Что значит отношение эквивалентности на множестве

MT1102: Линейная алгебра (введение в математику)

Классы эквивалентных элементов и их свойства

Пусть %%R%% — отношение эквивалентности на множестве %%M%% и %%a%% — некоторый элемент из %%M%%. Рассмотрим множество всех элементов из %%M%%, находящихся в отношении %%R%% к элементу %%a%%.

Классом эквивалентности %%M_a%%

называется множество всех элементов %%M%%, находящихся в отношении %%R%% к элементу %%a%%, то есть множество

Пример

Пусть %%M%% — множество всех жителей России и %%R%% — отношение эквивалентности «проживать в одном городе». Найти классы эквивалентных элементов %%M_a%% для %%a \in M%%.

В зависимости от элемента %%a%% получаем несколько классов эквивалентности. Например, класс эквивалентности жителей Москвы или Санкт-Петербурга.

Свойства классов эквивалентности

Пусть %%R%% — отношение эквивалентности на множестве %%M%% и %%M_a, M_b, \dotsc, M_z, \dotsc%% — все классы эквивалентности для отношения %%R%%. Тогда эти классы имеют следующие свойства.

Свойство 1

Действительно, по определению, класс %%M_a = \

a\>%%. Тогда для элемента %%a%% должно выполняться условие %%a \in M_a \leftrightarrow a

a%%, которое выполняется в связи с тем, что отношение %%R%% рефлексивно по определению отношения эквивалентности. Следовательно, %%a \in M_a%%.

Как следствие этого свойства можно сказать, что всякий класс %%M_a%% является непустым множеством.

Свойство 2

Свойство 3

Свойство 4

Разбиение множества

Совокупностью подмножеств %%M_i%%, где %%i \in I%% (множеству индексов), множества %%M%% называется разбиением множества %%M%% если выполняются следующие условия:

Теорема. Пусть %%R%% — отношение эквивалентности на множестве %%M%%. Тогда совокупность классов эквивалентности множества %%M%% образует его разбиение.

Действительно, если в качестве подмножеств %%M_i%% взять классы эквивалентности %%M_a%%, то все три условия выполняются:

Все условия определения разбиения выполнены. Следовательно классы эквивалентности есть разбиение множества %%M%%.

Примеры

Пусть дано множество %%M = \<1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 \>%%, тогда разбиением этого множества могут быть следующие совокупности множеств:

Но следующие совокупности не являются разбиением:

Совокупность множеств %%C_i%% не является разбиением, т.к. оно не удовлетворяет условию 3 разбиения множеств: множества %%C_1%% и %%C_3%% имеют общий элемент %%3%%.

Совокупность множеств %%D_i%% не является разбиением, т.к. оно не удовлетворяет условию 1 разбиения множеств: множество %%D_4%% пусто.

Совокупность множеств %%E_i%% не является разбиением, т.к. оно не удовлетворяет условию 2 разбиения множеств: объединение множеств %%E_1, E_2%% и %%E_3%% не образует множество %%M%%.

Источник

ОТНОШЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ И ПОРЯДКА. РАЗБИЕНИЕ МНОЖЕСТВА НА КЛАССЫ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ.

Определение. Отношение R на множестве Х называется отношением эквивалентности, если оно рефлексивно, симметрично и транзитивно.

Пример. Рассмотрим отношение «х однокурсник у» на множестве студентов педфака. Оно обладает свойствами:

1) рефлексивности, т.к. каждый студент является однокурсником самому себе;

2) симметричности, т.к. если студент х является однокурсником студента у, то и студент у является однокурсником студента х;

Таким образом, данное отношение обладает свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности, а значит, является отношением эквивалентности. При этом множество студентов педфака можно разбить на подмножества, состоящие из студентов, обучающихся на одном курсе. Получаем 5 подмножеств.

Теорема. Если на множестве Х задано отношение эквивалентности, то оно разбивает это множество на попарно непересекающиеся подмножества (классы эквивалентности).

Верно и обратное утверждение: если какое-либо отношение, заданное на множестве Х, порождает разбиение этого множества на классы, то оно является отношением эквивалентности.

Пример. На множестве Х = <1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8>задано отношение «иметь один и тот же остаток при делении на 3». Является ли оно отношением эквивалентности?

Данное отношение обладает свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности, следовательно, является отношение эквивалентности и разбивает множество Х на классыэквивалентности. В каждом классе эквивалентности будут числа, которые при делении на 3 дают один и тот же остаток: Х₁ = <3; 6>, Х₂ = <1; 4; 7>, Х₃ = <2; 5; 8>.

Считают, что класс эквивалентности определяется любым своим представителем, т.е. произвольным элементом этого класса. Так, класс равных дробей можно задать, указав любую дробь, принадлежащую этому классу.

