Lecture 2 二元关系
一、 有序对及其性质
定义:由两个元素 \(x\) 和 \(y\)(允许 \(x=y\)),按照特定的顺序排列成的二元组,称为有序对(或序偶),记作 \(\langle x, y\rangle\)。其中 \(x\) 是第一元素,\(y\) 是第二元素。 有序对的相等条件:\(\langle x, y\rangle = \langle u, v\rangle\) 的充分必要条件是:\(x = u\) 且 \(y = v\) 。
二、 笛卡尔积
定义:\(A \times B = \{\langle x, y\rangle \mid x \in A \wedge y \in B\}\)。
基数计算:如果集合 \(A\) 有 \(m\) 个元素(\(|A| = m\)),集合 \(B\) 有 \(n\) 个元素(\(|B| = n\)),那么根据排列组合的乘法原理:\(|A \times B|= m \times n\) 。
例题:幂集与空集
题目:设 \(A=\{\emptyset\},\ B=\emptyset\),求 \(P(A) \times A\) 和 \(P(A) \times B\)。
答案:
- \(A=\{\emptyset\}\)
- \(P(A)=\{\emptyset,\{\emptyset\}\}\)
- \(P(A) \times A=\{\langle\emptyset,\emptyset\rangle,\langle\{\emptyset\},\emptyset\rangle\}\)
- \(P(A) \times B=\emptyset\)
五大核心算律(必考选择/判断题):
- 任何集合与空集的笛卡尔积都是空集:\(A \times \emptyset = \emptyset,\ \emptyset \times A = \emptyset\)。
- 不满足交换律:\(A \times B \neq B \times A\) (除非 \(A=B\) 或其中之一为空集)。
- 不满足结合律:\((A \times B) \times C \neq A \times (B \times C)\)。
- 对 \(\cup\) 和 \(\cap\) 满足分配律:\(A \times (B \cup C) = (A \times B) \cup (A \times C)\) (左分配、右分配均成立)。
- 单调性:若 \(A \subseteq C \land B \subseteq D\),则 \(A \times B \subseteq C \times D\)。
三、 二元关系的定义
什么是“关系”?
-
严格定义:如果一个集合满足以下两个条件之一,它就是一个“二元关系”(简称关系,记作 \(R\)):
- 它是空集 \(\emptyset\)。
- 它的每一个元素都必须是“有序对”。
-
易错点辨析:
-
\(R_1 = \{\langle 1,2\rangle, \langle a,b\rangle\}\) 是关系吗?是。
- \(R_2 = \{\langle 1,2\rangle, a, b\}\) 是关系吗?不是。
- 如果有序对 \(\langle x, y\rangle \in R\),记作 \(xRy\) (读作 \(x\) 与 \(y\) 有关系 \(R\))。
- 如果 \(\langle x, y\rangle \notin R\),就表示 \(x\) 与 \(y\) 没有关系 \(R\)。
- 设 \(A, B\) 为集合,\(A \times B\) 的任何子集都是从 \(A\) 到 \(B\) 的关系。
- 当 \(A = B\) 时,\(A \times A\) 的任何子集都称作“\(A\) 上的二元关系”。
-
推论:如果集合 \(A\) 有 \(n\) 个元素(\(|A|=n\)),那么 \(A\) 上不同的二元关系一共有:
-
\(|A \times A| = n^2\) 个有序对。
- 它的任何一个子集都是一个关系,所以关系总数是 \(2^{n^2}\)。
- 例如 \(A=\{0,1\}\),则 \(A\) 上共有 \(2^{2^2}=2^4=16\) 个不同的关系。
六大关系:
对于任何集合 \(A\):
- 空关系 (\(\emptyset\)):什么关系都没有,最孤独的关系。
- 全域关系 (\(E_A\)):\(E_A = A \times A\)。即 \(A\) 里面的所有元素两两之间都有关系(包括自己和自己)。
-
恒等关系 (\(I_A\)):\(I_A = \{\langle x, x\rangle \mid x \in A\}\)。
- 白话解释:每个元素只和自己有关系,绝对不和别人沾边。在关系矩阵里,就是主对角线全是 1,其他全是 0。
-
