离散数学期末复习（3）：关系
目录
9.1 Relations and Their Properties (关系及其性质)
1.二元关系（binary relation）
（1）基本概念：
（2）自反（reflexive）
（3）对称（symmetric）
（4）反对称（antisymmetric）
编辑（5）传递性（transitive）
2.复合关系
9.3 Representing Relations (关系的表示)
1.矩阵如何表示关系
2.矩阵运算
（1）并集和交集
（2）矩阵复合
编辑 （3）复合矩阵的幂
3.图是怎么表示关系的
（1）有向图
（2）关系
9.4 Closures of Relations (关系的闭包)
1.定义：
编辑 2.自反闭包
3.对称闭包
4.路径（path）
5.传递闭包
9.5 Equivalence Relations (等价关系)
1.等价关系
2.字符串
3.等价关系的判断（从传递性，对称性，自反性三个方面考虑）
（1）同余模
（2）除法
4.等价类（Equivalence Classes）
（1）同余类（Congruence Classes）
（2）集合A的关系等价类的并集就是他自己
（3）集合的划分
9.6 Partial Orderings (偏序)
1.偏序的定义：
2.偏序集
3.字典排列
4.哈塞图（Hasse Diagrams）
（2）最大元素(maximal element(s))和最小元素(minimal element(s))
（3）最大最小元
（4）上下界
（5）最小上下界
（6）格（lattice）
（7）拓扑排序（Topological Sorting）
9.1 Relations and Their Properties (关系及其性质)
1.二元关系（binary relation）
（1）基本概念：
一个二元关系R是集合A到集合B的一个子集
集合A上的二进制关系就是A×A的子集和集合A到A的关系
那么集合A上面有多少关系呢？
因为A×A有n^2个元素，所以A×A有2^n^2个子集
（2）自反（reflexive）
设R是集合A上的一个关系， 如果对A中的每一个元素x, 均有(x, x) ∈ R， 则称R是自反关系，即 R是自反的 ⇔ ∀x(x∈A →x, x) ∈R).
例如：正整数集合上的整除关系 (正整数总能被自己整除)， 相等关系等都是自反的关系。整数集合上的大于关系， 小于关系等都不是自反的关系。
下面三个是自反关系的例子
下面是三种情况不是自反
（3）对称（symmetric）
设R是集合A上的一个关系， 如果对A中的每一个元素x和元素y, 如有(x, y) ∈ R，必有(y, x)∈R, 则称R是对称关系，即 R是对称的 ⇔ ∀x∀y (x∈A ∧ y∈A ∧(x, y) ∈ R → (y, x) ∉ R)
例如：整数集合上的等于关系，任意集合上的全域关系， 同学关系，朋友关系等都是对称的。
（4）反对称（antisymmetric）
（5）传递性（transitive）
设R是集合A上的一个关系， x、y、z是A中的元素, 若(x, y) ∈ R 和 (y, z) ∈ R,
必有(x , z) ∈ R, 则称R是传递关系。
例如：实数集合上的大于关系， 小于关系都是传递关系，同学关系、朋友关系等不一定是传递的。
2.复合关系
R1是集合A到集合B的关系
R2是集合B到集合C的关系
R2和R1的复合关系 R2
R1 = 集合A到集合C的关系（有点传递的味道）
关系的幂（用归纳法）
传递关系的幂是该关系的子集
9.3 Representing Relations (关系的表示)
1.矩阵如何表示关系
（1）有限集之间的关系可以用零1矩阵来表示
（2）A = {a1,a2,a3,...}
B = {b1,b2,b3,...}
两个集合之间的关系R何以用
来表示
（3）如果R是自反关系，那矩阵里主对角线上的元素都是1
（4）如果R表示对称关系，那么MR是对称矩阵
如果R表示反对称关系，那么矩阵里i≠j时，mij = 0或者mji = 0
2.矩阵运算
（1）并集和交集
并集就是两个矩阵相同位置上的元素按照真值表进行析取（有至少一个1为1，同0为0）
交集就是两个矩阵相同位置上的元素按照真值表进行合取（有至少一个0为0，同1为1）
（2）矩阵复合
其实就是两个矩阵相乘（注意矩阵乘法的前提）
（3）复合矩阵的幂
3.图是怎么表示关系的
（1）有向图
一个有向图由一组顶点V（点，vertices）组成，以及一组被称为E, (边, edge)的有序元素对组成
顶点a称为边（a，b）的始点，顶点b称为该边的终点；边（a，a）称为环
（2）关系
自反性：就是一个环绕着一个点
对称性：如果边（x, y)存在，那么（y, x）必须存在，必须存在双向边
反对称性：如果边（x, y）（x≠y）存在，那么边（y, x）不存在，只存在单项边
传递性：如果边（x,y）和（y, z）都存在，那么边（x, z）必须存在
如果条件（边（x,y）和（y, z））里面少了一条边，而且结果（边（x, y））也不存在，也就是说只有一条单向边（a指向b，但b不指向任何点），这种情况也满足传递性
在一幅图里面，如果找到一组或一条边不符合上面的性质，那这个图就没有对应的性质
9.4 Closures of Relations (关系的闭包)
1.定义：
2.自反闭包
设 R = {(a, b) | a < b}是自然数集合上的一个关系
R的自反闭包为
3.对称闭包
R的对称闭包
4.路径（path）
在有向图中，从a到b的路径是一组边的序列
比如（a,x1), (x1, x2), (x2, x3)等等
路径的长度就是路径的边的总数
（1）边集为空时，路径长度为0
（2）长度n-1，起点和重点都在同一位置的路径被称为圈
路径和边的关系：
（1）有向图中的一条路径可以多次通过一个顶点
（2）有向图中的一条边可以在一条路径中出现不止一次
5.传递闭包
（1）连通关系
连通关系R*由成对的路径（a，b）组成，指的是从a到b包含的n种走法，每种走法的路径大小至少为1.
