Связанные определения
Множество всех классов эквивалентности обозначается .
Примеры отношений эквивалентности
Более сложный пример, но совершенно жизненно важный:
Когда врач выписывает вам лекарство, он, фактически в рецепте указывает класс эквивалентных лекарств, он не может указать совершенно конкретный экземпляр упаковки таблеток или ампул. Т.е. всевозможные лекарства разбиты на классы отношением эквивалентности. Если бы не этот факт, современная медицина просто не была бы возможна.
Таким образом, всевозможные рецепты салатов и коктейлей, ГОСТы и классификаторы также определяют жизненно важные отношения эквивалентности. Отношения эквивалентности заполняют всю нашу жизнь, а не являются абстрактной забавой математиков.
Факторизация отображений
Множество классов эквивалентности, отвечающее отношению эквивалентности , обозначается символом и называется фактор-множеством относительно . При этом сюръективное отображение
называется естественным отображением (или канонической проекцией ) на фактор-множество .
Пусть , - множества, - отображение, тогда бинарное отношение определённое правилом
является отношением эквивалентности на . При этом отображение индуцирует отображение , определяемое правилом
или, что то же самое,
.При этом получается факторизация отображения на сюръективное отображение и инъективное отображение .
Факторизация отображения широко применяется в гуманитарных науках и в тех областях техники, где нет возможности использовать числовые значения. Факторизация отображения позволяет обходиться без формул там, где формулы применять не удается. Приведем пример, который будет понятен любому и не потребует разбираться в сложной математической символике.
Расписание занятий в школе – это типичный пример факторизации. В данном случае – множество всех учащихся школы, - множество всех учебных предметов, разнесенных по дням недели с уточнением времени проведения занятий. Классами эквивалентности являются классы (группы учащихся). Отображение – расписание занятий, отображаемое в дневниках учащихся. Отображение - расписание занятий по классам, вывешиваемое в вестибюле школы. Здесь же имеется и отображение – списки классов. Этот пример очень наглядно демонстрирует практические выгоды факторизации: невозможно представить себе расписание занятий, как таблицу, в которой отражены все ученики школы в персональном порядке. Факторизация позволила отобразить нужную учащимся информацию в удобном для применения компактном виде в ситуации, где формулы применить не удается.
Однако этим выгоды факторизации не ограничены. Факторизация позволила провести разделение труда между участниками деятельности: завуч составляет расписание, а учащиеся записывают его себе в дневники. Аналогичным образом, факторизация выписки рецептов позволила провести разделение труда между медиком, ставящим диагноз и выписывающим рецепт, и аптекарем, обеспечивающим эквивалентность выписанных лекарств. Апофеозом факторизации является конвейер, реализующий максимальное разделение труда за счет стандартизации деталей.
Но и этим выгоды факторизации не ограничены. Факторизация позволила обеспечить модульность современной техники, что дает ей небывалую гибкость функций. Вы можете сохранить старую сим-карту и купить к ней совершенно новый телефон, или в свой старый компьютер вставить новую видеопамять. Все это - гибкость, модульность, в основе которой лежит факторизация.
Литература
- А. И. Кострикин , Введение в алгебру. М .: Наука, 1977, 47-51.
- А. И. Мальцев , Алгебраические системы, М .: Наука, 1970, 23-30.
- В. В. Иванов , Математический анализ. НГУ, 2009.
См. также
- Отношение толерантности - ослабленная форма эквивалентности.
- Эквиваленция - логическая операция.
