Связь между двумя множествами, определяемая набором упорядоченных пар
В математике отношение обозначает некоторый вид отношения между двумя объектами в наборе , который может иметь место или не иметь его. [1] Например, « меньше чем » — это отношение на множестве натуральных чисел ; оно имеет место, например, между значениями 1 и 3 (обозначается как 1 < 3 ), а также между 3 и 4 (обозначается как 3 < 4 ), но не между значениями 3 и 1 или между 4 и 4 , то есть 3 < 1 и 4 < 4 оба оцениваются как ложные. Другой пример: « является сестрой » — это отношение на множестве всех людей, оно имеет место, например, между Марией Кюри и Брониславой Длуской , и наоборот. Члены множества могут не находиться в отношении «в определенной степени» — они либо находятся в отношении, либо нет.
Формально отношение R над множеством X можно рассматривать как множество упорядоченных пар ( x , y ) элементов X . [2]
Отношение R выполняется между x и y , если ( x , y ) является элементом R . Например, отношение « меньше чем » на натуральных числах — это бесконечное множество R меньше пар натуральных чисел, которое содержит как (1,3) , так и (3,4) , но ни (3,1) , ни (4,4) . Отношение « является нетривиальным делителем » на множестве однозначных натуральных чисел достаточно мало, чтобы его можно было показать здесь: R dv = { (2,4), (2,6), (2,8), (3,6), (3,9), (4,8) } ; например, 2 является нетривиальным делителем 8 , но не наоборот, следовательно, (2,8) ∈ R dv , но (8,2) ∉ R dv .
Если R — это отношение, которое выполняется для x и y, то часто пишут xRy . Для большинства общих отношений в математике вводятся специальные символы, такие как " < " для "меньше , чем" и " | " для "является нетривиальным делителем" и, наиболее популярный " = " для "равно" . Например, " 1 < 3 ", " 1 меньше, чем 3 " и " (1,3) ∈ R меньше " означают одно и то же; некоторые авторы также пишут " (1,3) ∈ (<) ".
Исследуются различные свойства отношений. Отношение R является рефлексивным, если xRx выполняется для всех x , и иррефлексивным, если xRx выполняется ни для одного x . Оно симметрично, если xRy всегда подразумевает yRx , и асимметрично, если xRy подразумевает, что yRx невозможно. Оно транзитивно, если xRy и yRz всегда подразумевают xRz . Например, « is less than » является иррефлексивным, асимметричным и транзитивным, но не рефлексивным и не симметричным. « is sister of » является транзитивным, но не рефлексивным (например, Пьер Кюри не является сестрой самого себя), не симметричным и не асимметричным; в то время как быть иррефлексивным или нет может быть вопросом определения (каждая женщина является сестрой самой себя?), « is dector of » является транзитивным, а « is parent of » — нет. Известны математические теоремы о комбинациях свойств отношений, таких как «транзитивное отношение является иррефлексивным тогда и только тогда, когда оно асимметрично».
Особое значение имеют отношения, которые удовлетворяют определенным комбинациям свойств. Частичный порядок — это отношение, которое является рефлексивным, антисимметричным и транзитивным, [3] отношение эквивалентности
— это отношение, которое является рефлексивным, симметричным и транзитивным, [4]
функция — это отношение , которое является право-уникальным и лево-тотальным (см. ниже). [5] [6]
Вышеуказанное понятие отношения [a] было обобщено для признания отношений между членами двух различных множеств ( гетерогенное отношение , например, « лежит на » между множеством всех точек и множеством всех прямых в геометрии), отношений между тремя или более множествами ( финитное отношение , например, «человек x живет в городе y в момент времени z » ) и отношений между классами [b] (например, « является элементом » в классе всех множеств, см. Бинарное отношение § Множества и классы ).
Определение
Для заданного множества X отношение R над X — это множество упорядоченных пар элементов из X , формально: R ⊆ { ( x , y ) | x , y ∈ X } . [2] [10]
Утверждение ( x , y ) ∈ R читается как « x является R -связанным с y » и записывается в инфиксной нотации как xRy . [7] [8] Порядок элементов важен; если x ≠ y , то yRx может быть истинным или ложным независимо от xRy . Например, 3 делит 9 , но 9 не делит 3 .
Представление отношений
Отношение R на конечном множестве X можно представить как:
Направленный граф : каждый элемент X соответствует вершине; направленное ребро из x в y существует тогда и только тогда, когда ( x , y ) ∈ R.