Rn是路径（a，b）的集合，指的是从a到b的一条长度为n的路径
（2）传递闭包 = 连通关系R*
传递闭包的例子
用零1矩阵来表示传递闭包
9.5 Equivalence Relations (等价关系)
1.等价关系
如果一个集合上的关系是自反的、对称的、传递的，则称为等价关系
集合上的元素等价可以写成
2.字符串
I(x)表示x 的字符串长度，当集合上的两个元素的字符串长度相等的时候（I(a) = I(b))，我们称a和b之间存在关系，写成aRb
自反性：I(a) = I(a)，比如aRa
对称性：aRb,如果I(a) = I(b)成立，I(b) = I(a)也成立，我们可以得出bRa
传递性：假设有aRb和bRc。由于(a)=(b)和(a)=(c)都成立，我们可以得出aRc
3.等价关系的判断（从传递性，对称性，自反性三个方面考虑）
（1）同余模
当a-b是m的倍数时，我们可以得出
（2）除法
4.等价类（Equivalence Classes）
与A的元素a相关的所有元素的集合称为a的等价类，在关系R上的等价类写成
集合里两个元素等价可以表示成
（1）同余类（Congruence Classes）
一个整数a模m的同余类表示为
比如：
（2）集合A的关系等价类的并集就是他自己
（3）集合的划分
把集合分割成一块一块的
例子：
集合划分的等价类
9.6 Partial Orderings (偏序)
R是非空集合A上的关系，如果R是自反的，反对称的，和传递的，则称R是A上的偏序关系。（和等价关系的区分：等价关系有对称性，没有反对称；偏序有反对称，没有对称）
1.偏序的定义：
设R是集合A上的一个二元关系，若R满足：
Ⅰ 自反性：对任意x∈A，有xRx；
Ⅱ 反对称性（即反对称关系）：对任意x,y∈A，若xRy，且yRx，则x=y；
Ⅲ 传递性：对任意x, y,z∈A，若xRy，且yRz，则xRz。 则称R为A上的偏序关系。
例子：证明“大于或等于”关系（≥）是在整数集合上的偏序
2.偏序集
集合S和偏序R组成偏序集，记作（S, R）
如果a≼b或b≼a，那么当a和b是偏序集（S,≼) 的元素时，那么a和b是可比的。
当a和b是（S,≼) 的元素，但是不满足a≼b和b≼a，那么a和b被称为不可比的。
（这里的≤可以替换成任何数学符号，如果偏序集里面的元素经过该符号运算之后数学逻辑结果存在，那就是可比的，反之不可比。）
例子：
如果S的每两个元素都具有可比性，那么S被称为全序集(totally ordered set)或线序集(linearly ordered set)，≼被称为全序(total order)或线序。
一个全序集也被称为链。
偏序集(S,≼)中，≼是全序，并且S每个非空子集都有一个最小元素，那这个偏序集被称为良序集(well-ordered set)
3.字典排列
假设有两个偏序集（A1、≼1）和（A2、≼2），A1⨉A2上的字典排序通过指定（a1, a2）小于（b1, b2），即（a1, a2）≺（b1, b2）、a1≺
b1或a1=b1和a2≺
b2来定义
从两个集合第一个元素开始比较，小的排前面，相等就跳到下一个元素。
这里第三个元素3小于4，所以第一个个偏序集小于第二个， 只要找到大小关系，就不管后面元素的大小关系了
4.哈塞图（Hasse Diagrams）
（1）定义：
哈塞图是一种部分排序的视觉表示，它忽略了自反和传递性质所呈现的边
a图到b图，消除了自反留下的环；b图到c图，消除了传递产生的边
（2）最大元素(maximal element(s))和最小元素(minimal element(s))
最大元素就是画出的哈塞图最顶上（不再延伸出去）的那些元素，最小元素就是最底下的那些元素
（3）最大最小元
最大元（greatest element)：在所有元素里面最大的元素（唯一）
最小元(least element)：最小的元素（唯一）
a图有最小元，但是因为b,c,d地位相等，所以不存在最大元；
b图最大元素和最小元素各有两个，所以没有最大元和最小元
（4）上下界
设A是S的一个子集
上界（upper bound）：u是S里的一个元素，而且S里面的所有元素都≤u, 这个u就是A的上界
下界（lower bound）：a是S里的一个元素，而且S里面的所有元素都≥a, 这个a就是A的下界
（5）最小上下界
最小上界（least upper bound）：在所有上界元素里面最小的元素（唯一）
最大下界（greatest lower bound）：在所有下界元素里面最大的元素（唯一）
{b,d,g}的上界元素有g和h, 因为g小于h，所以g就是最小上界
（6）格（lattice）
如果一个偏序集每一对元素都有最小上界，也有最大下界，那么这个偏序集称为格
（7）拓扑排序（Topological Sorting）
假设R是一个偏序，如果每当aRb都有a≼b，则说一个全序≼与偏序R兼容，从偏序构造一个兼容的全序的过程称为拓扑排序。
拓扑排序的步骤：
1.找出偏序集（A, ≤）的最小元素a1
2.把a1删除，接着在偏序(A − {a1 }, ≼ )找最小元素a2
3.删除a2，继续在偏序(A − {a1 , a2 }, ≼ )找最小元素a3
以此类推，直到A为空
例子：拓扑排序偏序({1, 2, 4, 5, 12, 20}, |)
全序排列：1 ≺ 5 ≺ 2 ≺ 4 ≺ 20 ≺ 12（这里先删除5和先删除2是一样的）
拓扑排序下面的哈塞图
