Какие бинарные отношения обладают свойством транзитивности

Рефлексивные и иррефлексивные бинарные отношения

В этой лекции дана определенная классификация бинарных отношений на множестве. В основе этой классификации лежат специальные свойства отношений.

Бинарное отношение на множестве называют рефлексивным, если диагональ множества содержится в , т.е. для любого элемента множества .

Если же , то бинарное отношение на множестве называют иррефлексивным.

Указанные свойства бинарных отношений на множестве называют рефлексивностью и иррефлексивностью.

Бинарные отношения равенства и подобия на множестве геометрических фигур рефлексивны: каждый треугольник равен самому себе и подобен самому себе. На самом деле рефлексивны все отношения равенства: равенство чисел, равенство векторов, равенство множеств и т.п. Также рефлексивными являются, например, бинарное отношение нестрогого неравенства на множестве действительных чисел, поскольку для любого числа всегда , и отношение включения множеств, так как для любого множества всегда .

Напротив, бинарное отношение на множестве действительных чисел, задаваемое строгим неравенством , иррефлексивно, равно как и отношение строгого включения множеств.

Не следует путать иррефлексивное отношение с нерефлексивным, т.е. не являющимся рефлексивным, отношением. Иррефлексивное отношение нерефлексивно, но не всякое нерефлексивное отношение иррефлексивно. Иррефлексивному отношению на не принадлежит ни один элемент диагонали , а нерефлексивное отношение может содержать некоторые (но не все!) элементы диагонали. На рис. 1.7 приведены примеры графиков иррефлексивного и нерефлексивного отношений (пунктиром указаны диагонали множеств).

Симметричные и антисимметричные бинарные отношения

Бинарное отношение на множестве называют:

1) симметричным, если для любых из следует ;
2) антисимметричным, если для любых из одновременной справедливости и следует, что .

Соответствующие свойства бинарных отношений на множестве называют симметричностью и антисимметричностью.

График симметричного бинарного отношения на множестве симметричен относительно диагонали (рис. 1.8).

Теорема 1.1. Бинарное отношение на множестве симметрично, если и только если бинарное отношение на множестве , обратное к , совпадает с .

Пусть , то есть . Тогда, в силу симметричности . Следовательно, . Аналогично доказывается включение .

Теперь пусть . Тогда и . Из определения обратного отношения вытекает, что . Следовательно, — симметричное бинарное отношение.

Теорема 1.2. Бинарное отношение на множестве антисимметрично, если и только если .

Действительно, если , то и (т.е. ). Но из выполнения соотношений и ввиду антисимметричности следует, что , то есть .

Обратно, пусть . Предположим, что и , причем . Тогда и , но . Получаем противоречие.

Отметим, что для антисимметричного бинарного отношения на множестве может иметь место равенство .

Все бинарные отношения в геометрии типа равенства или подобия симметричны. Так, если треугольник подобен треугольнику , то и второй из этих треугольников подобен первому. Бинарные отношения неравенства чисел и включения множеств, как строгие, так и не строгие, антисимметричны.

Бинарное отношение на множестве называют транзитивным, если для любых из того, что и , следует . Соответствующее свойство бинарного отношения называют транзитивностью.

Пример 1.12. а. Пусть — некоторое множество населенных пунктов. Зададим на нем бинарное отношение достижимости: из пункта достижим пункт , если есть дорога, по которой можно доехать из в . Это отношение транзитивно, поскольку если из пункта можно доехать до пункта , а из есть дорога до , то из можно проехать в .

б. Бинарные отношения равенства и подобия в геометрии являются транзитивными: если треугольник подобен треугольнику , а этот последний подобен треугольнику , то первый треугольник подобен третьему.

в. Бинарное отношение неравенства на множестве действительных чисел не транзитивно, так как из того, что и , вовсе не следует, что . Аналогично, если друг , а друг , то — вопреки известной поговорке — это не означает, что друг .

Транзитивность бинарного отношения

Докажем следующее важное свойство транзитивного бинарного отношения.

Теорема 1.3. Бинарное отношение на множестве транзитивно тогда и только тогда, когда его квадрат содержится в нем, т.е. .

Пусть бинарное отношение на множестве транзитивно и . В силу определения композиции бинарных отношений на множестве существует такой элемент , что и , откуда ввиду транзитивности получаем , то есть , а значит, .

Обратно, пусть бинарное отношение на множестве таково, что , а и . Тогда в силу определения композиции бинарных отношений на множестве имеем . Поскольку , то . Таким образом, из того, что и , следует, что , т.е. бинарное отношение на множестве транзитивно.

Доказанное свойство целесообразно использовать для проверки транзитивности бинарного отношения на некотором множестве в тех случаях, когда построение квадрата является более легкой задачей по сравнению с исследованием свойства транзитивности на основе определения.

Плотное бинарное отношение

Бинарное отношение на множестве называется плотным, если для любых , отличных друг от друга и таких, что , найдется , отличный и от и от , такой, что и .

