这篇笔记介绍lecture14,Binary Relation I。
前置知识
有序对
有序对 < a , b > <a,b> < a , b > 是包含 a a a 、 b b b 两元素,其中 a a a 是第一个元素, b b b 是第二个元素。
有序对满足
a ≠ b ⇒ < a , b > ≠ < b , a > a \not = b \Rightarrow <a, b> \not = <b, a> a = b ⇒< a , b > =< b , a >
< a , b > ≠ < c , d > ⇔ a = c ∧ b = d <a, b> \not = <c, d> \Leftrightarrow a = c \land b = d < a , b > =< c , d >⇔ a = c ∧ 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\}\} < a , b >= {{ a } , { a , b }} 。如果 a = b a = b a = b ,则 < a , b > = { a } <a, b> = \{a\} < a , b >= { a } 。如果 a ≠ b a \not = b a = b ,则 < a , b > = { { a } , { a , b } } <a, b> = \{\{a\}, \{a, b\}\} < a , b >= {{ a } , { a , b }} , < b , a > = { { b } , { 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 = c ∧ b = d \{\{a\}, \{a, b\}\} = \{\{c\}, \{c, d\}\} \Leftrightarrow a = c \land b = d {{ a } , { a , b }} = {{ c } , { c , d }} ⇔ a = c ∧ b = d ,满足上面的第二条规律。
笛卡尔积
对于集合 A A A 和 B B B ,它们的笛卡尔积写作 A × B A \times B A × B 。它们代表有序对 < a , b > <a,b> < a , b > 的集合,其中 a ∈ A a \in A a ∈ A , b ∈ B b \in B b ∈ B 。也就是说, A × B = { < a , b > ∣ a ∈ A ∧ b ∈ B } A \times B = \{<a, b>|a \in A \land b \in B\} A × B = { < a , b > ∣ a ∈ A ∧ b ∈ 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。
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 A A A 和 B B B 是集合,从 A A A 到 B B B 的二元关系就是 A × B A \times B A × B 的子集。也就是说, A A A 到 B B B 的关系 R R R 是有序对的集合。 a R b aRb a R b 代表 < a , b > <a,b> < a , b > 属于 R R R , a R b a\cancel{R} b a R b 代表 < a , b > <a,b> < a , b > 不属于 R R R 。
对于从 A A A 到 B B B 的关系 R R R ,定义 R R R 的定义域(domain) d o m ( R ) = { x ∣ ( ∃ y ) ( < x , y > ∈ R ) } dom(R) = \{x|(\exist y)(<x, y>\in R)\} d o m ( R ) = { x ∣ ( ∃ y ) ( < x , y >∈ R )} ,值域(range) r a n ( R ) = { y ∣ ( ∃ x ) ( < x , y > ∈ R ) } ran(R) = \{y|(\exist x)(<x, y>\in R)\} r an ( R ) = { y ∣ ( ∃ x ) ( < x , y >∈ R )} ,域(field) f l d ( R ) = d o m ( R ) ∪ r a n ( R ) fld(R) = dom(R) \cup ran(R) f l d ( R ) = d o m ( R ) ∪ r an ( R ) 。
例如,定义集合 A = { 1 , 2 , 3 } A = \{1,2,3\} A = { 1 , 2 , 3 } , R = { < x , y > ∣ x ∈ A ∧ y ∈ A ∧ x ∣ y } R = \{<x,y>|x\in A \land y \in A \land x|y\} R = { < x , y > ∣ x ∈ A ∧ y ∈ A ∧ x ∣ y } (其中 x ∣ y x|y x ∣ y 代表 y y y 能被 x x x 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>\} R = { < 1 , 1 > , < 1 , 2 > , < 1 , 3 > , < 2 , 2 > , < 3 , 3 > } , d o m ( R ) = { 1 , 2 , 3 } dom(R) = \{1, 2, 3\} d o m ( R ) = { 1 , 2 , 3 } , r a n ( R ) = { 1 , 2 , 3 } ran(R) = \{1, 2, 3\} r an ( R ) = { 1 , 2 , 3 } , f l d ( R ) = { 1 , 2 , 3 } fld(R) = \{1, 2, 3\} f l d ( R ) = { 1 , 2 , 3 } 。
对于任何集合 A A A ,有一些特殊关系。
恒等关系(identity relation):I A = { < x , x > ∣ x ∈ A } I_A = \{<x, x>|x \in A\} I A = { < x , x > ∣ x ∈ A }
