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09 Binary Relation I

这篇笔记介绍lecture14,Binary Relation I。

前置知识

有序对

有序对 <a,b><a,b> 是包含 aabb 两元素,其中 aa 是第一个元素, bb 是第二个元素。

有序对满足

  • ab<a,b><b,a>a \not = b \Rightarrow <a, b> \not = <b, a>
  • <a,b><c,d>a=cb=d<a, b> \not = <c, d> \Leftrightarrow a = c \land b = d

可以通过集合来描述有序对,定义 <a,b>={{a},{a,b}}<a,b> = \{\{a\}, \{a, b\}\} 。如果 a=ba = b ,则 <a,b>={a}<a, b> = \{a\} 。如果 aba \not = b ,则 <a,b>={{a},{a,b}}<a, b> = \{\{a\}, \{a, b\}\}<b,a>={{b},{a,b}}<b, a> = \{\{b\}, \{a, b\}\} ,显然这两个集合不相等,符合上面的第一条规律。此外, {{a},{a,b}}={{c},{c,d}}a=cb=d\{\{a\}, \{a, b\}\} = \{\{c\}, \{c, d\}\} \Leftrightarrow a = c \land b = d ,满足上面的第二条规律。

笛卡尔积

对于集合 AABB ,它们的笛卡尔积写作 A×BA \times B 。它们代表有序对 <a,b><a,b> 的集合,其中 aAa \in AbBb \in B 。也就是说, A×B={<a,b>aAbB}A \times B = \{<a, b>|a \in A \land b \in B\}

空集和任何集合的笛卡尔积都是空集。

笛卡尔积可以用平面直角坐标系来表示。

cartesian product

关系

两个对象之间的关系称为二元关系(binary relation)。这门课只研究二元关系。

基本概念

如果 AABB 是集合,从 AABB 的二元关系就是 A×BA \times B 的子集。也就是说, AABB 的关系 RR 是有序对的集合。 aRbaRb 代表 <a,b><a,b> 属于 RRaRba\cancel{R} b 代表 <a,b><a,b> 不属于 RR

对于从 AABB 的关系 RR ,定义 RR 的定义域(domain) dom(R)={x(y)(<x,y>R)}dom(R) = \{x|(\exist y)(<x, y>\in R)\} ,值域(range) ran(R)={y(x)(<x,y>R)}ran(R) = \{y|(\exist x)(<x, y>\in R)\} ,域(field) fld(R)=dom(R)ran(R)fld(R) = dom(R) \cup ran(R)

例如,定义集合 A={1,2,3}A = \{1,2,3\}R={<x,y>xAyAxy}R = \{<x,y>|x\in A \land y \in A \land x|y\} (其中 xyx|y 代表 yy 能被 xx 整除)。则 R={<1,1>,<1,2>,<1,3>,<2,2>,<3,3>}R = \{<1, 1>, <1, 2>, <1, 3>, <2, 2>, <3, 3>\}dom(R)={1,2,3}dom(R) = \{1, 2, 3\}ran(R)={1,2,3}ran(R) = \{1, 2, 3\}fld(R)={1,2,3}fld(R) = \{1, 2, 3\}

对于任何集合 AA ,有一些特殊关系。

  • 恒等关系(identity relation):IA={<x,x>xA}I_A = \{<x, x>|x \in A\}

  • 全域关系(universal relation):EA={<x,y>xAyA}E_A = \{<x,y>|x \in A \land y \in A\}

  • 空关系(empty relation):NA=N_A = \varnothing

对于 AA 中的任意元素 xxyy ,永远有 xNAyx\cancel{N_A}yxEAyxE_Ay ,当且仅当 x=yx=y 时有 xIAyxI_Ay

关系矩阵与关系图

RR 是从 AABB 的关系,则 RR 可以用零一矩阵 MR=(mij)m×nM_R = (m_{ij})_{m \times n} 表示,有

mij={1  if<ai,bj>R0  if<ai,bj>∉Rm_{ij} = \begin{cases} \text{$1~~if<a_i,b_j>\in R$} \\ \text{$0~~if<a_i,b_j>\not \in R$} \end{cases}

