פרק 1 – יחסים (בינאריים) - Or-Alfa
Transcription
פרק 1 – יחסים (בינאריים) - Or-Alfa
רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג פרק – 3יחסים בינאריים פרק זה מהווה המשך ישיר של הפרק הקודם – מבוא לתורת הקבוצות. הוא עוסק בהגדרת המושג :יחס בינארי – יחס המוגדר בין שתי קבוצות, בסקירת תכונותיו וסוגיו השונים. נציין (ונראה זאת בהמשך) כי המושג יחס בינארי מהווה הכללה של מושג יסודי אחר במתמטיקה -פונקציה (המוגדרת אף היא בין שתי קבוצות). הגדרה ,יצוג ותכונות יסודיות תהיינה Aו B -קבוצות כלשהן R .הוא יחס בינארי מקבוצה Aלקבוצה B אם"ם . R A B תהי Aקבוצה כלשהי R .הוא יחס בינארי מעל קבוצה Aאם"ם Rהוא יחס מקבוצה Aלעצמה ,משמע. R A A : הערה :מכאן ואילך נשמיט את המילה 'בינארי' ונאמר רק יחס ,כאשר הכוונה היא כמובן ליחס בינארי. בהינתן קבוצות Aו B -כלשהן ,מוגדרים היחסים (המיוחדים) הבאים מ A -ל:B - □ היחס הריק ) A B ( - □ היחס המלא ) A B A B ( A B - אם , A Bאז ניתן להגדיר גם את היחס המיוחד הבא (מעל :)A □ יחס הזהות ) IA A A ( Id A IA : a,a : a A - דוגמאות :תהיינה A 1,2,3 , B 4,5שתי קבוצות. A B , , S1 1, 4 , 2, 4 , 3,5 , R1 1,4 , 2,5 oהם יחסים מ A -ל.B - , R 2 4,1 , 5,2 o B A , , S2 4,1 , 4, 2 , 5,3הם יחסים מ B -ל.A - V , T 1,4 , 2,3 , 3,5 oאינם יחסים מ A -ל B -ואף אינם יחסים מ- Bל.A - 33 מתמטיקה בדידה 1תשע"ג o רפאל ברכאן R 1,1 , 2,1 , 3, 2 הוא יחס מעל ( Aמ A -ל.)A - o S 1,1 , 1, 2 , 1,3 , 2, 2 , 2,3 , 3,3הוא יחס מעל ( Aמ A -ל ,)A -אשר o U 1, 2 , 1,3 , 2,3הוא יחס מעל ( Aמ A -ל ,)A -אשר ניתן להגדרה o o הוא יחס מעל ( Aוגם מעל .)B A A 1,1 , 1, 2 , 1,3 , 2,1 , 2, 2 , 2,3 , 3,1 , 3, 2 , 3,3 הוא היחס ניתן להגדרה באופן הבא( S a, b A A : a b :היחס מעל .)A באופן הבא( U a, b A A : a b :היחס מעל .)A המלא מעל .A B B 4, 4 , 4,5 , 5, 4 , 5,5 oהוא היחס המלא מעל .B o o IA 1,1 , 2, 2 , 3,3הוא יחס הזהות מעל .A IB 4, 4 , 5,5הוא יחס הזהות מעל .B את עובדת היות aנמצא ביחס ( Rנתון) עם ,bנסמן a, b R :או aRbאו a . R b דוגמא :בהינתן A 1,2,3 , B 4,5 :שתי קבוצות ו R -יחס מ A -ל:B - 1 , R 1, 4 , 1,5 , 2,5הרי ש . R , 1R4 , 1, 4 R :כמו כן, 1,3 R : 4 112 1 .R . R , 1R 3בנוסף ,ניתן לרשום את Rגם באופן המפורש הבא : 455 3 יחס ניתן ליצוג בשני אופנים עיקריים: גרף מכוון – הזוג G V, E נקרא :גרף מכוון ,אם"ם V היא קבוצה סופית ו E -היא קבוצה של זוגות סדורים ,אשר איבריהם נמצאים ב ;V -מבחינה גיאומטרית ,ייצוג יחס (בינארי) בין שתי קבוצות כגרף מכוון מכיל אוסף של קודקודים (איברי הקבוצות ביניהן מוגדר היחס) וקשתות (חיצים מכוונים המייצגים את הזוגות הסדורים השייכים ליחס). מטריצת סמיכויות בינארית – מטריצה/טבלה מלבנית בה ערכו של כל איבר הוא 0או ;1הערך 1מייצג את שייכותו של הזוג הסדור (המתאים לאיבר בטבלה) ליחס ,בעוד הערך 0מייצג את אי-שייכותו של הזוג הסדור (המתאים לאיבר בטבלה) ליחס; אם היחס הוא מעל קבוצה ( Aכלשהי) אז המטריצה ריבועית. 34 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג דוגמאות :תהיינה A 1,2,3 , B 4,5שתי קבוצות. oנייצג את היחס R 1,4 , 2,4 , 3,5 :מ A -ל B -בשני האופנים הנ"ל. B A 4 1 2 3 5 5 4 0 0 1 1 1 0 B A 1 2 3 oגם את היחס S 1,1 , 1,2 , 2,1 , 2,3 :מעל Aנייצג בשני האופנים הנ"ל. 1 3 2 3 2 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 A A 1 2 3 35 מתמטיקה בדידה 1תשע"ג רפאל ברכאן יהי Rיחס מקבוצה Aלקבוצה .B נגדיר את תחום היחס Rכקבוצת כל הרכיבים הראשונים בזוגות הסדורים ביחס (נסמנו ,) Domain R :ואת טווח היחס Rכקבוצת כל הרכיבים השניים בזוגות הסדורים ביחס (נסמנו.) Range R : בלשון תורת הקבוצות נגדיר זאת באופן הבא: Domain R : a A : b B : aRb Range R : b B : a A : aRb דוגמא :תהיינה A 1, 2,3 , B 4,5,6שתי קבוצות .