R 4 «быть знакомым»; M 4 множество людей.
- R 5 {(a,b):(a-b) - чётное; M 5 множество чисел {1,2,3,4,5,6,7,8,9}.
- R 6 {(a,b):(a+b) - чётное; M 6 множество чисел {1,2,3,4,5,6,7,8,9}.
- R 7 {(a,b):(a+1) - делитель (a+b)} ; M 7 - множество {1,2,3,4,5,6,7,8,9}.
- R 8 {(a,b):a - делитель (a+b),a≠1}; M 8 - множество натуральных чисел.
- R 9 «быть сестрой»; M 9 - множество людей.
- R 10 «быть дочерью»; M 10 - множество людей.
Операции над бинарными отношениями
Пусть R 1 , R 1 есть отношения, заданные на множестве A .
объединение R 1 ∪ R 2: R 1 ∪ R 2 = {(a,b) : (a,b) ∈ R 1 или (a,b) ∈ R 2 } ;
пересечение R 1 ∩ R 2: R 1 ∩ R 2 = {(a,b) : (a,b) ∈ R 1 и (a,b) ∈ R 2 } ;
разность R 1 \ R 2: R 1 \ R 2 = {(a,b) : (a,b) ∈ R 1 и (a,b) ∉ R 2 } ;
универсальное отношение U: = {(a;b)/a ∈ A & b ∈ A}. ;
дополнение R 1 U \ R 1 , где U = A × A;
тождественное отношение I: = {(a;a) / a ∈ A};
обратное отношение R -11 : R -11 = {(a,b) : (b,a) ∈ R 1 };
композиция R 1 º R 2: R 1 º R 2: = {(a,b) / a ∈ A&b ∈ B& ∃ c ∈ C: aR 1 c & c R 2 b}, где R 1 ⊂ A × C и R 2 ⊂ C × B;
Определение. Степенью отношения R на множестве A называется его композиция с самим собой.
Обозначение: 
Определение . Если R ⊂ A × B , то R º R -1 называется ядром отношения R .
Теорема 3.1. Пусть R ⊂ A × A – отношение, заданное на множестве A .
- R рефлексивно тогда и только тогда, (далее используется знак ⇔) когда I ⊂ R.
- R симметрично ⇔ R = R -1 .
- R транзитивно ⇔ R º R ⊂ R
- R антисимметрично ⇔ R ⌒ R -1 ⊂ I .
- R антирефлексивно ⇔ R ⌒ I = ∅ .
Задача 3.4 . Пусть R - отношение между множествами {1,2,3} и {1,2,3,4}, заданное перечислением пар: R = {(1,1), (2,3), (2,4), (3,1), (3,4)}. Кроме того, S - отношение между множествами S = {(1,1), (1,2), (2,1), (3,1), (4,2)}. Вычислите R -1 , S -1 и S º R. Проверьте, что (S º R) -1 = R -1 , S -1 .
Решение.
R -1 = {(1,1), (1,3), (3,2), (4,2), (4,3)};
S -1 = {(1,1), (1,2), (1,3), (2,1), (2,4)};
S º R = {(1,1), (1,2), (2,1), (2,2), (3,1), (3,2)};
(S º R) -1 = {(1,1), (1,2), (1,3), (2,1), (2,2), (2,3)};
R -1 º S -1 = {(1,1), (1,2), (1,3), (2 ,1), (2,2), (2,3)} = (S º R) -1 .
Задача 3.5 . Пусть R отношение «...родитель...», а S отношение «...брат...» на множестве всех людей. Дайте краткое словесное описание отношениям:
R -1 , S -1 , R º S, S -1 º R -1 и R º R.
Решение.
R -1 - отношение«...ребёнок...»;
S -1 - отношение«...брат или сестра...»;
R º S - отношение «...родитель...»;
S -1 º R -1 - отношение «...ребёнок...»
R º R - отношение «...бабушка или дедушка...»
Задачи для самостоятельного решения
1) Пусть R - отношение «...отец...», а S - отношение «...сестра...» на множестве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
R -1 , S -1 , R º S, S -1 º R -1 , R º R.
