関係(数学)

集合A = { a, b, c, d }における関係の例の図解。 xからyの矢印は、 xyの間に関係が成立していることを示します。この関係は、順序付きペアの集合 { (a,a), (a,b) , (a,d), (b,a), (b,d), (c,b), (d,c), (d,d) }によって表されます。

数学において関係とは、集合内の2 つのオブジェクト間の何らかの関係を表します。この関係は、成立する場合もあれば、成立しない場合もあります。[1]たとえば、「はより小さい」は自然数の集合上の関係です。この関係は、たとえば、値13の間 ( 1 < 3と表記)、同様に34の間 ( 3 < 4と表記) に成立しますが、値31 の間や44の間では成立しません。つまり、3 < 14 < 4は両方とも false と評価されます。別の例として、「は姉妹であるはすべての人物の集合上の関係であり、たとえばMarie CurieBronisława Dłuskaの間で成立し、同様にその逆も同様です。集合のメンバーは、「ある程度」関係にあるとは限りません。つまり、関係にあるか、ないかのどちらかです。

正式には、集合X上の関係Rは、 Xの要素の順序付きペア( xy )の集合と見なすことができます[2] ( xy )がRの要素である場合、xyの間に関係Rが成り立ちます。たとえば、自然数上の関係「はより小さい」は、 (1,3)(3,4)の両方を含み(3,1)(4,4)のどちらも含まない、自然数のペアの無限集合Rより小さいです。1 桁の自然数の集合上の関係「は の非自明な約数であるは、ここに示すほど十分に小さいです。 R dv = { (2,4), (2,6), (2,8), (3,6), (3,9), (4,8) }。例えば、2は8の非自明な約数ですが、その逆は当てはまりません。したがって、(2,8) ∈ R dvですが、(8,2) ∉ R dv です

R がxyに関して成り立つ関係である場合、しばしばxRyと表記されます。数学における一般的な関係のほとんどには、特別な記号が導入されています。例えば、「より小さい」を表すには「 <」 、 「約数である」を表すには「 | 」 、そして「等しい」を表すには最も一般的な「=が用いられます。例えば、「1 < 3」、「1は3より小さい」、「(1,3) ∈ Rより小さい」はすべて同じ意味です。「 (1,3) ∈ (<) 」と書く人もいます

関係の様々な特性が調査される。関係Rは、 xRx がすべてのxに対して成り立つ場合反射的であり、xRx がどのxに対しても成り立たない場合非反射的である。xRy が常にyRxを意味する場合対称的であり、xRy がyRxが不可能を意味する場合非対称的である。xRyyRzが常にxRzを意味する場合推移的である。例えば、「は より小さい」は非反射的、非対称的、推移的であるが、反射的でも対称的でもない。「は の姉妹は反射的(例えばピエール・キュリーは自身の姉妹ではない)でも対称的でも非対称的でもない。非反射的かどうかは定義の問題かもしれないが(すべての女性は自身の姉妹か?)、は の祖先 」は推移的であるが、「は の親推移的ではない。関係特性の組み合わせに関する数学的定理が知られている。例えば、「推移的関係が非対称である場合、かつその場合に限り非反射的である」などである。

特に重要なのは、特定の性質の組み合わせを満たす関係です。半順序とは、反射的、反対称的、推移的な関係です。[3]同値関係とは、反射的、対称的、推移的な関係です。[ 4]関数とは、右一意かつ左全である関係です(下記参照)。[5] [6]

関係は集合であるため、和集合積集合補集合などの集合演算を用いて操作することができ、集合代数へと導くことができる。さらに、関係の計算には、逆元を求める演算や関係を合成する演算も含まれる[7] [8] [9]

上記の関係[b]の概念は、2 つの異なる集合のメンバー間の関係 (幾何学におけるすべてのの集合とすべての直線の集合の間の「は 上にある」のような異種関係)、3 つ以上の集合間の関係 ( 「人x は時刻zに町yに住んでいる」のような有限関係)、およびクラス間の関係[c] (すべての集合のクラス上の「は の要素である」のような、二項関係 § 集合とクラス を参照) を認めるように一般化されています。

意味

集合Xが与えられたとき、 X上の関係RはXの要素の順序付きペアの集合であり、正式にはR ⊆ { ( x , y ) | x , yX }となる。[2] [10]

( x , y ) ∈ Rは「xはyとRに関連している」という意味で、中置記法ではxRy書きます [7] [8]要素の順序は重要です。x ≠ y の場合、yRxxRy独立に真または偽になります。例えば、3は9 を割り切れますが、9 は3を割り切れません