נגדיר את היחס הבא: R 1,4 , 2,5מ A -ל .B -מתקיים. Domain R 1,2 , Range R 4,5 : הערה :עבור יחס Rכלשהו מעל קבוצה Aנתונה מתקיים: . Range R B , Domain R A הגדרת יחס (בינארי) בין שתי קבוצות כתת-קבוצה של המכפלה הקרטזית שלהן מאפשרת להתייחס ליחסים (בינאריים) כאל קבוצות. באופן זה ניתן להגדיר בין שני יחסים יחסי זרות ,שוויון ,הכלה והכלה ממש ,כמו גם את הפעולות היסודיות :איחוד ,חיתוך ,הפרש ,הפרש סימטרי ומשלים ,בדיוק כפי שהוגדרו בין שתי קבוצות. היחס ההפוך הגדרה :יהי Rיחס מקבוצה Aלקבוצה ( Bלרבות המקרה.) A B : נגדיר את היחס ההפוך ל ,R -שיסומן , R 1באופן הבא: . R 1 : b, a B A : a, b R b, a B A : aRb באופן שקול נגדיר( a Ab B : a, b R b, a R1 :או בסימול אחר: .) a Ab B: aRb bR 1a דוגמאות :תהי . A 1,2,3 1122 R 1,1 , 1, 2 , 2,1 , 2,3 המוגדר מעל A oהיחס ההפוך ליחס : 1213 1213 . R 1 1,1 , 2,1 , 1, 2 , 3, 2 הוא : 1122 oהיחס ההפוך ליחס הריק מעל Aהוא היחס הריק עצמו. 1 : oהיחס ההפוך ליחס המלא מעל Aהוא היחס המלא עצמו. A A A A : 1 36 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג 123 . IA 1 I A oהיחס ההפוך ליחס הזהות מעל Aהוא יחס הזהות עצמו : 123 בהנתן יצוג של היחס Rכגרף מכוון או כמטריצת סמיכויות בינארית ,היצוג של היחס ההפוך , R 1 ,מתקבל מהם ע"י היפוך הקשתות (החיצים המכוונים) בגרף המכוון של Rוע"י החלפת שורות מטריצת הסמיכויות הבינארית של R בעמודותיה. 1122 S מעל .A דוגמא :נתבונן בשתי צורות היצוג של היחס : 1213 1 3 2 3 2 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 A A 1 2 3 1213 S1 ושתי צורות היצוג שלו הן: היחס ההפוך ל S -הוא : 1122 1 3 2 3 2 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 A A 1 2 3 37 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג תכונות היחס ההפוך: נסקור עתה מספר תכונות של היחס ההפוך. נוכיח תכונות אלה באחת משיטות ההוכחה בה נקטנו (בפרק הקודם) כשהוכחנו טענות לגבי קבוצות ,שכן הגדרת יחס (בינארי) בין שתי קבוצות כתת-קבוצה של המכפלה הקרטזית שלהן מאפשרת להתייחס ליחסים (בינאריים) כאל קבוצות. יהיו Rו S -יחסים כלשהם מקבוצה ( Aנתונה) לקבוצה ( Bנתונה). א R . R 1 1 הוכחה :צ"ל כי: 1 כלשהו .נראה כי: 1 . a, b A B : a, b R a, b R 1 יהי 1 a, b A B . a, b R a, b R 1 אכן: a, b R 1 R definition 1 1 . a, b R R 1 definition b, a R 1 □ בDomain R 1 Range R Range R 1 Domain R . (הוכחה -עפ"י הגדרות :תחום ,טווח והגדרת היחס ההפוך). גR S R 1 S1 . הוכחה :נוכיח בנפרד כל כוון בתכונה. : נתון R S :וצ"ל כי . R 1 S1 :כלומר ,צ"ל ש: . a, b A B: a, b R 1 a, b S1יהי a, b A Bכלשהו .נראה כי: . a, b R 1 a, b S1אכן: R R S b,a S a, b S1 1 a, b R 1 b,a R 1 : נתון R 1 S1 :וצ"ל כי . R S :כלומר ,צ"ל ש: . a, b A B: a, b R a, b Sיהי a, b A Bכלשהו .נראה כי: . a, b R a, b Sאכן: . a, b R b,a R 1 R 1 S1 b,a S1 a, b S1 S 1 38 □ מתמטיקה בדידה 1תשע"ג ד. רפאל ברכאן R S1 R 1 S1 את תכונה זו נוכיח תוך שימוש בסימון aRb :במקום בסימון , a, b R :בו השתמשנו בהוכחות התכונות עד כה. 1 הוכחה :צ"ל כי . a Ab B : a R S b a R 1 S1 b :יהיו a A , b B כלשהם .נראה כי . a R S b a R 1 S1 b :אכן: 1 a R S b R S 1 definition b R S a definition bRa bSa R 1 , S1 definitions aR 1b aS1b 1 1 definition a R S1 b □ R S1 R 1 S1 ה. (הוכחה – תרגיל) כפל יחסים מעבר לפעולות היסודיות בין קבוצות (איחוד ,חיתוך ,הפרש ,הפרש סימטרי ומשלים) המוגדרות בין שני יחסים ,ניתן להגדיר ביניהם גם פעולת כפל. הגדרה :יהי Rיחס מקבוצה Aלקבוצה Bויהי Sיחס מקבוצה Bלקבוצה .Cנגדיר. R S RS: a, c A C : b B : a, b R b, c S : באופן שקול נגדירa Ac C: aRSc b B: aRb bSc : a a b (או בסימול אחר.) a Ac C : RS