小于等于关系 (\(L_A\)):\(L_A = \{\langle x, y\rangle \mid x \le y\}\)。
- 包含关系 (\(R_{\subseteq}\)):\(R_{\subseteq} = \{\langle x, y\rangle \mid x \subseteq y\}\)。
- 整除关系 (\(D_A\)):\(D_A = \{\langle x, y\rangle \mid x \mid y\}\)。
- 注意:\(x \mid y\) 的意思是“\(x\) 能整除 \(y\)”(即 \(y\) 是 \(x\) 的倍数)。例如 \(2 \mid 4\) 成立,但 \(4 \mid 2\) 不成立。
例题:二元关系
题目:设 \(A=\{1,2,3\}\),求 \(A\) 上的小于等于关系 \(L_A\) 和整除关系 \(D_A\)。
答案:
- \(L_A=\{\langle 1,1\rangle,\langle 1,2\rangle,\langle 1,3\rangle,\langle 2,2\rangle,\langle 2,3\rangle,\langle 3,3\rangle\}\)
- \(D_A=\{\langle 1,1\rangle,\langle 1,2\rangle,\langle 1,3\rangle,\langle 2,2\rangle,\langle 3,3\rangle\}\)
关系的表示:
- 集合列举法:列出所有有序对。
- 关系图 (\(G_R\)):用节点和有向边表示,\(\langle x, y\rangle \in R\) 就是一条从 \(x\) 指向 \(y\) 的箭头。
- 关系矩阵 (\(M_R\)):如果 \(x_i R x_j\)(即元素 \(x_i\) 到 \(x_j\) 有关系),那么矩阵第 \(i\) 行、第 \(j\) 列的元素 \(r_{ij} = 1\)
四、 关系的七大运算
这部分是重中之重,尤其是“右复合”和“逆”。
1. 单个关系的基础提取
- 定义域 (dom\(R\)):所有有序对的第一个元素构成的集合。
- 值域 (ran\(R\)):所有有序对的第二个元素构成的集合。
- 域 (fld\(R\)):\(\text{dom}R \cup \text{ran}R\)。
2. 进阶运算(重难点)
-
逆关系 (\(R^{-1}\)):把所有箭头的方向反过来。\(R^{-1} = \{\langle y, x\rangle \mid \langle x, y\rangle \in R\}\)。
- 定理:\((R^{-1})^{-1} = R\),\(\text{dom}(R^{-1}) = \text{ran}R\)。
-
右复合 (\(F \circ G\)):相当于“先走 \(F\),再走 \(G\)”。
- 定义:\(F \circ G = \{\langle x, y\rangle \mid \exists t (\langle x, t\rangle \in F \land \langle t, y\rangle \in G)\}\)。
- 定理:\((F \circ G)^{-1} = G^{-1} \circ F^{-1}\)。
-
限制:记作 \(R \upharpoonright A\)。意思是把关系 \(R\) 的出发点(第一元素)强行限制在集合 \(A\) 的范围内,不在 \(A\) 里面的出发点连同它的有向边一起砍掉。\(R \upharpoonright A = \{\langle x, y\rangle \mid xRy \wedge x \in A\}\)。
- 像:记作 \(R[A]\)。意思是在经过上述“限制”之后,剩下的这些有效路径能到达的所有终点(第二元素)的集合。
- 公式:\(R[A] = \text{ran}(R \upharpoonright A)\)。(即限制之后求值域)。
五、 关系运算的优先级
- 最高优先级:逆运算 (\(^{-1}\))。
- 第二优先级:所有的关系运算(右复合 \(\circ\)、限制 \(\upharpoonright\)、像 \([]\))。
- 最低优先级:集合的运算(并 \(\cup\)、交 \(\cap\)、相对补 \(-\)、对称差 \(\oplus\))。
- 有括号永远先算括号。
六、 关系运算律
1. 逆运算与复合的结合
- 逆的逆:\((F^{-1})^{-1} = F\)。
- 定义域与值域互换:\(\text{dom}(F^{-1}) = \text{ran}F\),\(\text{ran}(F^{-1}) = \text{dom}F\)。
- 结合律:\((F \circ G) \circ H = F \circ (G \circ H)\)。(复合运算可以随意加括号,但绝对不能调换左右位置!)
