二元关系

Definition:对集合 A 和 B,A×B 的任一子集 R 称为 A 到 B 的一个 二元关系. 若 ⟨x,y⟩∈R,可记作 xRy;若 ⟨x,y⟩∉R,可记作 xR̸y。

特殊地,当 A=B 时, A×A 的任一子集称为 A 上的一个二元关系。二元关系可简称为关系。

Example:用描述的方法定义二元关系,例如:

Dx={⟨x,y⟩∣x∈X∧y∈Y∧x整除y}

Example:定义集合的真包含关系和包含关系:

R1={⟨x,y⟩∣x∈P(A)∧y∈P(A)∧x⊆y}R2={⟨x,y⟩∣x∈P(A)∧y∈P(A)∧x⊂y}

Definition:若 n∈N 且 n>1,A1∼An 是 n 个集合,则 A1×A2×⋯×An 的任一子集称为 A1 到 An 上的一个 n 元关系。

Definition:特殊的关系

Definition:定义域、值域、域。

Lemma:对 A 到 B 的关系 R,如果 ⟨x,y⟩∈R,则 x∈∪∪R,y∈∪∪R.

Proof:{x,{x,y}}∈R⇒{x,y}∈∪R⇒x∈∪∪R,y∈∪∪R.

关系矩阵和关系图

Definition:关系矩阵 M(R)=(ri,j)m×n,其中 ri,j=[⟨i,j⟩∈R].

Definition:关系图。x,y 连边 ⇔⟨x,y⟩∈R.

关系的逆、合成、限制和象

若 R:X→Y,S:Y→Z:

Definition(关系的逆):R 的逆 R−1 为 Y 到 X 的关系:

R−1={⟨x,y⟩∣⟨y,x⟩∈R}

仅仅交换了二元组 x,y 的顺序。可知 ⟨x,y⟩∈R⇔⟨y,x⟩∈R−1.

Definition(关系的合成):,R 与 S 的合成 S∘R 为 X 到 Z 的关系:

S∘R={⟨x,y⟩∣(∃z)(⟨x,z⟩∈R∧⟨z,y⟩∈S)}

可以看成是 S 作用在 R 上。

Definition(关系的限制):R 在 A 上的限制 R↾A 是从 A 到 Y 的关系:

R↾A={⟨x,y⟩∣⟨x,y⟩∈R∧x∈A}

关系的限制也是一个关系,但是限制关系左端只能是 A 中的元素。

Definition(关系的象):A 在 R 下的象 R[A] 为集合:

R[A]={y∣(∃x)(x∈A∧⟨x,y⟩∈R)}

从 A 出发,R 中能到达的元素的集合。

Example:例如,R={⟨a,{a}⟩,⟨{a},{{a}}⟩}.

我们可以用 关系矩阵 再来表示关系的逆和关系的合成。

为什么是反的,因为关系矩阵里面行代表左端元素,列代表右端元素,同时,矩阵乘法里面的乘法用析取替代.

Theorem(关系的逆的性质):

我们还可以发现 R∘R−1=IY,IY∘R=R∘IY=R.

Theorem(关系的合成满足结合律):

若 Q:X→Y,S:Y→Z,R:Z→W,则:

(R∘S)∘Q=R∘(S∘Q)

就像矩阵乘法,满足结合律,但是通常不满足交换律。

Proof:

⟨x,y⟩∈(R∘S)∘Q⇔(∃z)(⟨x,z⟩∈Q∧⟨z,y⟩∈R∘S)⇔(∃z)(⟨x,z⟩∈Q∧(∃w)(⟨z,w⟩∈S∧⟨w,y⟩∈R))⇔(∃w)(∃z)(⟨x,z⟩∈Q∧⟨z,w⟩∈S∧⟨w,y⟩∈R)⇔(∃w)(⟨x,w⟩∈S∘Q∧⟨w,y⟩∈R)⇔⟨x,y⟩∈R∘(S∘Q)

Theorem: 关系的合成的性质。

对于 R2,R3:X→Y,R1:Y→Z, 有:

  1. R1∘(R2∪R3)=R1∘R2∪R1∘R3.

  2. R1∘(R2∩R3)⊆R1∘R2∩R1∘R3.

是因为对于任意的 ⟨x,y⟩,有:

⟨x,y⟩∈R1∘(R2∪R3)⇔(∃z)(⟨x,z⟩∈R2∪R3∧⟨z,y⟩∈R1)⇔(∃z)(⟨x,z⟩∈R2∨⟨x,z⟩∈R3∧⟨z,y⟩∈R1)⇔(∃z)(⟨x,z⟩∈R2∧⟨z,y⟩∈R1)∨(∃z)(⟨x,z⟩∈R3∧⟨z,y⟩∈R1)⇔⟨x,y⟩∈R1∘R2∪R1∘R3

而对于交集的情况,仅仅是包含关系,是因为两个 "z" 不一定相同。

对于 R3:X→Y,R1,R2:Y→Z,有:

  1. (R1∪R2)∘R3=R1∘R3∪R2∘R3.