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Госпитальная пневмония
- Mitel
Смотреть что такое "Отношение эквивалентности" в других словарях:
отношение эквивалентности - — Тематики электросвязь, основные понятия EN equivalence relation … Справочник технического переводчика
Отношение типа равенства - отношение эквивалентности, понятие логики и математики, выражающее факт наличия одних и тех же признаков (свойств) у различных объектов. Относительно таких общих признаков эти различные объекты неразличимы (тождественны, равны,… …
Отношение толерантности - У этого термина существуют и другие значения, см. Толерантность. Отношением толерантности (или просто толерантностью) на множестве называется бинарное отношение, удовлетворяющее свойствам рефлексивности и симметричности, но не обязательно… … Википедия
Отношение (математика) - У этого термина существуют и другие значения, см. Отношение. Отношение математическая структура, которая формально определяет свойства различных объектов и их взаимосвязи. Отношения обычно классифицируются по количеству связываемых объектов … Википедия
ОТНОШЕНИЕ - в логике то, что в отличие от свойства характеризует не отдельный предмет, а пару, тройку и т.д. предметов. Традиционная логика не рассматривала О.; в современной логике О. пропозициональная функция от двух или большего числа переменных. Бинарным … Философская энциклопедия
Отношение предпочтения - в теории потребления это формальное описание способности потребителя сравнивать (упорядочивать по желательности) разные наборы товаров (потребительские наборы). Чтобы описать отношение предпочтения, не обязательно измерять желательность… … Википедия
Отношение (философ.) - Отношение, философская категория, выражающая характер расположения элементов определённой системы и их взаимозависимости; эмоционально волевая установка личности на что либо, т. е. выражение её позиции; мысленное сопоставление различных объектов… … Большая советская энциклопедия
отношение - ОТНОШЕНИЕ множество упорядоченных п ок индивидов (где п > 1), т.е. двоек, троек и т.д. Число п называется «местностью», или «арностью», О. и, соответственно, говорят о n местном (п арном) О. Так, например, двуместное О. называют… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки
Отношение - I Отношение философская категория, выражающая характер расположения элементов определённой системы и их взаимозависимости; эмоционально волевая установка личности на что либо, т. е. выражение её позиции; мысленное сопоставление различных… … Большая советская энциклопедия
Класс эквивалентности - Отношение эквивалентности () на множестве X это бинарное отношение, для которого выполнены следующие условия: Рефлексивность: для любого a в X, Симметричность: если, то, Транзитивность: если … Википедия
Книги
- Принятие финансовых решений в условиях сравнительной неопределенности: Монография , Баюк О.А.. В монографии разработана и теоретически обоснована новая логическая стратегия принятия решений при выборе между несравнимыми объектами, устанавливающая особое отношение предпочтения и…
I. Разбиение на классы. Отношение эквивалентности
Определение 2.1. Назовем взаимозаменяемыми те и только те объекты некоторого данного множества М, которые обладают одним и тем же набором формальных признаков, существенных в данной ситуации.
Обозначим через М х -множество всех объектов, взаимозаменяемых с объектом х. Очевидно, что х М х и объединение всех М х (при всевозможных х из М) совпадает совсем множеством М:
Предположим, что. Это значит, что существует некоторый элемент z, такой, что он одновременно принадлежит и и. Значит x взаимозаменяем с z и z взаимозаменяем с у. Следовательно, х взаимозаменяем с у, а значит и с любым элементом из. Таким образом. Аналогично показывается и обратное включение. Таким образом, встречающиеся в объединении (2.1) множества либо не пресекаются, либо целиком совпадают.
Определение 2.2. Систему непустых подмножеств {M 1 , M 2 ,….} множества М мы будем называть разбиением этого множества, если
Сам множества при этом называются классами разбиения.
Определение 2.3. Отношение с на множестве М называется эквивалентностью (или отношением эквивалентности), если существует такое разбиение {M 1 , M 2 ,….} множества М такое, что (х, у) выполняется тогда и только тогда, когда х и у принадлежат к некоторому общему классу M i данного разбиения.
Пусть {M 1 , M 2 ,….} разбиение множества М. Определим, исходя из этого разбиения, отношение с на М: (х, у),если х и у принадлежат к некоторому общему классу M i данного разбиения. Очевидно, что отношение с является эквивалентностью. Назовем с отношением эквивалентности, соответствующим данному разбиению.
Определение 2.4. Если в каждом подмножестве M i выбрать содержащийся в нем элемент х i , то этот элемент будем называть эталоном для всякого элемента у, входящего в тоже множество M i . По определению, положим выполненным отношение с* «быть эталоном» (х i , у)
Легко видеть, что эквивалентность с, соответствующая данному разбиению, может быть определена и так: (z, у) если z и у имеют общий эталон (х i , z) и (х i , у).