2.3. Функции, уравнения, неравенства

2.3.1. Понятие функции. Способы задания функций. Прямая и обратная пропорциональности.

Функцией называется такое соответствие между числовым множеством x и множеством R действительных чисел, при котором каждому числу из множества x сопостовляется единственное число из множества R. (тетрадь)

Функцией наз-ся такая зависимость переменной у от переменной х, при которой каждому значению х соответсвует единственное значение у.

Способы задания функций:

1) Формула. Нарпимер: у=кх+в, где к, в – числа

Прямой пропорциональностью называют функцию, которая может быть задана с помощью формулы у=кх, где к ≠ 0, называемое коэффициентом пропорциональности.

2.3.2. Понятие числового выражения и выражения с переменной. Числовые равенства, неравенства и их свойства.

Записи, 3+7, 424:8, 3*2-4, (25+3)*2-17 называются числовыми выражениями. Они конструируются из чисел, знаков действий и скобок. Считают, что каждое число также является числовым выражением.

В записи 2а+3 такая буква а называется переменной, а сама запись 2а+3 – выражением с переменной. Переменную можно обозн-ть любой буквой латинского алфавита. Таким образом, переменная – это знак (Символ), кот-ый разрешается заменять числами.

Пусть а и b – два числовых выражения. Соединим их знаком равенства. Получим предложение а=b, кот-ое наз-ют числовым равенством. Числовое рав-во истинно, если значения числовых выражений, стоящих в левой и правой частях рав-ва, совпадают.

Свойства истинных числовых рав-в:

1) Если к обеим частям истинного числового рав-ва а=b умножить на одно и то же числовое выражение с, имеющее смысл, то получим также истинное числовое рав-во a+c=b+c

2) Если обе части истинного числового рав-ва a=b умножить на одно и то же числовое выражение с, имеющее смысл, то получим также истинное числовое рав-во ac=bc.

Пусть а и b – два числовых выражения. Соединим их знаком «>» (или b (или a b прибавить одно и тоже числовое выражение с, имеющее смысл, то получим также истинное числовое нерав-во a+c>b+c.

2) Если обе части истинного числового неравенства a>b умножить на одно и то же числовое выражение с, имеющее смысл и принимающее полож-ое значение, то получим также истинное числовое нерав-во ac>bc.

3) Если обе части истинного числового неравенства a>b умн-ть на одно и то же числовое выражение с, имеющее смыл и примающее отриц-ое значение, то, чтобы получить истинное числовое нерав-во, необходимо знак нерав-ва поменять на противоп-ый, т.е. получить нерав-во ac b

Теорема 2: Ɐ а, в, с € N

3) а>с и в>с, то справ-во либо 1) или 2)

Правила выч-я числа из суммы: Чтобы вычислить число из суммы достаточно вычесть это число из одного из слаг-х и к получ-му рез-ту прибавить другое слагаемое.

Теорема 3: Ɐ а,в,с € N если а>в+с, то а-(в=с)=(а-в)-с=(а-с)-в.

Правила вычисления из числа суммы чисел: Чтобы вычесть из числа суммы чисел дост-но вычесть из этого числа послед-но каждое слагаемое одно за другим.

Делением нат. чисел наз-ся операция, удовл-я условию: а:в=с ↔ а=в*с

Теорема 1: Для того чтобы сущ-ло частное двух нат-х чисел а и в, необ-мо, чтобы в в (а-в):с → а:с-в:с → Для того чтобы разделить разность на число, дост-но разделить на это число уменьшаемое и вычитание и из первого частного вычесть второе.

3.2. Теоретико-множественный смысл натурального числа, нуля и операций над

Количественное натуральное число а получается в результате счета элементов конечного множества А: а = n(А). Это же число а может быть получено и при пересчете элементов другого множества, например, В. Но если а = п(В), то множества А и В равномощны, поскольку содержат поровну элементов.

Каждому классу соответсвует одно и только одно натуральное число, каждому нат-му числу – один и только один класс равномощных конечных мн-в.

Каждому конечному мн-ву А соотв-ет одно и только нат-ое число а=n(А), но каждому нат-му числу а соотв-ют различные равномощные мн-ва одного класса эквивалентности.

Так как каждый класс равномощных конечных множеств однознач­но определяется выбором какого-нибудь его представителя, то о нату­ральном числе «три» можно сказать, что это общее свойство класса множеств, равномощных, например, множеству сторон треугольника, а о натуральном числе «четыре», что это общее свойство класса мно­жеств, равномощных, например, множеству вершин квадрата.

Число «нуль» с теоретико-множественных позиций рассматривается как число элементов пустого множества: 0 = п(0).