  2. (R1∩R2)∘R3⊆R1∘R3∩R2∘R3.

Theorem:象的性质。

  1. R[A∪B]=R[A]∪R[B].

  2. R[∪A]=∪{R[B]∣B∈A}.

  3. R[A∩B]⊆R[A]∩R[B].

  4. R[∩A]⊆∩{R[B]∣B∈A},A≠∅.

  5. R[A]−R[B]⊆R[A−B].

Proof:证明性质 2,对于任意的 y,有:

y∈R[∪A]⇔y∈ran(R↾∪A)⇔(∃x)(x∈∪A∧⟨x,y⟩∈R)⇔(∃x)(∃B)(B∈A∧x∈B∧⟨x,y⟩∈R)⇔(∃B)(B∈A∧(∃x)(x∈B∧⟨x,y⟩∈R))⇔(∃B)(B∈A∧y∈R[B])⇔(∃B)(y∈R[B]∧R[B]∈{R[B]∣B∈A})⇔y∈∪{R[B]∣B∈A}

证明性质 3,对于任意的 y,有:

y∈R[A∩B]⇔(∃x)(x∈A∩B∧⟨x,y⟩∈R)⇔(∃x)(x∈A∧x∈B∧⟨x,y⟩∈R)⇒(∃x)(x∈A∧⟨x,y⟩∈R)∧(∃x)(x∈B∧⟨x,y⟩∈R)⇔y∈R[A]∧y∈R[B]⇔y∈R[A]∩R[B]

关系的性质

关系的性质,我认为从一些常见的运算引入,比较容易理解,先给出一系列定义。对于一个关系 R。

性质定义关系矩阵关系图
自反关系∀x∈A,xRx对角线全为 1每个节点都有自环
非自反关系∀x∈A,xR̸x对角线全为 0每个节点都没有自环
对称关系∀x,y∈A,xRy→yRxM(R) 对称矩阵,M(R)=M(R)⊤每条边都有反向边
反对称关系∀x,y∈A,(xRy∧yRx)→x=y对角线可以为 0,1;非对角线的对称位置不能同时为 1.每条边都没有反向边,但是可以有自环
非对称关系∀x,y∈A,xRy→yR̸x对角线全为 0;非对角线的对称位置不能同时为 1.每条边都没有反向边,不可以有自环
传递关系∀x,y,z∈A,(xRy∧yRz)→xRzM2∨M=M;M2 里面 1 的位置在 M 里面也为 1.若 u 到 v 存在长度为 2 的路径,u,v 也有连边。

关注具体的运算:

Definition(自反、非自反):对于 A 上的关系 R:

Example

恒等关系 IA 和全关系 EA 都是自反的。集合 A 的幂集 P(A) 上的包含关系和相等关系都是自反的。这些关系都不是非自反的。

在 非空集合 A 上的空关系 ∅ 是非自反的,在集合 N 上的小于关系 < 是非自反的,在集合 A 的幂集 P(A) 上的真包含关系 ⊊ 是非自反的。这些关系都不是自反的。

Q: 空集合 A 上的空关系 ∅ 是自反的。

Q: 为什么定义域选为 P(A)?

存在既不是自反的,也不是非自反的关系。例如,A={1,2},R={⟨1,1⟩,⟨2,2⟩,⟨3,1⟩}.

自反关系的图形解释(绿色表示一定存在该关系,红色表示一定不存在该关系,灰色表示不关心)

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非自反关系的图形解释:

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在非空集合 A 上,不存在既是自反的,又是非自反的关系。

Definition:对称、反对称、非对称。

对于 A 上的关系 R,若 ∀x,y∈A,xRy→yRx,则称 R 是 对称 的;注,也等价于 ∀x,y∈A,xRy↔yRx.

等价表述:M(R) 是对称矩阵,G(R) 之间互相连接有向边 ei,j 和 ej,i 或者没有连边。

若 ∀x,y∈A,xRy∧yRx→x=y,则称 R 是 反对称 的;

等价表述:M(R) 是反对称矩阵(对于 i≠j,ri,j∧rj,i≠1),G(R) 之间互相连接有向边 ei,j 和 ej,i 时,i=j。

若 ∀x,y∈A,xRy→yR̸x,则称 R 是 非对称 的。

空关系 ∅ 是对称的、反对称的、非对称的。

存在既不是对称的,也不是反对称的关系,例如 A={1,2},R={⟨1,2⟩,⟨3,2⟩,⟨2,3⟩}.

