Какие бинарные отношения обладают свойством транзитивности

Пусть $A$ и $B$ два конечных множества. Декартовым произведением множеств $A$ и $B$ называют множество $Atimes B,$состоящее из всех упорядоченных пар, где $ ain A, bin B. $

Бинарным отношением между элементами множества $A$ и $B$ называется любое подмножество $R$ множества $Atimes B$, то есть $ Rsubset Atimes B.$

По определению, бинарным отношением называется множество пар. Если R — бинарное отношение (т.е. множество пар), то говорят, что параметры $x$ и $y$ связаны бинарным отношением $R$, если пара $langle x,y rangle $ является элементом R, т.е. $langle x,y ranglein R. $

Высказывание: «предметы $x$ и $y$ связаны бинарным отношением $R$» записывают в виде $xRy.$Таким образом, $ xRyleftrightarrowlangle x,yranglein R.$

Если $Rsubset Atimes A $, то говорят, что бинарное отношение определено на множестве $A$.

Примеры бинарных отношений:

• на множестве целых чисел $Z$ отношения «делится», «делит», «равно», «больше», «меньше», «взаимно просты»;
• на множестве прямых пространства отношения «параллельны», «взаимно перпендикулярны», «скрещиваются», «пересекаются», «совпадают»;
• на множестве окружностей плоскости «пересекаются», «касаются», «концентричны».

Областью определения бинарного отношения $R$ называется множество, состоящее из таких $x$, для которых $langle x,y ranglein R $ хотя бы для одного $y$.
Область определения бинарного отношения будем обозначать $ Re R$.
$Re R={ x|exists y(langle x,yranglein R)}$
Областью значений бинарного отношения $R$ называется множество, состоящее из таких $y$, для которых $langle x,y ranglein R $ хотя бы для одного $x$.
Область значений бинарного отношения будем обозначать $Im R$
$Im R={ y|exists x(langle x,yranglein R)}$

Инверсия (обратное отношение) $R$ — это множество ${langle x,yrangle |langle y,xranglein R}$ и обозначается, как ${R}^{-1}.$

Композиция (суперпозиция) бинарных отношений $R$ и $S$ — это множество ${langle x,yrangle |exists zlangle xSzwedge zRyrangle}$ и обозначается, как $Rcirc S$.

Бинарное отношение $R$ на некотором множестве $M$ может обладать различными свойствами, например:

• Рефлексивность: $forall xin M(xRx)$
• Антирефлексивность (иррефлексивность): $forall xin Mneg (xRx)$
• Корефлексивность: $forall x,yin M(xRyRightarrow x=y)$
• Симметричность: $forall x,yin M(xRyRightarrow yRx)$
• Антисимметричность: $forall x,yin M(xRywedge yRxRightarrow x=y)$
• Асимметричность: $forall x,yin M(xRyRightarrowneg (yRx))$. Асимметричность эквивалентна одновременной антирефлексивности и антисимметричности отношения.
• Транзитивность: $forall x,y,zin M(xRywedge yRzRightarrow xRz)$
• Связность: $forall x,yin M(xneq yRightarrow xRylor yRx)$
• Рефлексивное транзитивное отношение называется отношением квазипорядка
• Рефлексивное симметричное транзитивное отношение называется отношением эквивалентности
• Рефлексивное антисимметричное транзитивное отношение называется отношением (частичного) порядка
• Антирефлексивное антисимметричное транзитивное отношение называется отношением строгого порядка
• Полное антисимметричное (для любых $x, y$ выполняется $xRy$ или $yRx$) транзитивное отношение называется отношением линейного порядка

Над бинарными отношениями можно производить некоторые операции, точно так же, как и над множествами. Не ограничивая общности, будем считать, что следующие операции выполняются на множестве $M$.

• Пересечение. Пересечением двух бинарных отношений ($A$и $B$) является отношение, которое определяется пересечением соответствующих подмножеств. Очевидно, что отношение $Acap B$ выполнимо только в том случае, когда некоторые $x$ и $y$ связаны как первым, так и вторым отношением ($xAy$ и $xBy$).

  Например, пересечением отношения «не меньше» и «не равно» является отношение «больше».
  $ xAyLeftrightarrow xgeq y, xByLeftrightarrow xneq y$, тогда $Acap BLeftrightarrow x>y $

• Объединение. Объединением двух бинарных отношений ($A$ и $B$) является отношение, которое определяется объединением соответствующих подмножеств. Отношение $Acup B$ выполнимо только в том случае, когда некоторые $x$ и $y$ связаны хотя бы одним из двух отношений хотя бы одно из отношений ($xAy$ или $xBy$).

