7.特殊关系

1.等价关系

  1. 设 RR 为非空集合 AA 上的关系,如果 RR 是自反的,对称的和传递的,则称 RR 为 AA 上的等价关系。

  2. 设 RR 为非空集合 AA 上的等价关系,∀x∈A\forall x \in A,令[x]R={y∣y∈A∧xRy}[x]_{R}=\{y \mid y \in A \land xRy\}, 称 [x]R[x]_{R} 为 xx 关于 RR 的等价类,简称为 xx 的等价类,简记为 [x][x]。

    • 例:设 A={1,2,…,8}A=\{1,2, \dots, 8\},定义 AA 上的关系 RR: R={<x,y>∣x,y∈A∧x≡y( mod 3)}R=\{<x,y> \mid x,y \in A \land x \equiv y(\bmod 3)\},其中 x≡y( mod 3)x \equiv y(\bmod 3) 称作 xx 与 yy 模3相等,即 xx 除以3的余数与 yy 除以3的余数相等,求等价类。
      解:
      [1]=[4]=[7]={1,4,7}[1]=[4]=[7]=\{1,4,7\}
      [2]=[5]=[8]={2,5,8}[2]=[5]=[8]=\{2,5,8\}
      [3]=[6]={3,6}[3]=[6]=\{3,6\}
  3. 设 RR 为非空集合 AA 上的等价关系,以 RR 的所有等价类作为元素的集合称为 AA 关于 RR 的商集,记作 A/R={[x]R∣x∈A}A/R=\{[x]_{R} \mid x \in A\}

    • 例:A/R={{1,4,7},{2,5,8},{3,6}}A/R=\{\{1,4,7\},\{2,5,8\},\{3,6\}\}
  4. 设 AA 为非空集合,若 AA 的子集族 π(π⊆P(A))\pi(\pi \subseteq P(A)) 满足如下条件:

    • ∅∉π\emptyset \notin \pi
    • ∀x∀y(x,y∈π∧x≠y→x∩y=∅)\forall x\forall y\big(x,y \in \pi \land x \neq y \to x \cap y=\emptyset\big)
    • ⋃π=A\bigcup \pi = A 则称 π\pi 是 AA 的一个划分。
  • 例1:设 A={a,b,c,d}A=\{a,b,c,d\},给定 π1,π2,π3,π4,π5,π6\pi_1,\pi_2,\pi_3,\pi_4,\pi_5,\pi_6,判断是否为 AA 的划分。
    π1={{a,b,c},{d}}是\pi_1=\{\{a,b,c\},\{d\}\} \quad \text{是}
    π2={{a,b},{c},{d}}是\pi_2=\{\{a,b\},\{c\},\{d\}\} \quad \text{是}
    π3={{a},{a,b,c,d}}不是\pi_3=\{\{a\},\{a,b,c,d\}\} \quad \text{不是}
    π4={{a,b},{c}}不是\pi_4=\{\{a,b\},\{c\}\} \quad \text{不是}
    π5={∅,{a,b},{c,d}}不是\pi_5=\{\emptyset,\{a,b\},\{c,d\}\} \quad \text{不是}
    π6={{a,{a}},{b,c,d}}不是\pi_6=\{\{a,\{a\}\},\{b,c,d\}\} \quad \text{不是}