Булева матрица : элементы X расположены в некоторой фиксированной последовательности x 1 , ..., x n ; матрица имеет размеры n × n , причем элемент в строке i и столбце j равен, если ( x i , x j ) ∈ R , и, в противном случае.
Двумерный график : как обобщение булевой матрицы, отношение на бесконечном множестве R действительных чисел можно представить в виде двумерной геометрической фигуры: используя декартовы координаты , нарисуйте точку в точке ( x , y ) , когда ( x , y ) ∈ R.
Транзитивное [c] отношение R на конечном множестве X может быть также представлено как
Диаграмма Хассе : Каждый член X соответствует вершине; направленные ребра рисуются таким образом, что направленный путь из x в y существует тогда и только тогда, когда ( x , y ) ∈ R . По сравнению с представлением в виде направленного графа, диаграмма Хассе требует меньше ребер, что приводит к менее запутанному изображению. Поскольку отношение « существует направленный путь из x в y » является транзитивным, в диаграммах Хассе могут быть представлены только транзитивные отношения. Обычно диаграмма размечается таким образом, что все ребра указывают в направлении вверх, а стрелки опускаются.
Например, на множестве всех делителей числа 12 определим отношение R div следующим образом:
x R div y, если x является делителем y и x ≠ y .
Формально, X = { 1, 2, 3, 4, 6, 12 } и R div = { (1,2), (1,3), (1,4), (1,6), (1,12), (2,4), (2,6), (2,12), (3,6), (3,12), (4,12), (6,12) } . Представление R div в виде булевой матрицы показано в средней таблице; представление в виде диаграммы Хассе и в виде ориентированного графа показано на левом рисунке.
Следующие значения эквивалентны:
x R div y верно.
( x , y ) ∈ R div .
Путь от x к y существует на диаграмме Хассе, представляющей R div .
Ребро от x до y существует в ориентированном графе, представляющем R div .
В булевой матрице, представляющей R div , элемент в строке x , столбце y равен "".
В качестве другого примера определим отношение R el к R следующим образом:
x R e l y, если x 2 + xy + y 2 = 1 .
Представление R el в виде 2D-графика дает эллипс, см. правую картинку. Поскольку R не является конечным, ни ориентированный граф, ни конечная булева матрица, ни диаграмма Хассе не могут быть использованы для изображения R el .
Свойства отношений
Некоторые важные свойства, которыми может обладать отношение R над множеством X :
для всех x ∈ X , а не xRx . Например, > является иррефлексивным отношением, а ≥ — нет.
Предыдущие 2 альтернативы не являются исчерпывающими; например, красное отношение y = x 2 , приведенное на диаграмме ниже, не является ни иррефлексивным, ни рефлексивным, поскольку оно содержит пару (0,0) , но не (2,2) соответственно.
для всех x , y ∈ X , если xRy , то yRx . Например, «является кровным родственником» является симметричным отношением, поскольку x является кровным родственником y тогда и только тогда, когда y является кровным родственником x .
для всех x , y ∈ X , если xRy и yRx , то x = y . Например, ≥ является антисимметричным отношением; так же как и > , но бессодержательно (условие в определении всегда ложно). [11]
для всех x , y ∈ X , если xRy , то не yRx . Отношение асимметрично тогда и только тогда, когда оно одновременно антисимметрично и иррефлексивно. [12] Например, > является асимметричным отношением, но ≥ — нет.
Опять же, предыдущие 3 альтернативы далеки от исчерпывающего рассмотрения; в качестве примера для натуральных чисел можно привести отношение xRy , определяемое соотношением x > 2, которое не является ни симметричным (например, 5 R 1 , но не 1 R 5 ), ни антисимметричным (например, 6 R 4 , но также и 4 R 6 ), не говоря уже о том, что оно асимметрично.
для всех x , y , z ∈ X , если xRy и yRz , то xRz . Транзитивное отношение является иррефлексивным тогда и только тогда, когда оно асимметрично. [13] Например, «является предком» является транзитивным отношением, тогда как «является родителем» — нет.
для всех x , y ∈ X , если x ≠ y , то xRy или yRx . Например, в натуральных числах < связно, а " является делителем " - нет (например, ни 5 R 7 , ни 7 R 5 ).
для всех x , y ∈ X , xRy или yRx . Например, на натуральных числах ≤ сильно связно, а < — нет. Отношение сильно связно тогда и только тогда, когда оно связно и рефлексивно.