Пример 2.1: Рассмотрим в качестве М множество целых неотрицательных чисел и возьмем его разбиение на множество М 0 четных чисел и множество М 1 - нечетных. Соответствующее отношение эквивалентности на множестве целых чисел обозначается так:
и читается: n сравнимо с m по модулю 2. В качестве эталонов естественно выбрать 0 - для четных чисел и 1 - для нечетных. Аналогично, разбивая то же множество М на k подмножеств M 0 , M 1 ,… M k-1 , где M j состоит из всех чисел, дающих при делении на k в остатке j, мы придем к отношению эквивалентности:
которое выполняется, если n и m имеют одинаковые остатки при делении на k.
В качестве эталона в каждом M j естественно выбрать соответствующий остаток j.
II. Фактор-множество
Пусть - отношение эквивалентности. Тогда по теореме, существует разбиение {M 1 , M 2 ,….} множества М на классы эквивалентных друг другу элементов - так называемые классы эквивалентности.
Определение 2.5. Множество классов эквивалентности по отношению обозначают М/ и читают фактор-множество множества М по отношению.
Пусть ц: M > S - сюрьективное отображение множества М на некоторое множество S.
Для всякого ц: M > S - сюрьективного отображения существует такое отношение эквивалентности на множестве М, что М/ и S могут быть поставлены во взаимно однозначное соответствие.
III. Свойства эквивалентности
Определение 2.6. Отношение с на множестве М называется эквивалентностью (отношением эквивалентности), если оно рефлексивно, симметрично и транзитивно.
Теорема 2.1: Если отношение с на множестве М рефлексивно, симметрично и транзитивно, существует такое разбиение {M 1 , M 2 ,….} множества М такое, что (х, у) выполняется тогда и только тогда, когда х и у принадлежат к некоторому общему классу M i данного разбиения.
Обратно: Если задано разбиение {M 1 , M 2 ,….} и бинарное отношение с задано как «принадлежать к общему классу разбиения», то с рефлексивно, симметрично и транзитивно.
Доказательство:
Рассмотрим рефлексивное, симметричное и транзитивное отношение с на М. Пусть для любого состоит из всех таких z, для которых (x, z) с
Лемма 2.1: Для любых x и y либо либо
Из леммы и рефлексивности отношения с следует, что множества вида образуют разбиение множества М. (Это разбиение естественно назвать разбиением, соответствующим исходному отношению). Пусть теперь (x, y) с. Это значит, что y. Но и х в силу (x, х) с. Следовательно, оба элемента входят в. Итак, если (x, y) с, то х и у входят в общий класс разбиения. Наоборот, пусть uи v. Покажем, что (u, v) с, Действительно, имеем (x, u) с и (x, v) с. Отсюда по симметричности (u, x) с. По транзитивности из (u, x) с и (x, v) с следует (u, v) с. Первая часть теоремы доказана.
Пусть дано разбиение {M 1 , M 2 ,….} множества М. Т.к. объединение всех классов разбиения совпадает с М, то любой хвходит в некоторый класс. Отсюда следует, что (x, х) с, т.е. с - рефлексивно. Если x и y входят в некоторый класс, то y и x входят в тот же класс. Это означает, что из (x, y) с вытекает (y, x) с, т.е. отношение симметрично. Пусть теперь выполнено (x, y) с и (y, z) с. Это означает, что x и y входят в некоторый класс, а y и z входят в некоторый класс. Классы имеют общий элемент у, а, следовательно, совпадают. Значит x и z входят в класс, т.е. выполняется (x, z) с и отношение транзитивно. Теорема доказана.
IV. Операции над эквивалентностями.
Определим здесь некоторые теоретико-множественные операции над эквивалентностями и приведем без доказательств их важные свойства.
Вспомним, что отношение - это пара (), где М - множество элементов, вступающих в отношение, а - множество пар, для которых отношение выполнено.