全域关系(universal relation):E A = { < x , y > ∣ x ∈ A ∧ y ∈ A } E_A = \{<x,y>|x \in A \land y \in A\} E A = { < x , y > ∣ x ∈ A ∧ y ∈ A }
空关系(empty relation):N A = ∅ N_A = \varnothing N A = ∅
对于 A A A 中的任意元素 x x x 、 y y y ,永远有 x N A y x\cancel{N_A}y x N A y 、 x E A y xE_Ay x E A y ,当且仅当 x = y x=y x = y 时有 x I A y xI_Ay x I A y 。
关系矩阵与关系图
R R R 是从 A A A 到 B B B 的关系,则 R R R 可以用零一矩阵 M R = ( m i j ) m × n M_R = (m_{ij})_{m \times n} M R = ( m ij ) m × n 表示,有
m i j = { 1 i f < a i , b j > ∈ R 0 i f < a i , b j > ∉ R m_{ij} =
\begin{cases}
\text{$1~~if<a_i,b_j>\in R$} \\
\text{$0~~if<a_i,b_j>\not \in R$}
\end{cases} m ij = { 1 i f < a i , b j >∈ R 0 i f < a i , b j > ∈ R
如果 R R R 是 A A A 上的关系, M R M_R M R 是方阵。
例如,如果 A = { 1 , 2 , 3 , 4 } 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>\} R = { < 1 , 1 > , < 1 , 3 > , < 2 , 1 > , < 2 , 3 > , < 2 , 4 > , < 3 , 1 > , < 3 , 2 > , < 4 , 1 > } ,则
M R = [ 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 ] M_{R} =
\begin{bmatrix}
1 & 0 & 1 & 0 \\
1 & 0 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 0 & 0 \\
1 & 0 & 0 & 0
\end{bmatrix} M R = 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0
类似地,有
M I = [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ] M_{I} =
\begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 1
\end{bmatrix} M I = 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
M E = [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ] M_{E} =
\begin{bmatrix}
1 & 1 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 1 \\
1 & 1 & 1 & 1
\end{bmatrix} M E = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
M N = [ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] M_N =
\begin{bmatrix}
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0
\end{bmatrix} M N = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
关系还可以通过关系图来表示。在关系图中,顶点代表元素, a R b aRb a R b 代表图中出现一条由 a a a 向 b b b 的有向边。例如,对于 A = { 1 , 2 , 3 , 4 } 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>\} R = { < 1 , 1 > , < 1 , 3 > , < 2 , 1 > , < 2 , 3 > , < 2 , 4 > , < 3 , 1 > , < 3 , 2 > , < 4 , 1 > } ,关系图如图
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。
R R R 为从 A A A 到 B B B 的关系,则 R R R 的逆(inverse),写作 R − 1 R^{-1} R − 1 ,是集合 { < a , b > ∣ < b , a > ∈ R } \{<a,b>|<b,a> \in R\} { < a , b > ∣ < b , a >∈ R } ,且 M R − 1 = M R T M_{R^{-1}} = M_R^T M R − 1 = M R T 。
R R R 为从 A A A 到 B B B 的关系, S S S 为从 B B B 到 C C C 的关系,则 R R R 和 S S S 的合成(composite)写作 S ∘ R S \circ R S ∘ 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)\} { < x , y > ∣ ( ∃ z ) ( < x , z >∈ R ∧ < z , y >∈ S )} 。令 M R = ( r i j ) M_R = (r_{ij}) M R = ( r ij ) , M S = ( s i j ) M_S = (s_{ij}) M S = ( s ij ) , M S ∘ R = M R ⊙ M S = ( w i j ) M_{S \circ R} = M_R \odot M_S = (w_{ij}) M S ∘ R = M R ⊙ M S = ( w ij ) ,其中 ⊙ \odot ⊙ 代表矩阵的布尔积, w i j = ∨ k = 1 n ( r i k ∧ s k j ) w_{ij} = \lor _{k=1}^n(r_{ik} \land s_{kj}) w ij = ∨ k = 1 n ( r ik ∧ s kj ) 。例如