Definition:传递关系。

对于任意的 x,y,z∈A,若 (xRy∧yRz)→xRz,则称 R 为 A 上的传递的关系。

恒等关系、全关系、空关系都是传递的。也可以表述为 M(R)2=M(R).

一些结论:

关系的闭包

多个关系的合成(关系的幂)

Definition(多个关系的合成)

对于 A 上的关系 R,n∈N,关系 R 的 n 次幂 Rn 定义如下:

Lemma(关系的幂存在循环节):设 A 是有限集合,|A|=n,R 是 A 上的关系,则存在自然数 s,t,s≠t,使得 Rs=Rt,其中 Rs 是 R 的 s 次合成。

Proof:对于 i∈N,Ri 都是 A 上的关系,它们都是 P(A×A) 的元素,因为 |A|=n,所以 |P(A×A)|=2n2。

则 R0,R1,⋯,R2n2 有 2n2+1 个,根据鸽笼原理,即存在 s,t,s≠t,使得 Rs=Rt.

Lemma(幂次的性质):设 A 是有限集合,R 是 A 上的关系,m,n 是非零自然数,则:

  1. Rm+n=Rm∘Rn.

  2. Rmn=(Rm)n.

Proof:

  1. 对于任意的 m,归纳 n,

  1. n=1 时,Rm+1=Rm∘R1=Rm∘R

  2. 假设 n=k(k≥1) 时结论成立,n=k+1 时,Rm+k+1=Rm+k∘R=Rm∘Rk∘R=Rm∘Rk+1.

  1. 对于任意的 m,归纳 n,

  1. n=1 时,Rm⋅1=Rm.

  2. 假设 n=k(k≥1) 时结论成立,n=k+1 时,利用刚刚 1 的结论,有:

    Rm(k+1)=Rmk+m=Rmk∘Rm=(Rm)k∘Rm=(Rm)k+1.

Lemma(循环相等的性质):设 A 是有限集合,R 是 A 上的关系,若存在自然数 s,t,s<t,使得 Rs=Rt,则:

  1. Rs+k=Rt+k,其中 k 是任意的自然数。

  2. Rs+kp+i=Rs+i,其中 k 是任意的自然数,i 是任意的自然数,p=t−s.

  3. 令 B={R0,R1,⋯,Rt−1},则 R 的各次幂都是 B 的元素,也就是对于任意的自然数 q,有 Rq∈B.

Proof:

  1. Rs+k=Rs∘Rk=Rt∘Rk=Rt+k.

  2. Rs+(n+1)p+i=Rs+np+i∘Rp=Rs+i∘Rp=Rs+p+i=Rt+i=Rs+i
  3. 若 q<t,由 B 的定义,Rq∈B;

若 q≥t,则 q−s>0,一定存在自然数 k,i,使得 q=s+kp+i,其中 0≤i≤p−1,于是 Rq=Rs+kp+i=Rs+i,此外有 s+i≤t−1.

因此,Rq=Rs+i∈B.

闭包的定义

Definition(闭包):

对于非空集合 A 上的关系 R,如果有 A 上的另一个关系 R′,满足:

  1. R′ 是自反的(对称的,传递的),

  2. R⊆R′,

  3. R′ 是 A 上满足 1 和 2 的关系中最小的一个。也就是说:

    (∀R″)(R″具有某性质∧R⊆R″→R′⊆R″)

则称关系 R′ 为 R 的自反闭包(对称闭包,传递闭包),记作 r(R) (s(r),t(R))

另一种理解方式,在 R 的关系图中加入最少的边,使得其称为自反(对称,传递)的,即使自反(对称,传递)闭包。

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闭包的性质

Lemma(闭包的性质):

对于非空集合 A 上的关系 R,有 不变性:

  1. R 是自反的 ⇔r(R)=R.

  2. R 是对称的 ⇔s(R)=R.

  3. R 是传递的 ⇔t(R)=R.

Proof:抓住“最小”超集合的概念即可。

对于非空集合 A 上的关系 R1,R2,若 R1⊆R2,则有 包含关系:

  1. r(R1)⊆r(R2);

  2. s(R1)⊆s(R2);

  3. t(R1)⊆t(R2).

