二元关系

  • 定义
    • 如果一个集合为空集或元素都为有序对,则集合是一个二元关系,记作 RR。
    • ⟨x,y⟩∈R\langle x,y \rangle \in R 记作 xRyxRy,⟨x,y⟩∉R\langle x, y \rangle \notin R 记作 xR̸yx \not R y。
    • A×BA \times B 的任何子集定义的二元关系称为 AA 到 BB 的二元关系,A=BA=B 时称为 AA 上的二元关系。
  • 表示
    • 集合表达式
    • 关系矩阵
    • 关系图
  • 运算
    • 域
      • 定义域:dom⁡R={x∣∃y(⟨x,y⟩∈R)}\operatorname{dom} R = \{x \mid \exists y (\langle x,y \rangle \in R)\}
      • 值域:ran⁡R={y∣∃x(⟨x,y⟩∈R)}\operatorname{ran} R = \{y \mid \exists x (\langle x,y \rangle \in R)\}
      • 域: fld⁡R=dom⁡R∪ran⁡R\operatorname{fld} R = \operatorname{dom} R \cup \operatorname{ran} R
    • 逆
      • R−1={⟨y,x⟩∣⟨x,y⟩∈R}R^{-1} = \{\langle y, x \rangle \mid \langle x, y \rangle \in R\}
    • 复合
      • 定义 RR 复合 SS:R∘S={⟨x,z⟩∣∃y(⟨x,y⟩∈R∧⟨y,z⟩∈S)}R \circ S = \{ \langle x, z \rangle \mid \exists y (\langle x, y \rangle \in R \land \langle y, z \rangle \in S)\}
      • (F∘G)∘H=F∘(G∘H)(F \circ G) \circ H = F \circ (G \circ H)
      • (F∘G)−1=G−1∘F−1(F \circ G)^{-1} = G^{-1} \circ F^{-1}
      • R∘IA=IA∘R=RR \circ I_A = I_A \circ R = R
      • F∘(G∪H)=(F∘G)∪(F∘H),(G∪H)∘F=(G∘F)∪(H∘F)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∘(G∩H)⊆(F∘G)∩(F∘H),(G∩H)∘F⊆(G∘F)∩(H∘F)F \circ (G \cap H) \subseteq (F \circ G) \cap (F \circ H), (G \cap H) \circ F \subseteq (G \circ F) \cap (H \circ F)
    • 限制
      • RR 在 AA 上的限制:R↾A={⟨x,y⟩∣xRy∧x∈A}R \upharpoonright A = \{\langle x, y\rangle \mid xRy \land x \in A\}。
      • R↾A⊆RR \upharpoonright A \subseteq R
      • R↾(A∪B)=(R↾A)∪(R↾B)R \upharpoonright (A \cup B) = (R \upharpoonright A) \cup (R \upharpoonright B)
      • R↾(A∩B)=(R↾A)∩(R↾B)R \upharpoonright (A \cap B) = (R \upharpoonright A) \cap (R \upharpoonright B)
    • 像
      • AA 在 RR 下的像:R[A]=ran⁡(R↾A)R[A] = \operatorname{ran}(R \upharpoonright A)
      • R[A∪B]=R[A]∪R[B]R[A \cup B] = R[A] \cup R[B]
      • R[A∩B]⊆R[A]∩R[B]R[A \cap B] \subseteq R[A] \cap R[B]
    • 幂
      • RR 是 AA 上的关系,n∈N∗n \in \mathrm {N^*}。R0=IA,Rn+1=Rn∘RR^0 = I_A,R^{n+1} = R^n \circ R。
      • RR 是有限集合时,存在 s,t (s<t)s,t\ (s < t),使得 Rs=RtR^s = R^t。
    • 闭包
  • 性质
    • 自反
      • ∀x(x∈A→⟨x,x⟩∈R)\forall x(x \in A \to \langle x, x \rangle \in R)
      • 自反的关系矩阵:主对角线全为 11。
      • 自反的关系图:所有结点有自环。
    • 反自反
      • ∀x(x∈A→⟨x,x⟩∉R)\forall x(x \in A \to \langle x, x \rangle \notin R)
      • 自反和反自反不是对立的。
      • 反自反的关系矩阵:主对角线全为 00。
      • 反自反的关系图:所有结点没有自环。
    • 对称