如果 RRAA 上的关系, MRM_R 是方阵。

例如,如果 A={1,2,3,4}A = \{1, 2, 3, 4\}R={<1,1>,<1,3>,<2,1>,<2,3>,<2,4>,<3,1>,<3,2>,<4,1>}R = \{<1, 1>, <1, 3>, <2, 1>, <2, 3>, <2, 4>, <3, 1>, <3, 2>, <4, 1>\} ,则

MR=[1010101111001000]M_{R} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

类似地,有

MI=[1000010000100001]M_{I} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} ME=[1111111111111111]M_{E} = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 & 1 \end{bmatrix} MN=[0000000000000000]M_N = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

关系还可以通过关系图来表示。在关系图中,顶点代表元素, aRbaRb 代表图中出现一条由 aabb 的有向边。例如,对于 A={1,2,3,4}A = \{1, 2, 3, 4\}R={<1,1>,<1,3>,<2,1>,<2,3>,<2,4>,<3,1>,<3,2>,<4,1>}R = \{<1, 1>, <1, 3>, <2, 1>, <2, 3>, <2, 4>, <3, 1>, <3, 2>, <4, 1>\} ,关系图如图

digraph

关系的运算

集合的基本运算在关系中也成立。此外,关系还有一些其它的运算。

RR 为从 AABB 的关系,则 RR 的逆(inverse),写作 R1R^{-1} ,是集合 {<a,b><b,a>R}\{<a,b>|<b,a> \in R\} ,且 MR1=MRTM_{R^{-1}} = M_R^T

RR 为从 AABB 的关系, SS 为从 BBCC 的关系,则 RRSS 的合成(composite)写作 SRS \circ R ,是集合 {<x,y>(z)(<x,z>R<z,y>S)}\{<x, y>|(\exist z)(<x,z>\in R \land <z,y>\in S)\} 。令 MR=(rij)M_R = (r_{ij})MS=(sij)M_S = (s_{ij})MSR=MRMS=(wij)M_{S \circ R} = M_R \odot M_S = (w_{ij}) ,其中 \odot 代表矩阵的布尔积, wij=k=1n(rikskj)w_{ij} = \lor _{k=1}^n(r_{ik} \land s_{kj}) 。例如

[101011][110001]=[1101]\begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 \end{bmatrix} \odot \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 0 \\ 0 & 1 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}

其中有

  • w11=(11)(00)(10)=1w_{11} = (1 \land 1) \lor (0 \land 0) \lor (1 \land 0) = 1
  • w12=(11)(00)(11)=1w_{12} = (1 \land 1) \lor (0 \land 0) \lor (1 \land 1) = 1
  • w21=(01)(10)(10)=0w_{21} = (0 \land 1) \lor (1 \land 0) \lor (1 \land 0) = 0
  • w22=(01)(10)(10)=1w_{22} = (0 \land 1) \lor (1 \land 0) \lor (1 \land 0) = 1

关系的逆和合成有下面这些性质。

  • dom(R1)=ran(R)dom(R^{-1}) = ran(R)
  • ran(R1)=dom(R)ran(R^{-1}) = dom(R)
  • (R1)1=R(R^{-1})^{-1} = R
  • (SR)1=R1S1(S \circ R)^{-1} = R^{-1} \circ S^{-1}
  • (RS)Q=R(SQ)(R \circ S) \circ Q = R \circ (S \circ Q)
  • R1(R2R3)=R1R2R1R3R_1 \circ (R_2 \cup R_3) = R_1 \circ R_2 \cup R_1 \circ R_3
  • (R1R2)R3=(R1R3)(R2R3)(R_1 \cup R_2) \circ R_3 = (R_1 \cup R_3) \circ (R_2 \cup R_3)
  • R1(R2R3)(R1R2)(R1R3)R_1 \circ (R_2 \cap R_3) \subseteq (R_1 \circ R_2) \cap (R_1 \circ R_3)
  • (R1R2)R3(R1R3)(R2R3)(R_1 \cap R_2) \circ R_3 \subseteq (R_1 \circ R_3) \cap (R_2 \circ R_3)