Итак, натуральное число а как характеристику количества можно рассматривать с двух позиций:

1) как число элементов в множестве А, получаемое при счете, т.е.
а = п(А), причем А

2) как общее свойство класса конечных равномощных множеств.

3.2.1. Теоретико-множественный смысл суммы двух целых неотрицательных чисел. Законы сложения.

Суммой целых неотриц-ых чисел a и b наз-ют число элементов в обьединении неперескающихся множеств А и В, таких, что n (А)=а, n (В)=b. Т.е. а+в= n (A) + n (В) = n (АUВ). А пересекается В = пустое мн-во.

Законы сложения: переместительный и сочетательный.

2. Сочеательный закон (ассоциативность): Для любых целых неотриц-ых чисел а, b, c вып-ся рав-во (а+ b )+ c = a + ( b + c )

Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 1898 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

1.11 Отношение эквивалентности

Отношение эквивалентности представляет собой строгое матема­тическое определение таких обыденных понятий как «одинаковость» или «неразличимость».

Y. Отношение эквивалентности А в множестве М означает, что упорядоченная пара (X, Y) принадлежит множеству А Ì М´М.

Отношение эквивалентности обладает свойствами:

· Симметричности: если X

· Транзитивности: если X

Важнейшее значение эквивалентности состоит в том, что это отношение определяет признак, который допускает разбиение множества М на непересекающиеся подмножества, называемые Клас­Сами эквивалентности. И наоборот: всякое разбиение множества М на непересекающиеся подмножества определяет между элементами этого множества некоторое отношение эквивалентности.

Например: Отношение «проживать в одном доме», заданное в множестве жителей города, является эквивалентностью и разбивает это множество на непересекающиеся подмножества людей, являющихся соседями по дому.

Все элементы, принадлежащие некоторому классу МI разбиения <М1, М2. МN> множества М на классы эквивалентности, связаны отношением эквивалентности. Любой из этих элементов определяет данный класс и может служить его Представителем или Эталоном.

Произвольное отношение эквивалентности определяет на некотором множестве обобщенную форму равенства. Классы эквивалентности состоят из всех тех элементов, которые неразличимы с точки зрения данного отношения эквивалентности. При этом каждый класс определяется его представителем (эталоном) и отождествляется с некоторым общим свойством или совокупностью свойств входящих в него элементов.

Предельным случаем отношения эквивалентности является Тождественное равенство. Очевидно, что единственный элемент, тождественно равный какому-либо данному элементу, есть этот самый элемент. Следовательно, в данном случае имеем самое полное разбиение, при котором классы эквивалентности содержат только по одному элементу исходного множества.

Рассмотрим матрицу отношения эквивалентности.

Элементы, принадлежащие некоторому классу эквивалентности, попарно эквивалентны между собой, а их сечения совпадают. Сле­довательно, столбцы матрицы отношения эквивалентности для элемен­тов одного класса одинаковы и содержат «1» во всех строках, которые соответствуют этим элементам. Так как классы эквивалентности не пересекаются, то в столбцах различных классов не будет единиц в одинаковых строках. Если расположить элементы множества так, чтобы в каждом классе эквивалентности принадлежащие ему элементы стояли рядом, то единичные элементы матрицы образуют непересекаю­щиеся квадраты, диагонали которых располагаются на главной диагонали матрицы.

Например: Пусть множество М разбито на классы эквивалент­ности следующим образом:

Признаки, по которым элементы множества разбиваются на классы, могут быть самыми разнообразными, но все же такой признак не вполне произволен.

Источник

Отношение эквивалентности. Связь между отношением эквивалентности и разбиением множества на классы

Определение. Отношение R на множестве X называется отношением эквивалентности, если оно рефлексивно, симметрично, транзитивно.

Эти условия можно записать «формулой»:

Примерами отношений эквивалентности являются: отношение равенства геометрических фигур, отношение подобия геометрических фигур, отношение параллельности прямых, отношение равносильности двух уравнений, отношения «быть однокурсником» на множестве студентов, «быть ровесником», «жить в одном доме» на множестве людей. На рис. 6 (из § 6 этой главы) графы I, IV, IX – это графы отношений эквивалентности.

В § 12 главы 1 мы рассмотрели разбиение множества на попарно непересекающиеся подмножества (классы), задавая свойства.

Всякое отношение эквивалентности осуществляет разбиение множества, в котором оно определено, на классы, обычно принимаемые за новые математические объекты, т.е. с помощью отношений эквивалентности порождаются новые математические объекты, понятия.

Так, например, отношение сонаправленности лучей разбивает множество всех лучей плоскости (пространства) на классы сонаправленных лучей (любые два луча одного класса сонаправлены, любые два луча различных классов не являются сонаправленными). Каждый из этих классов лучей называется направлением. Таким образом, интуитивное понятие направления получает точное математическое описание как класс разбиения множества лучей с помощью отношения эквивалентности.