関係の表現

関係R el = { ( x , y ) ∈ R × R | x 2 + xy + y 2 = 1 } を2D プロットとして表現すると、楕円が生成されます。
y
×
1234612
1はいはいはいはいはいはい
2いいえはいいいえはいはいはい
3いいえいいえはいいいえはいはい
4いいえいいえいいえはいいいえはい
6いいえいいえいいえいいえはいはい
12いいえいいえいいえいいえいいえはい
R div
をブール行列として表現する
R divをハッセ図(黒線)と有向グラフ(全線)表現

有限集合X上の関係Rは次のように表すことができます。

  • 有向グラフ: Xの各メンバーは頂点に対応します。xからyへの有向エッジは、 ( xy ) ∈ Rの場合にのみ存在します
  • ブール行列: Xの要素はx 1 , ..., x nの固定された順序で並べられます。行列の次元はn × nで、 ij列の要素( x i , x j ) ∈ Rの場合、かつ、 さもないと。
  • 2D プロット: ブール行列の一般化として、実数の無限集合R上の関係を2 次元の幾何学的図形として表すことができます。直交座標を使用して、( xy ) ∈ Rの場合は常に( xy )を描きます。

有限集合X上の推移的[d]関係Rは次のようにも表される。

  • ハッセ図: Xの各要素は頂点に対応し、有向辺は、( x , y ) ∈Rの場合にのみxからyへの有向パスが存在するように描画されます。有向グラフ表現と比較して、ハッセ図では必要な辺の数が少なく、より複雑な図が得られます。「xからyへの有向パスが存在する」という関係は推移的であるため、ハッセ図では推移的な関係のみを表現できます。通常、図はすべての辺が上向きになるように配置され、矢印は省略されます。

例えば、12のすべての約数の集合において、関係R divを次のように 定義する。

xがyの約数であり xyの場合、 x R div y となります。

正式には、X = { 1, 2, 3, 4, 6, 12 }であり、R div = { (1,2), (1,3), (1,4), (1,6), (1,12), (2,4), (2,6), (2,12), (3,6), (3,12), (4,12), (6,12) } である。R divブール行列として表現したものを中央の表に示し、ハッセ図と有向グラフの両方として表現したものを左の図に示す。

以下は同等です:

  • x R div yは真です。
  • ( x , y ) ∈ R div
  • R divを表すハッセ図には、xからyへのパスが存在します
  • R divを表す有向グラフには、xからyへのエッジが存在します
  • R divを表すブール行列において、行x、列yの要素は「「」。

別の例として、 R上の関係R elを次のように 定義する。

x 2 + xy + y 2 = 1の場合、 x R el y となります

R elを2次元プロットで表現すると楕円が得られます(右図参照)。R有限ではないため、有向グラフ、有限ブール行列、ハッセ図のいずれもR elを表すのに使用できません。

関係の性質

集合X上の関係Rが持つ可能性のある重要な特性は次のとおりです。

反射的
すべてのxXに対してxRx が成り立ちます例えば、は反射関係ですが、>は反射関係ではありません。
非反射的(または厳密
すべてのxXに対して成り立ちますが、xRxに対しては成り立ちません。例えば、>は非反射的な関係ですが、はそうではありません。

前の 2 つの選択肢は網羅的ではありません。たとえば、下の図に示す赤い関係y = x 2は、ペア(0,0)を含みますが、ペア(2,2)を含まないため、非反射的でも反射的でもありません。

対称的
すべてのx , yXについてxRyならばyRx が成り立ちます。例えば、「は〜の血縁者である」は対称関係です。なぜなら、x がyの血縁者であるためには、 y がxの血縁者である必要があるからです
反対称
すべてのx , yXに対してxRyかつyRxならばx = yとなる。例えば、は反対称関係であり、>も同様であるが、これは空虚な関係である(定義中の条件は常に偽である)。[11]
非対称
すべてのx , yXについてxRyならばyRxではない。関係が非対称となるのは、反対称かつ非反射的な場合のみである。[12]例えば、>は非対称関係であるが、≥ はそうではない。

繰り返しますが、前の 3 つの選択肢は網羅的ではありません。自然数の例として、x > 2で定義される関係xRyは対称的 (たとえば、5 R 1だが1 R 5ではない) でも反対称的 (たとえば、 6 R 4だが4 R 6でもある) でもなく、ましてや非対称的ではありません。