Свойства уникальности:
Инъективный [d] (также называемый лево-уникальным [14] )
Для всех x , y , z ∈ X , если xRy и zRy , то x = z . Например, зеленые и синие отношения на диаграмме инъективны, но красное — нет (поскольку оно связывает и −1 , и 1 с 1 ), как и черное — нет (поскольку оно связывает и −1 , и 1 с 0 ).
Функциональный [15] [16] [17] [d] (также называемый право-уникальным , [14] право-определенным [18] или унивалентным [9] )
Для всех x , y , z ∈ X , если xRy и xRz , то y = z . Такое отношение называется частичной функцией . Например, красное и зеленое отношения на диаграмме являются функциональными, но синее — нет (поскольку оно связывает 1 как с −1, так и с 1 ), как и черное (поскольку оно связывает 0 как с −1, так и с 1).
Свойства совокупности:
Последовательный [d] (также называется тотальным или лево-тотальным )
Для всех x ∈ X существует некоторый y ∈ X такой, что xRy . Такое отношение называется многозначной функцией . Например, красные и зеленые отношения на диаграмме являются общими, но синее отношение не является таковым (поскольку оно не связывает −1 ни с каким действительным числом), как и черное отношение (поскольку оно не связывает 2 ни с каким действительным числом). В качестве другого примера, > является последовательным отношением над целыми числами. Но это не последовательное отношение над положительными целыми числами, потому что в положительных целых числах нет y такого, что 1 > y . [19] Однако < является последовательным отношением над положительными целыми числами, рациональными числами и действительными числами. Каждое рефлексивное отношение является последовательным: для данного x выберите y = x .
Сюръективный [d] (также называется право-тотальным [14] или on )
Для всех y ∈ Y существует x ∈ X такой, что xRy . Например, зеленые и синие отношения на диаграмме сюръективны, но красное — нет (поскольку оно не связывает ни одно действительное число с −1 ), как и черное (поскольку оно не связывает ни одно действительное число с 2 ).
Комбинации свойств
Отношения, которые удовлетворяют определенным комбинациям вышеуказанных свойств, особенно полезны и поэтому получили собственные названия.
Отношение, которое является рефлексивным, симметричным и транзитивным. Это также отношение, которое является симметричным, транзитивным и последовательным, поскольку эти свойства подразумевают рефлексивность.
Отношение, которое является иррефлексивным, асимметричным, транзитивным и связанным.
Свойства уникальности:
Один на один [d]
Инъективное и функциональное. Например, зеленое отношение на диаграмме является отношением один к одному, а красное, синее и черное — нет.
Один-ко-многим [d]
Инъективное и не функциональное. Например, синее отношение на диаграмме — один ко многим, а красное, зеленое и черное — нет.
Многие-к-одному [d]
Функциональное и неинъективное. Например, красное отношение на диаграмме — отношение «многие к одному», а зеленое, синее и черное — нет.
Многие-ко-многим [d]
Не инъективно и не функционально. Например, черное отношение на диаграмме — многие-ко-многим, а красное, зеленое и синее — нет.
Свойства уникальности и тотальности:
Функция [d ]
Отношение, которое является функциональным и тотальным. Например, красные и зеленые отношения на диаграмме являются функциями, а синие и черные — нет.
Инъекция [d ]
Функция, которая является инъекцией. Например, зеленое отношение на диаграмме является инъекцией, а красное, синее и черное — нет.
Сюръекция [d ]
Функция, которая является сюръективной. Например, зеленое отношение на диаграмме является сюръекцией, а красное, синее и черное — нет.
Биекция [d ]
Функция, которая является инъективной и сюръективной. Например, зеленое отношение на диаграмме является биекцией, а красное, синее и черное — нет.
Операции над отношениями
Союз [э]
Если R и S являются отношениями над X, то R ∪ S = { ( x , y ) | xRy или xSy } является отношением объединения R и S . Элементом тождества этой операции является пустое отношение. Например, ≤ является объединением < и = , а ≥ является объединением > и = .
Пересечение [е]
Если R и S — отношения над X, то R ∩ S = { ( x , y ) | xRy и xSy } — отношение пересечения R и S . Элементом тождества этой операции является универсальное отношение. Например, «является младшей картой той же масти, что и» является пересечением «является младшей картой, чем» и «принадлежит к той же масти, что и».