О подобных фигурах обычно говорят, что они имеют одинаковую форму. Но что такое форма геометрической фигуры? Интуитивно ясно, что это то общее, что объединяет подобные фигуры. С помощью отношения эквивалентности удается это интуитивное понятие перевести в точное математическое. Отношение подобия, являясь отношением эквивалентности, разбивает множество фигур на классы подобных фигур. Каждый такой класс (эквивалентности) можно назвать формой. Тогда выражение: «Две подобные фигуры имеют одинаковую форму» имеет следующий точный смысл: «Две подобные фигуры принадлежат одной форме».

Отношения эквивалентности и осуществляемые ими разбиения множеств на классы встречаются не только в математике. Например, отношение «иметь один цвет» в множестве разноцветных фигур является отношением эквивалентности (легко заметить, что оно рефлексивно, симметрично и транзитивно). Полученные в результате решения задачи классы одноцветных фигур воспринимаются как новые понятие: красные, желтые, синие и т.д.

Представление о разбиении множества на классы введением в него отношения эквивалентности получает необходимое обоснование. Имеет место следующая теорема.

Теорема. Для того, чтобы отношение R позволяло разбить множество X на классы, необходимо и достаточно, чтобы R было отношением эквивалентности.

Необходимость. Пусть задано разбиение множества X на классы. Покажем, что это разбиение позволяет определить в множестве X отношение эквивалентности. Зададим в множестве X отношение R указанием характеристического свойства: «элемент х находится в том же классе разбиения, что элемент у». Это отношение рефлексивно, поскольку всякий элемент х находится в одном классе с самим собой.

Далее, для любых элементов х и у из множества X из того, что х находится в том же классе что и у, следует, что у находится в том же классе что и х. Таким образом, отношение R симметрично. Кроме того, отношение R транзитивно, т.к. для любых трех элементов х, у, z из множества X справедливо следующее утверждение: если х находится в том же классе, что и у, а у – в том же классе что и z, то х находится в том же классе что и z. Итак, отношение R «находиться в одном и том же классе» рефлексивно, симметрично, транзитивно. Следовательно, R – отношение эквивалентности на множестве X.

Достаточность. Докажем теперь, что каждое отношение эквивалентности в множестве X определяет разбиение этого множества на попарно непересекающиеся подмножества (классы). Для этого поставим в соответствие каждому элементу а множества X его образ при отношении R, т.е. множество R (а) таких элементов х, что aRx. Так как отношение R рефлексивно, то для любого a Î Х имеем aRa, а это значит, что каждый элемент принадлежит соответствующему ему классу R(a), a Î R(a). Покажем, что если b Î R(a), то классы R(a) и R(b) совпадают. В самом деле, в этом случае имеем aRb. Если c Î R(b), то bRc, а из aRb и bRc в силу транзитивности имеем aRc. Но тогда c Î R(a). Значит, каждый элемент множества R(b) принадлежит R(a), т.е. R(b) Í R(a). Обратно, пусть cÎR(a), т.е. пусть aRc. Так как aRb, то в силу симметричности отношения R имеем bRa, а тогда из bRa и aRc следует, что bRc, и потому cÎR(b). Значит, любой элемент из R(a) принадлежит R(b), т.е. R(a) Í R(b).

Из доказанного выше следует, что если множества R(a) и R(b) имеют хоть один общий элемент с, то они совпадают. В самом деле, в этом случае оба множества R(a) и R(b) совпадают с R(c), а потому и равны друг другу.

Таким образом, любые два множества R(a) и R(b) либо совпадают друг с другом (если b Î R(a)), либо не пересекаются друг с другом (если b Ï R(a)). А так как каждый элемент а принадлежит своему классу R(a), то мы получили разбиение X на попарно непересекающиеся подмножества (классы).

П р и м е р. Задайте все отношения эквивалентности на множестве X = <1, 2, 3>и нарисуйте их графы. Сколько их на множестве Х?

Решение. см. рис. 3, на котором изображено 5 графов.

Источник

Отношения. Часть II

Формальная теория моделирования использует алгебраические отношения, включая их в сигнатуры моделей алгебраических структур, которыми описывает реальные физические, технические объекты и процессы их функционирования. Эта публикация является продолжением предшествующей, прочтение которой желательно, так как многие понятия и термины, используемые здесь, описываются там.

Предлагается изложение не в традиционном (стрелочном) стиле, а так, как мне самому пришлось всю эту кухню представлять и осваивать и по учебникам/пособиям, и по журнальным статьям. Особенно полезной вещью считаю созданный мной каталог, он позволяет выделить практически любое пространство и представить его элементы в удобном виде: матрицей, графом и др. Сразу видишь с чем имеешь дело и свойства (они уже выписаны) проверять часто не требуется.