b B : R S : c b c 39 רפאל ברכאן תשע"ג1 מתמטיקה בדידה :דוגמאות . C x, y,z, w , B a, b, c, d , A 1,2,3 : תהיינהo 1123 aac d .R , S : כך ש,C - לB - יחס מS - וB - לA - יחס מR יהיו acdb xyxw 1 a 1 a x x 1 a 1 112 a y y : כי, RS 1 c 1 xyw c x x 2 d 2 d w w . C p,q, r, s, t , B 1,2,3,4,5,6,7 , A a, b, c, d, e : תהיינהo aa bbd 1223345 .R , S :C - לB - יחס מS - וB - לA - יחס מR יהיו 23172 ppt q tpp a aabdd RS SR pqt pp t . פעולת כפל יחסים אינה פעולה חילופית:מסקנה . C p,q, r, s, t , B 1,2,3,4,5,6,7 , A a, b, c, d, e : תהיינהo . R A B , S B C :C - לB - יחס מS - וB - לA - יחס מR יהיו RS A C SR . C p,q, r, s, t , B 1,2,3,4,5,6,7 , A a, b, c, d, e : תהיינהo ab 37 . R , S :C - לB - יחס מS - וB - לA - יחס מR יהיו 21 pq RS SR 1233 23aa .R , S :A יחסים מעלS - וR ויהיוA 1,2,3, a תהיo 2a1a a21a 12233 3a SR RS a1a1a a2 40 רפאל ברכאן תשע"ג1 מתמטיקה בדידה באופןR נגדיר חזקה (טבעית) של היחס. נתונהA יחס מעל קבוצהR יהי , n 1 R . n : R n : n 1 :הבא R R , n 1 1234 :A יחס מעלR ויהיA 1,2,3,4 תהי:דוגמא . R 4223 :נשים לב כי 1234 1234 1234 1234 1234 1234 2 , R3 R 2 R ,R R R 3222 4223 2222 4223 4223 3222 1234 1234 1234 3 . R 4 R3 R R 2222 4223 2222 3 2 .R - וR ,R : הןR ניתן להוכיח כי החזקות השונות של :תכונות כפל יחסים . נתונהA יחסים מעל קבוצהW ,T ,S ,R יהיו R R .א RS1 S1R 1 .ב ). (כפל יחסים אינו חילופי – הוכחה בעמוד הקודםRS SR .ג RST RST .ד ).(כפל יחסים הוא קיבוצי נראה. כלשהםa,d A יהיו. a,d A : a RS Td aR ST d : צ"ל כי:הוכחה : אכן. a RS Td aR ST d :כי a RS Td c A : a RS c cTd c A : b A : aRb bSc cTd □ c, b A : aRb bSc cTd c, b A : aRb bSc cTd b A : aRb c A : bSc cTd b A : aRb b ST d aR ST d RI A I A R R .ה R S T RS RT .ו RS T RS RT .ז R S RT ST TR TS .ח 41 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג טR S T W RT SW . הוכחה :צ"ל כי . a,c A : aRTc aSWc :יהיו a,c Aכלשהם .נראה כי: . aRTc aSWcאכן: aRTc b A : aRb bTc R STW b A : aSb bWc aSWc □ סווג יחסים יהי Rיחס מעל קבוצה Aנתונה. .1יחס רפלקסיבי: הגדרות (שקולות): □ Rיחס רפלקסיבי אם"ם. a A : aRa : □ Rיחס רפלקסיבי אם"ם. I A R : משמעות היצוג :בגרף מכוון המייצג יחס רפלקסיבי תהיה לולאה בכל קודקוד; במטריצת סמיכויות בינארית של יחס רפלקסיבי האלכסון הראשי כולו 1ים. תכונות יסודיות: R R2 n : R R n דוגמאות :תהי . A 1, 2,3 o o היחסים הבאים (מעל )Aהם רפלקסיביים: 1231 123121322 123 .R , AA , IA 1232 123213133 123 היחסים הבאים (מעל )Aאינם רפלקסיביים: 13 122 12 .S , T , W , 21 123 12 .2יחס אנטי-רפלקסיבי: הגדרות (שקולות): . a A : aRa □ Rיחס אנטי-רפלקסיבי אם"ם : □ Rיחס אנטי-רפלקסיבי אם"ם. R I A : משמעות היצוג :גרף מכוון המייצג יחס אנטי-רפלקסיבי הוא נטול לולאות; במטריצת סמיכויות בינארית של יחס אנטי-רפלקסיבי האלכסון הראשי כולו 0ים. 42 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג דוגמאות :תהי . A 1, 2,3 oהיחסים הבאים (מעל )Aהם אנטי-רפלקסיביים: 132 1 .R , S , 223 3 oהיחסים הבאים (מעל )Aאינם אנטי-רפלקסיביים: 1232 1 .T , W 1231 1 הערה :יחס יכול להיות לא רפלקסיבי ולא אנטי-רפלקסיבי ( Wבדוגמא האחרונה). .3יחס סמטרי: הגדרות (שקולות): □ Rיחס סמטרי אם"ם. a, b A : aRb bRa : □ Rיחס סמטרי אם"ם. R R 1 : משמעות היצוג :גרף מכוון של יחס סמטרי הוא נטול קשתות חד-כווניות (חיצים חד-כווניים); מטריצת סמיכויות בינארית של יחס סמטרי סמטרית ביחס לאלכסון הראשי שלה. תכונות יסודיות: R סמטרי אם"ם Rסמטרי. בהנתן ש R -ו S -סמטריים (מעל RS ,)Aסמטרי אם"ם.RS=SR : לכל יחס R R 1 , R R 1 :Rהם יחסים סמטריים. 