stringtranslate.com

Мультисет

В математике мультимножество (или мешок , или mset ) — это модификация концепции множества , которая, в отличие от множества, [1] допускает множественные экземпляры для каждого из его элементов . Количество экземпляров, заданных для каждого элемента, называется кратностью этого элемента в мультимножестве. Как следствие, существует бесконечное количество мультимножеств, которые содержат только элементы a и b , но различаются по кратности своих элементов:

Все эти объекты различны, если рассматривать их как мультимножества, хотя они представляют собой один и тот же набор, поскольку все они состоят из одних и тех же элементов. Как и в случае с множествами, в отличие от кортежей , порядок перечисления элементов не имеет значения при различении мультимножеств, поэтому { a , a , b } и { a , b , a } обозначают одно и то же мультимножество. Чтобы различать наборы и мультимножества, иногда используются обозначения, включающие квадратные скобки: мультимножество { a , a , b } может обозначаться [ a , a , b ] . [2]

Мощность мультимножества — это сумма кратностей всех его элементов. Например, в мультимножестве { a , a , b , b , b , c } кратности членов a , b и c соответственно равны 2, 3 и 1, и, следовательно, мощность этого мультимножества равна 6.

По словам Дональда Кнута , Николаас Говерт де Брейн придумал слово «мультмножество» в 1970-х годах . [3] : 694  Однако концепция мультимножеств на много столетий предшествует появлению слова «мультмножество» . Сам Кнут приписывает первое исследование мультимножеств индийскому математику Бхаскарачарье , который описал перестановки мультимножеств около 1150 года. Для этой концепции предлагались или использовались и другие названия, в том числе список , группа , мешок , куча , образец , взвешенный набор , коллекция и люкс . [3] : 694 

История

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 коллекции объектов можно рассматривать как мультимножества, поскольку штрихи, метки или единицы измерения считаются неразличимыми. Это показывает, что люди неявно использовали мультимножества еще до появления математики.

Практическая потребность в этой структуре привела к тому, что мультимножества несколько раз открывались заново, появляясь в литературе под разными названиями. [5] : 323  Например, они были важны в ранних языках искусственного интеллекта , таких как QA4, где их называли «мешками» — термином, приписываемым Питеру Дойчу . [6] Мультинабор также называют агрегатом, кучей, группой, выборкой, взвешенным набором, набором вхождений и набором элементов (конечно повторяющимся набором элементов). [5] : 320  [7]

Хотя мультимножества неявно использовались 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 одно раннее упоминание концепции мультимножеств. [8] Афанасий Кирхер нашел количество мультимножествовых перестановок, когда один элемент может повторяться. [9] Жан Престе опубликовал общее правило для мультимножественных перестановок в 1675 году. [10] Джон Уоллис объяснил это правило более подробно в 1685 году. [11]

Мультимножества явно появились в работах Ричарда Дедекинда . [12] [13]

Другие математики формализовали мультимножества и начали изучать их как точные математические структуры в 20 веке. Например, Уитни (1933) описал обобщенные множества («множества», характеристические функции которых могут принимать любое целое значение — положительное, отрицательное или нулевое). [5] : 326  [14] : 405  Монро (1987) исследовал категорию Mul мультимножеств и их морфизмы , определяя мультимножество как множество с отношением эквивалентности между элементами «одного и того же вида » и морфизмом между мультимножествами как функция , которая учитывает сортировку . Он также ввел мультичисло  : функцию f  ( x ) от мультимножества до натуральных чисел , задающую кратность элемента x в мультимножестве. Монро утверждал, что понятия мультимножества и мультичисла часто смешивают без разбора, хотя оба они полезны. [5] : 327–328  [15]

Примеры

Одним из самых простых и естественных примеров является мультимножество простых делителей натурального числа n . Здесь базовым набором элементов является набор простых множителей числа n . Например, число 120 имеет простую факторизацию.

{2, 2, 2, 3, 5}

Похожий пример — мультимножество решений алгебраического уравнения . Например, квадратное уравнение имеет два решения . Однако в некоторых случаях их число одинаково. Таким образом, мультимножеством решений уравнения может быть {3, 5} или {4, 4} . В последнем случае оно имеет решение кратности 2. В более общем смысле фундаментальная теорема алгебры утверждает, что комплексные решения полиномиального уравнения степени d всегда образуют мультимножество мощности d .