Образно говоря, для любой пары элементов, связанных плотным отношением, всегда найдется третий элемент, который “встраивается между ними” и связан с каждым из них тем же отношением. Так, отношения неравенства (строгого и нестрогого) на множествах рациональных и действительных чисел плотны, но аналогичные отношения на множествах целых и натуральных чисел плотными не являются. В самом деле, каковы бы ни были рациональные (или действительные) числа и , из того, что , следует, что существует число , отличное как от , так и от , такое, что . Например, подходит число . Но для целых чисел и такого “промежуточного” целого числа нет.

Если — плотное бинарное отношение на множестве и для некоторых имеет место , то найдется , такой, что и . Отсюда в силу определения композиции отношений следует, что . Значит, из следует , то есть .

Итак, если плотно, то оно содержится в своем квадрате. Напомним, что для транзитивного бинарного отношения . Следовательно, если бинарное отношение одновременно плотно и транзитивно, то .

Классы бинарных отношений

Среди всех бинарных отношений на произвольном множестве выделяют классы отношений в зависимости от свойств, которыми эти отношения обладают.

Бинарное отношение на некотором множестве называют:

1) эквивалентностью, если оно рефлексивно, симметрично и транзитивно;
2) толерантностью, если оно рефлексивно и симметрично;
3) порядком (или частичным порядком), если оно рефлексивно, антисимметрично и транзитивно;
4) предпорядком (или квазипорядком), если оно рефлексивно и транзитивно;
5) строгим порядком, если оно иррефлексивно, антисимметрично и транзитивно;
6) строгим предпорядком, если оно иррефлексивно и транзитивно.

Определенные выше бинарные отношения называют отношениями эквивалентности, толерантности, порядка (частичного порядка), предпорядка (квазипорядка), строгого порядка, строгого предпорядка.

Пример 1.13. а. Бинарное отношение параллельности двух прямых или двух плоскостей в евклидовой геометрии, если считать каждую прямую (плоскость) параллельной самой себе, есть отношение эквивалентности.

б. Бинарное отношение на множестве всех непустых подмножеств некоторого множества , для которого тогда и только тогда, когда , является толерантностью. Это отношение рефлексивно и симметрично, но не транзитивно. Действительно, из того, что и , никак не следует, что (рис. 1.9).

в. Примером отношения порядка является естественный числовой порядок, т.е. отношение неравенства на любом числовом множестве.

Часто это отношение называют просто естественным порядком. Поскольку в дискретной математике нам приходится иметь дело со многими порядками на нечисловых множествах, мы все время будем говорить „естественный числовой порядок”, подчеркивая тем самым, что речь идет об отношении порядка на множестве действительных чисел (или об его ограничении на множества рациональных, целых или натуральных чисел).

г. На множестве натуральных чисел зададим бинарное отношение , означающее, что делит ( является делителем ). Это отношение рефлексивно, поскольку любое число является делителем самого себя. Покажем антисимметричнсть. Пусть делит и в то же время делит . Тогда найдется натуральное число , такое, что , и найдется , такое, что . Отсюда , что на множестве натуральных чисел возможно только при . Следовательно, . Покажем транзитивность. Если делит , а делит , то найдутся натуральные числа , такие, что и . Отсюда имеем , т.е. — делитель . Таким образом, “отношение делимости” на множестве является отношением порядка.

Если распространить это отношение на множество целых чисел, то оно будет уже только предпорядком, поскольку теряется свойство антисимметричности. Например, 2 делится на –2 и –2 делится на 2, однако .

д. Рассмотрим множество всех подмножеств множества . Покажем, что отношение включения на множестве есть порядок. Это отношение рефлексивно, так как для любого множества справедливо включение . Поскольку для любых двух множеств и из и следует, что , рассматриваемое отношение антисимметрично. Из определения включения вытекает, что если и , то . Следовательно, отношение транзитивно.

е. Отношение строгого неравенства на числовом множестве, равно как и отношение строгого включения множеств, есть отношение строгого порядка.

ж. В качестве примера отношения строгого предпорядка можно привести отношение “строгой достижимости” на некотором множестве населенных пунктов: пункт считаем строго достижимым из отличного от него пункта , если есть дорога (автомобильная, железная и т.п.) из в , причем принимается, что никакой пункт не является строго достижимым из себя самого.

Связь между классами бинарных отношений

Отношения толерантности, эквивалентности, предпорядка и порядка — важнейшие в современной математике. Связь между этими четырьмя классами бинарных отношений показана на рис. 1.10. Можно сказать, что эквивалентность есть транзитивная толерантность или симметричный предпорядок. Порядок же есть антисимметричный предпорядок.

Для любого бинарного отношения можно построить отношение следующим образом: тогда и только тогда, когда или существует последовательность , такая, что и для каждого выполняется . В частности, если , то есть , то это означает, что приведенное условие выполняется при . Следовательно, , то есть .

Отношение называют рефлексивно-транзитивным замыканием бинарного отношения на соответствующем множестве.

Можно также обозначить , и тогда .

Отношение является рефлексивным, так как . Докажем его транзитивность. Пусть для каких-то выполняется и . Докажем, что . Будем считать, что элементы попарно различны (так как при или доказывать нечего). Тогда существуют последовательности

и ,

такие, что для каждого и для каждого .

В итоге получаем последовательность

, где ,

для всякого , для всякого , такую, что для любого , то есть , что и требовалось доказать.

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

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