Определение 2.7. Пересечением отношений (с 1 , М) и (с 2 , М) назовем отношение, определенное пересечением соответствующих подмножеств. (x, y) с 1 с 2 тогда и только тогда, когда одновременно (x, y) с 1 и (x, y) с 2 .
Теорема 2.2: Пересечение с 1 с 2 эквивалентностей с 1 с 2 само является отношением эквивалентности.
Определение 2.8. Объединением отношений (с 1 , М) и (с 2 , М) назовем отношение, определенное объединением соответствующих подмножеств. (x, y) с 1 с 2 тогда и только тогда, когда (x, y) с 1 или (x, y) с 2 .
Теорема 2.3: Для того, чтобы объединение с 1 с 2 эквивалентностей с 1 с 2 само по себе было отношением эквивалентности необходимо и достаточно, чтобы
с 1 с 2 =с 1 с 2
Определение 2.9. Прямой суммой отношений (с 1 , М 1) и (с 2 , М 2) называется отношение). Прямая сумма обозначается (с 1 , М 1) (с 2 , М 2).
Таким образом, если (с 1 , М 1) (с 2 , М 2)= (), то M=.
Теорема 2.4: Если, а отношения - эквивалентности, то прямая сумма отношений (с 1 , М 1) (с 2 , М 2)= (), также является эквивалентностью.
V. Типы отношений
Введем еще несколько важных типов отношений. Примеры будут приведены в третьей главе.
Определение 2.10. Отношение с на множестве М называется толерантностью, если оно рефлексивно и симметрично.
Определение 2.11. Отношение с на множестве М называется отношением строгого порядка если оно антирефлексивно и транзитивно.
Определение 2.12. Отношение строгого порядка с называется совершенным строгим порядком, если для всякой пары элементов x и y из М верно либо (х, у), либо (у, х)
Определение 2.13. Отношение с на множестве М называется отношением нестрогого порядка если оно может быть представлено в виде:
где строгий порядок на М, а Е -диагональное отношение.
Арифметику остатков лучше всего вводить с помощью отношения эквивалентности. Поскольку такие отношения будут играть важную роль как в этой главе, так и далее, стоит подробно разобрать это базисное понятие.
Пусть X - конечное или бесконечное множество. Отношением на X называется правило, по которому «сравниваются» его элементы. Это неформальное определение, но его вполне достаточно для наших целей. Заметим, что для определения отношения мы должны четко задать само множество; другими словами, нам должно быть ясно, какие элементы нужно сравнивать.
Рассмотрим несколько примеров. На множестве целых чисел есть много простых отношений, вроде «равно», «не равно», «меньше, чем», «меньше или равно». На множестве цветных мячей у нас есть отношение «тот же цвет». Последний пример, ввиду своей конкретности, хорош для запоминания в качестве модельного случая. Кстати, мы предполагаем, что каждый мяч из множества окрашен только в один цвет, пестрые мячи мы не рассматриваем.
Отношение эквивалентности - это отношение весьма специфичного вида. Возвращаясь к общим определениям, предположим, что X - множество, в котором было определено отношение. Удобно зафиксировать какой-нибудь символ для обозначения эквивалентности, обычно употребляют значок «~». С этого момента «~» будет отношением эквивалентности,
если для всех выполнены следующие свойства:
Первое свойство называется рефлексивностью. Оно говорит, что когда мы имеем отношение эквивалентности, любой элемент эквивалентен сам себе. Это свойство верно для равенства целых чисел: любое целое число равно самому себе. Но оно не выполнено для отношения Поэтому на множестве не является отношением эквивалентности.
Второе свойство называется симметричностью. Отношение на множестве целых чисел не симметрично. Действительно, в то время как неравенство ложно. С другой стороны, отношение на рефлексивно, но не симметрично.
Третье - свойство транзитивности. На множестве целых чисел отношения «равно», «меньше, чем», «меньше или равно», - транзитивны. А вот «не равно» этим свойством не обладает. Действительно, и но из этих неравенств не следует Добавим, что симметрично, но не рефлексивно.
