В математике мультимножество (или мешок , или mset ) — это модификация концепции множества , которая, в отличие от множества, [1] допускает множественные экземпляры для каждого из своих элементов . Количество экземпляров, заданных для каждого элемента, называется кратностью этого элемента в мультимножестве. Как следствие, существует бесконечное число мультимножеств, которые содержат только элементы a и b , но различаются по кратностям своих элементов:
Все эти объекты различны, если рассматривать их как мультимножества, хотя они являются одним и тем же множеством, поскольку все они состоят из одних и тех же элементов. Как и в случае с множествами, и в отличие от кортежей , порядок, в котором перечислены элементы, не имеет значения при различении мультимножеств, поэтому { a , a , b } и { a , b , a } обозначают одно и то же мультимножество. Чтобы различать множества и мультимножества, иногда используется нотация, включающая квадратные скобки: мультимножество { a , a , b } можно обозначить как [ a , a , b ] . [2]
Мощность или «размер» мультимножества — это сумма кратностей всех его элементов. Например, в мультимножестве { a , a , b , b , b , c } кратности элементов a , b и c равны соответственно 2, 3 и 1, и, следовательно , мощность этого мультимножества равна 6.
Николас Говерт де Брейн ввел слово «мультимножество» в 1970-х годах, согласно Дональду Кнуту . [3] : 694 Однако концепция мультимножеств появилась на много столетий раньше, чем само слово «мультимножество» . Сам Кнут приписывает первое исследование мультимножеств индийскому математику Бхаскарачарье , который описал перестановки мультимножеств около 1150 года. Для этой концепции были предложены или использованы другие названия, включая список , связка , мешок , куча , выборка , взвешенный набор , коллекция и набор . [3] : 694
Уэйн Близард проследил мультимножества до самого происхождения чисел, утверждая, что «в древние времена число n часто представлялось набором из n штрихов, меток или единиц». [4] Эти и подобные наборы объектов можно рассматривать как мультимножества, поскольку штрихи, метки или единицы считаются неразличимыми. Это показывает, что люди неявно использовали мультимножества еще до появления математики.
Практические потребности в этой структуре привели к тому, что мультимножества были открыты несколько раз заново, появляясь в литературе под разными названиями. [5] : 323 Например, они были важны в ранних языках ИИ , таких как QA4, где их называли мешками, термин, приписываемый Питеру Дойчу . [6] Мультимножество также называли агрегатом, кучей, пучком, образцом, взвешенным набором, набором вхождений и набором конечно повторяющихся элементов. [5] : 320 [7]
Хотя мультимножества использовались неявно с древних времен, их явное исследование произошло гораздо позже. Первое известное исследование мультимножеств приписывается индийскому математику Бхаскарачарье около 1150 года, который описал перестановки мультимножеств. [3] : 694 Работа Мариуса Низолиуса (1498–1576) содержит еще одну раннюю ссылку на концепцию мультимножеств. [8] Афанасиус Кирхер нашел количество перестановок мультимножеств, когда один элемент может повторяться. [9] Жан Престе опубликовал общее правило для перестановок мультимножеств в 1675 году. [10] Джон Уоллис объяснил это правило более подробно в 1685 году. [11]
Мультимножества явно появились в работе Ричарда Дедекинда . [12] [13]
Другие математики формализовали мультимножества и начали изучать их как точные математические структуры в 20 веке. Например, Хасслер Уитни (1933) описал обобщенные множества («множества», чьи характеристические функции могут принимать любое целочисленное значение: положительное, отрицательное или ноль). [5] : 326 [14] : 405 Монро (1987) исследовал категорию Mul мультимножеств и их морфизмы , определив мультимножество как множество с отношением эквивалентности между элементами «одного и того же сорта », и морфизм между мультимножествами как функцию , которая уважает сорта . Он также ввел мультичисло : функцию f ( x ) от мультимножества к натуральным числам , дающую кратность элемента x в мультимножестве. Монро утверждал, что концепции мультимножества и мультичисла часто смешиваются без разбора, хотя оба полезны. [5] : 327–328 [15]
Одним из самых простых и естественных примеров является мультимножество простых множителей натурального числа n . Здесь базовым набором элементов является множество простых множителей n . Например, число 120 имеет разложение на простые множители , которое дает мультимножество {2, 2, 2, 3, 5} .