1 דוגמאות :תהי . A 1, 2,3 oהיחסים הבאים (מעל )Aהם סמטריים: 12 123 1 .R , S , T , A A , , IA 21 213 1 oהיחסים הבאים (מעל )Aאינם סמטריים: 11 11 1232 .W , X , Y 23 12 1233 הערה :אין תלות בין התכונות רפלקסיביות/אנטי-רפלקסיביות וסמטריות. 43 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג .4יחס אנטי-סמטרי (חלש): הגדרות (שקולות): □ Rיחס אנטי-סמטרי (חלש) אם"ם. a, b A : aRb bRa a b : □ Rיחס אנטי-סמטרי (חלש) אם"ם. R R 1 I A : משמעות היצוג :גרף מכוון של יחס אנטי-סמטרי הוא נטול חיצים דו- כווניים (יתכן ויכיל לולאות). דוגמאות :תהי . A 1, 2,3 oהיחסים הבאים (מעל )Aהם אנטי-סמטריים: 11 13 1 . R , S , T , , IA 23 23 2 oהיחסים הבאים (מעל )Aאינם אנטי-סמטריים: 12 123 123 .W , X , Y , AA 21 132 232 הערה :אין תלות בין התכונות :רפלקסיביות/אנטי-רפלקסיביות ,סמטריות ואנטי-סמטריות. .5יחס טרנזיטיבי: הגדרות (שקולות): □ Rיחס טרנזיטיבי אם"ם. a, b,c A : aRb bRc aRc : □ Rיחס טרנזיטיבי אם"ם. R 2 R : תכונות יסודיות: n : R n1 R n דוגמאות :תהי . A 1, 2,3 oהיחסים הבאים (מעל )Aהם טרנזיטיביים: 121 1 11 3 .R , S , T , W , , A A , IA 233 1 23 1 oהיחסים הבאים (מעל )Aאינם טרנזיטיביים: 12 123 12323 .X , Y , Z 21 213 12331 הערה :אין תלות בין התכונות :רפלקסיביות/אנטי-רפלקסיביות ,סמטריות, אנטי-סמטריות וטרנזיטיביות. 44 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג דוגמאות נוספות :תהי A קבוצה כלשהי ויהי Rיחס מעליה. ( R oהיחס הריק מעל )Aהוא יחס אנטי-רפלקסיבי ,סמטרי ,אנטי-סמטרי וטרנזיטיבי. o ( R A Aהיחס המלא מעל )Aהוא יחס רפלקסיבי ,סמטרי וטרנזיטיבי. ( R I A oיחס הזהות מעל )Aהוא יחס רפלקסיבי ,סמטרי ,אנטי-סמטרי וטרנזיטיבי. oתהי , A נגדיר: a b : ( R : a, b או באופן שקול: R .) a, b A : aRb a bהוא יחס רפלקסיבי ,אנטי-סמטרי וטרנזיטיבי מעל .A oתהי , A נגדיר: a b : ( R : a, b או באופן שקול: R .) a, b A : aRb a bהוא יחס אנטי-רפלקסיבי ,אנטי-סמטרי וטרנזיטיבי מעל .A oנגדיר יחס Rמעל P A באופן הבאR : X, Y : X, Y P(A) X Y : (או באופן שקול R .) X, Y P(A) : XRY X Y :הוא יחס רפלקסיבי, אנטי-סמטרי וטרנזיטיבי מעל . P A oנגדיר יחס Rמעל P A באופן הבאR : X, Y : X, Y P(A) X Y : (או באופן שקול R .) X, Y P(A) : XRY X Y :הוא יחס אנטי- רפלקסיבי ,אנטי-סמטרי וטרנזיטיבי מעל . P A oתהי קבוצת כל האותיות האנגליות הקטנות ( .) a, b,c,..., zנסמן ב- את קבוצת כל המילים/המחרוזות הסופיות הלא ריקות המורכבות מאיברי ( למשל .) abc , zw , c :תהי מחרוזת/מילה כלשהי ב - ( .) נסמן ב -את אורך המחרוזת/המילה ( היינו ,מספר האותיות בה) .נגדיר יחס Rמעל באופן הבא. , : R : (במילים :שתי מחרוזות/מילים מ -נמצאות ביחס Rזו עם זו אם"ם אורכיהן שווים). Rהוא יחס רפלקסיבי ,סמטרי וטרנזיטיבי מעל . 45 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג טענה :אם , A לא יתכן כי קיים יחס Rמעל Aשהוא גם רפלקסיבי וגם אנטי-רפלקסיבי( .במילים אחרות ,אם Rיחס מעל Aשהוא גם רפלקסיבי וגם אנטי-רפלקסיבי ,אז בהכרח ). A הוכחה :עפ"י ההגדרות -לא יתכן שאם , A אז מתקיים: a A : a, a R R reflexive a A : a, a R R anti reflexive x:P xx:Q x x:P x Q x □ a A : a, a R a, a R a A : F A F טענה :יהי Rיחס כלשהו מעל R .Aסמטרי ואנטי-סמטרי אם"ם. R I A : הוכחה: : נתון כי Rסמטרי ואנטי-סמטרי וצ"ל כי . R I A :כלומר ,צ"ל כי: . a, b A : aRb aIA bיהיו a, b Aכלשהם .אכן: . aRb R symmetric bRa aRb a b aIA b R anti symmetric : נתון כי R I A :וצ"ל כי Rיחס סמטרי ואנטי-סמטרי .עפ"י תכונות היחס ההפוך ( ) S T S1 T1מתקיים. R IA R 1 IA 1 IA : מחד נקבל , R IA R 1 IA IA properties R R 1 :ולכן Rיחס סמטרי. מאידך נקבל , R IA R 1 IA R R 1 IA :ולכן Rיחס אנטי-סמטרי. □ סגור של יחס ביחס לתכונה מסוימת שלו הגדרה :יהי Rיחס מעל קבוצה Aכלשהי .