Мы предусмотрительно привели примеры отношений, которые не удовлетворяют этим свойствам, потому что это единственный путь к пониманию их действительного смысла. Именно владение примерами и контрпримерами обеспечивает успех в усвоении новых понятий. В примерах отношения эквивалентности нет недостатка. Равенство целых чисел, очевидно, удовлетворяет всем свойствам, выписанным выше. Отношение «тот же цвет» на множестве цветных мячей - еще один простой и, пожалуй, самый яркий пример. Среди примеров отношения эквивалентности на множестве многоугольников находятся такие отношения, как «одинаковое число сторон» и «одна и та же площадь».
Отношение эквивалентности используют для классификации элементов данного множества, группируя их в подмножества по принципу схожести свойств. Естественное разбиение множества, индуцированное отношением эквивалентности, называется разбиением на классы эквивалентности. Пусть на множестве X задано отношение эквивалентности и х - элемент этого множества. Классом эквивалентности элемента х называется подмножество в X, состоящее из всех элементов, эквивалентных х относительно Обозначив класс эквивалентности элемента х символом х, можно записать:
Приведем простой пример. Обозначим символом М множество цветных мячей с отношением эквивалентности «тот же цвет». Класс эквивалентности красного мяча в М состоит из всех красных мячей, содержащихся в М.
Одно из свойств классов эквивалентности настолько важно, что мы назовем его основным принципом классов эквивалентности. Принцип гласит, что любой элемент класса эквивалентности - хороший представитель всего класса. Иначе говоря, зная один элемент из класса эквивалентности, можно немедленно восстановить этот класс полностью. Этот факт бросается в глаза, когда мы имеем дело с множеством М цветных мячей и отношением «тот же цвет». Предположим, Вам говорят, что в картонной коробке находятся все элементы одного класса эквивалентности множества М. Увидев один элемент из этого множества (допустим, это синий мяч), Вы немедленно заключаете, что в коробке лежит класс эквивалентности всех синих мячей М. Проще и быть не может!
Вернемся к абстрактному множеству X с отношением эквивалентности Основной принцип говорит, что если у - элемент из класса эквивалентности х, то классы эквивалентности х и у совпадают. То же самое можно выразить короче:
Докажем это непосредственно из определяющих свойств отношения эквивалентности. Если то, по определению класса эквивалентности, Ввиду симметричности, Но если то и Тогда свойство транзитивности влечет Мы доказали включение: . Похожее рассуждение доказывает обратное включение: Вероятно, это все может показаться несколько педантичным. Но основной принцип - такой источник неразберихи и ошибок, что нам не стоит жалеть усилий на прояснение его точного смысла. Кроме того, полезно осознать, что он непосредственно следует из определения отношения эквивалентности. Кстати о педантичности: вы поняли, что свойство вытекает из рефлексивности?
Основной принцип приводит к важнейшему свойству отношения эквивалентности. Как и раньше, пусть X - множество с отношением эквивалентности тогда
(1) X - объединение своих классов эквивалентности относительно и
(2) два разных класса эквивалентности не могут иметь общего элемента.
Первое утверждение следует из часто упоминаемого факта: класс эквивалентности элемента содержит сам этот элемент. Для доказательства второго предположим, что элементы Так как то по основному принципу Аналогично Так что у. Заметим, что свойства (1) и (2) означают, что множество X разбито на непересекающиеся подмножества, классы эквивалентности. Другими словами, мы имеем дело с разбиением множества
Множество, составленное из классов эквивалентности множества X относительно отношения эквивалентности имеет специальное название: фактормножество X по отношению Отметим, что элементы фактормножества - это подмножества в Поэтому фактормножество не является подмножеством в X, будьте внимательны!
Закончим этот параграф примером, в котором проявляется наконец истинная природа дробей. Из чего состоит дробь? Когда Вы на нее смотрите, то видите два числа, одно из которых (знаменатель) должно быть ненулевым. Конечно, Вы ее, вероятно, воспринимаете как частное. Но если на Вас надавить, Вы можете попытаться выбрать более легкий выход и сказать, что дробь в действительности - пара чисел, одно из которых не равно нулю. Однако, такое определение некорректно.