  Например, объединением отношения «больше» и отношения «равно» является отношение «больше, либо равно».

• Включение. Обозначается $Asubseteq B$. Первое отношение включено во второе, если все те пары, для которых выполняется первое отношение, являются подмножеством пар, для которых выполняется второе отношение. Если $Asubseteq B$, то $Aneq B$. Если $Asubseteq B$, то, когда любые два элемента из множества, на котором выполняется отношение $A$, связаны этим отношением, они связаны отношением $B$.

Очевидно, для любого отношения $A varnothingsubseteq Asubseteq U$, где $varnothing$ — пустое, а $U$- полное отношение.

Приведём в пример два графических представления бинарных отношений на множстве $X = {a, b, c, d, e}.$
Первый способ тесно связан с аналитической геометрией. Пусть дана пара взаимно перпендикулярных осей ($Ox$ и $Oy$). На каждой оси нужно отметить точки которые являются элементами множества $X$.
Будем считать, что $a, b, c, d, e$ — координаты точек на горизонтальной и вертикальной осях. Теперь отметим на плоскости точки с координатами $(x, y)$. На рисунке изображена совокупность точек, соответствующих следующему отношению: $R={(a, b), (a, c), (b, d), (c, e), (e,b), (e, e)}.$


Следующий способ, который мы рассмотрим, заключается в использовании ориентированных графов. Элементы множества $X$ становятся вершинами графа, а элементы $langle x,yrangle $ отношения $R$ ребрами, которые соединяют первый член $x$ отношения со вторым членом $y$. Граф, соответствующий бинарному отношению $R$, изображен на рисунке.


Задача

Бинарное отношение $R$ задано на множестве $A={1,2,3,4}$, определить его свойства.
$R={(1,1),(1,2),(2,3),(2,2),(2,4)}$

Спойлер

Проверим все свойства отношения:

• Рефлексивность
  $(forall xin A)langle x,xranglein R$ – это ложное высказывание.
  Можно привести контрпример: $x=3$, пара $langle 3,3rangle$ не принадлежит множеству $R$. Бинарное отношение не является рефлексивным.
• Антирефлексивность
  $(forall xin A)langle x,xranglenotin R$ – это ложное высказывание.
  Можно привести контрпример: $x=1$, пара $langle 1,1rangle$ принадлежит множеству $R$. Бинарное отношение не является антирефлексивным.
• Корефлексивность
  $(forall x,yin A)langle x,yranglenotin R$ – это ложное высказывание.
  Можно привести контрпример: $x=1,y=2$, пара $langle 1,2rangle$ принадлежит множеству $R$, но $xneq y$. Бинарное отношение не является антирефлексивным.
• Симметричность
  $ forall x,yin A (langle x,yranglein R): langle y,xranglein R$ – это ложное высказывание.
  Можно привести контрпример, $x=1,y=2$ пара $langle 1,2rangle$ принадлежит множеству $R$, а пара $langle 2,1rangle$ не принадлежит множеству $R$. Бинарное отношение не является симметричным.
• Антисимметричность
  $forall x,yin A(xRywedge yRxRightarrow x=y)$ – это истинное высказывание
  Контрпример подобрать невозможно. Бинарное отношение является антисимметричным.
• Асимметричность
  Асимметричность эквивалентна одновременной антирефлексивности и антисимметричности отношения и отношение не является антирефлексивным, отношение не является асимметричным.
• Транзитивность
  $forall x,y,zin A(xRywedge yRzRightarrow xRz)$– это ложное высказывание.
  Можно привести контр пример, $x=1,y=2,z=3$ пара $langle 1,2rangle$ принадлежит множеству R и пара $langle 2,3rangle$ принадлежит множеству $R$, а пара $langle 1,3rangle$ не принадлежит множеству $R$. Бинарное отношение не является транзитивным.
• Связность
  $forall x,yin A(xneq yRightarrow xRylor yRx)$ – это ложное высказывание.
  Можно привести контрпример, $x=3,y=4$, $3neq 4$ пара $langle 3,4rangle$ не принадлежит множеству $R$ и пара $langle 4,3rangle$ не принадлежит множеству $R$. Бинарное отношение не является связанным.

Вывод: заданное бинарное отношение обладает только одним свойством антисимметричности.