יחס ( Sמעל )Aהוא הסְ גֹור של R ביחס לתכונה מסוימת (כגון :רפלקסיביות ,סמטריות וכדומה) אם"ם מתקיימים התנאים הבאים: אR S . ב S .מקיים את התכונה הנ"ל (רפלקסיביות ,סמטריות וכדומה); ג S .מוכל בכל יחס אחר המכיל את Rוהמקיים את התכונה הנ"ל. 11 דוגמאות :תהי A 1,2,3ויהי R יחס מעל .A 23 11123 , S1 שכן הוא מקיים oהסגור הרפלקסיבי של Rמעל Aהוא היחס : 23123 את התנאים א'-ג' דלעיל. 1123 , S2 שכן הוא מקיים את oהסגור הסמטרי של Rמעל Aהוא היחס : 2311 התנאים א'-ג' דלעיל. 46 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג הערה :אם Rהוא יחס מעל קבוצה Aכלשהי ,המקיים תכונה מסוימת ,אז הוא הסגור של עצמו עבור אותה תכונה. 123 R יחס מעליה ,הרי שהסגור הרפלקסיבי למשל ,בהינתן A 1,2,3ו - 123 של Rהוא Rעצמו. יחסי שקילות הגדרות ודוגמאות: יהי Rיחס מעל קבוצה R . A הוא יחס שקילות מעל Aאם"ם Rהוא רפלקסיבי ,סמטרי וטרנזיטיבי. דוגמאות: oתהי . A 1, 2,3היחסים הבאים הם יחסי שקילות מעל :A 123 12312 12313 12323 .R , S , T , U , V AA 123 12321 12331 12332 oעבור קבוצה A כלשהי ,היחס המלא ויחס הזהות ( ) IA , A Aהם יחסי שקילות מעל .A □ יחס המודולו n-מעל : באופן הבא :לכל a , a, b נמצא יהי n כלשהו .נגדיר יחס Rמעל ביחס Rעם bאם"ם ל a -ול b -יש את אותה שארית חלוקה ב .n -נהוג לסמן ולהגדיר זאת באופן הבא a, b : aRb a mod n b :או באופן הבא: . a, b : aRb a n b נראה כי Rהוא אכן יחס שקילות מעל . רפלקסיביות מתקיימת ,שכן לכל : a ל a -יש את אותה שארית חלוקה ב n -כמו לעצמו ( .) aRa סמטריות מתקיימת ,שכן לכל : a, b אם ל a -יש את אותה שארית חלוקה ב n -כמו של ,b -אז ל b -יש את אותה שארית חלוקה ב n -כמו שלa - ( .) aRb bRa טרנזיטיביות מתקיימת ,שכן לכל : a, b,c אם ל a -יש את אותה שארית חלוקה ב n -כמו של b -ול b -יש את אותה שארית חלוקה כמו של ,c -אז ל- aיש את אותה שארית חלוקה ב n -כמו של.) aRb bRc aRc ( c - 47 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג 2R4 2 mod 2 4 2 2 4 3R5 3 mod 2 5 3 2 5 עבור n 2מתקיים ,למשל: 21R124 21 mod 2 124 21 2 124 (שאריות החלוקה ב 2 -הן 0ו 1 -בלבד). 3R6 3 mod 3 6 3 3 6 עבור n 3מתקיים ,למשל4R7 4 mod 3 7 4 3 7 : 5R8 5 mod 3 8 5 3 8 (שאריות החלוקה ב 3 -הן 1 ,0ו 2 -בלבד). תהי . A חלוקה של Aהיא קבוצת תת-קבוצות לא ריקות של Aהזרות זו לזו בזוגות (משמע ,כל שתי תת-קבוצות זרות זו לזו) ,ואשר איחודן הוא .A דוגמא :חלוקות של הקבוצה A 1,2,3הן: 1,2,3 1, 2,3 1,3,2 2,3,1 1, 2,3 הערה :לכל קבוצה A קיימות שתי חלוקות טריוויאליות. a : a A , A : יהי Rיחס שקילות מעל . A □ מחלקת השקילות של a Aביחס Rמוגדרת כקבוצת כל איברי A הנמצאים ביחס Rעם ,aומסומנת באופן הבא. a R : b A : aRb : □ קבוצת המנה של היחס Rמוגדרת כקבוצת כל מחלקות השקילות של היחס Rמעל ,Aומסומנת באופן הבא. A : a R : a A : R □ Aהיא קבוצה סופית ,מגדירים את האינדקס של יחס השקילות R אם R . Aאחרת ,אומרים כי האינדקס של יחס השקילות Rהוא אינסופי. כ- R 48 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג דוגמאות: o 12312 R הוא ,כאמור לעיל ,יחס שקילות מעל . A 1,2,3 היחס 12321 נחשב ונמצא את כל מחלקות השקילות של יחס זה ,את קבוצת המנה ואת 1R 1, 2 2R 1, 2 האינדקס שלו: 3R 3 A R 1R , 2R , 3R 1R , 3R 1, 2 , 3 A 2 R חלוקה של " Aהמתאימה" ליחס זה. 1R , 3R 1, 2 , 3 : o 123 R IA הוא ,כאמור לעיל ,יחס שקילות מעל . A 1,2,3 היחס 123 נחשב ונמצא את כל מחלקות השקילות של יחס זה ,את קבוצת המנה ואת 1R 1 2R 2 האינדקס שלו: 3R 3 A R 1R , 2R , 3R 1 , 2 , 3 A 3 R חלוקה של " Aהמתאימה" ליחס זה. 1R , 2R , 3R 1 , 2 , 3 : הוא יחס oיהי n כלשהו .כאמור לעיל ,היחס מודולו ) n ( nמעל שקילות (מעל ) .עבור המקרה , n 3 :נחשב ונמצא את כל מחלקות השקילות של יחס זה ,את קבוצת המנה ואת האינדקס שלו: 03 ..., 9, 6, 3, 0,3, 6,9,... 