序理论

序理论是利用二元关系来将「次序」这一概念严格化的数学分支 —oi wiki


二元关系

有序偶对(序偶) : 两元素按一定的次序组成的二元组,记为 < x , y >

对于两集合 A 和 B, 称集合 A×B 为二者的笛卡尔积。

笛卡尔积满足: A×B={<x,y>|x∈A ∧ y∈B}

若存在一个集合 S , 设 |S|=n ,那么 S 上不同的二元关系的个数为:

  • 集合 S 上的二元关系是 S×S 的一个子集
  • 集合 S 上的二元关系数量即是 S×S 的子集数量(2n2)

那么对于一个A×B 上的关系 R

  • R=ϕ⇔R 为 A×B 上的空关系
  • R=A×B⇔R 为 A×B 上的全关系
  • R=IA={<x,y>| x∈A }⇔R 为 A 上的恒等关系

关系的运算

  1. 复合运算:R∘S={<x,y> | x∈A ∧ z∈C ∧(∃y)(y∈B∧xRy∧ySz)}

    简而言之 R 中有 < x , y > S 中有 < y , z >,那么二者的复合为 < x , z >

  2. 逆运算:(A×B)−1=B×A

  3. 幂运算:Rn=Rn−1∘RR0=IA

关系的性质

  • 自反性 (∀x)(x∈A→<x,x>∈R)=1
  • 反自反性 (∀x)(x∈A→<x,x>∉R)=1
  • 对称性 (∀x)(∀y)((x∈A)∧(y∈A)∧(<x,y>∈R → <y,x>∈R))=1
  • 反对称性 (∀x)(∀y)((x∈A)∧(y∈A)∧(<x,y>∈R)∧(<y,x>∈R→x=y))=1
  • 传递性 (∀x)(∀y)(∀z)((x∈A)∧(y∈A)∧(z∈A)∧((<x,y>∈R)∧(<y,z>∈R)→(<x,z>∈R)))=1

从关系图的角度理解会更简单:

  • 自反性:全是自环
  • 反自反性:没自环
  • 对称性:两点间只要存在边,就必须是双边(x=y 时即自环也满足
  • 反对称性:两点间只要存在边,除了自环都不能有双边
  • 传递性:参考向量的合成,需要注意自环

关系的闭包

闭包运算,简单来说就是将一个关系增加最少的元素,使得该关系具有某一性质

自反、对称、传递闭包分别用r(R) s(R) t(R)表示

更具体的计算:

r(R)=R∪IA

s(R)=R∪R−1

t(R)=∪i=1|A| Ri


特殊关系

二元关系 自反性 反自反性 对称性 反对称性 传递性
等价关系(equivalence relation) √ √ √
拟序关系 (quasi-order set) √ √ √
偏序(partial order) √ √ √

等价

集合的划分:

一个集合的划分,就是将该集合视为几个交集为空的非空真子集的并集。

再简单些,可以将它理解为把一个集合切成几个非空的小集合。

等价类:

设 R 是非空集合 A 上的等价关系

那么对于 ∀x∈A,称集合 [x]R={y|y∈A∧<x,y>∈R} 为 x 关于 R 的等价类。

所以,R 上所有的等价类构成的集合就是一个依据等价关系进行的 A 的划分

于是就引出了商集的概念

商集:

设 R 是非空集合 A 上的等价关系,那么由 R 确定的等价类的集合就称为(A上关于R的)商集,记为 A/R

不妨举个例子:

有一集合 A={1,2,3,5,7,9},R为其上的以 4 为模的同余关系

那么等价类有:

[1]R=[5]R=[9]R={1,5,9}

[3]R=[7]R={3,7}

[2]R={2}

商集为:

A/R={[1]R,[2]R,[3]R}={{1,5,9},{2},{3,7}}

偏序

为更好研究偏序关系,我们常会使用哈斯图来描述

确定元素之间的覆盖关系, 如果 a 覆盖 b, 那么 b 就在 a 上方并链接;

有集合 S = {2, 3, 6,12}对于在 S 上的整除关系:

6 能覆盖 2 和 3

12 能覆盖 2,3,6

因此哈斯图表示为

1
2
3
4
graph LR
A((12))-->B((6))
B((6))-->C((2))
B((6))-->D((3))

特殊元素

设 A 是一个偏序集, B 是其上的某一个子集,那么有:

  • 最大(小)元:在 B 中,该元素满足 “覆盖"任意元素/被任意元素"覆盖”
  • 极大(小)元:在 B 中,该元素满足 不被任一元素”覆盖“/不“覆盖”任一元素
  • 上(下)界:在 A 中,该元素满足 “覆盖” B 中的任意元素/被 B 中的任意元素“覆盖”
  • 上(下)确界:在上界所有元素中, 该元素满足 被任一元素“覆盖”/ “覆盖”任一元素

注意:本文借以哈斯图描述中的“覆盖”一词来描述 两元素之间满足的某一关系,以避免直接带入符号理解定义而导致误解的可能。