Связанным примером является мультимножество решений алгебраического уравнения . Квадратное уравнение , например, имеет два решения. Однако в некоторых случаях они оба являются одним и тем же числом. Таким образом, мультимножество решений уравнения может быть {3, 5} или оно может быть {4, 4} . В последнем случае оно имеет решение кратности 2. В более общем смысле, основная теорема алгебры утверждает, что комплексные решения полиномиального уравнения степени d всегда образуют мультимножество мощности d .
Частным случаем вышеизложенного являются собственные значения матрицы , кратность которых обычно определяется как их кратность как корней характеристического многочлена . Однако для собственных значений естественным образом определяются две другие кратности, их кратности как корней минимального многочлена , и геометрическая кратность , которая определяется как размерность ядра A − λI (где λ — собственное значение матрицы A ). Эти три кратности определяют три мультимножества собственных значений, которые могут быть разными: Пусть A — матрица n × n в жордановой нормальной форме, имеющая единственное собственное значение. Ее кратность равна n , ее кратность как корня минимального многочлена — размер наибольшего жорданова блока, а ее геометрическая кратность — количество жордановых блоков.
Мультимножество можно формально определить как упорядоченную пару ( A , m ) , где A — базовый набор мультимножества, образованный из его отдельных элементов, и является функцией от A до набора положительных целых чисел, определяя кратность (то есть количество появлений) элемента a в мультимножестве как число m ( a ) .
(Также можно допустить кратность 0 или , особенно при рассмотрении подмультимножеств. [16] Эта статья ограничена конечными положительными кратностями.)
Представление функции m ее графиком (множеством упорядоченных пар ) позволяет записать мультимножество { a , a , b } как {( a , 2), ( b , 1) }, а мультимножество { a , b } как {( a , 1), ( b , 1) }. Однако эта нотация обычно не используется; применяются более компактные нотации.
Если — конечное множество , то мультимножество ( A , m ) часто представляется как
где верхние индексы, равные 1, опускаются. Например, мультимножество { a , a , b } может быть записано или Если элементы мультимножества являются числами, возможна путаница с обычными арифметическими операциями ; их обычно можно исключить из контекста. С другой стороны, последняя запись согласуется с тем фактом, что разложение на простые множители положительного целого числа является однозначно определенным мультимножеством, как утверждает основная теорема арифметики . Кроме того, моном является мультимножеством неопределенных ; например, моном x3y2 соответствует мультимножеству { x , x , x , y , y }.
Мультимножество соответствует обычному множеству, если кратность каждого элемента равна 1. Индексированное семейство ( a i ) i ∈ I , где i изменяется по некоторому набору индексов I , может определять мультимножество, иногда записываемое как { a i } . В этом представлении базовый набор мультимножества задается образом семейства , а кратность любого элемента x — это число значений индекса i таких, что . В этой статье кратности считаются конечными, так что ни один элемент не встречается в семействе бесконечно много раз; даже в бесконечном мультимножестве кратности являются конечными числами.
Можно расширить определение мультимножества, разрешив кратностям отдельных элементов быть бесконечными кардиналами вместо положительных целых чисел, но не все свойства переносятся на это обобщение.
Элементы мультимножества обычно берутся из фиксированного множества U , иногда называемого универсумом , который часто является множеством натуральных чисел . Говорят, что элемент U , который не принадлежит данному мультимножеству , имеет кратность 0 в этом мультимножестве. Это расширяет функцию кратности мультимножества до функции из U в множество неотрицательных целых чисел. Это определяет взаимно-однозначное соответствие между этими функциями и мультимножествами, элементы которых находятся в U .