  • 例2:求 A={1,2,3}A=\{1,2,3\} 上所有的等价关系。
    解:给出 AA 的所有划分。 例2-等价关系的所有划分.png π1={{1,2,3}}\pi_1=\{\{1,2,3\}\},π1\pi_1 对应于全域关系 EAE_A。
    π2={{1},{2,3}}\pi_2=\{\{1\},\{2,3\}\},π2\pi_2 对应等价关系 R2R_2:R2={<2,3>,<3,2>}∪IAR_2=\{<2,3>,<3,2>\} \cup I_A
    π3={{2},{1,3}}\pi_3=\{\{2\},\{1,3\}\},π3\pi_3 对应等价关系 R3R_3:R3={<1,3>,<3,1>}∪IAR_3=\{<1,3>,<3,1>\} \cup I_A
    π4={{3},{1,2}}\pi_4=\{\{3\},\{1,2\}\},π4\pi_4 对应等价关系 R4R_4:R4={<1,2>,<2,1>}∪IAR_4=\{<1,2>,<2,1>\} \cup I_A
    π5={{1},{2},{3}}\pi_5=\{\{1\},\{2\},\{3\}\},π5\pi_5 对应于恒等关系 IAI_A
    π1\pi_1 诱导等价关系序偶:R1={<1,1>,<2,2>,<3,3>,<1,2>,<2,1>,<2,3>,<3,2>,<1,3>,<3,1>}R_1=\{<1,1>,<2,2>,<3,3>,<1,2>,<2,1>,<2,3>,<3,2>,<1,3>,<3,1>\}
    π2\pi_2 诱导等价关系序偶:R2={<1,1>,<2,2>,<3,3>,<2,3>,<3,2>}R_2=\{<1,1>,<2,2>,<3,3>,<2,3>,<3,2>\}
    π3\pi_3 诱导等价关系序偶:R3={<1,1>,<2,2>,<3,3>,<1,3>,<3,1>}R_3=\{<1,1>,<2,2>,<3,3>,<1,3>,<3,1>\}
    π4\pi_4 诱导等价关系序偶:R4={<1,1>,<2,2>,<3,3>,<1,2>,<2,1>}R_4=\{<1,1>,<2,2>,<3,3>,<1,2>,<2,1>\}
    π5\pi_5 诱导等价关系序偶:R5={<1,1>,<2,2>,<3,3>}R_5=\{<1,1>,<2,2>,<3,3>\}

  • 例3:设 RR 是 AA 上的自反和传递关系,定义 AA 上关系 TT,使得∀x,y∈A, <x,y>∈T⇔<x,y>∈R∧<y,x>∈R\forall x,y \in A,\ <x,y> \in T \Leftrightarrow <x,y> \in R \land <y,x> \in R
    证明:TT 是 AA 上的等价关系。
    证:

    • ① 自反性:∀x∈A, ∵R是自反的\forall x \in A,\ \because R\text{是自反的}
      ∴<x,x>∈R∧<x,x>∈R\therefore <x,x> \in R \land <x,x> \in R
      ∴<x,x>∈T,T自反\therefore <x,x> \in T,T自反
    • ② 对称性:∀x,y∈A, <x,y>∈T\forall x,y \in A,\ <x,y> \in T
      ⇒<x,y>∈R∧<y,x>∈R\Rightarrow <x,y> \in R \land <y,x> \in R
      ⇒<y,x>∈R∧<x,y>∈R\Rightarrow <y,x> \in R \land <x,y> \in R
      ∴<y,x>∈T,T对称\therefore <y,x> \in T,T对称
    • ③ 传递性:∀x,y,z∈A\forall x,y,z \in A 设<x,y>∈T⇒<x,y>∈R∧<y,x>∈R\text{设}<x,y> \in T \Rightarrow <x,y> \in R \land <y,x> \in R
      <y,z>∈T⇒<y,z>∈R∧<z,y>∈R<y,z> \in T \Rightarrow <y,z> \in R \land <z,y> \in R
      ∵R是传递的\because R\text{是传递的}
      ∴<x,z>∈R∧<z,x>∈R\therefore <x,z> \in R \land <z,x> \in R
      ∴<x,z>∈T,T是传递的\therefore <x,z> \in T,T是传递的
      综上,TT 是 AA 上的等价关系。

2.次序关系

偏序关系

  • 设 RR 为非空集合 AA 上的关系,如果 RR 是自反的,反对称的和传递的,则称 RR 为 AA 上的偏序关系,记作 ≼\preccurlyeq。
    集合 AA 和 AA 上的偏序关系 ≼\preccurlyeq 一起称作偏序集,记作 <A,≼><A,\preccurlyeq>。
    • 例:设 A={2,3,6,12,24,36}A=\{2,3,6,12,24,36\},画出偏序集 <A,整除><A,\text{整除}> 的哈斯图。

      注:画偏序集 <A,≼><A,\preccurlyeq> 的哈斯图:

      1. 适当排列顶点顺序,使得∀x,y∈A\forall x,y \in A,若 x≼yx\preccurlyeq y,则将 xx 画在 yy 的下方。
      2. 对 AA 中两个不同元素 x,yx,y,如果xx和yy有相应关系,就用一条线段连接 xx 和 yy。 偏序图

最大元和最小元

  • 设 <A,≼><A,\preccurlyeq> 是偏序集,BB 是 AA 的任意一个子集。
    1. 若存在 b∈Bb\in B,对任意 x∈Bx\in B,满足 x≼bx\preccurlyeq b,则称 bb 为 BB 的最大元。
    2. 若存在 b∈Bb\in B,对任意 x∈Bx\in B,都有 b≼xb\preccurlyeq x,则称 bb 为 BB 的最小元。
    • 例:A={2,3,6,12,24,36}A=\{2,3,6,12,24,36\} 的偏序集(整除关系)

      {6,12}\{6,12\} {2,3}\{2,3\} {24,36}\{24,36\} {2,3,6,12}\{2,3,6,12\}
      最大元 12 无 无 12
      最小元 6 无 无 无

极大元和极小元

  • 设 <A,≼><A,\preccurlyeq> 是偏序集,BB 是 AA 的任意一个子集。
    1. 若存在 b∈Bb\in B,对任意 x∈Bx\in B,满足 b≼x⇒x=bb\preccurlyeq x \Rightarrow x=b,则称 bb 为 BB 的极大元。
    2. 若存在 b∈Bb\in B,对任意 x∈Bx\in B,满足 x≼b⇒x=bx\preccurlyeq b \Rightarrow x=b,则称 bb 为 BB 的极小元。
    • 例:如上A={2,3,6,12,24,36}A=\{2,3,6,12,24,36\} 的偏序集中
      {6,12}\{6,12\} {2,3}\{2,3\} {24,36}\{24,36\} {2,3,6,12}\{2,3,6,12\}
      极大元 12 2,3 24,36 12
      极小元 6 2,3 24,36 2,3

上界和上确界

  • 设 <A,≼><A,\preccurlyeq> 是偏序集,BB 是 AA 的任意一个子集。
    1. 若存在 a∈Aa\in A,对任意 x∈Bx\in B,满足 x≼ax\preccurlyeq a,则称 aa 为 BB 的上界。
    2. 若 a′∈Aa'\in A 是 BB 的上界,且对 BB 的任意上界 aa,都有 a′≼aa'\preccurlyeq a,则称 a′a' 为 BB 的上确界(最小上界)。
    • 例:如上A={2,3,6,12,24,36}A=\{2,3,6,12,24,36\} 的偏序集中
      {6,12}\{6,12\} {2,3}\{2,3\} {24,36}\{24,36\} {2,3,6,12}\{2,3,6,12\}
      上界 12,24,36 6,12,24,36 无 12,24,36
      上确界 12 6 无 12

下界和下确界

  • 设 <A,≼><A,\preccurlyeq> 是偏序集,BB 是 AA 的任意一个子集。
    1. 若存在 a∈Aa\in A,对任意 x∈Bx\in B,满足 a≼xa\preccurlyeq x,则称 aa 为 BB 的下界。
    2. 若 a′∈Aa'\in A 是 BB 的下界,且对 BB 的任意下界 aa,都有 a≼a′a\preccurlyeq a',则称 a′a' 为 BB 的下确界(最大下界)。
    • 例:如上A={2,3,6,12,24,36}A=\{2,3,6,12,24,36\} 的偏序集中
      {6,12}\{6,12\} {2,3}\{2,3\} {24,36}\{24,36\} {2,3,6,12}\{2,3,6,12\}
      下界 2,3,6 无 2,3,6,12 无
      下确界 6 无 12 无

拟序关系

  • 设 RR 为非空集合 AA 上的关系,如果 RR 是反自反的、反对称的、传递的,则称 RR 为 AA 上的拟序关系。

    注:反自反+传递可以隐含反对称。

全序关系

  • 拟序关系 + 集合中任意两个元素都可以比较大小。

良序关系

  • 全序关系 + 集合的任意非空子集都存在最小元。
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