Примеры бинарных отношений. 5 страница
Пример. Пусть заданы множества 
, 
и отношения на них 
, 
.
Тогда 
; 
; 
; 
;
;
.
Пример операции сечения отношений приведен выше.
Рассмотрим операцию обращения (симметризации) отношений.
Определение
Отношение, симметричное (обратное) некоторому отношению 
, обозначается 
и представляет собой подмножество множества 
, образованное теми парами 
, для которых 
.
Если , то 
, если 
, то 
.
Переход от 
к осуществляется взаимной перестановкой координат каждой упорядоченной пары.
Пример.Отношение - « 
делитель 
», а обратное к нему - « кратно ».
Пусть 
, 
и 
отношение «быть делителем» от 
к 
. Тогда 
и 
.
При переходе от к область определения становится областью значений и наоборот. Матрица - транспонированная матрица отношения . Граф обратного отношения находится из исходного графа заменой направлений всех дуг на противоположные.
Рассмотрим операцию композиции отношений, которая позволяет получить отношение из двух других отношений.
Пусть даны три множества 
и два отношения 
и 
.
Определение
Композиция отношений и 
есть отношение 
, состоящее из всех тех пар 
, для которых существует такое 
, что и 
.
Композиция отношений и обычно обозначается как 
(или 
).
Пример. Пусть заданыдва отношения:
и 
.
Очевидно, что композиция 
будет представлена следующим образом
Композиция отношений имеет следующие свойства:
- 
, т.е. закон коммутативности не выполняется;
- 
, т.е. закон ассоциативности выполняется;
- 
;
- 
.
Композиция отношений и , где - множества, наглядно представляется с помощью графов. Прежде всего, необходимо к графу отношения достроить граф отношения . Граф отношения может быть получен при исключении вершин, соответствующих элементам множества . При исключении вершины 
каждый проходящий через неё путь от вершин 
к вершинам 
заменяется одной дугой с тем же направлением. Параллельные ветви с одинаковыми направлениями соответствуют одинаковым парам в и рассматриваются как одна ветвь.
Пример. Пусть заданы множества 
, 
и 
, а также отношения 
и 
. Построим отношение 
.
Построим граф отношения и достроим к нему граф отношения (рис. 3.6).
Рисунок 3.6 - Граф отношения и отношения
Исключим вершины и каждый проходящий через неё путь от вершин к вершинам заменим одной дугой с тем же направлением, получим граф отношения (рис. 3.7).
Рисунок 3.7 - Граф отношения
Аналогично можно получить матрицу композиции как произведение матриц отношений и (в порядке их следования), которое выполняется по обычному правилу умножения прямоугольных матриц с последующей заменой отличного от нуля элемента результирующей матрицы единицей.
3.6 Контрольные вопросы и задания
1. Как связаны между собой теория множеств и теория отношений?
2. Поясните понятие кортежа. Приведите примеры кортежей.
3. Что такое прямое (декартово) произведение множеств?
4. Как определяется мощность декартового произведения?
5. Что такое отношение множеств?
6. Какое отношение называется 
-арным, унарным, бинарным?
7. Что такое тождественное отношение, полное отношение, нулевое отношение?
8. Пусть - некоторое множество. Что означает запись 
, 
, 
, 
?
9. Что является областью определения и областью значения отношения ?
10. Назовите способы задания отношений.
11. Какие из способов задания отношений применимы для -арных отношений при 
?
12. Перечислите операции, производимые над отношениями.
13. Дайте определение сечения отношения по элементу 
.
14. Что такое фактор-множество множества по отношению ?
15. Назовите специфические операции над отношениями.
16. Что такое композиция отношений?
17. Что такое симметризация отношений?
18. Какое отношение называется обратным?
Лекция 4 Свойства бинарных отношений
4.1 Основные свойства бинарных отношений
Отношения могут обладать некоторыми общими свойствами (например, отношение включения и отношение равенства транзитивны). Определяя эти свойства и комбинируя их, можно выделить важные типы отношений, изучение которых в общем виде заменяет рассмотрение огромного множества частных отношений.