对于集合 AA 上的关系 RRnNn \in N ,则 RRnn 次幂(power)写作 RnR^n

Rn={IA,  n=0RnR,  n0R^n = \begin{cases} \text{$I_A,~~n = 0$} \\ \text{$R^n \circ R,~~n \not = 0$} \end{cases}

对于关系的幂,有

  • RmRn=Rm+nR^m \circ R^n = R^{m + n}
  • (Rm)n=Rmn(R^m)^n = R^{mn}
  • AA 是有限集合, RRAA 上的关系,存在自然数 sstt ,且 sts \not = t 使得 Rs=RtR^s = R^t

关系的划分

关系的性质

如果 (a)(aAaRa)(\forall a)(a \in A \rightarrow aRa) ,则 RR 是自反的(reflexive)。如果 (a)(b)((aAbAaRb)bRa)(\forall a)(\forall b)((a \in A \land b \in A \land aRb) \rightarrow bRa) ,则 RR 是对称的(symmetric)。如果 (a)(b)(c)((aAbAcAaRbbRc)aRc)(\forall a)(\forall b)(\forall c)((a \in A \land b \in A \land c \in A \land aRb \land bRc) \rightarrow aRc) ,则 RR 是传递的(transitive)。

对称关系等价于 R1=RR^{-1} = R ,即 MR=MRTM_R = M_R^T

如果 R1R2R_1,R_2 是自反的,则 R11R1R2R1R2R_1^{-1},R_1 \cup R_2,R_1 \cap R_2 是自反的。如果 R1R2R_1,R_2 是对称的,则 R11R1R2R1R2R_1^{-1},R_1 \cup R_2,R_1 \cap R_2 是对称的。如果 R1R2R_1,R_2 是传递的,则 R11R1R2R_1^{-1},R_1 \cap R_2 是传递的。

划分

集合的划分(partition)是指将集合划分为不相交的、非空的子集。更正式地说,对于一个非空集合 AA 和集合 π\pi,如果有

  • π\varnothing \notin \pi
  • (x)(xπxA)(\forall x)(x \in \pi \rightarrow x \subseteq A)
  • π=A\cup \pi = A
  • (x)(y)((xπyπxy)xy=)(\forall x)(\forall y)((x \in \pi \land y \in \pi \land x \not = y) \rightarrow x \cap y = \varnothing)

π\piAA 的一个划分。

对于 AA 的划分 π\pi ,可以定义关系 RR ,如果 aba,b 在同一个划分块里,则有 aRbaRb ,即 R={<a,b>(π0)(π0πaπ0bπ0)}R = \{<a,b>|(\exist \pi_0)(\pi_0 \in \pi \land a \in \pi_0 \land b \in \pi_0)\}

等价关系

如果某个关系是自反的、对称的、传递的,则这个关系是等价关系(equivalence relation)。若 RRAA 上的等价关系,对于任何 xAx \in Axx 上的等价类(equivalence class)是 [x]R={yyAxRy}[x]_R = \{y|y \in A \land xRy\}

商集

对于集合 AA 上的等价关系 RRAA 的商集指 AA 的所有不相交的等价类,写作 A/RA/R ,有 A/R={y(x)(xAy=[x]R)}A/R = \{y|(\exist x)(x \in A \land y = [x]_R)\}A/RA/RAA 的一个划分。

等价关系与划分

对于 AA 的划分 π\pi ,可以定义等价关系 R={<a,b>(π0)(π0πaπ0bπ0)}R = \{<a,b>|(\exist \pi_0)(\pi_0 \in \pi \land a \in \pi_0 \land b \in \pi_0)\} 。即划分可以产生等价关系。

反过来,对于 AA 上的等价关系 RRA/RA/RAA 的划分,即通过等价关系可以产生划分。