В математике две пары равны, если они имеют одинаковые первый и второй элементы. Так, пары (2,4) и (1,2) неравны. Но дроби 2/4 и 1/2 равны; так что дроби - не пары чисел.
Что же такое дроби? Это элементы фактормножества! Рассмотрим множество пар целых На стандартном жаргоне Две пары и целых чисел можно теперь называть эквивалентными, если Легко проверить, что это отношение эквивалентности, а дробь - класс эквивалентности множества относительно этого отношения. Следовательно, означает не пару а бесконечное множество всех пар из эквивалентных Итак, множество рациональных чисел - это фактормножество множества по только что определенному отношению эквивалентности.
Представьте себе на минуту, что Вы до сих пор ничего о дробях не слышали и Вам придется исходить из описания, сделанного выше. Если Вам теперь скажут, что нужно вычислять с дробями, Вы почувствуете, что имеете вескую причину для паники: Вы же только что выучили, что дробь - это бесконечное множество. Мысль о прибавлении к одному бесконечному множеству другого бесконечного множества внушает легкое беспокойство. Именно в этот момент приходит на помощь основной принцип. Вам не нужно заботиться о бремени всего бесконечного множества; нужно знать только один элемент из него. Этот элемент расскажет Вам обо всем, что
необходимо знать о целом классе эквивалентности. Более того, Вас устроит любой элемент класса.
Итак, Вы можете оперировать с 1/2 как обычно, так же, как если бы это была пара чисел. Вы вспоминаете, что дробь - это класс эквивалентности, только когда (в процессе вычислений) оказывается, что дробь можно сократить. В этот момент вы заменяете одного представителя класса эквивалентности на другой для упрощения вычислений.
Зачем мы сделали такое длинное отступление о дробях? В следующем параграфе определятся отношение эквивалентности на множестве а фактормножество этого отношения играет абсолютно фундаментальную роль в этой книге. Как и в случай дробей, классы эквивалентности будут бесконечны, а нам предстоит делать вычисления с ними. Но теперь Вы знаете, что нет причин для волнения.
Рассмотрим на множестве дробей X = { } отношение равенства. Это отношение:
Рефлексивно, так как всякая дробь равна сама себе;
Симметрично, так как из того, что дробь равна дроби , следует, что дробь равна дроби ;
Транзитивно, так как из того, что дробь равна дроби и дробь равна дроби , следует, что дробь равна дроби .
Про отношение равенства дробей говорят, что оно является отношением эквивалентности.
Определение. Отношение R на множестве X называется отношением эквивалентности, если оно одновременно обладает свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности .
Примерами отношений эквивалентности могут служить отношения равенства геометрических фигур, отношение параллельности прямых (при условии, что совпадающие прямые считаются параллельными).
Почему в математике выделили этот вид отношений? Рассмотрим отношения равенства дробей, заданного на множестве X = { }. (Рис.7).
Видим, что множество разбилось на три подмножества: 
Эти подмножества не пересекаются, а их объединение совпадает с множеством X, т е имеем разбиение множества X на классы. Это не случайно.
Вообще если на множестве X задано отношение эквивалентности, то оно порождает разбиение этого множества на попарно непересекающиеся подмножества (классы эквивалентности).
Так, мы установили, что отношению равенства на множестве дробей
X = { } соответствует разбиение этого множества на классы эквивалентности, каждый из которых состоит из равных между собой дробей.
Верно и обратное утверждение: если какое-либо отношение, заданное на множестве X, порождает разбиение этого множества на классы, то оно является отношением эквивалентности.