Пусть - бинарное отношение в множестве 
. Определим общие свойства таких отношений, которые должны выполняться для всех 
:
- рефлексивность;
- антирефлексивность;
- симметричность;
- асимметричность;
- антисимметричность;
- транзитивность;
- антитранзитивность.
Определение. Отношение 
называется рефлексивным, если 
принадлежит для всех 
из , т.е. оно всегда выполняется между объектом и им самим ( 
).
Для рефлексивного отношения все элементы матрицы на главной диагонали равны 1. Граф рефлексивного отношения содержит петли у всех вершин.
Определение. Отношение называется антирефлексивным, если 
( 
- тождественное отношение), т.е. может выполняться только для несовпадающих объектов: из 
следует 
.
Для антирефлексивного отношения все элементы матрицы на главной диагонали равны 0. Граф антирефлексивного отношения не содержит петель у вершин, нет дуг вида .
Примеры.
Отношение равенства («=»), отношение « 
» на множестве вещественных чисел, отношение «иметь общий делитель» на множестве целых чисел рефлексивны.
Отношение « 
» на множестве вещественных чисел, отношения «быть сыном», «быть старше» на множестве людей антирефлексивны.
Отношение «быть симметричным относительно оси на множестве точек координатной плоскости» не является ни рефлексивным, ни антирефлексивным: точка плоскости симметрична сама себе, если она лежит на оси , и несимметрична сама себе в противном случае.
Определение. Отношение называется симметричным, если 
, т.е. при выполнении соотношения выполняется и соотношение 
( выполняется либо в обе стороны, либо не выполняется вообще).
Симметричность отношения влечет и симметричность матрицы.
Для симметричного отношения вершины графа могут быть связаны только парами противоположно направленных дуг (ненаправленными ребрами).
Определение. Отношение называется асимметричным, если 
, т.е. из двух соотношений и по меньшей мере одно не выполняется. Если отношение асимметрично, то оно и антирефлексивно.
Матрица асимметричного отношения характеризуется тем, что у неё нулевые элементы на главной диагонали и нет ни одной пары единиц, стоящих на симметричных относительно главной диагонали местах (несимметричность матрицы).
В графе асимметричного отношения петли отсутствуют, а вершины могут быть связаны только одной направленной дугой.
Определение. Отношение называется антисимметричным, если 
( - тождественное отношение), т.е. оба соотношения и выполняются одновременно только тогда, когда 
Матрица антисимметричного отношения является несимметричной, но на главной диагонали могут находиться как 0, так и 1.
В случае антисимметричного отношения в графе могут быть петли, но связь между вершинами, если она имеется, отображается только одной направленной дугой.
Пример. Расстояние между двумя точками на плоскости, отношение «быть братом» в множестве людей являются примерами симметричного отношения.
Отношение строгого включения в множестве всех подмножеств некоторого универсума и отношение «быть отцом» в множестве людей являются асимметричными.
Отношение нестрогого включения в множестве всех подмножеств некоторого универсума, отношения нестрогого неравенства « » и « 
» на множестве целых, действительных чисел являются антисимметричными.
Определение.Отношение называется транзитивным, если 
, т.е. из 
и 
следует 
.
В матрице транзитивного отношения для каждой пары единичных элементов, один из которых расположен в 
-й строке и 
-м столбце, а другой в -й строке и 
-м столбце, обязательно существует единичный элемент, расположенный в клетке на пересечении -й строки и -ого столбца (наличие единичных элементов на главной диагонали не нарушает транзитивности).
Наглядно проявляется на графе свойства транзитивности: если через некоторую совокупность вершин графа проходит путь, то существуют дуги, соединяющие любую пару вершин из этой совокупности. Обычно в графе транзитивного отношения изображают только этот путь, а обусловленные транзитивностью дуги опускают. Такой упрощенный граф называют графом редукции.