2) Пусть R - отношение «...брат...», а S - отношение «...мать...» на множестве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
R -1 , S -1 , S º R, R -1 º S -1 , S º S.
3) Пусть R - отношение «...дед...», а S - отношение «...сын...» на множестве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
4) Пусть R - отношение «...дочь...», а S - отношение «...бабушка...» на множе- стве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
5) Пусть R - отношение «...племянница...», а S - отношение «...отец...» на множестве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
R -1 , S -1 , S º R, R -1 º S -1 , R º R.
6) Пусть R - отношение «сестра...», а S - отношение «мать...» на множестве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
R -1 , S -1 , R º S, S -1 º R -1 , S º S.
7) Пусть R - отношение «...мать...», а S - отношение «...сестра...» на множе- стве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
R -1 , S1, R º S, S1 º R1, S º S.
8) Пусть R - отношение «...сын...», а S - отношение «...дед...» на множестве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
R -1 , S -1 , S º R, R -1 º S -1 , R º R.
9) Пусть R - отношение «...сестра...», а S - отношение «...отец...» на множе- стве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
R -1 , S -1 , R º S, S -1 º R -1 , S º S.
10) Пусть R - отношение «...мать...», а S - отношение «...брат...» на множестве всех людей. Дайте словесное описание отношениям:
R -1 , S -1 , S º R, R -1 º S -1 , R º R.
В повседневной жизни нам постоянно приходится сталкиваться с понятием «отношения». Отношения – один из способов задания взаимосвязей между элементами множества.
Унарные (одноместные) отношения отражают наличие какого-то одного признака R у элементов множества M (например, «быть красным» на множестве шаров в урне).
Бинарные (двуместные) отношения используются для определения взаимо
связей, которыми характеризуются пары элементов во множестве M .
Например, на множестве людей могут быть заданы следующие отношения: «жить в одном городе», «x работает под руководством y », «быть сыном», «быть старше» и т.д. на множестве чисел: «число a больше числа b », «число a является делителем числа b », «числа a и b дают одинаковый остаток при делении на 3».
В прямом произведении , где A - множество студентов какого-либо вуза, B - множество изучаемых предметов, можно выделить большое подмножество упорядоченных пар (a, b) , обладающих свойством: «студент a изучает предмет b ». Построенное подмножество отражает отношение «изучает», возникающее между множествами студентов и предметов. Число примеров можно продолжить
Отношения между двумя объектами являются предметом исследования экономики, географии, биологии, физики, лингвистики, математики и других наук.
Для строгого математического описания любых связей между элементами двух множеств вводится понятие бинарного отношения.
Бинарным отношением между множествами A и B называется подмножество R прямого произведения . В том случае, когда можно просто говорить об отношении R на A .
Пример 1 . Выпишите упорядоченные пары, принадлежащие бинарным отношениям R 1 и R 2 , заданными на множествах A и : , . Подмножество R 1 состоит из пар: . Подмножество .
Область определения R на есть множество всех элементов из A таких, что для некоторых элементов имеем . Иными словами область определения R есть множество всех первых координат упорядоченных пар из R .
Множество значений отношения R на есть множество всех таких, что для некоторых . Другими словами множество значений R есть множество всех вторых координат упорядоченных пар из R .
В примере 1 для R 1 область определения: , множество значений - . Для R 2 область определения: , множество значений: .
Во многих случаях удобно использовать графическое изображение бинарного отношения. Оно осуществляется двумя способами: с помощью точек на плоскости и с помощью стрелок.
В первом случае выбирают две взаимно перпендикулярные линии в качестве горизонтальной и вертикальной осей. На горизонтальной оси откладывают элементы множества A и через каждую точку проводят вертикальную линию. На вертикальной оси откладывают элементы множества B , через каждую точку проводят горизонтальную линию. Точки пересечения горизонтальных и вертикальных линий изображают элементы прямого произведения .
Пример 5 . Пусть , .
Пусть R 1 задано на перечислением упорядоченных пар: . Бинарное отношение R 2 на множестве задано с помощью правила: упорядочена пара , если a делится на b . Тогда R 2 состоит из пар: .