[ 1 0 1 0 1 1 ] ⊙ [ 1 1 0 0 0 1 ] = [ 1 1 0 1 ] \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} [ 1 0 0 1 1 1 ] ⊙ 1 0 0 1 0 1 = [ 1 0 1 1 ]
其中有
w 11 = ( 1 ∧ 1 ) ∨ ( 0 ∧ 0 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) = 1 w_{11} = (1 \land 1) \lor (0 \land 0) \lor (1 \land 0) = 1 w 11 = ( 1 ∧ 1 ) ∨ ( 0 ∧ 0 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) = 1
w 12 = ( 1 ∧ 1 ) ∨ ( 0 ∧ 0 ) ∨ ( 1 ∧ 1 ) = 1 w_{12} = (1 \land 1) \lor (0 \land 0) \lor (1 \land 1) = 1 w 12 = ( 1 ∧ 1 ) ∨ ( 0 ∧ 0 ) ∨ ( 1 ∧ 1 ) = 1
w 21 = ( 0 ∧ 1 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) = 0 w_{21} = (0 \land 1) \lor (1 \land 0) \lor (1 \land 0) = 0 w 21 = ( 0 ∧ 1 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) = 0
w 22 = ( 0 ∧ 1 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) = 1 w_{22} = (0 \land 1) \lor (1 \land 0) \lor (1 \land 0) = 1 w 22 = ( 0 ∧ 1 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) ∨ ( 1 ∧ 0 ) = 1
关系的逆和合成有下面这些性质。
d o m ( R − 1 ) = r a n ( R ) dom(R^{-1}) = ran(R) d o m ( R − 1 ) = r an ( R )
r a n ( R − 1 ) = d o m ( R ) ran(R^{-1}) = dom(R) r an ( R − 1 ) = d o m ( R )
( R − 1 ) − 1 = R (R^{-1})^{-1} = R ( R − 1 ) − 1 = R
( S ∘ R ) − 1 = R − 1 ∘ S − 1 (S \circ R)^{-1} = R^{-1} \circ S^{-1} ( S ∘ R ) − 1 = R − 1 ∘ S − 1
( R ∘ S ) ∘ Q = R ∘ ( S ∘ Q ) (R \circ S) \circ Q = R \circ (S \circ Q) ( R ∘ S ) ∘ Q = R ∘ ( S ∘ Q )
R 1 ∘ ( R 2 ∪ R 3 ) = R 1 ∘ R 2 ∪ R 1 ∘ R 3 R_1 \circ (R_2 \cup R_3) = R_1 \circ R_2 \cup R_1 \circ R_3 R 1 ∘ ( R 2 ∪ R 3 ) = R 1 ∘ R 2 ∪ R 1 ∘ R 3
( R 1 ∪ R 2 ) ∘ R 3 = ( R 1 ∪ R 3 ) ∘ ( R 2 ∪ R 3 ) (R_1 \cup R_2) \circ R_3 = (R_1 \cup R_3) \circ (R_2 \cup R_3) ( R 1 ∪ R 2 ) ∘ R 3 = ( R 1 ∪ R 3 ) ∘ ( R 2 ∪ R 3 )
R 1 ∘ ( R 2 ∩ R 3 ) ⊆ ( R 1 ∘ R 2 ) ∩ ( R 1 ∘ R 3 ) R_1 \circ (R_2 \cap R_3) \subseteq (R_1 \circ R_2) \cap (R_1 \circ R_3) R 1 ∘ ( R 2 ∩ R 3 ) ⊆ ( R 1 ∘ R 2 ) ∩ ( R 1 ∘ R 3 )
( R 1 ∩ R 2 ) ∘ R 3 ⊆ ( R 1 ∘ R 3 ) ∩ ( R 2 ∘ R 3 ) (R_1 \cap R_2) \circ R_3 \subseteq (R_1 \circ R_3) \cap (R_2 \circ R_3) ( R 1 ∩ R 2 ) ∘ R 3 ⊆ ( R 1 ∘ R 3 ) ∩ ( R 2 ∘ R 3 )
对于集合 A A A 上的关系 R R R , n ∈ N n \in N n ∈ N ,则 R R R 的 n n n 次幂(power)写作 R n R^n R n 。
R n = { I A , n = 0 R n ∘ R , n ≠ 0 R^n =
\begin{cases}
\text{$I_A,~~n = 0$} \\
\text{$R^n \circ R,~~n \not = 0$}
\end{cases} R n = { I A , n = 0 R n ∘ R , n = 0
对于关系的幂,有
R m ∘ R n = R m + n R^m \circ R^n = R^{m + n} R m ∘ R n = R m + n
( R m ) n = R m n (R^m)^n = R^{mn} ( R m ) n = R mn
A A A 是有限集合, R R R 是 A A A 上的关系,存在自然数 s s s , t t t ,且 s ≠ t s \not = t s = t 使得 R s = R t R^s = R^t R s = R t 。