Определение.Отношение называется антитранзитивным, если из и следует, что не выполняется .
Примеры. Отношения «равенство», «быть делителем», заданные на множестве целых чисел, и отношение «жить в одном городе», заданное на множестве людей являются транзитивными.
Отношение «быть сыном» на множестве людей является антитранзитивным.
4.2 Классы бинарных отношений
4.2.1 Отношение эквивалентности
Отношение эквивалентности представляет собой экспликацию (перевод интуитивных представлений в ранг строгих математических понятий) таких обыденных слов как «одинаковость», «неразличимость», «взаимозаменяемость».
Определение. Бинарное отношение в множестве называется отношением эквивалентности (обозначается ~), если для него выполняются следующие свойства:
- рефлексивность ( 
);
- симметричность (если 
, то 
);
- транзитивность (из ) и 
следует 
.
Примеры отношений эквивалентности:
- «проживать в одном доме » в множестве людей;
- «подобие треугольников» в множестве всех треугольников на плоскости;
- «параллельность прямых» в множестве всех прямых на плоскости.
Важнейшее значение эквивалентности состоит в том, что это отношение определяет признак, который допускает разбиение множества на непересекающиеся подмножества 
, называемые классами эквивалентности. Наоборот, всякое разбиение множества на непересекающиеся подмножества определяет между элементами этого множества некоторое отношение эквивалентности.
Теорема 4.1
Если на множестве задано отношение эквивалентности, то это отношение задает разбиение множества и это разбиение единственно.
Все элементы, принадлежащие некоторому классу 
разбиения 
множества , связаны между собой отношением эквивалентности. Они взаимозаменяемы в том смысле, что любой из этих элементов определяет данный класс, т.е. может служить его представителем (эталоном). Каждый класс отождествляется с некоторым общим свойством или совокупностью свойств (параметров) входящих в него элементов.
Подмножество из , содержащее по одному и только одному элементу из каждого класса некоторого разбиения, называют системой представителей соответствующего отношения эквивалентности. Множество всех классов разбиения множества , определяемого отношением эквивалентности , образует фактор-множество 
.
Предельным случаем отношения эквивалентности является тождественное равенство. Единственный элемент, равный какому-либо данному элементу, есть этот самый элемент. Следовательно, имеем самое полное разбиение, при котором классы эквивалентности содержат только по одному элементу исходного множества.
Пример. Отношение «проживать» в множестве жителей города является эквивалентностью и разбивает это множество на непересекающиеся подмножества людей, являющихся соседями по дому.
Пример. Отношение параллельности определяет разбиение множества прямых на плоскости на классы, каждый из которых образован множеством параллельных между собой прямых и характеризуется некоторым направлением (следует также считать, что прямая параллельна самой себе). Любая из параллельных прямых может служить представителем данного класса, а само направление есть класс эквивалентности. Множество всех направлений составляет фактор-множество множества всех прямых по отношению параллельности.
Элементы, принадлежащие одному классу эквивалентности, попарно эквивалентны между собой, следовательно, столбцы матрицы отношения эквивалентности для элементов одного класса эквивалентности одинаковы и содержат единицы во всех строках, которые соответствуют этим элементам. Так как классы эквивалентности не пересекаются, то в столбцах, соответствующих элементам различных классов, не будет единиц в одних и тех же строках.
При построении матрицы отношения расположим элементы множества так, чтобы элементы, принадлежащие одному классу эквивалентности, стояли рядом. Тогда единичные элементы матрицы отношения эквивалентности образуют непересекающиеся квадраты, диагонали которых располагаются на главной диагонали матрицы.
ПримерДля отношения эквивалентности, заданного классами эквивалентности 
; 
; 
, матрица будет иметь вид
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| |
| |||||||||
|
| |||||||||
|
| |||||||||
|
| |||||||||
|
| |||||||||
|
| |||||||||
|
| |||||||||
|
| |||||||||
|
|