Состав [э]
Если R и S являются отношениями над X, то S ∘ R = { ( x , z ) | существует y ∈ X, такой что xRy и ySz } (также обозначается как R ; S ) является относительным произведением R и S . Элементом тождества является отношение тождества. Порядок R и S в обозначении S ∘ R , используемом здесь, согласуется со стандартным порядком обозначений для композиции функций . Например, композиция "является матерью" ∘ "является родителем" дает "является прародителем по материнской линии", в то время как композиция "является родителем" ∘ "является матерью" дает "является бабушкой". Для первого случая, если x является родителем y , а y является матерью z , то x является прародителем по материнской линии z .
Обратный [e]
Если R — отношение над множествами X и Y, то R T = { ( y , x ) | xRy } — обратное отношение R над Y и X. Например , = — обратное отношение к себе , как и ≠ , а < и > — обратные друг другу , как и ≤ и ≥ .
Дополнение [е]
Если R — отношение над X, то R = {( x , y ) | x , y ∈ X и не xRy } (также обозначается как R или ¬ R ) — дополнительное отношение R. Например, = и ≠ являются дополнениями друг друга, как и ⊆ и ⊈, ⊇ и ⊉ , и ∈ и ∉ , а для полных порядков также < и ≥ , и > и ≤ . Дополнение обратного отношения R T является обратным к дополнению:
Ограничение [е]
Если R — отношение над X , а S — подмножество X , то R | S = {( x , y ) | xRy и x , y ∈ S } — этоотношение ограничения R к S. Выражение R | S = { ( x , y ) | xRy и x ∈ S }являетсяотношение левого ограничения R к S ; выражение R | S = { ( x , y ) | xRy и y ∈ S }называетсяправое ограничение отношения Rк S. Если отношение являетсярефлексивным, иррефлексивным,симметричным,антисимметричным,асимметричным,транзитивным,полным,трихотомическим , частичнымпорядком,полным порядком,строгим слабым порядком,полным предпорядком(слабым порядком) илиотношением эквивалентности, то таковыми являются и его ограничения. Однако транзитивное замыкание ограничения является подмножеством ограничения транзитивного замыкания, т. е. в общем случае не равно. Например, ограничение отношения « x является родителем y » на лиц женского пола дает отношение « x является матерью женщины y »; его транзитивное замыкание не связывает женщину с ее бабушкой по отцовской линии. С другой стороны, транзитивное замыкание «является родителем» является «является предком»; его ограничение на лиц женского пола связывает женщину с ее бабушкой по отцовской линии.
Отношение R между множествами X и Y называетсясодержится в отношении S над X и Y , записанном как R ⊆ S , если R является подмножеством S , то есть для всех x ∈ X и y ∈ Y , если xRy , то xSy . Если R содержится в S и S содержится в R , то R и S называютсяравными, записанными как R = S . Если R содержится в S , но S не содержится в R , то R называетсяменьше S, пишется R ⊊ S. Например, нарациональных числахотношение>меньше≥ и равно композиции> ∘ >.
Теоремы об отношениях
Отношение асимметрично тогда и только тогда, когда оно антисимметрично и иррефлексивно.
Транзитивное отношение является иррефлексивным тогда и только тогда, когда оно асимметрично.
Отношение рефлексивно тогда и только тогда, когда его дополнение иррефлексивно.
Отношение является сильно связанным тогда и только тогда, когда оно связано и рефлексивно.
Отношение равно своему обратному тогда и только тогда, когда оно симметрично.
Отношение является связным тогда и только тогда, когда его дополнение антисимметрично.
Отношение является сильно связанным тогда и только тогда, когда его дополнение асимметрично. [21]
Если отношение R содержится в отношении S , то
Если R рефлексивно, связно, сильно связно, лево-тотально или право-тотально, то и S тоже .
Если S иррефлексивен, асимметричен, антисимметричен, уникален слева или уникален справа, то и R тоже .
Отношение является рефлексивным, иррефлексивным, симметричным, асимметричным, антисимметричным, связным, сильно связным и транзитивным, если его обратное отношение соответственно.
Вышеуказанное понятие отношения было обобщено для допуска отношений между членами двух различных множеств. При заданных множествах X и Y неоднородное отношение R над X и Y является подмножеством { ( x , y ) | x ∈ X , y ∈ Y } . [2] [22]
Когда X = Y , получается описанное выше понятие отношения; его часто называют однородным отношением (или эндоотношением ) [23] [24], чтобы отличить его от его обобщения. Вышеуказанные свойства и операции, отмеченные " [d] " и " [e] " соответственно, обобщаются на неоднородные отношения. Примером неоднородного отношения является "океан x граничит с континентом y ". Наиболее известными примерами являются функции [f] с различными областями и диапазонами, такие как sqrt : N → R + .