推移的
すべてのx , y , zXについてxRyかつyRzならばxRz となる。推移関係が非反射的であるのは、それが非対称的である場合に限ります。[13]例えば、「〜の祖先である」は推移関係ですが、「〜の親である」は推移関係ではありません。
接続
すべてのx , yXに対しxyならばxRyまたはyRx。例​​えば、自然数では<は連結されているが、「は の約数であるは連結されていない(例えば、5 R 7でも7 R 5でもない)。
強くつながっている
すべてのx , yXxRyyRxに対して成り立ちます。例えば、自然数では、は強連結ですが、< は強連結ではありません。関係が強連結であるためには、連結かつ反射的である必要があります。
実数に関する 4 種類の関係の例: 1 対 1 (緑)、1 対多 (青)、多対 1 (赤)、多対多 (黒)。2D プロット表現が使用されます。

一意性特性

単射[e]左一意[14]とも呼ばれる)
すべてのx , y , zXについてxRyかつzRyならばx = z。例えば、図の緑と青の関係は単射ですが、赤の関係は単射ではありません(−11 の両方が1に関係するため)。黒の関係も単射ではありません(−11 の両方が0に関係するため)。
関数型[15] [16] [17] [e]右一意型[14] 右確定型[18]一価型[9]とも呼ばれる)
すべてのx , y , zXについてxRyかつxRzならばy = zが成り立ちます。このような関係は部分関数と呼ばれます。例えば、図の赤と緑の関係は関数ですが、青の関係は関数ではありません(1を-11の両方に関連付けるため)。また、黒の関係も関数ではありません(0を-1と1の両方に関連付けるため)。

全体性特性

シリアル[e]合計または左合計とも呼ばれる)
すべてのxXに対して、 xRyとなるようなyXが存在する。たとえば、図の赤と緑の関係は完全だが、青の関係は完全ではない(-1 をどの実数にも関連付けていないため)。黒の関係も完全ではない(2 をどの実数にも関連付けていないため)。別の例として、>は整数にわたって直列関係である。しかし、正の整数にわたっては直列関係ではない。なぜなら、1 > yとなるような正の整数にはy が存在しないからである。[19]ただし、<は正の整数、有理数、実数にわたって直列関係である。すべての反射関係は直列である。つまり、与えられたxに対して、y = xを選択する。
全射[e]右全[14]または全射とも呼ばれる)
任意のyYに対して、 xRyとなるようなxXが存在する。例えば、図の緑と青の関係は射影的であるが、赤の関係は射影的ではない(どの実数も-1に関連しないため)。黒の関係も射影的ではない(どの実数も2に関連しないため)。

プロパティの組み合わせ

財産による関係
反射性
半順序反射反対語はいサブセット
厳密な半順序イレフル非対称はい厳密なサブセット
合計注文反射反対語はいはいアルファベット順
厳密な全順序イレフル非対称はいはい厳密なアルファベット順
同値関係反射シンはい平等

上記の特性の特定の組み合わせを満たす関係は特に有用であるため、独自の名前が付けられています。

同値関係
反射的、対称的、推移的な関係。これらの特性は反射性を意味するため、対称的、推移的、直列的な関係でもある。

注文

半順序
反射的、反対称的、推移的な関係。
厳密な半順序
非反射的、非対称的、推移的な関係。
合計注文
反射的、反対称的、推移的、連結的な関係。[20]
厳密な全順序
非反射的、非対称的、推移的、かつ連結的な関係。

一意性特性

一対一[e]
単射かつ関数的。例えば、図の緑の関係は1対1ですが、赤、青、黒の関係は1対1ではありません。
1対多[e]
単射的であり、関数的ではありません。例えば、図の青い関係は1対多ですが、赤、緑、黒の関係はそうではありません。
多対一[e]
関数的であり、単射的ではありません。例えば、図の赤い関係は多対一ですが、緑、青、黒の関係は多対一ではありません。
多対多[e]
単射でも関数的でもない。例えば、図の黒い関係は多対多ですが、赤、緑、青の関係は多対多ではありません。

一意性と全体性

関数[ e]
関数的かつ完全な関係。例えば、図中の赤と緑の関係は関数ですが、青と黒の関係は関数ではありません。
注射[e ]
単射的な関数。例えば、図の緑の関係は単射ですが、赤、青、黒の関係は単射ではありません。
射影[e]
射影的な関数。例えば、図の緑の関係は射影的ですが、赤、青、黒の関係は射影的ではありません。
一対一表現[e]
単射かつ全射である関数。例えば、図の緑の関係は単射ですが、赤、青、黒の関係は単射ではありません。

