# 關係 relation

A,BA,B 各為一集合,R⊆A×BR \subseteq A \times B 稱 RR 為AA 至BB 的關係 relation

note
  1. (a,b)∈R(a,b) \in R,也記作aRbaRb
  2. R⊆A×B↔R∈P(A×B)R \subseteq A \times B \leftrightarrow R \in P(A \times B)
  3. ∣A∣=m,∣B∣=n,A|A| = m, |B|=n, A 至BB 的 Relation 個數為2mn2^{mn}

# 表示法

X={1,2,3},Y={A,B,C,D},R={(1,D),(2,C),(3,C)}X = \{1, 2, 3\},Y = \{ A, B, C, D \},R = \{ (1,D),(2,C),(3,C) \}

圖片表示

矩陣表示

MR=[000100100010]M_R = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{bmatrix}

# 運算

# 合成

R1⊆A×B,R2⊆B×CR_1 \subseteq A \times B, R_2 \subseteq B \times C 合成為R2∘R1⊆A×CR_2 \circ R_1 \subseteq A \times C

# 定理 1

MR2∘R1=MR1MR2M_{R_2 \circ R_1} = M_{R_1}M_{R_2}

Example

A={a,b,c,d},R⊆A×A,R={(a,c),(b,d),(d,a)}A = \{ a,b,c,d\}, R \subseteq A \times A,R=\{ (a,c),(b,d),(d,a) \},求R3=R∘R∘RR^3 = R \circ R \circ R

MR=[0010000100001000]M_R = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1\\ 0 & 0 & 0 & 0\\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}
MR3=[0010000100001000][0010000100001000][0010000100001000]=[0000001000000000]M_{R}^{3} = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1\\ 0 & 0 & 0 & 0\\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1\\ 0 & 0 & 0 & 0\\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1\\ 0 & 0 & 0 & 0\\ 1 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}
⇒R3={(b,c)}\Rightarrow R^3 = \{ (b,c) \}

# 定理 2

R1⊆A×B,R2⊆B×C,R3⊆C×DR_1 \subseteq A \times B, R_2 \subseteq B \times C, R_3 \subseteq C \times D
⇒(R3∘R2)∘R1=R3∘(R2∘R1)\Rightarrow (R_3 \circ R_2) \circ R_1 = R_3 \circ (R_2 \circ R_1)(關係有結合律)

# 反關係

R⊆A×B,R−1⊆B×AR \subseteq A \times B ,R^{-1} \subseteq B \times A
eg.R={(1,a),(2,a),(2,b),(3,b)}R =\{(1,a),(2,a),(2,b),(3,b) \}
R−1={(a,1),(a,2),(b,2),(b,3)}R^{-1} =\{(a,1),(a,2),(b,2),(b,3) \}
MR=[101101],MR−1=[110011]M_R = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}, M_{R^{-1}} = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 1 \end{bmatrix}

note
  1. MR−1=(MR)TM_{R^{-1}} = (M_R)^T (轉置)
  2. (R−1)−1=R(R^{-1})^{-1} = R

# 補關係

R⊆A×B,R‾⊆A×BR \subseteq A \times B,\overline{R} \subseteq A \times B,aR‾ba\overline{R}b

eg.R={(1,a),(2,a),(2,b),(3,b)}R = \{ (1,a), (2,a), (2,b), (3,b) \}
→R‾={(1,b),(3,a)}=(A×B)−R\rightarrow \overline{R} = \{ (1,b),(3,a) \} = (A \times B) - R

note
  1. R‾=(A×B)−R\overline{R} = (A \times B) -R 為RR 的補集
  2. R−1‾=(R‾)−1\overline{R^{-1}} = (\overline{R})^{-1}
  3. (R1∪R2)−1=R1−1∪R2−1(R_1 \cup R_2)^{-1} = R_1^{-1} \cup R_2^{-1}
  4. (R1∩R2)−1=R1−1∩R2−1(R_1 \cap R_2)^{-1} = R_1^{-1} \cap R_2^{-1}
  5. (R1∪R2)‾=R1‾∩R2‾\overline{(R_1 \cup R_2)} = \overline{R_1} \cap \overline{R_2}
  6. (R1∩R2)‾=R1‾∪R2‾\overline{(R_1 \cap R_2)} = \overline{R_1} \cup \overline{R_2}

# 基本關係

# 二元關係 Binary Relation

R⊆A×AR \subseteq A \times A,稱RR 為AA 的二元關係 Binary Relation

Example

A={a,b,c,d,e},R={(a,b),(a,d),(b,a),(b,c),(c,e),(d,d),(e,c)}A = \{a,b,c,d,e\},R = \{(a,b),(a,d),(b,a),(b,c),(c,e),(d,d),(e,c) \}
MR=[0101010100000010001000100]M_R = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 & 1 & 0\\ 1 & 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1\\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{bmatrix}