关系的划分
关系的性质
如果 ( ∀ a ) ( a ∈ A → a R a ) (\forall a)(a \in A \rightarrow aRa) ( ∀ a ) ( a ∈ A → a R a ) ,则 R R R 是自反的(reflexive)。如果 ( ∀ a ) ( ∀ b ) ( ( a ∈ A ∧ b ∈ A ∧ a R b ) → b R a ) (\forall a)(\forall b)((a \in A \land b \in A \land aRb) \rightarrow bRa) ( ∀ a ) ( ∀ b ) (( a ∈ A ∧ b ∈ A ∧ a R b ) → b R a ) ,则 R R R 是对称的(symmetric)。如果 ( ∀ a ) ( ∀ b ) ( ∀ c ) ( ( a ∈ A ∧ b ∈ A ∧ c ∈ A ∧ a R b ∧ b R c ) → a R c ) (\forall a)(\forall b)(\forall c)((a \in A \land b \in A \land c \in A \land aRb \land bRc) \rightarrow aRc) ( ∀ a ) ( ∀ b ) ( ∀ c ) (( a ∈ A ∧ b ∈ A ∧ c ∈ A ∧ a R b ∧ b R c ) → a R c ) ,则 R R R 是传递的(transitive)。
对称关系等价于 R − 1 = R R^{-1} = R R − 1 = R ,即 M R = M R T M_R = M_R^T M R = M R T 。
如果 R 1 , R 2 R_1,R_2 R 1 , R 2 是自反的,则 R 1 − 1 , R 1 ∪ R 2 , R 1 ∩ R 2 R_1^{-1},R_1 \cup R_2,R_1 \cap R_2 R 1 − 1 , R 1 ∪ R 2 , R 1 ∩ R 2 是自反的。如果 R 1 , R 2 R_1,R_2 R 1 , R 2 是对称的,则 R 1 − 1 , R 1 ∪ R 2 , R 1 ∩ R 2 R_1^{-1},R_1 \cup R_2,R_1 \cap R_2 R 1 − 1 , R 1 ∪ R 2 , R 1 ∩ R 2 是对称的。如果 R 1 , R 2 R_1,R_2 R 1 , R 2 是传递的,则 R 1 − 1 , R 1 ∩ R 2 R_1^{-1},R_1 \cap R_2 R 1 − 1 , R 1 ∩ R 2 是传递的。
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 A A A 和集合 π \pi π ,如果有
∅ ∉ π \varnothing \notin \pi ∅ ∈ / π
( ∀ x ) ( x ∈ π → x ⊆ A ) (\forall x)(x \in \pi \rightarrow x \subseteq A) ( ∀ x ) ( x ∈ π → x ⊆ A )
∪ π = A \cup \pi = A ∪ π = A
( ∀ x ) ( ∀ y ) ( ( x ∈ π ∧ y ∈ π ∧ x ≠ y ) → x ∩ y = ∅ ) (\forall x)(\forall y)((x \in \pi \land y \in \pi \land x \not = y) \rightarrow x \cap y = \varnothing) ( ∀ x ) ( ∀ y ) (( x ∈ π ∧ y ∈ π ∧ x = y ) → x ∩ y = ∅ )
则 π \pi π 是 A A A 的一个划分。
对于 A A A 的划分 π \pi π ,可以定义关系 R R R ,如果 a , b a,b a , b 在同一个划分块里,则有 a R b aRb a R b ,即 R = { < a , b > ∣ ( ∃ π 0 ) ( π 0 ∈ π ∧ a ∈ π 0 ∧ b ∈ π 0 ) } R = \{<a,b>|(\exist \pi_0)(\pi_0 \in \pi \land a \in \pi_0 \land b \in \pi_0)\} R = { < a , b > ∣ ( ∃ π 0 ) ( π 0 ∈ π ∧ a ∈ π 0 ∧ b ∈ π 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 R R R 是 A A A 上的等价关系,对于任何 x ∈ A x \in A x ∈ A , x x x 上的等价类(equivalence class)是 [ x ] R = { y ∣ y ∈ A ∧ x R y } [x]_R = \{y|y \in A \land xRy\} [ x ] R = { y ∣ y ∈ A ∧ x R y } 。
对于集合 A A A 上的等价关系 R R R , A A A 的商集指 A A A 的所有不相交的等价类,写作 A / R A/R A / R ,有 A / R = { y ∣ ( ∃ x ) ( x ∈ A ∧ y = [ x ] R ) } A/R = \{y|(\exist x)(x \in A \land y = [x]_R)\} A / R = { y ∣ ( ∃ x ) ( x ∈ A ∧ y = [ x ] R )} 。 A / R A/R A / R 是 A A A 的一个划分。
等价关系与划分
对于 A A A 的划分 π \pi π ,可以定义等价关系 R = { < a , b > ∣ ( ∃ π 0 ) ( π 0 ∈ π ∧ a ∈ π 0 ∧ b ∈ π 0 ) } R = \{<a,b>|(\exist \pi_0)(\pi_0 \in \pi \land a \in \pi_0 \land b \in \pi_0)\} R = { < a , b > ∣ ( ∃ π 0 ) ( π 0 ∈ π ∧ a ∈ π 0 ∧ b ∈ π 0 )} 。即划分可以产生等价关系。
反过来,对于 A A A 上的等价关系 R R R , A / R A/R A / R 是 A A A 的划分,即通过等价关系可以产生划分。