3k : k 13 ..., 8, 5, 2,1, 4, 7,... 3k 1: k 23 ..., 7, 4, 1, 2,5,8,... 3k 2 : k 0 , 1 , 2 3k : k , 3k 1: k , 3k 2 : k 3 3 3 R R 3 49 מתמטיקה בדידה 1תשע"ג חלוקה של רפאל ברכאן "המתאימה" ליחס זה: ,3k 1: k ,3k 2 : k שימו לב! R 0 , 1 , 2 3k : k 3 3 3 R . שימו לב! בהינתן יחס שקילות Rמעל קבוצה , A הרי שקבוצת המנה היא ,למעשה ,החלוקה של ,Aהמושרית ע"י היחס .R R A משפט :1תהי . A חלוקה של Aמשרה יחס שקילות Rמעל .A הוכחה :תהי Pחלוקה נתונה של ( Aלתת-קבוצות לא ריקות ,זרות בזוגות ,אשר איחודן הוא ).Aנגדיר את Rבאופן הבא :לכל a , a, b Aו b -נמצאים ביחס ,R אם"ם הם נמצאים באותה תת-קבוצה בחלוקה ( )Pשל .Aנוכיח כי Rיחס שקילות מעל R .Aרפלקסיבי ,שכן כל איבר ב A -נמצא עם עצמו באותה תת- קבוצה בחלוקה של R .Aסמטרי ,שכן לכל : a, b Aאם aנמצא עם bבאותה תת-קבוצה בחלוקה של ,Aאז גם bנמצא עם aבאותה תת-קבוצה בחלוקה של R .Aטרנזיטיבי ,שכן לכל : a, b,c Aאם aנמצא עם bבאותה תת-קבוצה בחלוקה של ,Aואם bנמצא עם cבאותה תת-קבוצה בחלוקה של ,Aאז גם a נמצא עם cבאותה תת-קבוצה בחלוקה של .Aמכאן R ,יחס שקילות מעל .A משפט ( 2המשפט ההפוך) :תהי A ויהי Rיחס שקילות מעל .A Rמשרה חלוקה של .A הוכחה :נראה כי מחלקות השקילות של Rהן תת-קבוצות היוצרות חלוקה של .Aבמילים אחרות ,קבוצת המנה Aהיא החלוקה של ,Aהמושרית ע"י יחס R השקילות .Rלשם כך יש להוכיח כי מחלקות השקילות של Rאינן ריקות ,זרות בזוגות ואיחודן הוא .Aאכן: א .ל R -אין מחלקות שקילות ריקות לאור תכונת הרפלקסיביות שלו ,שכן: . a A : aRa a A : a a R a A : a R ב .איחוד כל מחלקות השקילות של Rהוא ( Aמכסה את ,)Aלאור תכונת הרפלקסיביות של ,Rשכן. a A : aRa a A : a a R a R A : aA ג .מחלקות השקילות של Rזרות זו לזו בזוגות או מתלכדות זו עם זו. נוכיח זאת ע"י כך שנראה שאם שתי מחלקות שקילות כלשהן של R אינן זרות ,הרי שהן מתלכדות .תהיינה ,אפוא a R , bR ,שתי מחלקות שקילות כלשהן של .Rנשים לב כי: c A : c a R bR c aR c bR cRa cRb a R bR R is symmetric aRc cRb R is transitive aRb R is symmetric bRa * נראה עתה כי מתחייב ש , a R bR :באמצעות הכלה דו-כוונית .כלומר, נראה כי. x A : x a R x bR x bR x a R : 50 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג יהי x Aכלשהו .אכן: bRx symmetry xRb x b R x a R xRa symmetry aRx * bRa , aRx bRa aRx transitivity bRx יהי x Aכלשהו .אכןxRa x a R : x bR xRb * bRa , xRb xRb bRa transitivity xRa מכאן שמחלקות השקילות של Rהן אכן תת-קבוצות היוצרות חלוקה של .A במילים אחרות ,קבוצת המנה Aהיא החלוקה של ,Aהמושרית ע"י יחס R השקילות .R יחסי סדר הגדרות ודוגמאות: יהי Rיחס מעל קבוצה . A Rהוא יחס סדר חלקי (יס"ח) מעל Aאם"ם Rרפלקסיבי ,אנטי-סמטרי וטרנזיטיבי .הזוג הסדור A, R נקרא :קבוצה סדורה חלקית (קס"ח). דוגמאות: הוא רפלקסיבי (שכן ,) z : z z :אנטי-סמטרי (שכן: oהיחס מעל ) z, w : z w w z z wוטרנזיטיבי (שכן: ,) z, w, t : z w w t z tולכן יס"ח מעל . מכאן שהקבוצה , היא קס"ח. הוא רפלקסיבי (שכן ,) n : n | n :אנטי-סמטרי (שכן: oהיחס | מעל ) m, n : m | n n | m m nוטרנזיטיבי (שכן: ,) m, n, p : m | n n | p m | pולכן יס"ח מעל . מכאן שהקבוצה ,| היא קס"ח. oהיחס מעל P A הוא רפלקסיבי (שכן ,) B P A : B B :אנטי-סמטרי (שכן ) B,C P A : B C C B B C :וטרנזיטיבי (שכן: ,) B,C, D P A : B C C D B Dולכן יס"ח מעל . P A מכאן שהקבוצה P A , היא קס"ח. 51 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג יצוג יחס סדר חלקי (יס"ח) באמצעות דיאגרמת הסה: מקובל לייצג קס"ח סופית A, R באמצעות גרף הנקרא :דיאגרמת הסה, והנבנה עפ"י העקרונות הבאים: קודקודי הגרף הם איברי .A הגם שהגרף לרוב אינו מכיל קשתות (צלעות מכוונות ,חיצים) ,התנועה בו