- 复合的逆:\((F \circ G)^{-1} = G^{-1} \circ F^{-1}\)。
2. 恒等关系的“数字1”特性
- 对任何关系 \(R\),都有 \(R \circ I_A = I_A \circ R = R\)。
3. 对 \(\cup\) 和 \(\cap\) 的分配律
-
遇到并集 (\(\cup\)) 永远是等号 (\(=\)):
- \(F \circ (G \cup H) = (F \circ G) \cup (F \circ H)\)
- \((G \cup H) \circ F = (G \circ F) \cup (H \circ F)\)
- \(F \upharpoonright (A \cup B) = (F \upharpoonright A) \cup (F \upharpoonright B)\)
- \(F[A \cup B] = F[A] \cup F[B]\)
-
遇到交集 (\(\cap\)) 绝大多数是子集 (\(\subseteq\)):
- \(F \circ (G \cap H) \subseteq (F \circ G) \cap (F \circ H)\) (极其容易出证明题!)
- \((G \cap H) \circ F \subseteq (G \circ F) \cap (H \circ F)\)
- \(F[A \cap B] \subseteq F[A] \cap F[B]\)
- 唯一例外:限制运算对交集是等号。\(F \upharpoonright (A \cap B) = (F \upharpoonright A) \cap (F \upharpoonright B)\)。
例题:逆关系与关系复合
题目:设 \(F=\{\langle 3,3\rangle,\langle 6,2\rangle\}\),\(G=\{\langle 2,3\rangle\}\)。求 \(F^{-1}\)、\(F \circ G\)、\(G \circ F\)。
答案:
- \(F^{-1}=\{\langle 3,3\rangle,\langle 2,6\rangle\}\)
- \(F \circ G=\{\langle 6,3\rangle\}\)
- \(G \circ F=\{\langle 2,3\rangle\}\)
例题:关系的限制与像
题目:已知关系 \(R=\{\langle 1,2\rangle,\langle 1,3\rangle,\langle 2,2\rangle,\langle 2,4\rangle,\langle 3,2\rangle\}\)。求 \(R\) 在不同集合 \(A\) 下的限制和像。
答案:
-
当 \(A=\{1\}\) 时:
- \(R \upharpoonright \{1\}=\{\langle 1,2\rangle,\langle 1,3\rangle\}\)
- \(R[\{1\}]=\{2,3\}\)
-
当 \(A=\emptyset\) 时:
- \(R \upharpoonright \emptyset=\emptyset\)
- \(R[\emptyset]=\emptyset\)
-
当 \(A=\{2,3\}\) 时:
- \(R \upharpoonright \{2,3\}=\{\langle 2,2\rangle,\langle 2,4\rangle,\langle 3,2\rangle\}\)
- \(R[\{2,3\}]=\{2,4\}\)
七、 关系幂运算
1. 关系幂的定义
- 0 次幂:\(R^0 = I_A\) (注意!任何关系的 0 次幂都是恒等关系,不是空集!)
- 递推式:\(R^{n+1} = R^n \circ R\)。
- 物理意义:\(R^n\) 代表在关系图中,经过恰好 \(n\) 步能到达的路径集合。
2. 关系矩阵的幂计算(满分秘籍)
- 求 \(R^n\) 的关系矩阵,就是将矩阵 \(M_R\) 自己乘 \(n\) 次。
- 绝对注意:这里的矩阵乘法是布尔乘法(逻辑加和逻辑乘)。即 \(1+1=1\),绝对不能出现 2 及以上的数字!