関係に対する操作

ユニオン[f]
RSがX上の関係である場合RS = { ( x , y ) | xRyまたはxSy }はRS和集合関係です。この演算の単位元は空関係です。例えば、≤は<=の和集合であり≥ は>=の和集合です
交差点[f]
RSがX上の関係である場合RS = { ( x , y ) | xRyxSy }はRS交差関係です。この演算の単位元は普遍関係です。例えば、「同じスートの低いカードである」は、「より低いカードである」と「同じスートに属する」の交差です。
構成[f]
RSがX上の関係である場合SR = { ( xz ) | yXが存在しxRyおよびySz } ( R ; Sとも表記) はRS相対積です。単位元は恒等関係です。ここで使用する表記SRにおけるRSの順序は、関数の合成の標準的な表記順序と一致しています。たとえば、「〜の母親である」∘「の親である」という合成は「〜の母方の祖父母である」となり、また「〜の親である」「〜の母親である」という合成は「〜の祖母である」となります。前者の場合、xがyの親でy がzの母親である場合xはzの母方の祖父母です
コンバース[f]
Rが集合XY上の関係である場合R T = { ( y , x ) | xRy }はRYX上の逆関係です。例えば、=はそれ自身の逆であり、≠ も同様です。また、<>は互いの逆であり、≥ も同様です。
補数[f]
RがX上の関係である場合R = { ( x , y ) | x , yXかつxRyではない} ( Rまたは¬ Rとも表記)はR補関係です。例えば、=≠ は互いに補関係であり、も同様です。また、全順序の場合、<>≤も同様です。逆関係R Tの補関係は、補関係の逆です。
制限[f]
RがX上の関係でありSがXの部分集合である場合R | S = { ( x , y ) | xRyかつx , yS }RからS制約関係。式R | S = { ( x , y ) | xRyかつx S }RからS左制約関係。式R | S = { ( x , y ) | xRyかつy S }RからS右制約関係。関係が反射的、非反射的、対称的反対称的非対称的推移全的三分的半順序全順序厳密な弱順序全前順序(弱順序)、または同値関係である場合、その制約も同様です。ただし、推移閉包は推移閉包の制約のサブセットです。つまり、一般には等しくありません。たとえば、「 x はy親である」という関係を女性に制限すると、「 xは女性yの母親である」という関係が生成されます。この推移閉包では、女性と父方の祖母は関連付けられません。一方、「〜の親である」の推移閉包は「〜の祖先である」であり、これを女性に制限すると、女性と父方の祖母は関連付けられます。

集合XYの関係Rは、R S書き、 RSの部分集合あるとき、つまりすべてのx Xy Yについて、 xRyならばxSyあるとき、 R がS含まれ、 SRに含まれるときRS等しいと言い、 R = Sと書きます。 RがSに含まれるS がRに含まれない場合 Rは等しいと言います。Sより小さい R S。例えば有理数、関係>より小さく、合成> ∘ >

関係に関する定理

  • 関係が非対称となるのは、反対称かつ非反射的である場合のみです。
  • 推移的な関係は、非対称である場合にのみ、非反射的です。
  • 関係が反射的となるのは、その補関係が非反射的である場合のみです。
  • 関係が強く接続されるのは、それが接続されていて反射的である場合のみです。
  • 関係は、対称的である場合に限り、その逆関係と等しくなります。
  • 関係は、その補関係が反対称である場合にのみ連結されます。
  • 関係が強く結びついているのは、その補関係が非対称である場合に限ります。[21]
  • RSが集合X上の関係であり、RがSに含まれる場合
    • Rが再帰的、連結的、強連結的、左合計的、または右合計的である場合、 Sも同様です。
    • Sが非反射的、非対称的、反対称的、左一意的、または右一意的である場合、 Rも同様です。
  • 関係は、その逆がそれぞれ反射的、非反射的、対称的、非対称的、反対称的、連結的、強く連結的、推移的である場合に、それぞれ反射的、非反射的、対称的、非対称的、反対称的、連結的、強く連結的、推移的となります。

一般化

上記の関係の概念は、2つの異なる集合の要素間の関係を許容するように一般化されています。集合XYが与えられたとき、XY上の異種関係 Rは{ ( xy ) | xXyY }のサブセットです[2] [22] X = Yの とき、上記の関係の概念が得られます。これは、その一般化と区別するために、同種関係(または自己内関係) [23] [24]と呼ばれることがよくあります。 [e][f]でそれぞれマークされている上記のプロパティと操作は、異種関係にも一般化されます。異種関係の例としては、「海x は大陸yに接する」などがあります。最もよく知られている例は、sqrt : NR +などの、異なる定義域と値域を持つ関数[g]です。

参照

注記

  1. ^ そうであれば、「 is sister of も推移的になります。
  2. 一般化からの描写が重要な場合には「同次二項関係(集合上)」と呼ばれる
  3. ^ 集合の一般化
  4. ^ 下記参照
  5. ^ abcdefghijklm これらの特性は異種関係にも一般化されます。
  6. ^ abcdefg この操作は異種関係にも一般化されます。
  7. ^ つまり、右は一意、左は合計は異質な関係である

参考文献

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