Частным случаем вышесказанного являются собственные значения матрицы , кратность которых обычно определяется как их кратность как корней характеристического многочлена . Однако две другие кратности естественным образом определяются для собственных значений: их кратность как корни минимального многочлена и геометрическая кратность , которая определяется как размерность ядра матрицы A λI (где λ — собственное значение матрицы A ). Эти три кратности определяют три мультимножества собственных значений, которые могут быть разными: пусть A — матрица размера n  ×  n в жордановой нормальной форме , имеющая одно собственное значение. Его кратность равна n , его кратность как корня минимального многочлена — это размер наибольшего жорданового блока, а его геометрическая кратность — это количество жордановых блоков.

Определение

Мультимножество может быть формально определено как упорядоченная пара ( A , m ) , где Aбазовый набор мультимножества, сформированный из его отдельных элементов, и функция от A до набора положительных целых чисел, дающая кратность — то есть , количество вхождений – элемента a в мультимножестве как число m ( a ) .

(Также возможно разрешить кратность 0 или , особенно при рассмотрении подмультимножеств. [16] Эта статья ограничена конечными положительными кратностями.)

Представление функции m ее графиком (набором упорядоченных пар ) позволяет записать мультимножество { a , a , b } как ({ a , b }, {( a , 2), ( b , 1)}) и мультимножество { a , b } как ({ a , b }, {( a , 1), ( b , 1)}) . Однако это обозначение обычно не используется; используются более компактные обозначения.

Если — конечное множество , мультимножество ( A , m ) часто представляется как

иногда упрощается до

где верхние индексы, равные 1, опущены. Например, мультимножество { a , a , b } может быть записано или Если элементами мультимножества являются числа, возможна путаница с обычными арифметическими операциями , которые обычно можно исключить из контекста. С другой стороны, последнее обозначение согласуется с тем фактом, что простая факторизация положительного целого числа представляет собой однозначно определенное мультимножество, как утверждается фундаментальной теоремой арифметики . Кроме того, моном — это мультимножество неопределенных ; например, моном x 3 y 2 соответствует мультимножеству { x , x , x , y , y }.

Мультимножество соответствует обычному набору, если кратность каждого элемента равна 1. Индексированное семейство ( a i ) iI , где i меняется в пределах некоторого набора индексов I , может определять мультимножество, иногда обозначаемое { a i } . С этой точки зрения основной набор мультимножества задается образом семейства , а кратность любого элемента x — это количество значений индекса i таких, что . В этой статье кратности считаются конечными, так что ни один элемент не встречается в семействе бесконечное количество 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 в это обобщение.

Основные свойства и операции

Элементы мультимножества обычно помещаются в фиксированный набор U , иногда называемый вселенной , который часто представляет собой набор натуральных чисел . Говорят, что элемент U , не принадлежащий данному мультимножеству, имеет кратность 0 в этом мультимножестве. Это расширяет функцию кратности мультимножества до функции от U до набора неотрицательных целых чисел. Это определяет взаимно однозначное соответствие между этими функциями и мультимножествами, элементы которых находятся в U .

Эту расширенную функцию множественности обычно называют просто функцией множественности , и ее достаточно для определения мультимножеств, когда вселенная, содержащая элементы, фиксирована. Эта функция множественности является обобщением индикаторной функции подмножества и имеет с ней некоторые общие свойства.

Поддержка мультимножества в юниверсе U является базовым набором мультимножества. Используя функцию кратности , она характеризуется как

Мультимножество конечно , если его носитель конечен или, что то же самое, если его мощность

мультимножествопустой

Обычные операции с множествами можно распространить на мультимножества с помощью функции кратности аналогично использованию индикаторной функции для подмножеств. Далее A и B являются мультимножествами в данной 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 есть разность двух сумм мультимножеств: в первой сумме мы рассматриваем все возможные пересечения нечетного числа заданные мультимножества, а во второй сумме рассматриваются все возможные пересечения четного числа данных мультимножеств. [ нужна цитата ]

Подсчет мультимножеств

Биекция между 3-подмножествами 7-множества (слева)
и 3-мультимножествами с элементами из 5-множества (справа).
Это иллюстрирует, что

Число мультимножеств мощности k с элементами, взятыми из конечного множества мощности n , иногда называют коэффициентом мультимножества или числом мультимножества . Это число записывается некоторыми авторами как обозначение, которое должно напоминать обозначение биномиальных коэффициентов ; оно используется, например, в (Stanley, 1997) и может произноситься как « n multichoose k », чтобы напоминать « n select k » для Подобно биномиальному распределению , включающему биномиальные коэффициенты, существует отрицательное биномиальное распределение , в котором встречаются коэффициенты мультимножества. . Коэффициенты мультимножества не следует путать с несвязанными полиномиальными коэффициентами , которые встречаются в полиномиальной теореме .