3. 幂的周期性定理
- 在有穷集上,关系只能有有限个。所以不断求幂,最后一定会陷入死循环(呈现周期性)。
- 只要找到 \(R^s = R^t\) (\(s < t\)),那么序列就会以 \(p = t-s\) 为周期循环。即 \(R^{s+k} = R^{t+k}\)。利用这一点可以瞬间化简类似于 \(R^{100}\) 的超高次幂计算。
题目:笛卡尔积与交集
题目:设 \(A,B,C,D\) 是任意集合,求证 $$ (A \cap B)\times(C \cap D)=(A\times C)\cap(B\times D). $$
答案:
任取 \(\langle x,y\rangle\), $$ \begin{aligned} \langle x,y\rangle \in (A\cap B)\times(C\cap D) &\iff x\in A\cap B \land y\in C\cap D \ &\iff x\in A \land x\in B \land y\in C \land y\in D \ &\iff (x\in A \land y\in C)\land(x\in B \land y\in D) \ &\iff \langle x,y\rangle \in A\times C \land \langle x,y\rangle \in B\times D \ &\iff \langle x,y\rangle \in (A\times C)\cap(B\times D). \end{aligned} $$ 因此 $$ (A \cap B)\times(C \cap D)=(A\times C)\cap(B\times D). $$
题目:关系的像集
题目:设 \(R_i\) 是 \(X\) 上的二元关系。对于 \(x\in X\),定义 $$ R_i(x)={\,y\mid xR_i y\,}, $$ 显然 \(R_i(x)\subseteq X\)。如果 $$ X={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}, $$ 且 $$ R_1={\langle x,y\rangle\mid x,y\in X \land x<y}, $$ $$ R_2={\langle x,y\rangle\mid x,y\in X \land y-1<x<y+2}, $$ $$ R_3={\langle x,y\rangle\mid x,y\in X \land x^2\le y}, $$ 求 \(R_1(0),\ R_1(1),\ R_2(0),\ R_2(-1),\ R_3(3)\)。
答案:
- \(R_1(0)=\{1,2,3,4\}\)
- \(R_1(1)=\{2,3,4\}\)
- \(R_2(0)=\{-1,0\}\)
- \(R_2(-1)=\{-2,-1\}\)
- \(R_3(3)=\emptyset\)
八、 自反性与反自反性
设 \(R\) 为集合 \(A\) 上的二元关系:
-
自反性 (Reflexive):对于 \(A\) 中的任意元素 \(x\),都有 \(\langle x, x\rangle \in R\)。
- 图形特征:每个顶点都必须有环。
-
反自反性 (Irreflexive):对于 \(A\) 中的任意元素 \(x\),都有 \(\langle x, x\rangle \notin R\)。
- 图形特征:每个顶点都绝对不能有环。
陷阱:“不是自反的”就等于“反自反”吗?
错。
- 如果集合里有 3 个点,2 个点有环,1 个点没环。那么它既不是自反的,也不是反自反的!
例题:判断自反与反自反
题目:设 \(A=\{1,2,3\}\), $$ R_1={\langle 1,1\rangle,\langle 2,2\rangle}, $$ $$ R_2={\langle 1,1\rangle,\langle 2,2\rangle,\langle 3,3\rangle,\langle 1,2\rangle}, $$ $$ R_3={\langle 1,3\rangle}. $$ 判断各关系是否为自反关系、反自反关系。
答案:
- \(R_1\):既不是自反关系,也不是反自反关系
- \(R_2\):是自反关系,不是反自反关系
- \(R_3\):不是自反关系,是反自反关系
九、 对称性与反对称性
设 \(R\) 为集合 \(A\) 上的二元关系:
-
对称性 (Symmetric):只要有 \(\langle x, y\rangle \in R\),就必须有 \(\langle y, x\rangle \in R\)。
- 图形特征:要么没有边,只要有边,就必须是双向边(有去有回)。单向边绝对不允许存在。
-
反对称性 (Antisymmetric):如果有 \(\langle x, y\rangle \in R\) 且 \(\langle y, x\rangle \in R\),则必然推导出 \(x = y\)。
- 白话翻译:如果 \(x\) 和 \(y\) 是两个不同的元素,那么它们之间绝对不能出现双向边!最多只能有单向边,或者干脆没边。
- 图形特征:图中绝对不能出现连接两个不同顶点的双向箭头。但允许有自己指自己的环(因为当 \(x=y\) 时合法)。
陷阱:“对称”和“反对称”是互斥的吗?