Понятие отношения

Думаю, что термин отношение знаком каждому читателю, но просьба дать определение поставит большинство в тупик. Причин для этого много. Они чаще всего в преподавателях, которые, если и использовали отношения в процессе преподавания, внимания на этом термине не заостряли, запоминающихся примеров не приводили. Некоторые комментаторы статьи отнесли замечания на свой счет и насыпали минусов. Но шила в мешке не утаишь. Серьезных публикаций как не было, так и нет. Задайте себе вопрос, работали ли Вы с каким-либо пространством отношений? И честно себе ответьте. Что об этом пространстве можете миру поведать, для начала хотя-бы перечислить его элементы и указать свойства. Даже на СУБД Вы смотрите глазами их создателей, а они ведь тоже не все видят, или не все показывают, как, например, в микросхемах.

Здесь сделаю небольшой повтор. Начинать следует с абстрактного множества А =. О нем почитать можно здесь. Для лучшего понимания сократим множество до 3 элементов, т.е. А =. Теперь выполним декартово умножение А×А =А 2 и явно перечислим все элементы декартова квадрата
А×А=<(a1, a1),(a1, а2),(a1, a3),(a2, а1),(a2, a2),(a2, a3),(a3, a1),(a3, a2),(a3, a3)>.
Получили 9 упорядоченных пар элементов из А×А, в паре первый элемент из первого сомножителя, второй — из второго. Теперь попробуем получить все подмножества из декартова квадрата А×А. Подмножества будут содержать разное количество пар: одну, две, три и так до всех 9 пар, включаем в этот список и пустое множество ∅. Сколько же получилось подмножеств? Много, а именно 2 9 = 512 элементов.

Отношения можно задавать в разном представлении:

Пространства бинарных отношений

Пространством бинарных отношений с множеством-носителем называется произвольное подмножество множества бинарных отношений заданных на. Рассмотрим основные пространства для отношений предпочтений (рис. 2.15).

Рисунок 2.15 Схема пространств бинарных отношений

Выявленные связи между пространствами используются для переноса задач принятия решений (ЗПР) из одних пространств в другие, где они могут быть решены более простым путем, а затем полученное решение возвращают в исходное пространство, где была сформулирована ЗПР.
Эти отношения представлены диаграммой на рис. 2.14. Пространства бинарных отношений (типы отношений) представлены рис. 2.15.

Отношения эквивалентности

Определение. Бинарное отношение σ ⊆ А×А, обладающее тремя свойствами рефлексивности, симметричности, транзитивности, называется, бинарным отношением эквивалентности (БОЭ). Обозначается отношение эквивалентности σ(х, у), (х, у)∊σ, хσу, х≈у. Удобно использовать матричное (табличное) представление отношения. Ниже на рис 2.24 приведено как раз матричное представление. Над множеством из 4-х элементов существует 15 БОЭ, которые все изображены.

Представление и анализ структуры отношений эквивалентности (n = 4)
Эквивалентность из бинарных отношений, пожалуй, самое распространенное БО. Редкая наука обходится без этого понятия, но даже тогда, когда эквивалентности используются в изложении каких-либо вопросов, бывает трудно понять, что в виду имел автор. Даже при корректном определении и перечислении свойств, присущих этому бинарному отношению – трудности восприятия остаются.

Начнем с примера об эквивалентностях, который иллюстрирует ограниченность их количества.

Пример 1. Пусть имеется три кубика. Составим список свойств, которыми наделены кубики и практическое использование которых (свойств кубиков) делает их как бы взаимозаменяемыми. Кубикам присвоим номера, а их свойства представим таблицей 1.

По каждому из свойств возникает БОЭ и классы эквивалентности. Продолжая список свойств, мы новых отношений эквивалентности не получим. Будут только повторы уже построенных, но для других признаков. Покажем связь БОЭ с множествами.

Рассмотрим множество из трех элементов А = <1,2,3>и получим для него все возможные разбиения на все части. ①1|2|3; ②12|3; ③13|2; ④ 1|23; ⑤123. Последнее разбиения на одну часть. Номера разбиений и БО в кружках.

Определение. Разбиением множества А называют семейство Аi, i = 1(1)I, непустых попарно непересекающихся подмножеств из А, объединение которых образует все исходное множество А=UАi, Аi∩Аj =∅, ∀ i ≠ j. Под-множества Аi называют классами эквивалентности разбиения исходного множества.