Значение коэффициентов мультимножества можно указать явно как

[а]kn + k − 1возрастающую факториальную 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} . В множестве {1, 2, 3, 4} мощности 4 ( n + k − 1 ) также есть 4 подмножества мощности 3 , а именно {1, 2, 3} , {1, 2, 4} , {1 , 3, 4} , {2, 3, 4} .

Один простой способ доказать равенство коэффициентов мультимножества и биномиальных коэффициентов, приведенных выше, включает представление мультимножеств следующим образом. Во-первых, рассмотрим обозначения для мультимножеств, которые будут представлять { a , a , a , a , a , a , b , b , c , c , c , d , d , d , d , d , d , d } (6 a с, 2 б с, 3 в с, 7 д с) в таком виде:

 • • • • • • | • • | • • • | • • • • • • •

Это мультимножество мощности k = 18 , составленное из элементов множества мощности n = 4 . Количество символов, включая точки и вертикальные линии, используемые в этом обозначении, составляет 18 + 4 − 1 . Количество вертикальных линий равно 4–1. Тогда количество мультимножеств мощности 18 представляет собой количество способов расположить 4–1 вертикальные линии среди 18 + 4–1 символов и, таким образом, является количеством подмножеств мощности 4. − 1 из множества мощности 18 + 4 − 1 . Эквивалентно, это количество способов расположить 18 точек среди 18 + 4 - 1 символов, что представляет собой количество подмножеств мощности 18 набора мощности 18 + 4 - 1 . Это

Из связи между биномиальными коэффициентами и коэффициентами мультимножества следует, что количество мультимножеств мощности k в множестве мощности n можно записать

Рекуррентное отношение

Рекуррентное соотношение для коэффициентов мультимножества может быть задано как

Вышеупомянутое повторение можно интерпретировать следующим образом. Пусть это исходный набор. Всегда существует ровно один (пустой) мультимножество размера 0, и если n = 0 , мультимножеств большего размера нет, что дает начальные условия.

Теперь рассмотрим случай, когда n , k > 0 . Мультимножество мощности k с элементами из [ n ] может содержать или не содержать экземпляр последнего элемента n . Если он появляется, то, удалив n один раз, останется мультимножество мощности k − 1 элементов из [ n ] , и любое такое мультимножество может возникнуть, что дает в общей сложности

Если n не появляется, то наше исходное мультимножество равно мультимножеству мощности k с элементами из [ n − 1] , из которых есть

Таким образом,

Создание серии

Производящая функция коэффициентов мультимножества очень проста:

мономамистепени dnрядом Гильберта кольца

Поскольку это полином от n , он и производящая функция четко определены для любого комплексного значения n .

Обобщение и подключение к отрицательному биномиальному ряду

Мультипликативная формула позволяет расширить определение коэффициентов мультимножества, заменив n произвольным числом α (отрицательным, действительным или комплексным):

Благодаря этому определению получается обобщение формулы отрицательного бинома (с одной из переменных, установленной в 1), что оправдывает использование отрицательных биномиальных коэффициентов:

Эта формула ряда Тейлора действительна для всех комплексных чисел α и X с | Х | < 1 . Его также можно интерпретировать как тождество формального степенного ряда в X , где на самом деле оно может служить определением произвольных степеней ряда с постоянным коэффициентом, равным 1; Дело в том, что с этим определением сохраняются все тождества, которые можно ожидать от возведения в степень , в частности

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 целые положительные и рациональные числа , ряд бесконечен.