不是。
- 同时存在的极品例子:恒等关系 \(I_A\)。它既是对称的,也是反对称的。
例题:判断对称与反对称
题目:设 \(A=\{1,2,3\}\), $$ R_1={\langle 1,1\rangle,\langle 2,2\rangle}, $$ $$ R_2={\langle 1,1\rangle,\langle 1,2\rangle,\langle 2,1\rangle}, $$ $$ R_3={\langle 1,2\rangle,\langle 1,3\rangle}, $$ $$ R_4={\langle 1,2\rangle,\langle 2,1\rangle,\langle 1,3\rangle}. $$ 判断各关系是否为对称关系、反对称关系。
答案:
- \(R_1\):既是对称关系,也是反对称关系
- \(R_2\):是对称关系,不是反对称关系
- \(R_3\):不是对称关系,是反对称关系
- \(R_4\):既不是对称关系,也不是反对称关系
十、 传递性
设 \(R\) 为集合 \(A\) 上的二元关系:
- 传递性:如果 \(\langle x, y\rangle \in R\) 并且 \(\langle y, z\rangle \in R\),那么必须有 \(\langle x, z\rangle \in R\)。
思考一个问题:如果关系里只有一条孤零零的边 \(\langle 1, 3\rangle\),它满足传递性吗?
- 答案是:满足。传递性的前提是“\(\langle x, y\rangle\) 和 \(\langle y, z\rangle\) 同时存在”。对于 \(\langle 1, 3\rangle\) 来说,它根本找不到接力的下一棒(找不到以 3 为起点的边)。
PPT 例题:判断传递性
题目:设 \(A=\{1,2,3\}\), $$ R_1={\langle 1,1\rangle,\langle 2,2\rangle}, $$ $$ R_2={\langle 1,2\rangle,\langle 2,3\rangle}, $$ $$ R_3={\langle 1,3\rangle}. $$ 判断各关系是否为传递关系。
答案:
- \(R_1,R_3\):是传递关系
- \(R_2\):不是传递关系

十一、闭包
1. 闭包的严格数学定义
设 \(R\) 是集合 \(A\) 上的关系。\(R\) 的自反(或对称、传递)闭包记作 \(R'\),它必须同时满足:
- 达标:\(R'\) 必须是自反的(或对称的、传递的)。
- 包容:\(R \subseteq R'\) (原关系里的边一条都不能少,只能增不能减)。
-
最小:对于任何包含了 \(R\) 且满足该性质的庞大关系 \(R''\),都必然有 \(R' \subseteq R''\)。(证明它是所有合格关系里最小的那一个)。
-
自反闭包:记作 \(r(R)\)
- 对称闭包:记作 \(s(R)\)
- 传递闭包:记作 \(t(R)\)
1. 自反闭包 \(r(R)\)
- 公式:\(r(R) = R \cup I_A\)(或者写成 \(R \cup R^0\))
- 满分操作:原关系 \(R\) 加上 恒等关系(全员自环)。图形上就是强行给每个顶点都画上自己指自己的圈。
2. 对称闭包 \(s(R)\)
- 公式:\(s(R) = R \cup R^{-1}\)
- 满分操作:原关系 \(R\) 加上 它的逆关系。图形上就是看到有单向箭头,立刻给它补上一条反向的箭头,全部凑成双向车道。
3. 传递闭包 \(t(R)\)
- 无限次公式:\(t(R) = R \cup R^2 \cup R^3 \cup \dots\)