Proof:抓住“最小”超集合的概念即可。例如:

因为 R1⊆R2,和 R2⊆r(R2),有 R1⊆r(R2):

r(R2)自反∧R1⊆r(R2)→r(R1)⊆r(R2)

对于非空集合 A 上的关系 R1,R2,有 并集的关系:

  1. r(R1)∪r(R2)=r(R1∪R2).

  2. s(R1)∪s(R2)=s(R1∪R2).

  3. t(R1)∪t(R2)⊆t(R1∪R2).

Proof:因为 r(R1) 和 r(R2) 都是 A 上自反的关系,所以 r(R1)∪r(R2) 是 A 上自反的关系,有 R1∪R2⊆r(R1)∪r(R2),因此 r(R1)∪r(R2) 是包含 R1∪R2 的自反关系,所以 r(R1∪R2)⊆r(R1)∪r(R2). (最小关系的性质)

而另一方面,R1⊆R1∪R2⇒r(R1)⊆r(R1∪R2),且 r(R2)⊆r(R1∪R2),则有 r(R1)∪r(R2)⊆r(R1∪R2).

因此,r(R1∪R2)=r(R1)∪r(R2).

但是,对于 t 而言,不一定满足 t(R1)∪t(R2) 是 A 上传递的关系,因此,只能说 t(R1)∪t(R2)⊆t(R1∪R2).

闭包的构造方法

Lemma(闭包的构造方法)

  1. 构造自反闭包 对于非空集合 A 上的关系 R,有 r(R)=R∪R0.

  2. 构造对称闭包 对于非空集合 A 上的关系 R,有 s(R)=R∪R−1.

  3. 构造传递闭包 对于非空集合 A 上的关系 R,有 t(R)=R∪R2∪R3∪⋯.

Proof:

  1. 首先,因为 ∀x∈A,⟨x,x⟩∈R∪R0,所以 R∪R0 是自反的。

再设任意关系 R″,需要证明

R″是自反的∧R⊆R″→R∪R0⊆R″

若 ⟨x,y⟩∈R∪R0,则 ⟨x,y⟩∈R 或者 ⟨x,y⟩∈R0

  • 如果 ⟨x,y⟩∈R,则因为 R⊆R″,有 ⟨x,y⟩∈R″.

  • 如果 ⟨x,y⟩∈R0,则 x=y,因为 R″ 是自反的,⟨x,y⟩∈R″.

因此 ∀⟨x,y⟩(⟨x,y⟩∈R∪R0→⟨x,y⟩∈R″). 所以 R∪R0⊆R″.

  1. 对于 ∀x,y∈A,⟨x,y⟩∈R∪R−1,则

  • ⟨x,y⟩∈R,则 ⟨y,x⟩∈R−1⊆R∪R−1.

  • ⟨x,y⟩∈R−1,则 ⟨y,x⟩∈R⊆R∪R−1.

因此 ∀x,y∈A,⟨x,y⟩∈R∪R−1→⟨y,x⟩∈R∪R−1. R∪R−1 是对称的。

设任意关系 R″,需要证明

R″是对称的∧R⊆R″→R∪R−1⊆R″

若 ⟨x,y⟩∈R∪R−1,则 ⟨x,y⟩∈R 或者 ⟨x,y⟩∈R−1

  • 如果 ⟨x,y⟩∈R,则因为 R⊆R″,有 ⟨x,y⟩∈R″.

  • 如果 ⟨x,y⟩∈R−1,则 ⟨y,x⟩∈R,因为 R⊆R″,所以 ⟨y,x⟩∈R″,再因为 R″ 是对称的,所以 ⟨x,y⟩∈R″.

因此 ⟨x,y⟩∈R∪R−1→⟨x,y⟩∈R″,所以 R∪R−1⊆R″.

  1. 对于 n∈N,n≥1,有 Rn⊆t(R),所以 R∪R2∪R3∪⋯⊆t(R).

再证明 t(R)⊆R∪R2∪R3∪⋯.

Lemma(t(R) 可以有限构造出)

A 为非空有限集合,|A|=n,R 是 A 上的关系,则存在一个正整数 k≤n,使得:

t(R)=R+=R∪R2∪⋯∪Rk

Proof:因为关系的幂存在循环。从图论的角度理解,从一个点出发,到另一个点,最短路最长为 k≤n.

Algorithm(Warshall)

令 B[j,i] 表示矩阵 B 第 j 行第 i 列的元素;

  1. 令矩阵 B=M(R).

  2. 令 i=1,n=|A|.

  3. 对 1≤j≤n,如果 B[j,i]=1,则对 1≤k≤n,令:

    B[j,k]=B[j,k]∨B[i,k]
  4. i=i+1.