Приложения

Мультисеты имеют различные применения. [7] Они становятся фундаментальными в комбинаторике . [17] [18] [19] [20] Мультимножества стали важным инструментом в теории реляционных баз данных , в которой часто используется синоним « мешок» . [21] [22] [23] Например, мультимножества часто используются для реализации отношений в системах баз данных. В частности, таблица (без первичного ключа) работает как мультимножество, поскольку в ней может быть несколько одинаковых записей. Аналогично, SQL работает с мультимножествами и возвращает идентичные записи. Например, рассмотрим «ВЫБРАТЬ имя из ученика». Если в таблице учащихся имеется несколько записей с именем «Сара», отображаются все они. Это означает, что результатом запроса SQL является мультимножество; если бы результатом был набор, повторяющиеся записи в наборе результатов были бы исключены. Другое применение мультимножеств — моделирование мультиграфов . В мультиграфах между любыми двумя заданными вершинами может быть несколько ребер . Таким образом, объект, отображающий ребра, является мультимножеством, а не набором.

Есть и другие приложения. Например, Рихард Радо использовал мультимножества как инструмент для исследования свойств семейств множеств. Он писал: «Понятие множества не принимает во внимание многократное появление любого из его членов, и тем не менее именно такого рода информация часто имеет важное значение. Нам нужно только подумать о множестве корней многочлена f .  ( x ) или спектр линейного оператора ». [5] : 328–329. 

Обобщения

Различные обобщения мультимножеств были введены, изучены и применены для решения задач.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Формула () не работает для n = 0 (где обязательно также k = 0 ), если рассматривать его как обычный биномиальный коэффициент, поскольку его значение равно () , однако формула n ( n +1)( n +2)...( n + k  −1)/ k ! в этом случае работает, потому что числитель представляет собой пустое произведение , дающее 1/0! = 1 . Однако () имеет смысл при n = k = 0 , если интерпретировать его как обобщенный биномиальный коэффициент ; действительно () , рассматриваемый как обобщенный биномиальный коэффициент, равен крайней правой части приведенного выше уравнения.