Это все разбиения множества (5 штук). Анализ БО показывает, что различных отношений эквивалентности тоже только 5 штук. Случайно ли это совпадение? Мы можем каждому разбиению сопоставить матрицу из девяти ячеек (3×3 = 9), в каждой из которых либо размещается упорядоченная пара элементов из множества А, либо ячейка остается пустой, если для соответствующей пары нет объекта. Строки и столбцы матрицы размечаются элементами множества А, а пересечению строка – столбец соответствует упорядоченная пара (i, j). В ячейку матрицы вписывается не пара, а просто единица или нуль, впрочем, нуль часто не пишут совсем.

Нет, совпадение не случайное. Оказывается, каждому разбиению множества взаимно однозначно соответствует БОЭ, при этом мощность множества может быть любой |A| = n.

Это отношение едва ли не самое частое по использованию в научном обороте, но совокупность свойств, реализуемых в этом отношении, сильно ограничивает его распространенность.
Так среди всех абстрактных бинарных отношений над множеством из трех элементов (всего их 2 9 = 512 отношений) только пять являются эквивалентностями — носителями требуемых свойств, менее одного процента.

Для |A| = 4 отношений существует 2 16 = 65536, но эквивалентностей лишь 15 штук. Это весьма редкий тип отношений. С другой стороны, отношения эквивалентности широко распространены в прикладных задачах. Везде, где имеются и рассматриваются множества самых различных объектов и различные разбиения таких множеств (не чисел) на части возникают отношения эквивалентности. Их можно назвать математическими (алгебраическими) моделями таких разбиений, классифицирующими множества объектов по различным признакам.

Решетка Р(4): все разбиения множества А = =

Минимальному разбиению соответствует отношение эквивалентности П15, которое называется равенством или единичным отношением. В каждом классе эквивалентности — единственный элемент. Разбиению множества А, включающему лишь само множество А, соответствует отношение эквивалентности, содержащее все элементы декартова квадрата А×А.

Ближайший тип к отношениям эквивалентности – отношения толерантности. Множество отношений толерантности содержит в себе все отношения эквивалентности. Для носителя А из трех элементов толерантностей 8. Все они обладают свойствами рефлексивности и симметричности.

При выполнении свойства транзитивности пять из восьми толерантностей преобразует в эквивалентности (рис. 2.24 и 2.25).

Определение. Совокупность классов [a]σ эквивалентности элементов множества А называется фактор-множеством (обозначается А/σ) множества А по эквивалентности σ.

Определение. Естественным (каноническим) отображением f: A→ А/σ называется такое отображение f, при котором f(а) = [a]σ.

Отношения толерантности и их анализ

Об этих БО ранее уже упоминалось, а здесь рассмотрим их подробнее. Всем известны понятия сходство, похожесть, одинаковость, неразличимость, взаимозаменяемость объектов. Они кажутся близкими по содержанию, но при этом не одно и то же. Когда для объектов указано только сходство, то невозможно разбить их на четкие классы так, что внутри класса объекты похожи, а между объектами разных классов сходства нет. В случае сходства возникает размытая ситуация без четких границ. С другой стороны, накапливание несущественных различий у сходных объектов может привести к совершенно непохожим объектам.

В предыдущей части мы обсудили содержательный смысл отношения одинаковости (эквивалентности) объектов. Не менее важной является ситуация, когда приходится устанавливать сходство объектов.

Пусть изучается форма геометрических тел. Если одинаковость формы объектов, например, кубиков, означает их полную взаимозаменяемость в определенной ситуации обучения, то сходство – это частичная взаимозаменяемость, (когда среди кубиков встречаются очень похожие на них параллелепипеды) т. е. возможность взаимной замены с некоторыми (допустимыми в данной ситуации) потерями.

Наибольшая мера для сходства – неразличимость, а вовсе не одинаковость, как может показаться на первый взгляд. Одинаковость – свойство качественно иное. Одинаковость можно рассматривать только как частный случай неразличимости и сходства.

Все дело в том, что неразличимые объекты (так же, как и сходные, похожие) не удается разбить на классы так, чтобы в каждом классе элементы не различались, а элементы разных классов заведомо различались.

В самом деле, будем рассматривать множество точек (х, у) на плоскости. Пусть величина d имеет значение меньшее порога разрешимости глаза, т. е. d – такое расстояние, при котором две точки, находящиеся на этом расстоянии, сливаются в одну, т.е. визуально неразличимы (при выбранном удалении плоскости от наблюдателя). Рассмотрим теперь n точек, лежащих на одной прямой и отстоящих (каждая от соседних) на расстоянии d. Каждая пара
соседних точек неразличима, но, если n достаточно велико, первая и последняя точки будут отстоять друг от друга на большое расстояние и заведомо будут различимы.