מכוונת – בד"כ "מלמטה כלפי מעלה". לכל a : a, b Aמחובר במסלול (אוסף של צלע אחת או יותר) לb - "שמעליו" אם"ם ( . aRbאומרים גם במקרה זה כי bמכסה את ).a הגרף אינו מכיל לולאות (ולכן תכונת הרפלקסיביות של היחס Rאינה באה לידי ביטוי בו). דוגמאות: oתהי Aקבוצת כל המחלקים הטבעיים של המספר :60 , A=1,2,3,4,5,6,10,12,15,20,30,60ונגדיר מעליה את היחס מחלק את (|). A,|קס"ח (שכן A והוכחנו לעיל כי ,| ניתן לייצגה באמצעות דיאגרמת הסה הבאה: 52 היא קס"ח). רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג oתהי A 1, 2,3ונתבונן בדיאגרמת הסה המייצגת את הקס"ח : P A , תהי A, R קס"ח .איבר ) M A ( m Aנקרא :מינימלי (מקסימלי) ב- A, R אם"ם.) a A : MRa a M ( a A : aRm a m : הערה :בדיאגרמת הסה של קס"ח סופית איבר מינימלי יאופיין כאיבר הנמצא בתחתית הדיאגרמה – כזה שיוצאות ממנו צלעות ,אך לא נכנסות אליו צלעות ( 1בדיאגרמה העליונה ו -בדיאגרמה התחתונה בעמוד זה) ,בעוד שאיבר מקסימלי יאופיין כאיבר הנמצא בראש הדיאגרמה – כזה שנכנסות אליו צלעות, אך לא יוצאות ממנו צלעות ( 60בדיאגרמה העליונה ו 1, 2,3 -בדיאגרמה התחתונה בעמוד זה). הערה :בקס"ח יתכן אחד משלושת המקרים הבאים: )1קיים איבר מינימלי (מקסימלי) יחיד. )2קיים יותר מאיבר מינימלי (מקסימלי) אחד. )3לא קיים איבר מינימלי (מקסימלי). דוגמאות: o בקס"ח 1, 2,3, 4,| יש איבר מינימלי יחיד – ,1אבל אין איבר מקסימלי יחיד ,שכן יש בה שני איברים מקסימליים – .4 ,3 oבקס"ח : z 0 , z יש איבר מקסימלי יחיד – ,0אבל אין איבר מינימלי יחיד ואף לא איבר מינימלי. o בקס"ח ,1,2,1, 2, יש איבר מינימלי יחיד , -ויש איבר מקסימלי יחיד . 1, 2 - 53 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג oתהי Pקבוצת המספרים הראשוניים .בקס"ח P,|יש אינסוף איברים מינימליים ואינסוף איברים מקסימליים ,ולכן אין בה איבר מינימלי יחיד ואין בה איבר מקסימלי יחיד. oבקס"ח 2,3, 4,| בקס"ח , אין איבר מינימלי יחיד ואין איבר מקסימלי יחיד .גם אין איבר מינימלי יחיד ואין איבר מקסימלי יחיד. Rהוא יחס סדר מלא (יס"מ) מעל Aאם"ם הוא יחס סדר חלקי (יס"ח) המקיים . a, b A : aRb bRa :הזוג הסדור A, R נקרא :קבוצה סדורה בסדר מלא (קס"מ). דוגמאות: oהיחס הוא יחס סדר מלא (יס"מ) מעל ,שכן הוא יס"ח מעליה ומתקיים: . z, w : z w w zמכאן ,הקבוצה , היא קס"מ. oהקבוצה ,| אינה קס"מ ,שכן היחס | אינו יס"מ מעל ,שהרי: , m, n : m | n n | m m, n : m | n n | mלמשל. m 2 , n 3 : הערה :קס"מ סופית מיוצגת ע"י דיאגרמת הסה כרשימה לינארית (סדרה/טור של איברים ,אשר בין כל איבר לאיבר שמעליו יש צלע אחת) ,למשל: תהי A, R קס"ח A, R .מקיימת את תנאי/עקרון המינימליות (קמ"מ) אם"ם בכל B Aיש לפחות איבר מינימלי אחד. דוגמאות,| : , , P A , ,הן קבוצות המקיימות את תנאי/עקרון המינימליות (קמ"מ) ,שכן בכל תת-קבוצה לא ריקה שלהן יש איבר מינימלי .לעומת זאת ,הקבוצה , אינה קמ"מ ,שכן ואין בה איבר מינימלי עפ"י היחס . 54 מתמטיקה בדידה 1תשע"ג רפאל ברכאן תהי A, R קס"ח A, R .היא קבוצה סדורה היטב (קס"ה) אם"ם בכל B Aיש איבר מינימלי יחיד. דוגמאות, : ,1 ,1, 2 ,1, 2,3 , , הן קבוצות סדורות היטב (קס"ה), שכן בכל תת-קבוצה לא ריקה שלהן יש איבר מינימלי יחיד .לעומת זאת, הקבוצה ,|אינה קס"ה ,שכן בתת-הקבוצה 2,3 :אין איבר מינימלי יחיד עפ"י היחס | ( .) 2 | 3 3 | 2 הערה :עפ"י ההגדרות דלעיל ,אם A, R קס"ה (בכל תת-קבוצה לא ריקה שלה יש איבר מינימלי יחיד) ,הרי שהיא לבטח קמ"מ (בכל תת-קבוצה לא ריקה שלה יש לפחות איבר מינימלי אחד) ,אך לא להיפך. תכונות יסודיות: בקס"ח יתכנו מספר איברים מינימליים/מקסימליים ,כאשר איבר בקס"ח יכול להיות מינימלי ומקסימלי בו-זמנית( .דוגמא) 2,3, 4,5,6 ,| : בקס"מ יש לכל היותר איבר מינימלי/מקסימלי אחד. (דוגמאות) , , , : משפט :תהי A, R קס"ח A, R .