- 有穷集化简定律:如果集合 \(A\) 里有 \(n\) 个元素,你不需要无限求下去,最多求到 \(R^n\) 就必定结束了! 即:\(t(R) = R \cup R^2 \cup R^3 \cup \dots \cup R^n\)。
实战 1:自反闭包
题目:整数集 \(\mathbb{Z}\) 上的关系 $$ R={\langle x,y\rangle \mid x<y}, $$ 求它的自反闭包 \(r(R)\)。
答案:
实战 2:对称闭包
题目:已知 \(A=\{1,2,3\}\), $$ R={\langle 1,1\rangle,\langle 1,2\rangle,\langle 2,2\rangle,\langle 2,3\rangle,\langle 3,1\rangle,\langle 3,2\rangle}, $$ 求对称闭包 \(s(R)\)。
答案:
- 需要补上的有序对:\(\{\langle 2,1\rangle,\langle 1,3\rangle\}\)
因此 $$ s(R)={\langle 1,1\rangle,\langle 1,2\rangle,\langle 2,1\rangle,\langle 1,3\rangle,\langle 2,2\rangle,\langle 2,3\rangle,\langle 3,1\rangle,\langle 3,2\rangle}. $$
十二、 矩阵与图形求闭包法
1. 矩阵法求闭包
设 \(M\) 为原关系矩阵,\(E\) 为同阶的单位矩阵(主对角线全为 1,其余为 0)。所有加法均为逻辑加 (\(1+1=1\))。
-
自反闭包矩阵 \(M_r\):\(M_r = M + E\)。
- 实操:直接把 \(M\) 的主对角线强行全部改成 1,其他地方不动。
-
对称闭包矩阵 \(M_s\):\(M_s = M + M^T\)(\(M^T\) 为转置矩阵)。
- 实操:把 \(M\) 沿着主对角线对折。如果原来 (1,2) 是 1,(2,1) 是 0,对折相加后 (2,1) 也变成了 1。
-
传递闭包矩阵 \(M_t\):\(M_t = M + M^2 + M^3 + \dots + M^n\)(\(n\) 是集合中元素的个数)。
- 实操:矩阵疯狂自乘并相加。计算量极大,通常用下面的 Warshall 算法来替代。
2. 图形法求闭包
- 求 \(G_r\):检查所有顶点,缺环补环。
- 求 \(G_s\):检查所有单向边,补上反向边(凑成双向箭头)。
- 求 \(G_t\):寻找所有的两步、三步路径,如果起点和终点之间没有直连边,强行加上“直达捷径”。
太棒了!我们现在进入第三讲的倒数第二个核心模块:
十三、 闭包的核心性质定理
1. 免疫定理
- 如果 \(R\) 本来就是自反的,那它的自反闭包就是它自己:\(r(R) = R\)。
- 对称和传递同理。
- 满分用处:在证明题中,看到 \(t(R) = R\),可以直接当成“\(R\) 是传递的”来用。
2. 单调性定理
- 如果关系 \(R_1 \subseteq R_2\)(即 \(R_1\) 的边比 \(R_2\) 少),那么它们的闭包也一定保持这个包含关系:\(r(R_1) \subseteq r(R_2)\)。对称和传递闭包同理。
3. 闭包的嵌套顺序
把一个关系同时变成自反、对称且传递的综合体,记作 \(tsr(R)\)。
- 标准计算顺序:\(tsr(R) = t(s(r(R)))\)。即先求自反,再求对称,最后求传递。
十四、 等价关系
1. 核心定义
设 \(R\) 是非空集合 \(A\) 上的二元关系。如果 \(R\) 同时满足以下三个性质:
- 自反的 (Reflexive)
- 对称的 (Symmetric)
- 传递的 (Transitive)
那么就称 \(R\) 为 \(A\) 上的等价关系!