Рассмотрим, например, на множестве X = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10} отношение «иметь один и тот же остаток при делении на 3». Оно порождает разбиение множества X на классы: в один попадут все числа, при делении которых на 3 получается в остатке 0 (это числа 3, 6, 9), во второй - числа, при делении которых на 3 в остатке получается 1 (это числа 1, 4, 7, 10), и в третий - все числа, при делении которых на 3 в остатке получается 2 (это числа 2, 5, 8). Действительно, полученные подмножества не пересекаются и их объединение совпадает с множеством X. Следовательно, отношение «иметь один и тот же остаток при делении на 3», заданное на множестве X, является отношением эквивалентности. Заметим, что утверждение о взаимосвязи отношения эквивалентности и разбиения множества на классы нуждается в доказательстве. Мы его опускаем. Скажем только, что если отношение эквивалентности имеет название, то соответствующее название дается и классам. Например, если на множестве отрезков задается отношение равенства (а оно является отношением эквивалентности), то множество отрезков разбивается на классы равных отрезков (см. рис. 4). Отношению подобия соответствует разбиение множества треугольников на классы подобных треугольников.
Итак, имея отношение эквивалентности на некотором множестве, мы можем разбить это множество на классы. Но можно поступить и наоборот: сначала разбить множество на классы, а затем определить отношение эквивалентности, считая, что два элемента эквивалентны тогда и только тогда, когда они принадлежат одному классу рассматриваемого разбиения.
Принцип разбиения множества на классы при помощи некоторого отношения эквивалентности является важным принципом математики. Почему?
Во-первых , эквивалентный - это значит равносильный, взаимозаменяемый. Поэтому элементы одного класса эквивалентности взаимозаменяемы. Так, дроби, оказавшиеся в одном классе эквивалентности неразличимы с
точки зрения отношения равенства, и дробь может быть заменена другой, например И эта замена не изменит результата вычислений.
Во-вторых , поскольку в классе эквивалентности оказываются элементы, неразличимые с точки зрения некоторого отношения, то считают, что класс эквивалентности определяется любым своим представителем, т.е. произвольным элементом этого класса. Так, любой класс равных дробей можно задать, указав любую дробь, принадлежащую этому классу. Определение класса эквивалентности по одному представителю позволяет вместо всех элементов множества изучать совокупность отдельных представителей из классов эквивалентности. Например, отношение эквивалентности «иметь одинаковое число вершин», заданное на множестве многоугольников, порождает разбиение этого множества на классы треугольников, четырехугольников, пятиугольников и т.д. Свойства, присущие некоторому классу, рассматриваются на одном его представителе.
В-третьих , разбиение множества на классы с помощью отношения эквивалентности используется для введения новых понятий. Например, понятие «пучок прямых» можно определить как то общее, что имеют параллельные между собой прямые.
Вообще любое понятие, которым оперирует человек, представляет собой некоторый класс эквивалентности. «Стол», «дом», «книга» - все эти понятия являются обобщенными представлениями о множестве конкретных предметов, имеющих одинаковое назначение.
Другим важным видом отношений являются отношения порядка. Оно определяется следующим образом.
Определение. Отношение R на множестве X называется отношением порядка, если оно одновременно обладает свойством антисимметричности и транзитивности.
Примерами отношений порядка могут служить: отношения «меньше» на множестве натуральных чисел; отношения
«короче» на множестве отрезков, поскольку они антисимметричны и транзитивны.
Если отношение порядка обладает еще свойством связанности, то говорят, что оно является отношением линейного порядка.
Например, отношение «меньше» на множестве натуральных чисел является отношением линейного порядка, так как обладает свойствами антисимметричности, транзитивности и связанности.
Определение. Множество X называется упорядоченным, если на нем задано отношение порядка.
Так, множество N натуральных чисел можно упорядочить, если задать на нем отношение «меньше».
Если отношение порядка, заданное на множестве X, обладает свойством связанности, то говорят, что оно линейно упорядочивает множество X.
Например, множество натуральных чисел можно упорядочить и с помощью отношения «меньше», и с помощью отношения «кратно» - оба они являются отношениями порядка. Но отношение «меньше», в отличие от отношения «кратно», обладает еще и свойством связанности. Значит, отношение «меньше» упорядочивает множество натуральных чисел линейно.
Не следует думать, что все отношения делятся на отношения эквивалентности и отношения порядка. Существует огромное число отношений, не являющихся ни отношениями эквивалентности, ни отношениями порядка.