# 反身性 Reflexive / 非反身性 Irreflexive

# 反身性 <-> 不具反身性

RR 具有反身性↔∀a∈A,aRa\leftrightarrow \forall a \in A, aRa 有 (a,a)
反之,則稱為不具反身性 (對角線不全為 1)

eg.A={1,2,3},R={(1,1),(1,2),(2,3),(2,2),(3,3)}A = \{ 1,2,3 \},R = \{ (1,1),(1,2),(2,3),(2,2),(3,3) \}
→\rightarrow 每一個都和自己有關係,RR 就具反身性

# 非反身性 <-> 不具非反身性

RR 具有非反身性↔∀a∈A,aR‾a\leftrightarrow \forall a \in A, a\overline{R}a 無 (a,a)
反之,則稱為不具反身性 (對角線不全為 0)

eg.A={1,2,3},R={(1,2),(2,3),(1,3)}A = \{ 1,2,3 \},R = \{ (1,2),(2,3),(1,3) \}
→\rightarrow 每一個都和自己沒關係,RR 就具非反身性

note

非反身性 不是 不具反身性
但是,反身性一定不具非反身性

note

若∣A∣=n|A| = n,則:

  1. AA 上的 二元關係 個數=2n2= 2^{n^{2}}(1 或 0)
  2. AA 上的 反身性關係 個數=2n2−n= 2^{n^{2}-n}(對角線全為 1)
  3. AA 上的 非反身性關係 個數=2n2−n= 2^{n^{2}-n}(對角線全為 0)

# 對稱性 / 非對稱性 / 反對稱性

R⊆A×AR \subseteq A \times A,並假設A={1,2,3}A = \{ 1,2,3 \}

  1. RR 具有對稱性 symmetric ↔∀a,b∈A,aRb⇒bRa\leftrightarrow \forall a,b \in A, aRb \Rightarrow bRa
    R={(1,1),(1,2),(2,1),(2,3),(3,2)}.R = \{(1,1),(1,2),(2,1),(2,3),(3,2)\}.
  2. RR 具有非對稱性 asymmetric ↔∀a,b∈A,aRb⇒bR‾a\leftrightarrow \forall a,b \in A, aRb \Rightarrow b\overline{R}a
    R={(1,2),(2,3)}.R = \{(1,2),(2,3)\}.
  3. RR 具有反對稱性 antisymmetric ↔∀a,b∈A,aRb⇒bRa(a=b),aRb⇒bR‾a(a≠b)\leftrightarrow \forall a,b \in A, aRb \Rightarrow bRa(a=b) , aRb \Rightarrow b\overline{R}a (a \neq b)
    R={(1,1),(1,2),(2,3)}.R = \{(1,1),(1,2),(2,3)\}.
note

若∣A∣=n|A| = n,則:

  1. AA 上的對稱關係個數=2n×2n2−n2=2n2+n2= 2^n \times 2^{\frac{n^2-n}{2}} = 2^{\frac{n^2+n}{2}}
  2. AA 上的非對稱關係個數=3n2−n2=3(n2)= 3^{\frac{n^2-n}{2}} = 3^{\binom{n}{2}}
  3. AA 上的反對稱關係個數=2n×3n2−n2= 2^n \times 3^{\frac{n^2-n}{2}}

# 遞移性 transitive

R⊆A×AR \subseteq A \times A
RR 具有遞移性↔∀a,b,c∈A,aRb,bRc→aRc\leftrightarrow \forall a,b,c \in A, aRb,bRc \rightarrow aRc
eg.A={1,2,3},R={(1,1),(1,2),(2,3),(1,3)}A = \{1,2,3 \},R = \{(1,1),(1,2),(2,3),(1,3) \}

# 定理

RR 具有遞移性↔R2⊆R\leftrightarrow R^2 \subseteq R

note

若∣A∣=n|A| = n,則:

  1. AA 上的具 反身性 與 對稱性 個數=2n2−n2= 2^{\frac{n^2-n}{2}}
  2. AA 上的具 反身性 但 不具對稱性 個數=2n2−n−2n2−n2= 2^{n^2-n}- 2^{\frac{n^2-n}{2}}
  3. AA 上的 不具反身性 且 不具非對稱性 個數=(2n2−2)2n2−n= (2^{n^2}-2)2^{n^2-n}
note
  1. R,SR,S 具有反身性↔R∩S,R∪S\leftrightarrow R \cap S , R \cup S 皆具有反身性
  2. R,SR,S 具有對稱性↔R∩S,R∪S\leftrightarrow R \cap S , R \cup S 皆具有對稱性
  3. R,SR,S 具有遞移性↔R∩S\leftrightarrow R \cap S 具有遞移性
  4. R,SR,S 具有遞移性↔R∪S\leftrightarrow R \cup S 未必具有遞移性