Эта расширенная функция кратности обычно называется просто функцией кратности и достаточна для определения мультимножеств, когда вселенная, содержащая элементы , зафиксирована. Эта функция кратности является обобщением индикаторной функции подмножества и разделяет с ней некоторые свойства.
Поддержка мультимножества в универсуме U — это базовый набор мультимножества. Используя функцию кратности , он характеризуется как
Мультимножество конечно, если его поддержка конечна, или, что эквивалентно, если его мощность конечна. Пустой мультимножество — это уникальное мультимножество с пустой поддержкой (базовым множеством) и, таким образом, мощностью 0.
Обычные операции множеств могут быть расширены до мультимножеств с помощью функции кратности, аналогично использованию индикаторной функции для подмножеств. В дальнейшем A и B являются мультимножествами в заданной вселенной U с функциями кратности и
Два мультимножества не пересекаются , если их носители являются непересекающимися множествами . Это эквивалентно утверждению, что их пересечение является пустым мультимножеством или что их сумма равна их объединению.
Для конечных мультимножеств существует принцип включения-исключения (аналогичный принципу для множеств ), утверждающий, что конечное объединение конечных мультимножеств является разностью двух сумм мультимножеств: в первой сумме мы рассматриваем все возможные пересечения нечетного числа данных мультимножеств, а во второй сумме мы рассматриваем все возможные пересечения четного числа данных мультимножеств. [ необходима цитата ]
Число мультимножеств мощности k , с элементами, взятыми из конечного множества мощности n , иногда называют коэффициентом мультимножества или числом мультимножества . Это число некоторые авторы записывают как , обозначение, которое должно напоминать обозначение биномиальных коэффициентов ; оно используется, например, в (Stanley, 1997), и может произноситься как " n multichoose k ", чтобы напоминать " n choose k " для Подобно биномиальному распределению , которое включает биномиальные коэффициенты, существует отрицательное биномиальное распределение , в котором встречаются коэффициенты мультимножества. Коэффициенты мультимножества не следует путать с не связанными с ними мультиномиальными коэффициентами , которые встречаются в теореме о полиномах .
Значение коэффициентов мультимножества может быть задано явно как где второе выражение является биномиальным коэффициентом; [a] многие авторы на самом деле избегают отдельной записи и просто пишут биномиальные коэффициенты. Таким образом, число таких мультимножеств равно числу подмножеств мощности k множества мощности n + k − 1. Аналогию с биномиальными коэффициентами можно подчеркнуть, записав числитель в приведенном выше выражении как возрастающую факторную степень, чтобы соответствовать выражению биномиальных коэффициентов, использующему убывающую факторную степень:
Например, существует 4 мультимножества мощности 3 с элементами, взятыми из множества {1, 2} мощности 2 ( n = 2 , k = 3 ), а именно {1, 1, 1} , {1, 1, 2} , {1, 2, 2} , {2, 2, 2} . Существует также 4 подмножества мощности 3 в множестве {1, 2, 3, 4} мощности 4 ( n + k − 1 ), а именно {1, 2, 3} , {1, 2, 4} , {1, 3, 4} , {2, 3, 4} .
Один из простых способов доказать равенство коэффициентов мультимножества и биномиальных коэффициентов, приведенных выше, включает представление мультимножеств следующим образом. Во-первых, рассмотрим обозначение для мультимножеств, которое будет представлять { a , a , a , a , a , a , b , b , c , c , c , d , d , d , d , d , d } (6 a s, 2 b s , 3 c s, 7 d s) в этой форме:
Это мультимножество мощности k = 18, состоящее из элементов множества мощности n = 4. Количество символов, включая как точки, так и вертикальные линии, используемых в этой нотации, равно 18 + 4 − 1. Количество вертикальных линий равно 4 − 1. Количество мультимножеств мощности 18 равно количеству способов расположить 4 − 1 вертикальных линий среди 18 + 4 − 1 символов, и, таким образом, является количеством подмножеств мощности 4 − 1 множества мощности 18 + 4 − 1. Эквивалентно, это количество способов расположить 18 точек среди 18 + 4 − 1 символов, что равно количеству подмножеств мощности 18 множества мощности 18 + 4 − 1 . Таким образом, это значение коэффициента мультимножества и его эквивалентов:
Из соотношения между биномиальными коэффициентами и коэффициентами мультимножеств следует, что число мультимножеств мощности k в множестве мощности n можно записать дополнительно,
Рекуррентное соотношение для коэффициентов мультимножества может быть задано как
Вышеуказанную рекуррентность можно интерпретировать следующим образом. Пусть будет исходным множеством. Всегда существует ровно один (пустой) мультимножество размера 0, и если n = 0, то нет больших мультимножеств, что дает начальные условия.
