Корице уџбеника

6. Бинарне Релације

Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

Нека је дата релација означена са \( \rho \). На основу графа можемо је записати као скуп уређених парова: \[ \rho = \{(a, a), (b, b), (c, c), (d, d), (a, c), (b, c), (a, d)\} \] Да би релација била релација поретка, мора бити рефлексивна, антисиметрична и транзитивна: - Рефлексивност: Важи, јер за свако \( x \in \{a, b, c, d\} \) постоји \( (x, x) \in \rho \) (сваки чвор има петљу). - Антисиметричност: Важи, јер не постоје различити елементи \( x, y \) такви да је \( x \rho y \) и \( y \rho x \) (нема двосмерних стрелица). - Транзитивност: Важи, јер не постоје три различита елемента \( x, y, z \) таква да важи \( x \rho y \) и \( y \rho z \), па импликација \( x \rho y \land y \rho z \Rightarrow x \rho z \) нема контрапример. Закључак: Релација јесте релација поретка. Да би релација била линеарна, за свака два елемента \( x, y \) мора важити \( x \rho y \lor y \rho x \). Међутим, за елементе \( a \) и \( b \) не важи ни \( a \rho b \) ни \( b \rho a \) (као ни за парове \( c \) и \( d \), односно \( b \) и \( d \)). Закључак: Релација није линеарна.

Детаљно решење

Корак 1: Представљање релације преко скупа уређених парова

На основу датог графа, можемо записати релацију (нека се зове \( \rho \)) као скуп уређених парова. Свака стрелица од чвора \( x \) ка чвору \( y \) представља пар \( (x, y) \), а петља око чвора представља пар \( (x, x) \). Скуп је \( A = \{a, b, c, d\} \). Релација је: \[ \rho = \{(a, a), (b, b), (c, c), (d, d), (a, c), (b, c), (a, d)\} \]

Корак 2: Испитивање да ли је релација релација поретка

Да би релација била релација поретка (или уређење), према дефиницији, она мора бити рефлексивна, антисиметрична и транзитивна. Испитаћемо сваку од ових особина.
  • Рефлексивност: Релација је рефлексивна ако за свако \( x \in A \) важи \( x \rho x \). Са графа видимо да сваки чвор има петљу, односно у скупу се налазе парови \( (a, a), (b, b), (c, c) \) и \( (d, d) \). Дакле, релација јесте рефлексивна.
  • Антисиметричност: Релација је антисиметрична ако за све \( x, y \in A \) важи: ако је \( x \rho y \) и \( y \rho x \), онда је \( x = y \). На графу ово значи да не смеју постојати две различите тачке повезане стрелицама у оба смера. Како све стрелице између различитих чворова иду само у једном смеру (на пример, постоји \( (a, c) \) али не и \( (c, a) \)), релација јесте антисиметрична.
  • Транзитивност: Релација је транзитивна ако за све \( x, y, z \in A \) важи: ако је \( x \rho y \) и \( y \rho z \), онда мора бити и \( x \rho z \). На графу то значи да ако постоји индиректан пут од два корака, мора постојати и директна стрелица која повезује почетни и крајњи чвор. У нашој релацији, не постоји ниједан чвор (осим самих петљи) који има и улазну и излазну стрелицу ка другим чворовима. Другим речима, не постоје \( x, y, z \) (где су сви различити) такви да важи \( x \rho y \) и \( y \rho z \). Због тога је услов за транзитивност задовољен јер нема контрапримера који би га нарушио, па релација јесте транзитивна.
Пошто релација поседује све три особине, закључујемо да она јесте релација поретка.

Корак 3: Испитивање да ли је релација линеарна

Да би релација била линеарна, за свака два елемента \( x, y \in A \) мора да важи дисјункција \( x \rho y \lor y \rho x \). На графу то значи да свака два чвора морају бити повезана бар једном стрелицом у било ком смеру. Ако погледамо чворове \( a \) и \( b \), видимо да између њих не постоји стрелица ни у једном смеру. Дакле, не важи ни \( a \rho b \), нити \( b \rho a \). Такође, не постоје стрелице ни између чворова \( c \) и \( d \), као ни између \( b \) и \( d \). Због тога, ова релација није линеарна.