היא קס"ה אם"ם היא קס"מ וקמ"מ. (ללא הוכחה) תרשים מסכם: קס"ח קמ"מ קס"ה קס"מ קס"ח קס"מ+קמ"מ 55 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג שרשראות ואנטי-שרשראות תהי A, R קס"ח ותהיינה. B, C A : נאמר ש B -היא שרשרת ב A, R -אם"ם. x, y B : xRy yRx : oשרשראות ,לדוגמא ,בקס"ח 1, 2,3, 4,5,6,7,8,| הן: . 1, 2, 4,8 , 1, 4,8 , 1,3,6 , 2,8 , 3,6 , 3 , 5 , שרשראות באות לידי ביטוי בדיאגרמת הסה של קס"ח סופית כ"תת-רשימות ליניאריות" בדיאגרמה (סדרות איברים אשר בין כל איבר לאיבר שמעליו יש צלע אחת) .למשל 1, 2, 4 , 1,3,6,12 :הן שרשראות בקס"ח המתוארת ע"י דיאגרמת הסה הבאה: נאמר ש C -היא אנטי-שרשרת ב A, R -אם"ם: . x, y C : x y xRy yRx oאנטי-שרשראות ,לדוגמא ,בקס"ח 1, 2,3, 4,5,6,7,8,| הן: . 2,3,5,7 , 5,6,7,8 , 3,8 , 2,3 , 1 , 5 , אנטי-שרשראות באות לידי ביטוי בדיאגרמת הסה של קס"ח סופית כקבוצות איברים שאף שניים מהם אינם מחוברים באמצעות צלע אחת .למשל: 6,10,15 , 4,6,10,15הן אנטי-שרשראות בקס"ח המתוארת ע"י דיאגרמת הסה הבאה: 56 מתמטיקה בדידה 1תשע"ג רפאל ברכאן בהינתן A, R קס"ח סופית ,האורך של הקס"ח (מסומן ) lA :מוגדר כמספר האיברים בשרשרת הארוכה ביותר בה. oלמשל ,אם נסמן , A : 1, 2,3, 4,5,6,7,8,9 :ונתייחס לקס"ח , A,|הרי ש: , l A 4שכן אורך השרשרת הארוכה ביותר בקס"ח זו , 1, 2, 4,8 ,הוא .4 בהינתן A, R קס"ח סופית ,הרוחב של הקס"ח (מסומן ) w A :מוגדר כמספר האיברים באנטי-השרשרת הארוכה ביותר בה. oלמשל ,אם נסמן , A : 1, 2,3, 4,5,6,7,8,9 :ונתייחס לקס"ח , A,|הרי ש: , w A 5שכן אורך השרשרת הארוכה ביותר בקס"ח זו ,למשל: 5,6,7,8,9ויש יותר מאחת כזו ,הוא .5 תכונות יסודיות: תהי A, R קס"ח. אוסף האיברים המינימליים ב A, R -הוא אנטי-שרשרת בה. אוסף האיברים המקסימליים ב A, R -הוא אנטי-שרשרת בה. יש חלוקה של Aל lA -אנטי-שרשראות אך אין ל A -חלוקה למספר קטן מזה של אנטי-שרשראות( .תזכורת :חלוקה של קבוצה Aהיא משפחה של תת-קבוצות של Aשאינן ריקות ,זרות בזוגות ושאיחודן הוא ).A יש חלוקה של Aל w A -שרשראות אך אין ל A -חלוקה למספר קטן מזה של שרשראות. 57 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג קבוצות סדורות חלקית – דוגמאות מתקדמות o , cart , cart a, b , c,d : a, b cart c,d a c b dקס"ח ,לא קס"מ (שכן,) 2,3 cart 3, 2 3, 2 cart 2,3 : לא קס"ה (שכן אינה קס"מ) ,קמ"מ ; יש איבר מינימלי יחיד ( ,) 1,1 אין איברים מקסימליים. o , lex , lex : a, b lex c,d a c a c b d - a, b , c,d קס"ח ,קס"מ ,קס"ה ,קמ"מ ; יש איבר מינימלי יחיד ( ,) 1,1אין איברים מקסימליים. oיחס הרישא בין סדרות (סימון – ) prefix :תהי קבוצת כל האותיות האנגליות הקטנות ( .) a, b,c,..., zנסמן ב -את קבוצת כל המילים/המחרוזות הסופיות הלא ריקות המורכבות מאיברי ( למשל: .) abc , zw , c נסמן , a : a1a 2 ...a m , b : b1b2 ...bn :כאשר: , ai ,bj ( i, jאינדקסים) a, b ,כך ש: mn . m, n נגדיר. a : a1a 2a 3...a m prefix b : b1b2b3...bn i m : a i bi : , prefix קס"ח ,לא קס"מ (שכן ,למשל,) ab prefix ac ac prefix ab : לא קס"ה (שכן אינה קס"מ) ,קמ"מ ; איברים מינימליים – סדרות (מחרוזות) בנות איבר אחד (אות אחת) ,אין איברים מקסימליים. o יחס מילוני (לקסיקוגרפי) בין סדרות (סימון– ) lex : תהי קבוצת כל הספרות בבסיס הדצימלי ( .) 0,1, 2,...,9נסמן ב - את קבוצת כל הסדרות/המחרוזות הסופיות הלא ריקות המורכבות מאיברי (למשל .) 012 , 65 , 7 :נסמן, a : a1a 2 ...a m , b : b1b2 ...bn : כאשר, a i , b j : ( i, jאינדקסים) ו . a, b -נאמר כי: a : a 1a 2 ...a m lex b : b1b 2 ...b nאם"ם מתקיים לפחות אחד מהתנאים הבאים: a היא רישא של ( bכלומר ;) a prefix b - ל a -ול b -רישא באורך זהה – 0 ( k ,) k אבל. a k 1 b k 1 : , lex קס"ח ,קס"מ ,לא קס"ה ,לא קמ"מ ; יש איבר מינימלי יחיד (,)0 אין איברים מקסימליים. 58