Теперь рассмотрим случай, когда n , k > 0 . Мультимножество мощности k с элементами из [ n ] может содержать или не содержать ни одного экземпляра конечного элемента n . Если он появляется, то, удалив n один раз, мы останемся с мультимножеством мощности k − 1 элементов из [ n ] , и каждое такое мультимножество может возникнуть, что дает общее число возможностей.
Если n не появляется, то наш исходный мультимножество равно мультимножеству мощности k с элементами из [ n − 1] , из которых имеется
Таким образом,
Производящая функция коэффициентов мультимножества очень проста, поскольку Поскольку мультимножества находятся во взаимно однозначном соответствии с мономами , также является числом мономов степени d в n неопределенностях. Таким образом, указанный выше ряд также является рядом Гильберта кольца многочленов
Так как является многочленом от n , он и производящая функция хорошо определены для любого комплексного значения n .
Мультипликативная формула позволяет расширить определение коэффициентов мультимножества, заменив n произвольным числом α (отрицательным, действительным или комплексным):
При таком определении получается обобщение отрицательной биномиальной формулы (одна из переменных приравнивается к 1), что оправдывает использование отрицательных биномиальных коэффициентов:
Эта формула ряда Тейлора верна для всех комплексных чисел α и X с | X | < 1. Ее также можно интерпретировать как тождество формального степенного ряда по X , где она фактически может служить определением произвольных степеней ряда с постоянным коэффициентом, равным 1; дело в том, что при этом определении выполняются все тождества, которые можно ожидать для возведения в степень , в частности
и такие формулы можно использовать для доказательства тождественности коэффициентов мультимножества.
Если α — неположительное целое число n , то все члены с k > − n равны нулю, и бесконечный ряд становится конечной суммой. Однако для других значений α , включая положительные целые числа и рациональные числа , ряд бесконечен.
Мультимножества имеют различные применения. [7] Они становятся фундаментальными в комбинаторике . [17] [18] [19] [20] Мультимножества стали важным инструментом в теории реляционных баз данных , которая часто использует синоним bag . [21] [22] [23] Например, мультимножества часто используются для реализации отношений в системах баз данных. В частности, таблица (без первичного ключа) работает как мультимножество, поскольку она может иметь несколько идентичных записей. Аналогично SQL работает с мультимножествами и возвращает идентичные записи. Например, рассмотрим «SELECT name from Student». В случае, если в таблице student есть несколько записей с именем «Sara», все они отображаются. Это означает, что результатом запроса SQL является мультимножество; если бы вместо этого результатом был набор, повторяющиеся записи в результирующем наборе были бы устранены. Другое применение мультимножеств — моделирование мультиграфов . В мультиграфах может быть несколько ребер между любыми двумя заданными вершинами . Таким образом, сущность, определяющая ребра, является мультимножеством, а не множеством.
Есть и другие приложения. Например, Ричард Радо использовал мультимножества как устройство для исследования свойств семейств множеств. Он писал: «Понятие множества не учитывает многократное появление любого из его членов, и все же именно этот вид информации часто имеет значение. Нам нужно только подумать о множестве корней многочлена f ( x ) или спектре линейного оператора ». [5] : 328–329
Были введены, изучены и применены для решения задач различные обобщения мультимножеств.
Под множеством (Menge) следует понимать всякую совокупность в целое (Zusammenfassung zu einem Gansen) M определенных и отдельных предметов m (с.85)
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)