Широкое применение отношений эквивалентности в современной математике связано с тем, что всякое отношение эквивалентности осуществляет разбиение множества, в котором оно определено, на классы.
П р и м е р 1. Пусть на множестве всех целых неотрицательных чисел N 0 = {0, 1, 2, 3, …} задано отношение Р : «числа х и у имеют один и тот же остаток при делении на 3». Докажем, что Р – отношение эквивалентности и определим классы эквивалентности, определяемые этим отношением.
В самом деле:
а) отношение Р – рефлексивно, поскольку любое х Î N 0 имеет при делении на 3 тот же остаток, что х ;
б) Р – симметрично, поскольку для любых х, у Î N 0 , если числа х и у у и х имеют один и и тот же остаток при делении на 3;
в) Р – транзитивно, поскольку для любых трех чисел x, y, z Î N 0, если х и у имеют один и тот же остаток при делении на 3, и у и z имеют один и тот же остаток при делении на 3, то числа х и z имеют один и тот же остаток при делении на 3.
Следовательно, отношение Р : «числа х и у имеют один и тот же остаток при делении на 3» является отношением эквивалентности, и поэтому оно разбивает множество N 0 на классы. Эти классы называются классами вычетов по модулю 3.
– так обозначается класс чисел, дающих при делении на 3 остаток 0, т.е. = {0, 3, 6, 9, 12 …}, или = {3k }, где k Î N 0 .
– так обозначается класс чисел, дающих при делении на 3 остаток 1, т.е. = {1, 4, 7, 10, 13 …}, или = {3k + 1};
– так обозначается класс чисел, дающих при делении на 3 остаток 2, т.е. = {2, 5, 8, 11, 14 …}, или = {3k + 2}.
Итак, отношение Р разбивает множество N 0 на 3 класса, и вообще, можно доказать, что отношение «числа х и у имеют один и тот же остаток при делении на m » разбивает это множество на m классов.
П р и м е р 2. На множестве N – натуральных чисел задано отношение Р следующим образом: (х 1 , у 1) Р (х 2 , у 2) .
Установим, что Р является отношением эквивалентности и определим классы эквивалентности, определяемые этим отношением.
Действительно, это отношение:
а) рефлексивно, поскольку для любых пар (х
, у
) имеет место
ху
= ух
;
б) симметрично, поскольку для любых двух пар натуральных чисел (х 1 , у 1) и (х 2 , у 2), если х 1 у 2 = у 1 х 2 , то х 2 у 1 = у 2 х 1 ;
в) транзитивно, поскольку для любых трех пар (х 1 , у 1), (х 2 , у 2), (х 3 , у 3), если х 1 у 2 = у 1 х 2 и х 2 у 3 = у 2 х 3 , то х 1 у 2 х 2 у 3 = у 1 х 2 у 2 х 3 , т.е. х 1 у 3 = у 1 х 3 .
Таким образом, отношение Р разбивает множество N на классы эквивалентности. Каждый из этих классов называется рациональным числом.
Например, пары (1, 2), (2, 4), (3, 6) принадлежат одному классу {(1, 2), (2, 4), (3, 6), …}. Можно этот класс определить следующим образом , т.е. как множество пар, эквивалентных паре (1, 2). Обычно эти пары записывают так: и называют дробями, а эквивалентность пар называют равенством дробей. Для упрощения заменяют класс эквивалентности каким-нибудь его элементом (представителем), чаще всего наиболее простым (несократимой дробью), называя его рациональным числом. Такое упрощение допустимо, так как рациональное число, как класс эквивалентности, однозначно определяется любым элементом этого класса, а операции над рациональными числами, как над классами пар, определяются через операции над представителями этих классов таким образом, что результаты этих операций не зависят от выбора представителей.
Как видно, дробь – форма выражения числа, при этом бесконечное множество дробей, составляющих один класс эквивалентности по отношению P на N , выражает одно число, которое может оказаться целым или дробным положительным числом, т.е. одно рациональное число.