[свернуть]

Источники:

• Галушкина, Марьямов, «Задачи и упражнения по дискретной математике», 2007 г., стр.51
• С.В.Федоровский.Конспект лекций по математической логике
• Кострикин А.В. , «Введение в алгебру», 1977, стр.134
• А.И. Мальцев, «Алгебраические системы», 1970, стр.16-19

Бинарные отношения

Вопросы для закрепления пройденного материала

Таблица лучших: Бинарные отношения

максимум из 15 баллов

Место	Имя	Записано	Баллы	Результат
Таблица загружается

Бинарные отношения в общем случае обладают свойствами рефлексивности, антирефлексивности, симметричности, антисимметричности, транзитивности, связности.

1. Рефлексивное отношение – отношение , в котором для любого выполняется

.

Другая запись такого отношения .

Главная диагональ матрицы такого отношения содержит только единицы.

Примером рефлексивного отношения является отношение «подобие треугольников, заданное на множестве всех треугольников евклидовой плоскости»: каждый треугольник подобен себе самому;

— отношения « » и «иметь общий делитель».

2. Антирефлексивное отношение – отношение , в котором ни для какого не выполняется

или .

Главная диагональ матрицы такого отношения содержит только нули.

Примером антирефлексивного отношения является отношение «перпендикулярность прямых, заданных на множестве всех прямых евклидовой плоскости»:

— никакая прямая не перпендикулярна себе самой;

— отношения «<» и «быть сыном».

Отношение «быть симметричным относительно оси » не является ни рефлексивным, ни антирефлексивным: точка плоскости симметрична сама себе, если она лежит на оси и несимметрична сама себе в противном случае.

3. Симметричное отношение – отношение , в котором для пары

из следует или .

Иначе говоря, для любой пары отношение симметричности выполняется либо в обе стороны, либо не выполняется вообще. Матрица симметричного отношения симметрична относительно главной диагонали: для любых и . Для симметричного отношения .

Примером симметричного отношения является отношение «быть симметричным относительно оси », которое является симметричным: если первая точка симметрична второй, то и вторая симметрична первой;

отношение «проживать в одном доме», заданное на множестве всех жителей некоторого города: если живет в одном доме с , то живет в одном доме с .

4. Антисимметричное отношение – отношение ,в котором для

пары из и следует, что или

.

Примером антисимметричного отношения является отношение « », заданное на множестве действительных чисел: действительно, если , и , то .

5. Транзитивное отношение – отношение ,в котором для любых

из и следует или

.

Примером транзитивного отношения являются отношения «равенство», « », «жить в одном городе»: действительно если ; если ; если и живут в городе и и живут в городе , то и также живут в городе .

Отношение «быть сыном» нетранзитивно: если является сыном и является сыном то это не значит, что является сыном . Отношение «пересекаться», то есть «иметь непустое пересечение», заданное на системе множеств, также нетранзитивно. Например, пересекается с , пересекается с , однако и не пересекаются.

Транзитивное замыкание отношения. Транзитивное замыкание отношения – это отношение , которое определяется следующим образом: , если в существует цепочка из элементов , в которой между соседними элементами выполнено отношение : .

Если транзитивно, то . Действительно, если , то(цепочка состоит из двух элементов и ), поэтому . Если же , тосуществует цепочка . Но так как транзитивно, то , поэтому . Из включения в обе стороны следует .

Транзитивным замыканием отношения «быть сыном» является отношение «быть прямым потомком», являющееся объединением отношений «быть сыном», «быть внуком», «быть правнуком» и т.д. Транзитивным замыканием отношения «иметь общую стену» для жильцов дома является отношение «жить на одном этаже».

6. Связное (полное) отношение – отношение , в котором для пары

из следует или ,

или .

Примером связного (полного) отношения является отношение «быть старше», заданное на множестве родных братьев и сестер некоторой семьи: если , то либо старше , либо старше .

Рассмотренные свойства можно определить с помощью выражений:

1. , 2. , 3. , 4. ,

5. (где – композиция отношений), 6. .

Если даны два отношения и , то операции над этими отношениями сводятся к операциям над ними, аналогичные операциям над множествами:

объединению ; пересечению ; разности ; симметрической разности . Дополнение отношения ( ) будет равно .

На основании приведенных выше свойств отношений можно дать им ряд определений.

Отношение частичного порядка – отношение, которое рефлексивно, антисимметрично и транзитивно.

Отношение линейного порядка – отношение частичного порядка, которое связно.

Отношение строгого порядка – отношение, которое антирефлексивно, антисимметрично и транзитивно.

Отношение строгого линейного порядка – связное отношение строгого порядка.

В теории множеств важную роль играют два вида специальных бинарных отношений: эквивалентности и порядка, прообразами которых являются понятия равенства, предшествования и предпочтения.