# 等價關係 → 分堆關係

# 等價關係 equivalence relation (ER)

R⊆A×AR \subseteq A \times A,若RR 具有 反身性 、 對稱性 、 遞移性
稱RR 為AA 上的一等價關係
eg.A={1,2,3,4},R={(1,1),(2,2),(3,3),(4,4),(1,2),(2,1),(3,4),(4,3)}A = \{ 1,2,3,4 \},R = \{ (1,1),(2,2),(3,3),(4,4),(1,2),(2,1),(3,4),(4,3) \}

# 等價類 equivalence class (EC)

R⊆A×AR \subseteq A \times A 為一等價關係,a∈Aa \in A
定義[a]={x∣xRa}[a] = \{ x| xRa \}稱為aa 的等價類

eg.A={1,2,3,4},R={(1,1),(2,2),(3,3),(4,4),(1,2),(2,1),(3,4),(4,3)}A = \{ 1,2,3,4 \},R = \{ (1,1),(2,2),(3,3),(4,4),(1,2),(2,1),(3,4),(4,3) \}
[1]={1,2}=[2][1] = \{1,2\} = [2]
[3]={3,4}=[4][3] = \{3,4\} = [4]

# 引理

R⊆A×AR \subseteq A \times A 為一等價關係,a,b∈A,aRb⇔[a]=[b]a,b \in A,aRb \Leftrightarrow [a] = [b]

# 分割

令A1,A2,...,Ak∈AA_1,A_2,...,A_k \in A,滿足:

  1. A1∪A2∪A3∪...∪Ak=AA_1 \cup A_2 \cup A_3 \cup ... \cup A_k = A
  2. Ai∩Aj=ϕ,∀i≠jA_i \cap A_j = \phi, \forall i \neq j

# 定理

R⊆A×AR \subseteq A \times A 為一等價關係⇒P={[a]∣a∈A}\Rightarrow P = \{ [a]| a \in A \}形成AA 的一分割

note

A={1,2,3,4,5}A = \{ 1,2,3,4,5 \}
R={(1,1),(2,2),(3,3),(4,4),(5,5),(1,2),(2,1),(1,3),(3,1),(2,3),(3,2),(4,5),(5,4)}R = \{(1,1),(2,2),(3,3),(4,4),(5,5),(1,2),(2,1),(1,3),(3,1),(2,3),(3,2),(4,5),(5,4) \}
[1]={1,2,3}=[2]=[3][1] = \{ 1,2,3 \} = [2] = [3]
[4]={4,5}=[5][4] = \{ 4,5 \} = [5]
A={1,2,3}∪{4,5}A = \{1,2,3 \} \cup \{4,5 \}為RR 所對應的分割

# 關係 Closure

令R⊆A×AR \subseteq A \times A

  1. r(R)r(R) 表示包含RR 的最小反身關係,稱為 reflexive closure
  2. s(R)s(R) 表示包含RR 的最小對稱關係,稱為 symmetric closure
  3. t(R)t(R) 表示包含RR 的最小遞移關係,稱為 transitive closure
    ( 解題時,推薦用 畫圖 解法,快又不容易錯
等價關係包

A={1,2,3}A = \{ 1,2,3\}
R1={(1,1),(2,2),(3,3)}↔A={1}∪{2}∪{3}R_1 = \{ (1,1),(2,2),(3,3) \} \leftrightarrow A = \{1\} \cup \{2\} \cup \{3\}
R2={(1,1),(2,2),(3,3),(1,2),(2,1)}↔A={1,2}∪{3}R_2 = \{ (1,1),(2,2),(3,3),(1,2),(2,1) \} \leftrightarrow A = \{1,2\} \cup \{3\}
R1⊆R2⇒R1R_1 \subseteq R_2 \Rightarrow R_1 對應的分割為R2R_2 對應的分割的加細分割

分割最細 = 等價關係包

note

R1,R2R_1,R_2 各為一等價關係,對應分割分別為π1,π2\pi_1 ,\pi_2

  1. R1∩R2R_1 \cap R_2 仍為等價關係包,對應分割記作π1∙π2\pi_1 \bullet \pi_2
  2. t(R1∪R2)t(R_1 \cup R_2) 仍為等價關係包,對應分割記作π1+π2\pi_1 + \pi_2
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