Традиционный подход к изучению сходства или неразличимости состоит в том, чтобы сначала определить меру сходства, а затем исследовать взаимное расположение сходных объектов. Английский математик Зиман, изучая модели зрительного аппарата, предложил аксиоматическое определение сходства. Тем самым свойства сходства стало возможным изучать независимо от того, как конкретно оно задано в той или иной ситуации: расстоянием между объектами, совпадением каких-то признаков или субъективным мнением наблюдателя.
Введем экспликацию понятия сходства или неразличимости.

Определение. Отношение Т на множестве M называется отношением толерантности или толерантностью, если оно рефлексивно и симметрично.

Корректность такого определения видна из того, что объект заведомо неразличим сам с собой и, конечно, похож на себя (это задает рефлексивность отношения). Порядок рассмотрения двух объектов не влияет на окончательный вывод об их сходстве или несходстве (симметричность).
Из примера со зрительной неразличимостью точек плоскости видим, что транзитивность толерантности выполняется не для всех пар объектов.

Ясно также, что поскольку одинаковость есть частный случай сходства, то эквивалентность должна быть частным случаем толерантности. Сравнивая определения эквивалентности и толерантности, убеждаемся, что так оно и есть. Философский принцип: «частное богаче общего» наглядно подтверждается. Дополнительное свойство – транзитивности делает часть отношений толерантности эквивалентностями. Двое близнецов бывают настолько одинаковыми, что без риска могут сдавать экзамены друг за друга. Однако если два студента только похожи, то такая проделка, хотя и осуществима, но рискованна.

Каждый элемент множества несет определенную информацию о похожих на него элементах. Но не всю информацию, как в случае одинаковых элементов. Здесь возможны разные степени информации, которую один элемент содержит относительно другого.

Рассмотрим примеры, где толерантность задается разными способами.

Пример 2. Множество M состоит из четырехбуквенных русских слов — нарицательных существительных в именительном падеже. Будем называть такие слова сходными, если они отличаются не более чем на одну букву. Известная задача «Превращение мухи в слона» в точных терминах формулируется так. Найти последовательность слов, начинающуюся словом «муха» и кончающуюся словом «слон», любые два соседних слова в которой сходны в смысле только что данного определения. Решение этой задачи:

муха — мура — тура — тара — кара — каре — кафе — кафр — каюр — каюк — крюк — крок — срок — сток — стон — слон.

Толерантность подмножеств (граней) означает наличие у них общих вершин.

Определение. Множество M с заданным на нем отношением толерантности τ называется пространством толерантности. Таким образом, пространство толерантности есть пара (M, τ).

Пример 4. Пространство толерантности Sp допускает обобщение на бесконечный случай. Пусть H — произвольное множество. Если SH – совокупность всех непустых подмножеств множества H, то отношение толерантности Т на SH задается условием: X Т Y, если X∩Y ≠ ∅. Симметричность и рефлексивность этого отношения очевидны. Пространство SH обозначается и называется «универсальным» пространством толерантности.

Пример 6. Рассмотрим пространство толерантности, компоненты которого принимают любые действительные значения.

В частности, это множество всех точек x = (a1, a2) декартовой плоскости. Толерантность двух точек означает совпадение у них хотя бы одной координаты. Значит, две толерантные точки находятся либо на общей вертикали, либо на общей горизонтали.

Отношения частичного порядка и их анализ

Упорядоченные множества – это множества с введенным на нем отношением порядка. Определение. Множество А и бинарное отношение порядка R на нем (≤) называется частично упорядоченным, если для отношения выполнены (как и в БОЭ) три условия (одно условие другое):

Элемент х∊А ЧУМ А покрывает элемент у∊А, если х > y и не существует z∊А такого, что х > z > y. Пара элементов х, у∊А называется сравнимой, если х ≥ у или х ≤ у.

Если в ЧУМ А всякая пара его элементов является сравнимой, то А называют линейно упорядоченным множеством или цепью.

Если же некоторое ЧУМ В состоит лишь из несравнимых друг с другом элементов, то множество В называют антицепью. Цепь в ЧУМ А называется насыщенной, если она не может быть вложена ни в какую другую цепь, отличную от себя.

Аналогично определяется насыщенная антицепь. Максимальной цепью (антицепью) называется цепь (антицепь), содержащая максимальное количество элементов.

Элемент m ЧУМ А называется минимальным, если в А нет элемента х∊А, отличного от m и такого, что х≤m. Элемент M ЧУМ А называется максимальным, если в А нет элемента х «большего», чем M, отличного от M и такого, что х ≥ M.