2. \(x \sim y\) 标记法
如果 \(\langle x, y\rangle \in R\)(即 \(x\) 和 \(y\) 有等价关系),我们不再写死板的 \(xRy\),而是写成 \(x \sim y\)(读作 \(x\) 等价于 \(y\))。 这就意味着,\(x\) 和 \(y\) 在某种宏观属性上是“完全一样”的,可以互相替换。
模 3 等价关系
题目:设 \(A=\{1,2,3,4,5,6,7,8\}\),定义关系 $$ R={\langle x,y\rangle \mid x \equiv y \pmod 3}. $$ 判断 \(R\) 是否为等价关系。
答案:
- \(R\) 是自反、对称、传递关系
十五、 等价类
1. 定义 设 \(R\) 是非空集合 \(A\) 上的等价关系。对于任意 \(x \in A\),称集合 \([x]_R = \{y \mid y \in A \wedge xRy\}\) 为 \(x\) 关于 \(R\) 的等价类,简记为 \([x]\) 。
2. 等价类的性质 设 \(R\) 是非空集合 \(A\) 上的等价关系,则:
- 非空性:任意 \(x \in A\),\([x]\) 是 \(A\) 的非空子集(因 \(R\) 自反,\(x \in [x]\))。
- 相等性:任意 \(x, y \in A\),若 \(xRy\),则 \([x] = [y]\)。
- 不交性:任意 \(x, y \in A\),若 \(\langle x, y\rangle \notin R\),则 \([x] \cap [y] = \emptyset\)。
- 完备性:所有等价类的广义并等于全集,即 \(\bigcup_{x \in A} [x] = A\)。
十六、 商集
1. 定义 设 \(R\) 是非空集合 \(A\) 上的等价关系,以 \(R\) 的所有等价类作为元素的集合称为 \(A\) 关于 \(R\) 的商集,记作 \(A/R\)。
- 公式:\(A/R = \{[x]_R \mid x \in A\}\)。
2. 实例 (模 3 关系) 设 \(A=\{1,2,3,4,5,6,7,8\}\),\(R = \{\langle x, y\rangle \mid x \equiv y \pmod 3\}\)。
- 等价类:\([1] = \{1, 4, 7\}\),\([2] = \{2, 5, 8\}\),\([3] = \{3, 6\}\)。
- 商集:\(A/R = \{\{1, 4, 7\}, \{2, 5, 8\}, \{3, 6\}\}\)。
十七、 集合的划分
1. 定义 设 \(A\) 为非空集合,若 \(A\) 的子集族 \(\pi\) (\(\pi \subseteq P(A)\)) 满足以下三个条件,则称 \(\pi\) 为 \(A\) 的一个划分:
- \(\emptyset \notin \pi\) (划分块非空)。
- 对于任意 \(x, y \in \pi\),若 \(x \neq y\),则 \(x \cap y = \emptyset\) (划分块两两不交)。
- \(\bigcup \pi = A\) (划分块的广义并等于 \(A\))。
实例辨析:划分
题目:设 \(A=\{a,b,c,d\}\),判断下列集合族是否为 \(A\) 的划分: $$ \pi_1={{a,b,c},{d}}, $$ $$ \pi_3={{a},{a,b,c,d}}, $$ $$ \pi_4={{a,b},{c}}, $$ $$ \pi_5={\emptyset,{a,b},{c,d}}. $$
答案:
- \(\pi_1\):是划分
- \(\pi_3\):不是划分
- \(\pi_4\):不是划分
- \(\pi_5\):不是划分
十八、 等价关系与划分的一一对应
1. 定理联系
- 等价关系 \(\to\) 划分:商集 \(A/R\) 必定是 \(A\) 的一个划分。
- 划分 \(\to\) 等价关系:任给 \(A\) 的划分 \(\pi\),定义关系 \(R = \{\langle x,y\rangle \mid x,y \text{ 在 } \pi \text{ 的同一划分块中}\}\),则 \(R\) 必为 \(A\) 上的等价关系,且其商集即为 \(\pi\)。