Рекомендации

  1. ^ Кантор, Георг; Журден, Филип Э.Б. (переводчик) (1895). «beiträge zur begründung der transfiniten Mengenlehre» [вклад в создание теории трансфинитных чисел]. Mathematische Annalen (на немецком языке). New York Dover Publications (английский перевод, 1954 г.). XLVI, XLIX: 481–512, 207–246. Архивировано из оригинала 10 июня 2011 г. Под множеством (Menge) следует понимать всякую совокупность в целое (Zusammenfassung zu einem Gansen) M определенных и отдельных предметов m (с.85)
  2. ^ Хейн, Джеймс Л. (2003). Дискретная математика . Издательство Джонс и Бартлетт. стр. 29–30. ISBN 0-7637-2210-3.
  3. ^ abc Кнут, Дональд Э. (1998). Получисловые алгоритмы . Искусство компьютерного программирования . Том. 2 (3-е изд.). Эддисон Уэсли . ISBN 0-201-89684-2.
  4. ^ Blizard, Уэйн Д. (1989). «Теория многомножества». Журнал формальной логики Нотр-Дама . 30 (1): 36–66. дои : 10.1305/ndjfl/1093634995 .
  5. ^ abcde Blizard, Уэйн Д. (1991). «Развитие теории мультимножеств». Современная логика . 1 (4): 319–352.
  6. ^ Рулифсон, Дж. Ф.; Дерксон, Дж. А.; Уолдингер, Р.Дж. (ноябрь 1972 г.). QA4: Процедурное исчисление для интуитивного рассуждения (технический отчет). НИИ Интернешнл. 73.
  7. ^ Аб Сингх, Д.; Ибрагим, AM; Йоханна, Т.; Сингх, Дж. Н. (2007). «Обзор применения мультимножеств». Новисадский математический журнал . 37 (2): 73–92.
  8. ^ Анджелелли, И. (1965). «Неправильное понимание Лейбницем понятия Низолиуса о «множественности».". Журнал формальной логики Нотр-Дама (6): 319–322.
  9. ^ Кирхер, Афанасий (1650). Мусургия Универсалис. Рим: Корбеллетти.
  10. ^ Престе, Жан (1675). Элементы математики . Париж: Андре Пралар.
  11. ^ Уоллис, Джон (1685). Трактат по алгебре . Лондон: Джон Плейфорд.
  12. ^ Дедекинд, Ричард (1888). Был ли Sind и Sollen die Zahlen? . Брауншвейг: Просмотрег. п. 114.
  13. ^ аб Сиропулос, Апостолос (2000). «Математика мультимножеств». В Калуде, Кристиан; Паун, Георге; Розенберг, Гжегож; Саломаа, Арто (ред.). Точки зрения мультимножественной обработки, математики, информатики и молекулярных вычислений [Семинар по мультимножественной обработке, WMP 2000, Куртя-де-Арджеш, Румыния, 21–25 августа 2000 г.] . Конспекты лекций по информатике. Том. 2235. Спрингер. стр. 347–358. дои : 10.1007/3-540-45523-X_17.
  14. ^ Уитни, Х. (1933). «Характеристические функции и алгебра логики». Анналы математики . 34 (3): 405–414. дои : 10.2307/1968168. JSTOR  1968168.
  15. ^ Монро, терапевт (1987). «Понятие мультимножества». Zeitschrift für Mathematische Logik und Grundlagen der Mathematik . 33 (2): 171–178. дои : 10.1002/malq.19870330212.
  16. ^ См., например, Ричард Бруальди, Введение в комбинаторику , Пирсон.
  17. ^ Айгнер, М. (1979). Комбинаторная теория . Нью-Йорк/Берлин: Springer Verlag.
  18. ^ Андерсон, И. (1987). Комбинаторика конечных множеств . Оксфорд: Кларендон Пресс. ISBN 978-0-19-853367-2.
  19. ^ Стэнли, Ричард П. (1997). Перечислительная комбинаторика. Том. 1. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-55309-1.
  20. ^ Стэнли, Ричард П. (1999). Перечислительная комбинаторика . Том. 2. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-56069-1.
  21. ^ Грумбах, С.; Майло, Т. (1996). «К послушным алгебрам для сумок». Журнал компьютерных и системных наук . 52 (3): 570–588. дои : 10.1006/jcss.1996.0042 .
  22. ^ Либкин, Л.; Вонг, Л. (1994). «Некоторые свойства языков запросов для сумок». Материалы семинара по языкам программирования баз данных . Спрингер Верлаг. стр. 97–114.
  23. ^ Либкин, Л.; Вонг, Л. (1995). «О представлении и запросе неполной информации в базах данных о сумках». Письма об обработке информации . 56 (4): 209–214. дои : 10.1016/0020-0190(95)00154-5.
  24. ^ Blizard, Уэйн Д. (1989). «Вещественные мультимножества и нечеткие множества». Нечеткие множества и системы . 33 : 77–97. дои : 10.1016/0165-0114(89)90218-2.
  25. ^ Blizard, Уэйн Д. (1990). «Отрицательное членство». Журнал формальной логики Нотр-Дама . 31 (1): 346–368. дои : 10.1305/ndjfl/1093635499 . S2CID  42766971.
  26. ^ Ягер, Р.Р. (1986). «К теории мешков». Международный журнал общих систем . 13 : 23–37. дои : 10.1080/03081078608934952.
  27. ^ Гржимала-Буссе, Дж. (1987). «Обучение на примерах на основе грубых мультимножеств». Материалы 2-го Международного симпозиума по методологиям интеллектуальных систем . Шарлотта, Северная Каролина. стр. 325–332.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  28. ^ Леб, Д. (1992). «Множества с отрицательным числом элементов». Достижения в математике . 91 : 64–74. дои : 10.1016/0001-8708(92)90011-9 .
  29. ^ Миямото, С. (2001). «Нечеткие мультимножества и их обобщения». Мультимножественная обработка . Конспекты лекций по информатике. Том. 2235. стр. 225–235. дои : 10.1007/3-540-45523-X_11. ISBN 978-3-540-43063-6.
  30. ^ Альхазале, С.; Саллех, Арканзас; Хасан, Н. (2011). «Теория мягких мультимножеств». Прикладные математические науки . 5 (72): 3561–3573.
  31. ^ Альхазале, С.; Саллех, Арканзас (2012). «Нечеткая мягкая теория мультимножеств». Аннотация и прикладной анализ . 2012 : 1–20. дои : 10.1155/2012/350603 .
  32. ^ Бургин, Марк (1990). «Теория именованных множеств как фундаментальная основа математики». Структуры в математических теориях . Сан-Себастьян. стр. 417–420.
  33. ^ Бургин, Марк (1992). «О понятии мультимножества в кибернетике». Кибернетика и системный анализ . 3 : 165–167.
  34. ^ Бургин, Марк (2004). «Единые основы математики». arXiv : math/0403186 .
  35. ^ Бургин, Марк (2011). Теория именованных множеств . Развитие математических исследований. ISBN Nova Science Pub Inc. 978-1-61122-788-8.