  5. 如果 i≤n,则转到 3,否则停止。

闭包的性质

Theorem

  1. 若 R 是自反的,则 s(R),t(R) 是自反的;

  2. 若 R 是对称的,则 r(R),t(R) 是对称的;

  3. 若 R 是传递的,则 r(R) 是传递的。

Proof:

  1. 等价于,如果每个点都有自环,则自环在 s(R),t(R) 中都能保持;

  2. 等价于,加入自环,不破坏对称性;对于无向图来说,如果 a 能到 b,则 b 也能到 a.

Theorem:对于非空集合 A 上的关系 R,有:

  1. rs(R)=sr(R).

  2. rt(R)=tr(R).

  3. st(R)⊆ts(R).

Proof:利用闭包的构造方法。

  1. 也就是说,如果把一个有向图变成无向图,则可能出现新的“联通关系”

等价关系和划分

常见的等价关系:

等价关系、等价类

Definition(等价关系)

对非空集合 A 上的关系 R,如果 R 是自反的、对称的和传递的,则称 R 是 A 上的等价关系。

等价关系在关系矩阵和关系图中的表示:

Definition(等价类)

R 是非空集合 A 上的等价关系,对于任意的 x∈A,令

[x]R={z∣z∈A∧xRz}

称集合 [x]R 是 x 关于 R 的 等价类。

Theorem(等价类满足的性质)

  1. [x]R≠∅,且 [x]R⊆A.

  2. 若 xRy,则 [x]R=[y]R.

  3. 若 xR̸y,则 [x]R∩[y]R=∅.

  4. ∪{[x]R∣x∈A}=A.

Proof:

  1. 显然;

  2. 先说明 [x]R⊆[y]R,因为等价关系具有对称性,因此 yRx,有:

    z∈[x]R⇒z∈A∧xRz⇒yRxz∈A∧yRz⇒z∈[y]R

    同样,可以说明 [y]R⊆[x]R,因此 [x]R=[y]R.

  3. 若 yRz 且 xRz,则 xRy,因此,当 yRz 且 xR̸y,有 xR̸z:

    z∈[y]R⇒z∈A∧yRz⇒xR̸yz∈A∧xR̸z⇒z∉[x]R

    因此, [x]R∩[y]R=∅.

  4. 对于任意的 x∈A,[x]R⊆A,则有 ∪{[x]R∣x∈A}⊆A;

反之对于任意的 x∈A, x∈[x]R,则有 x∈∪{[x]R∣x∈A},所以 A⊆∪{[x]R∣x∈A}.

因此,∪{[x]R∣x∈A}=A.

Definition(商集)

A/R={y∣(∃x)(x∈A∧y=[x]R)}

是包含了 A 所有可能的等价类的集合。例如,设 A 是 1 到 7 的整数,R 是同余 3 的关系,则:

A/R={{1,4,7},{2,5,8},{3,6}}

划分

引入,对于 {a,b,c,d} 这个集合,我们想要不重不漏地将其划分为集合 {{a},{b},{c,d}},思考怎么用数学语言来表示合法的划分。

Definition(划分、划分块)

对于非空集合 A,若存在集合 π 满足下列条件:

  1. (∀x)(x∈π→x⊆A);(不能凭空出现 A 以外的元素)

  2. ∅∉π;(不存在空集)

  3. ∪π=A;(不漏)

  4. (∀x)(∀y)((x∈π∧y∈π∧x≠y)→x∩y=∅);(不重)

则称 π 为 A 的一个 划分,称 π 中的元素为 A 的 划分块。

Theorem(商集是划分)

对于非空集合 A 上的等价关系 R,A 的商集 A/R 就是 A 的划分,它称为由等价关系 R 诱导出来的 A 的划分,记作 πR.

Proof:利用等价类的性质。

Lemma(通过等价关系构造划分)对非空集合 A 的一个划分 π,令 A 上的关系 Rπ 为:

Rπ={⟨x,y⟩∣(∃z)(z∈π∧x∈z∧y∈z)}

则 Rπ 为 A 上的等价关系(验证是否满足自反性、对称性、传递性),它被称为划分 π 诱导 出来的 A 上的等价关系。

Lemma(等价关系和划分一一对应)对非空集合 A 的一个划分 π 和 A 上的等价关系 R,π 诱导 R 当且仅当 R 诱导 π.

先证必要性 若 π 诱导 R,且 R 诱导 π′,对任意的 x∈A,设 x 在 π 的划分块 B 中,也在 π′ 的划分块 B′ 中,若要证明 π=π′,则需要 B=B′. 再取任意 y∈A,有:

y∈B⇔π诱导RxRy⇔[x]R=[y]R⇔R诱导π′y∈B′

因此 B=B′,由 x 的任意性,π=π′.