^ ab CI Lewis (1918) Обзор символической логики, стр. 269–279, через интернет-архив
^ ab Schmidt 2010, Глава 5
^ Эндертон 1977, Гл. 3. стр. 40
^ Смит, Эгген и Сент-Андре 2006, с. 160
^ Нивергельт 2002, стр. 158
^ Flaška et al. 2007, стр. 1 Лемма 1.1 (iv). Этот источник называет асимметричные отношения «строго антисимметричными».
^ abc Kilp, Knauer & Mikhalev 2000, стр. 3. Те же четыре определения встречаются в следующих работах: Pahl & Damrath 2001, стр. 506, Best 1996, стр. 19–21, Riemann 1999, стр. 21–22
^ Ван Гастерен 1990, стр. 45.
^ "Функциональное отношение - Энциклопедия математики". encyclopediaofmath.org . Получено 2024-06-13 .
^ "функциональное отношение в nLab". ncatlab.org . Получено 2024-06-13 .
↑ Мая 2007 г.
^ Яо и Вонг 1995
^ Розенштейн 1982, стр. 4
^ Шмидт и Штрёляйн 1993
^ Эндертон 1977, Гл. 3. стр. 40
^ Мюллер 2012, стр. 22
^ Pahl & Damrath 2001, стр. 496
Библиография
Best, Eike (1996). Семантика последовательных и параллельных программ . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-460643-9.
Кодд, Эдгар Франк (июнь 1970 г.). «Реляционная модель данных для больших общих банков данных» (PDF) . Сообщения ACM . 13 (6): 377–387. doi :10.1145/362384.362685. S2CID 207549016 . Получено 29.04.2020 .
Flaška, V.; Ježek, J.; Kepka, T.; Kortelainen, J. (2007). Транзитивные замыкания бинарных отношений I (PDF) . Прага: Школа математики – Физический Карлов университет. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-11-02.
Килп, Мати; Кнауэр, Ульрих; Михалев, Александр (2000). Моноиды, акты и категории: с приложениями к произведениям сплетений и графам . Берлин: De Gruyter . ISBN 978-3-11-015248-7.
Mäs, Stephan (2007), «Рассуждение об ограничениях пространственной семантической целостности», Пространственная теория информации: 8-я международная конференция, COSIT 2007, Мельбурн, Австралия, 19–23 сентября, Труды , Lecture Notes in Computer Science, т. 4736, Springer, стр. 285–302, doi :10.1007/978-3-540-74788-8_18
Мюллер, М. Э. (2012). Открытие реляционных знаний . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-19021-3.
Нивергельт, Ив (2002), Основы логики и математики: приложения к информатике и криптографии , Springer-Verlag
Pahl, Peter J.; Damrath, Rudolf (2001). Математические основы вычислительной техники: Справочник . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-67995-0.
Пирс, Чарльз Сандерс (1873). «Описание нотации для логики отношений, полученное в результате амплификации концепций логического исчисления Буля». Мемуары Американской академии искусств и наук . 9 (2): 317–178. Bibcode :1873MAAAS...9..317P. doi :10.2307/25058006. hdl : 2027/hvd.32044019561034 . JSTOR 25058006 . Получено 05.05.2020 .
Риман, Роберт-Кристоф (1999). Моделирование параллельных систем: структурные и семантические методы в исчислении сетей Петри высокого уровня . Herbert Utz Verlag. ISBN 978-3-89675-629-9.
Розенштейн, Джозеф Г. (1982), Линейные упорядочения , Academic Press, ISBN 0-12-597680-1
Шмидт, Гюнтер ; Штрёляйн, Томас (1993). Отношения и графы: Дискретная математика для компьютерных ученых. Берлин: Springer. ISBN 978-3-642-77970-1.
Смит, Дуглас; Эгген, Морис; Сент-Андре, Ричард (2006), Переход к высшей математике (6-е изд.), Brooks/Cole, ISBN 0-534-39900-2
Ван Гастерен, Антонетта (1990). О форме математических аргументов . Берлин: Шпрингер. ISBN 9783540528494.
Яо, YY; Вонг, SKM (1995). "Обобщение грубых множеств с использованием отношений между значениями атрибутов" (PDF) . Труды 2-й ежегодной совместной конференции по информационным наукам : 30–33.