Элемент у∊А ЧУМ А называется наибольшим, если ∀ х∊ А х ≤ у. Элемент у∊ А ЧУМ А называется наименьшим, если ∀ х∊А х ≥ у. Для наибольшего и наименьшего элементов принято использовать обозначения 1 и 0 соответственно. Их называют универсальными границами. Всякое ЧУМ А имеет не более одного наименьшего и не более одного наибольшего элементов. В ЧУМ А допустимо несколько минимальных и несколько максимальных элементов
Изображать конечное ЧУМ А удобно диаграммой Хассе, которая представляет собой ориентированный граф, его вершины распределены по уровням диаграммы и соответствуют элементам из А, а каждая дуга направляется вниз и рисуется тогда и только тогда, когда элемент х∊А покрывает элемент у∊А.

Транзитивные дуги не изображаются. Уровни диаграммы Хассе содержат элементы одинакового ранга, т.е. связанные с минимальными элементами ЧУМ путями равной длины (по числу дуг).
Пусть В непустое подмножество ЧУМ А, тогда элемент х∊А называется точной верхней гранью (обозначается sup_AB) множества В, если х ≥ у для всех у∊В и, если из истинности соотношения z ≥ у для всех у∊В вытекает, что z ≥ х.

Точной нижней гранью (обозначается inf_AB) множества В называется элемент х∊А, если х ≤ у для всех у∊В и, если из условия z ≤ у для всех у∊ В вытекает, что z ≤ х.

Пример 7. Заданы два конечных числовых множества
А = <0,1,2,…,21>и B = <6,7,10,11>.

ЧУМ (А, ≤) представлено рис. 2.26.

Совокупность В Δ всех верхних граней для В называется верхним конусом для множества В. Совокупность В ∇ всех нижних граней для В называется нижним конусом для В.

Всякое подмножество ЧУМ также является ЧУМ относительно наследованного порядка. Если в множестве существуют наибольший и/или наименьший элементы, то они являются максимальным (минимальным соответственно). Обратное неверно. Булеан обладает единственным наименьшим (Ø) и единственным наибольшим элементами.

В приведенном множестве наименьший элемент нуль (0) и он совпадает с единственным минимальным элементом, а наибольшего элемента не существует. Максимальными элементами являются <19, 20, 21>. Точная верхняя грань для B = <6,7,10,11>есть элемент 21 (это наименьший элемент в верхнем конусе).

Общая ситуация. Пусть задано множество, мощность которого*******. Из всех бинарных отношений, возможных на этом множестве, выделим бинарные отношения предпочтения и связанные с ними отношения строгих частичных порядков.

Частичные порядки отличаются от строгих частичных порядков только тем, что содержат в своем составе дополнительные элементы (в матричном представлении – диагональные) (аi, ai ) = 1, i = 1(1)n, а число тех и других порядков в полном множестве отношений одинаково. До настоящего времени не найдены зависимости (формула, алгоритм), которые позволяли бы подсчитывать и перечислять при любом n число частичных порядков.

Разными авторами непосредственным подсчетом определены и опубликованы следующие результаты (табл. 2.12).

Вычислительные эксперименты автора позволили получить не только число, но и вид (представление) частичных порядков при разных мощностях множителя-носителя отношений. Принтер задыхался печатая такие огромные списки, но не только красота требует жертв, наука тоже не отказывается от них.

В таблице 2.12 показаны: n = |A| – мощность множества-носителя; вторая строка – количество всех бинарных отношений на множестве А; и далее

|Ин(n)| – количество классов неизоморфных отношений;
|Г(n)| – количество отношений частичного порядка;
|Гн(n)| – количество классов неизоморфны отношений частичного порядка;
|Гл(n)| = n! – количество отношений линейного порядка.

Как видим, в таблице для небольших n, например, Г(n=4) имеется всего 219, приводятся данные, значения которых с увеличением n очень быстро растут, что существенно усложняет их количественный (и качественный) непосредственный анализ даже с помощью ЭВМ.

Таблица ниже иллюстрирует возможность порождения Г(n=4) всех частичных порядков из пересечения каждого с каждым линейных частичных порядков. Но в этой ситуации возникают избыточные (повторяющиеся), которые при малых n можно отсечь вручную (пересчитать). Получаются 300 матриц, но ЧУМ среди них лишь 219. Общие формулы так и не были получены. На мировом уровне ситуация аналогичная, хотя мне не довелось видеть публикаций о перечислениях ЧУМ западных авторов. Наши алгоритмы вполне оригинальны и пионерские.

Приведу возможную схему решения задачи перечисления элементов пространства частичных порядков (n=4).

Множество строгих частичных порядков при лексикографическом упорядочении линейных порядков (n=4) порождается при их взаимном пересечении.

Несколько важных определений математики, для встречающихся часто в текстах понятий.

Определение. Замкнутый интервал – это множество вида ; открытый интервал не замкнут, и полуоткрытый интервал, т. е. множество вида

Источник