再证明充分性 若 R 诱导 π,且 π 诱导 R′,对于任意的 x,y∈A,有:

xRy⇔[x]R=[y]R⇔x∈[x]R∧y∈[y]R⇔x,y在π的一个划分块里面⇔xR′y

相容关系和覆盖

Definition(相容关系)

对于非空集合 A 上的关系 R,如果 R 是自反的,对称的,则称 R 为 A 上的相容关系。

从图论的角度看,每个顶点都有自环,且没有有向边,都是无向边。

Definition(相容类)

对于 C⊆A,如果 C 中任意两个元素 x 和 y 都有 xRy,则称 C 是由相容关系 R 产生的相容类,简称相容类(也就是一个团)

C={x∣x∈A∧(∀y)(y∈C→xRy)}

Definition(最大相容类)

对于非空集合 A 上的相容关系 R,一个相容类,若不是任何相容类的真子集,称为最大相容类,记作 CR.

最大相容类的性质:

从图论的角度看,就是最大子团。

Theorem(最大相容类的构造)对于非空有限集合 A 上的相容关系 R,如果 C 是一个相容类,则存在一个最大相同类 CR,使得 C⊆CR.

Proof:不断加入和 C 每个元素都相关的元素集合,至多只需要构造 n−|C0| 步。

Lemma(每个元素都有对应包含的最大相容类) 从相容类 {a} 出发即可。这样的最大相容类不唯一,因为选择元素的序列可能不同。

Definition(覆盖)

对于非空集合 A,如果存在集合 Ω,满足下列条件:

  1. (∀x)(x∈Ω→x⊆A);

  2. ∅∉Ω.

  3. ∪Ω=A.

则称 Ω 为 A 的一个覆盖,称 Ω 中的元素为 Ω 的覆盖块。

Examples.

偏序关系

偏序关系和拟序关系

Definition(偏序关系)

定义一个偏序集 (P,≤) 是一个集合 P 和一个偏序 ≤ 组成的二元组。满足以下性质:

偏序关系 ≤ 需要满足自反性、反对称性、传递性。

Definition(拟序关系)

拟序关系 < 需要满足非自反性、传递性。

反对称性:a<b∧b<a 为假。因此,拟序关系也符合反对称性。

Lemma(拟序关系和偏序关系的相互转换)

也就是有没有取等:

因此,拟序关系和偏序关系的区别只是自反性。

Examples 可以验证,

Hasse 图

我们用 Hasse 图来直观地表示一个偏序集,如果 a<b 且不存在中间元素 c 使得 a<c<b,则从 a 到 b 连边;也就是 不画自环 和 传递关系得到的有向边。

Definition(盖住关系):对于偏序集 (A,≤),如果 x,y∈A,x≤y,x≠y,且不存在元素 z∈A 使得 x≤z 且 z≤y,则称 y 盖住 x,A 上的盖住关系 cov(A) 定义为:

covA={⟨x,y⟩∣x∈A∧y∈A∧y盖住x}

Example:集合 {1,2,3,4,6,12} 上的整除关系 DA 是 A 上的偏序关系,则 A 上的盖住关系 covA 为:

covA={⟨1,2⟩,⟨1,3⟩,⟨2,4⟩,⟨2,6⟩,⟨3,6⟩,⟨4,12⟩,⟨6,12⟩}

结论:对于自然数来说,若 y 盖住 x,则 y/x 为质数。

例如 (2[n],⊆) 的 Hasse 图:

image-20240115002153809

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一个偏序集可能不存在最大和最小元素。

例如 P={2,3,4,5,6} 上的整除关系,4,5,6 都是极大元素,但是没有最大元素。

例如 (2[n],⊆),最大元素和极大元素都是 {1,2,3}.

Definition(最大最小元,极大极小元)

  1. 若 (∃y)(y∈B∧(∀x)(x∈B→y≤x)),则称 y 为 B 的最小元;

  2. 若 (∃y)(y∈B∧(∀x)(x∈B→x≤y)),则称 y 为 B 的最大元;

  3. 若 (∃y)(y∈B∧(∀x)((x∈B∧x≤y)→x=y)),则称 y 为 B 的极小元;

  4. 若 (∃y)(y∈B∧(∀x)((x∈B∧y≤x)→x=y)),则称 y 为 B 的极大元。

通俗的解释,如果 y 和 B 中其他元素都有关系,而且都小于等于/大于等于它们,则称为最小/最大元;(要求比较严格,必须能够比较)

如果 y 和 B 中有关系的元素比较,都小于等于/大于等于它们,称为极大/极小元。

Lemma(最大最小元存在必唯一)

Proof 假设 y1,y2 都是 B 的最大元,则 y2∈B→y1≤y2,且 y1∈B→y2≤y1,因为反对称性,所以 y1=y2.