Бинарные отношения, из примера 2, R 1 и R 2 изображены графически на рис. 6 и рис.7.
| | |||||||||||||||||||||||||
Рис. 6 Рис. 7
Чтобы изобразить бинарное отношение с помощью стрелок, слева изображаются точками элементы множества A , справа - множества B . Для каждой пары (a, b) , содержащейся в бинарном отношении R , проводится стрелка от a к b , . Графическое изображение бинарного отношения R 1 , приведенного в примере 6, показано на рис.8.
| Рис.8 |
Бинарные отношения на конечных множествах могут быть заданы матрицами. Предположим, что задано бинарное отношение R между множествами A и B . , .
Строки матрицы нумеруются элементами множества A , а столбцы – элементами множества B . Ячейку матрицы, стоящую на пересечении i - ой строки и j - ого столбца принято обозначать через C ij , а заполняется она следующим образом:
Полученная матрица будет иметь размер .
Пример 6. Пусть задано множество . На множестве задайте списком и матрицей отношение R – «быть строго меньше».
Отношение R как множество содержит все пары элементов (a , b) из M такие, что .
Матрица отношения, построенная по вышеуказанным правилам, имеет следующий вид:
Свойства бинарных отношений:
1. Бинарное отношение R на множестве называетсярефлексивным , если для любого элемента a из M пара (a, a) принадлежит R , т.е. имеет место для любого a из M :
Отношения «жить в одном городе», «учиться в одном вузе», «быть не больше» являются рефлексивными.
2. Бинарное отношение называется антирефлексивным ,если оно не обладает свойством рефлексивности для любых a :
Например, «быть больше», «быть младше» - это антирефлексивные отношения .
3. Бинарное отношение R называется симметричным , если для любых элементов a и b из M из того, что пара (a, b) принадлежит R , , вытекает, что пара (b, a) принадлежит R , т.е.
Симметрична параллельность прямых, т.к. если // , то // . Симметрично отношение «быть равным» на любом множестве или «быть взаимнопростым на N».
Отношение R симметрично тогда и только тогда, когда R=R -1
4. Если для несовпадающих элементов верно отношение , но ложно , то отношение антисимметрично . Можно сказать иначе:
Антисимметричными являются отношения «быть больше», «быть делителем на N», «быть младше».
5. Бинарное отношение R называется транзитивным , если для любых трех элементов из того, что пары (a, b) и (b, c) принадлежат R , следует, что пара (a, c) принадлежит R :
Транзитивны отношения : «быть больше», «быть параллельным», «быть равным» и др.
6. Бинарное отношение R антитранзитивно , если оно не обладает свойством транзитивности.
Например, «быть перпендикулярным» на множестве прямых плоскости ( , , но неверно, что ).
Т.к. бинарное отношение может быть задано не только прямым перечислением пар, но и матрицей, то целесообразно выяснить, какими признаками характеризуется матрица отношения R , если оно: 1) рефлексивно, 2) антирефлексивно, 3)симметрично, 4) антисимметрично, 5) транзитивно.
Пусть R задано на , .R либо выполняется в обе стороны, либо не выполняется вообще. Таким образом, если в матрице стоит единица на пересечении i - ой строки и j - ого столбца, т.е. C ij =1, то она должна стоять и на пересечении j - ой строки и i - ого столбца, т.е. C ji =1, и наоборот, если C ji =1, то C ij =1. Таким образом, матрица симметричного отношения симметрична относительно главной диагонали.
4. R антисимметрично, если из и следует: . Это означает, что в соответствующей матрице ни для каких i , j не выполняется C ij = C ji =1. Таким образом, в матрице антисимметричного отношения отсутствуют единицы, симметричные относительно главной диагонали .
5. Бинарное отношение R на непустом множестве A называется транзитивным если
Вышеприведенное условие должно выполняться для любых элементов матрицы. И, наоборот, если в матрице R имеется хотя бы один элемент C ij =1, для которого данное условие не выполняется, то R не транзитивно.