2. 实例:求集合上的所有等价关系 求 \(A=\{1,2,3\}\) 上所有的等价关系,等价于求 \(A\) 的所有划分:
- \(\pi_1 = \{\{1\}, \{2\}, \{3\}\}\) \(\implies R_1 = I_A\)。
- \(\pi_2 = \{\{2,3\}, \{1\}\}\) \(\implies R_2 = I_A \cup \{\langle 2,3\rangle, \langle 3,2\rangle\}\)。
- \(\pi_3 = \{\{1,3\}, \{2\}\}\) \(\implies R_3 = I_A \cup \{\langle 1,3\rangle, \langle 3,1\rangle\}\)。
- \(\pi_4 = \{\{1,2\}, \{3\}\}\) \(\implies R_4 = I_A \cup \{\langle 1,2\rangle, \langle 2,1\rangle\}\)。
- \(\pi_5 = \{\{1,2,3\}\}\) \(\implies R_5 = E_A\)。 共计 5 种。
十九、 偏序关系的基础定义
1. 偏序关系 设 \(R\) 为非空集合 \(A\) 上的关系,如果 \(R\) 满足自反性、反对称性和传递性,则称 \(R\) 为 \(A\) 上的偏序关系,记作 \(\le\)。 常见偏序关系包括恒等关系、小于等于关系、整除关系和包含关系。
2. 核心概念
- 严格小于:\(x < y\) 当且仅当 \(x \le y \wedge x \neq y\)。
- 可比:对于任意 \(x, y \in A\),如果 \(x \le y \vee y \le x\),则称 \(x\) 与 \(y\) 是可比的。
- 全序关系 (线序关系):如果偏序关系中任意两个元素都是可比的,则称为全序关系。
- 偏序集:集合 \(A\) 和 \(A\) 上的偏序关系 \(\le\) 一起称作偏序集,记作 \(\langle A, \le \rangle\)。
二十、 覆盖与哈斯图
1. 覆盖关系 设 \(\langle A, \le \rangle\) 为偏序集,对于任意 \(x, y \in A\),如果 \(x < y\) 且不存在 \(z \in A\) 使得 \(x < z < y\),则称 \(y\) 覆盖 \(x\)。
2. 哈斯图绘制规则
- 顶点位置:若 \(x < y\),将 \(x\) 画在 \(y\) 的下方。
- 连线规则:如果 \(y\) 覆盖 \(x\),用一条线段连接 \(x\) 和 \(y\)。
- 省略内容:省略所有自环、传递边和表示方向的箭头。
二十一、 偏序集中的特殊元素
设 \(\langle A, \le \rangle\) 为偏序集,\(B \subseteq A\)。
1. 最值与极值 (元素要求必须在 \(B\) 中)
- 最小元:存在 \(y \in B\),对任意 \(x \in B\) 均有 \(y \le x\)。若存在则必唯一。
- 最大元:存在 \(y \in B\),对任意 \(x \in B\) 均有 \(x \le y\)。若存在则必唯一。
- 极小元:存在 \(y \in B\),对任意 \(x \in B\),当 \(x \le y\) 时必有 \(x = y\)。哈斯图中无向下连线的顶点,可有多个。
- 极大元:存在 \(y \in B\),对任意 \(x \in B\),当 \(y \le x\) 时必有 \(x = y\)。哈斯图中无向上连线的顶点,可有多个。
2. 边界限值 (元素在全集 \(A\) 中即可)
- 下界:存在 \(y \in A\),对任意 \(x \in B\) 均有 \(y \le x\)。
- 上界:存在 \(y \in A\),对任意 \(x \in B\) 均有 \(x \le y\)。
- 下确界 (最大下界):所有下界构成集合中的最大元。
- 上确界 (最小上界):所有上界构成集合中的最小元。