      • ∀x∀y(x,y∈A∧⟨x,y⟩∈R→⟨y,x⟩∈R)\forall x \forall y (x,y \in A \land \langle x, y\rangle \in R \to \langle y, x \rangle \in R)
      • 对称的关系矩阵:对称矩阵。
      • 对称的关系图:任意有边的两个结点之间一定有方向相反的两条边。
    • 反对称
      • ∀x∀y(x,y∈A∧⟨x,y⟩∈R∧⟨y,x⟩∈R→x=y)\forall x \forall y (x,y \in A \land \langle x, y\rangle \in R \land \langle y, x \rangle \in R \to x = y)
      • 对称和反对称不是对立的。
      • 反对称的关系矩阵:对角线外元素如果为 11,那么对称位置一定为 00。
      • 反对称的关系图:任意有边的两个结点之间一定只有一条边。
    • 传递
      • ∀x∀y∀z(x,y,z∈A∧⟨x,y⟩∈R∧⟨y,z⟩∈R→⟨x,z⟩∈R)\forall x\forall y\forall z(x,y,z \in A \land \langle x, y \rangle \in R \land \langle y, z\rangle \in R \to \langle x, z \rangle \in R)
      • 传递的关系矩阵:MM 为关系矩阵, M2M^2 中为 11 的位置在 MM 中也为 11。
      • 传递的关系图:任意两个结点,如果有长度大于 11 的路径,则一定有长度为 11 的路径。
  • 闭包
    • 定义
      • 对于某个关系,扩充这个关系使其满足某关系,新关系是原关系的闭包。
      • RR 的自反 / 对称 / 传递闭包 R′R' 满足:
        • R⊆R′R \subseteq R'
        • R′R' 是自反 / 对称 / 传递关系
        • 任意包含 RR 的自反 / 对称 / 传递关系 R′′R'' 满足 R′⊆R′′R' \subseteq R''
          • 这说明 R′R' 添加最少的元素到 RR 中,在满足关系的条件下不添加元素。
      • 自反 / 对称 / 传递闭包分布记作 r(R),s(R),t(R)r(R),s(R),t(R)
    • 计算
      • r(R)=R∪R0r(R) = R \cup R^0
      • s(R)=R∪R−1s(R) = R \cup R^{-1}
      • t(R)=R∪R2∪R3∪⋯t(R) = R \cup R^2 \cup R^3 \cup \cdots
    • 性质
      • RR 是自反 / 对称 / 传递的   ⟺  \iff RR 为对应的闭包。
      • R1⊆R2R_1 \subseteq R_2 则 r(R1)⊆r(R2),s(R1)⊆s(R2),t(R1)⊆t(R2)r(R_1) \subseteq r(R_2),s(R_1) \subseteq s(R_2),t(R_1) \subseteq t(R_2)
      • 若 RR 自反,则 s(R),t(R)s(R),t(R) 自反。
      • 若 RR 对称,则 r(R),t(R)r(R),t(R) 对称。
      • 若 RR 传递,则 r(R)r(R) 传递。
  • 等价关系
    • 定义
      • 如果关系自反、对称、传递,则为等价关系。
    • 等价类
      • RR 是 AA 上等价关系,x∈Ax \in A,定义 [x]R={y∣y∈A∧xRy}[x]_R = \{y \mid y \in A \land xRy \} 为 xx 关于 RR 的等价类。
      • 定义 x≺yx \prec y 为 x⪯y∧x≠yx \preceq y \land x \neq y。
      • ∀x,y∈A\forall x,y\in A,如果 xRyxRy,则 [x]R=[y]R[x]_R=[y]_R,否则 [x]R∩[y]R=∅[x]_R \cap [y]_R = \varnothing。
      • ⋃x∈A[x]R=A\displaystyle\bigcup_{x\in A} [x]_R = A
    • 商集
      • RR 是 AA 上等价关系,定义商集 A/R={[x]R∣x∈A}A/R = \{[x]_R \mid x \in A\}。
      • 商集是集合的等价类的集合。
    • 覆盖、划分
      • AA 是非空集合,π\pi 是 AA 的子集族(π⊆P(A)\pi \subseteq P(A))
        • 如果 ∅∉π\varnothing \notin \pi,∪π=A\cup\pi=A,则 π\pi 是 AA 的覆盖。
        • 如果 π\pi 是 AA 的覆盖,∀x∀y(x,y∈A∧x≠y→x∩y=∅)\forall x\forall y(x,y\in A \land x \neq y \to x \cap y = \varnothing),则 π\pi 是 AA 的划分。
      • 最大划分是集合本身,最小划分是集合中的每个元素为子集组成。
      • RR 是 AA 上等价关系,则 A/RA/R 是 AA 的一个划分。