Lemma(最大最小元是极大极小元)

Proof 假设 y 是 B 的最大元,则 (∀x)(x∈B→x≤y),因为 y≤x∧x≤y,所以 x=y. 因此是极大元。

Definition(上(下)确界)

对偏序集 (A,≤),且 B⊆A,进一步定义:

  1. 若 (∃y)(y∈A∧(∀x)(x∈B→x≤y)),则称 y 为 B 的上界(即大于等于 B 中所有元素的元素,不一定存在)

  2. 若 (∃y)(y∈A∧(∀x)(x∈B→y≤x)),则称 y 为 B 的下界(即小于等于 B 中所有元素的元素,不一定存在)

  3. 若集合 C={y∣y是B的上界},则 C 的最小元称为 B 的上确界或最小上界;(不一定存在,如果存在必唯一)

  4. 若集合 C={y∣y是B的下界},则 C 的最大元称为 B 的下确界或最大下界。(不一定存在,如果存在必唯一)

Definition(全序关系)

对于偏序集 (P,≤),如果 ≤ 是反对称的,则称 ≤ 是全序关系。

(∀x,y)(x≤y∨y≤x)

Definition(良序关系)

对于偏序集 (A,≤),如果 A 的任何非空子集都有最小元,则称 ≤ 为良序关系,称 (A,≤) 为良序集。

Proof(一个良序集一定是全序集)

只需要证明任意两个元素 x,y∈A 可比较,构造 {x,y}⊆A,根据良序集的性质,它有最小元 x 或 y,所以 x≤y 或者 y≤x,因此 (A,≤) 是全序集。

Proof(一个有限的全序集一定是良序集)

假设偏序集 (A,≤) 是有限的全序集

对于任何有限的非空子集 B∈A,如果不存在最小元,则存在 x,y∈B,使得 x,y 无关系,和全序集矛盾。

Theorem(Zorn)

对于一个非良序的集合,可以 定义 集合上的一个全序关系,使该集合成为良序集。

任何集合都是可以良序化的。良序定理、Zorn 引理、选择公理三者等价。

例如,(Z,≤) 不是良序集,但是在 Z 上定义全序关系 R 为:

|a|≤|b|⟹aRb

则最小元是绝对值最小的那个,Z 的最小元是 0,(Z,R) 是良序集。

Definition(区间)

在全序集 (R,≤) 上,对于 a,b∈R,a≠b,a≤b,则:

  1. [a,b]={x∣x∈R∧a≤x≤b},称为 a 到 b 的闭区间;

  2. (a,b)={x∣x∈R∧a≤x≤b∧x≠a∧x≠b}. 称为从 a 到 b 的开区间;

  3. 定义半开区间……

Definition(链)

对于偏序集 (P,≤),如果 C⊆P 是链,即 C 中任意两个元素都是可比较的,则称 C 是 P 的一个链。

(∀x,y)(x∈C∧y∈C→x≤y∨y≤x)

Definition(反链)

对于偏序集 (P,≤),如果 C⊆P 是反链,即 C 中任意两个元素都是不可比较的,则称 C 是 P 的一个反链。

(∀x,y)(x∈C∧y∈C→x≰y∧y≰x)

Definition(链和反链的长度)

对于偏序集 (P,≤),如果 C⊆P 是链,且 |C|=n,则称 C 是 P 的一个 n 链;如果 C⊆P 是反链,且 |C|=n,则称 C 是 P 的一个 n 反链。

Definition

都不是唯一的。

Definition 个偏序集的 宽度 则被定义为其中最大反链的大小。

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从 Hasse 图理解这件事情

链划分和反链划分

Definition

Theorem 任何偏序集最小反链划分的大小等于其高度。

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证明类似于一层一层剥下来。

Theorem 任何偏序集最小链划分的大小等于其宽度。

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我们对谁归纳?|P|. 前提是,命题对小于 |P| 的偏序集都成立……

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关系的计数

若 |A|=n,则:

关系性质的保持

问:A×A 上的关系 R1,R2 取逆/交/并/合成/平方是否能够保持自反性、非自反性、对称性、反对称性、传递性。

 −1∩∪∘2
自反可以可以可以可以可以
非自反可以可以可以不可以(24)不可以 (25)
对称可以可以可以不可以(34)可以 (35)
反对称可以可以不可以(43)不可以(44)不可以(45)
传递可以可以不可以(53)不可以(54)可以 (55)

反例及说明:

(24). A={1,2},R1={⟨1,2⟩},R2={⟨2,1⟩}. 发现了 ⟨2,2⟩ 出现在 R1∘R2 中。

(25). A={1,2},R1={⟨1,2⟩,⟨2,1⟩}. 发现了 ⟨2,2⟩ 出现在 R12 中。

(34). A={1,2,3},R1={⟨1,2⟩,⟨2,1⟩},R2={⟨2,3⟩,⟨3,2⟩}.