  • 偏序关系
    • 定义
      • 如果关系自反、反对称、传递,则为偏序关系。记作 x⪯yx \preceq y。
      • 如果 x⪯y∨y⪯xx \preceq y \lor y \preceq x,则 x,yx,y 可比。
      • 已知 RR 为偏序关系,如果 ∀x,y∈A\forall x,y\in A,x,yx,y 可比,则 RR 为全序关系。
    • 覆盖、哈斯图
      • 如果 x≺yx \prec y,且不存在 zz 使得 x≺z≺yx \prec z \prec y,则 yy 覆盖 xx。
      • 哈斯图是简化的偏序关系图。画法:
        • 如果 x≺yx \prec y,则 xx 在 yy 的下方。
        • 如果 yy 覆盖 xx,则在 x,yx,y 连边。
      • 哈斯图中,如果 x,yx,y 之间有不折返的路径,则 x,yx,y 可比,如果还有 xx 在 yy 下层,则 x≺yx \prec y。
    • 最值、极值
      • 设 B⊆A,y∈BB \subseteq A,y \in B。
        • 如果 ∀x(x∈B→y⪯x)\forall x(x \in B \to y \preceq x),则 yy 是 BB 的最小元。
        • 如果 ∀x(x∈B→x⪯y)\forall x(x \in B \to x \preceq y),则 yy 是 BB 的最大元。
        • 如果 ∀x(x∈B∧x⪯y→x=y)\forall x(x \in B \land x \preceq y \to x = y),则 yy 是 BB 的极小元。
        • 如果 ∀x(x∈B∧y⪯x→x=y)\forall x(x \in B \land y \preceq x \to x = y),则 yy 是 BB 的极大元。
      • 最小元和最大元与 BB 中所有元素可比,并且具有同样的顺序关系,唯一存在或者不存在。
      • 极小元和极大元只要求与 BB 中可比的元素具有这样的关系,一定存在。
    • 上下界
      • 设 B⊆A,y∈AB \subseteq A,y \in A。
        • 如果 ∀x(x∈B→y⪯x)\forall x(x \in B \to y \preceq x),则 yy 是 BB 的下界,其中最大的 yy 是下确界。
        • 如果 ∀x(x∈B→x⪯y)\forall x(x \in B \to x \preceq y),则 yy 是 BB 的上界,其中最小的 yy 是上确界。
      • BB 的最小元就是 BB 的下确界,最大元就是 BB 的上确界。
      • 上下界都可能不存在。
  • 映射
    • 定义
      • 设 FF 为二元关系,对于 ∀x∈dom⁡F\forall x \in \operatorname{dom} F,有唯一 y∈ran⁡Fy \in \operatorname{ran} F 与其对应,则 FF 为映射或函数。
      • 如果 dom⁡f=A,ran⁡f⊆B\operatorname{dom}f=A,\operatorname{ran}f \subseteq B,则 ff 为从 AA 到 BB 的映射,记作 f:A→Bf:A \to B。
      • 从 AA 到 BB 的所有映射的集合记作 BA={f∣f:A→B}B^A = \{f \mid f: A \to B\}。
      • f(A1)={f(x)∣x∈A1}f(A_1) = \{f(x) \mid x \in A_1 \} 为 A1A_1 在 ff 的像,f−1(B1)={x∣x∈A∧f(x)∈B1}f^{-1}(B_1) = \{ x \mid x \in A \land f(x) \in B_1\} 为 B1B_1 在 ff 下的完全原像。
    • 性质
      • 若 ran⁡f=B\operatorname{ran} f= B 则 ff 为满射。
      • 若 ∀y∈ran⁡f\forall y \in \operatorname{ran} f 有唯一 x∈A∧f(x)=yx \in A \land f(x) = y,则 ff 为单射。
      • 若 ff 是满射和单射,则 ff 是双射。
    • 复合
      • 已知 f:A→B,g:B→Cf: A\to B,g:B\to C,则 f∘g:A→Cf \circ g: A \to C 即关系的复合。
      • f∘g(x)=g(f(x))f\circ g(x) = g(f(x))。
      • 如果 f,gf,g 都是满射 / 单射 / 双射,则 f∘gf\circ g 也是满射 / 单射 / 双射。反之不一定成立。
      • f∘IA=IA∘f=ff\circ I_A = I_A \circ f = f。
    • 逆
      • 已知 f:A→Bf: A\to B,则 f−1f^{-1} 是其作为二元关系的逆。映射的逆不一定是映射。
      • 如果 ff 是单射,则 f−1f^{-1} 是映射,且为 ran⁡f→dom⁡f\operatorname{ran}f \to \operatorname{dom}f 的满射。
      • 如果 ff 是满射等价于 f−1f^{-1} 是满射。