(35). 事实上,任何额外满足 R1∘R2=R2∘R1 的关系都可以保持对称性。

(43). A={1,2},R1={⟨1,2⟩},R2={⟨2,1⟩}.

(44). A={1,2,3},R1={⟨1,2⟩,⟨2,3⟩,⟨1,3⟩},R2={⟨2,1⟩,⟨3,2⟩,⟨3,1⟩}.

发现了 ⟨2,3⟩ 和 ⟨3,2⟩ 同时出现在 R1∘R2 中。

(45). A={1,2,3,4},R1={⟨1,2⟩,⟨2,4⟩,⟨4,3⟩,⟨3,1⟩}. 发现 ⟨4,1⟩ 和 ⟨1,4⟩ 同时出现在 R12 中。

(53). A={1,2,3},R1={⟨2,3⟩},R2={⟨1,2⟩}.

(54). A={1,2,3},R1={⟨1,2⟩,⟨2,3⟩,⟨1,3⟩},R2={⟨3,1⟩,⟨1,2⟩,⟨3,2⟩}.

则 R1∘R2={⟨3,2⟩,⟨3,3⟩,⟨1,3⟩}。

Theorem (55):若 R 是传递的关系,则 R2 也是传递关系:

Proof:

xR2y∧yR2z⇒xRs∧sRy∧yRt∧tRz⇒xRy∧yRz⇒xR2z

往年题目

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假设加入了 n 这个元素,我们考虑 n 和哪些其他元素分在了一个等价类,假设还有其他 k 个元素被分在一个等价类,这 k 个元素的取法有 Cn−1k 种,剩下 n−1−k 个元素,又可以有 rn−1−k 种等价关系。因此:

rn=∑k=0n−1Cn−1krn−1−k=∑k′=0n−1Cn−1k′rk′

化为题目要求的形式,也就是:

rn+1=∑k=0nCnkrk

可以写出前几项:

1,1,2,5,15,52,203

称为贝尔数列。

还可以通过第二类斯特林数求出其通项,

第二类斯特林数(斯特林子集数){nk},也可记做 S(n,k),表示将 n 个两两不同的元素,划分为 k 个互不区分的非空子集的方案数。

递推式

{nk}={n−1k−1}+k{n−1k}

边界是 {n0}=[n=0]。

考虑用组合意义来证明。

我们插入一个新元素时,有两种方案:

根据加法原理,将两式相加即可得到递推式。

通项公式

{nm}=∑i=0m(−1)m−iini!(m−i)!

根据定义,我们有:

rn=∑k=1n{nk}=∑k=1n∑i=0k(−1)k−iini!(k−i)!

设分别用符号 <A、<B 表示集合 A,B 上的线序(拟序),则在笛卡尔积 A×B 上定义二元关系 <L 如下:

⟨a,b⟩<L⟨a′,b′⟩⇔either a<Aa′ or (a=a′∧b<Bb′)

请证明 <L 也是一个线序关系。

  1. <L 具有非自反性,因为 a≮Aa 且 a=a∧b≮Bb′ 均不成立。

  2. <L 具有传递性:

    假设 ⟨a,b⟩<L⟨a′,b′⟩ 且 ⟨a′,b′⟩<L⟨a″,b″⟩,则:

    • a<Aa′ 且 a′<Aa″ 成立,根据 <A 的传递性,有 a<Aa″,因此 ⟨a,b⟩<L⟨a″,b″⟩.

    • a<Aa′ 且 a′=a″∧b′<Bb″ 成立,则 a<Aa″ 成立,因此 ⟨a,b⟩<L⟨a″,b″⟩.

    • a=a′∧b<Bb′ 且 a′<Aa″ 成立,则 a<Aa″ 成立,因此 ⟨a,b⟩<L⟨a″,b″⟩.

    • a=a′∧b<Bb′ 且 a′=a″∧b′<Bb″ 成立,则 a=a″∧b<Bb″ 成立,因此 ⟨a,b⟩<L⟨a″,b″⟩.

    综上,<L 具有传递性。

因此,<L 是一个线序关系。