Кратак запис решења:

\[ \rho = \{(a, a), (b, b), (c, c), (d, d), (a, c), (b, c), (a, d)\} \] Релација је рефлексивна (садржи све парове \( (x,x) \)), антисиметрична (нема двосмерних стрелица) и транзитивна (нема прелаза дужине 2 којима недостаје директна стрелица). Пошто испуњава ова три услова, она јесте релација поретка. Релација није линеарна јер постоје елементи који нису упоредиви; на пример за чворове \( a \) и \( b \) не важи ни \( a \rho b \) ни \( b \rho a \).

Најважније из лекције

  • Бинарна релација \( \rho \) је подскуп Декартовог производа \( A \times A \). Пишемо \( x \rho y \).
  • Релација поретка мора бити: рефлексивна, антисиметрична и транзитивна (нпр. \( \le \), \( \subseteq \)).
  • Релација еквиваленције мора бити: рефлексивна, симетрична и транзитивна (нпр. \( = \)).
  • Релација еквиваленције дели скуп на дисјунктне подскупове који се зову класе еквиваленције.
Бинарна релација скупа \( A \) је било који подскуп Декартовог производа \( A \times A \). Овом релацијом се успостављају везе између елемената посматраног скупа.
Ако је пар \( (x, y) \in \rho \), уобичајено је да се пише \( x \rho y \) и чита „икс је у релацији ро са ипсилон”. Уколико нису у релацији, пише се \( x \not\rho y \).
Релације на коначним скуповима се најчешће сликовито приказују помоћу графа (где су елементи чворови, а релације усмерене стрелице) или помоћу таблице истинитости.
Приказ бинарне релације $\rho$ на скупу $A = \{a, b, c\}$ помоћу графа и одговарајуће таблице.

**Граф:** Граф се састоји од три чвора (означених као 'a', 'b' и 'c') распоређених у равни тако да омогућавају јасан приказ веза (на пример, у троугластој формацији). Чворови су повезани усмереним стрелицама које показују елементе релације $\rho = \{(a, a), (a, b), (c, a)\}$:
*   петља (усмерена стрелица) од чвора 'a' до самог себе (за пар $(a,a)$),
*   усмерена стрелица од чвора 'a' до чвора 'b' (за пар $(a,b)$),
*   усмерена стрелица од чвора 'c' до чвора 'a' (за пар $(c,a)$).
Остале потенцијалне везе између чворова нису приказане стрелицама.

**Таблица:** Одговарајућа таблица је квадратна матрица величине 3x3. Заглавља редова и колона су елементи скупа $A$: 'a', 'b', 'c'. Ћелије таблице садрже 'T' ако су одговарајући елементи у релацији, а остале ћелије су празне. Конкретно, 'T' се налази у следећим ћелијама (ред, колона): $(a, a)$, $(a, b)$ и $(c, a)$. Све остале ћелије таблице су празне.
Нека је \( A = \{a, b, c\} \) и релација \( \rho = \{(a, a), (a, b), (c, a)\} \).
Тада важи \( a \rho a \), \( a \rho b \) и \( c \rho a \), али на пример важи \( b \not\rho c \) јер пар \( (b, c) \) не припада релацији.
Бинарна релација \( \rho \) скупа \( A \) може имати неке од следећих особина:
  • Рефлексивна: ако је \( x \rho x \) за свако \( x \) из \( A \). (Сваки елемент је у релацији са самим собом).
  • Ирефлексивна: ако ни за једно \( x \) из \( A \) није \( x \rho x \).
  • Симетрична: ако је за све \( x, y \in A \) тачна импликација \( x \rho y \Rightarrow y \rho x \). (Ако је \( x \) у релацији са \( y \), онда мора бити и \( y \) у релацији са \( x \)).
  • Антисиметрична: ако је за све \( x, y \in A \) тачна импликација \( x \rho y \land y \rho x \Rightarrow x = y \). (Ако су узајамно у релацији, морају бити исти елемент).
  • Линеарна: ако је за све \( x, y \in A \) тачна дисјункција \( x \rho y \lor y \rho x \). (Свака два елемента су упоредива).
  • Транзитивна: ако је за све \( x, y, z \in A \) тачна импликација \( x \rho y \land y \rho z \Rightarrow x \rho z \). (Ако је први у релацији са другим, а други са трећим, онда је и први у релацији са трећим).
Релација \( \rho \) је релација поретка (уређење) ако је рефлексивна, антисиметрична и транзитивна.
Поред основне релације поретка, разликујемо још два специфична облика:
  • Линеарни поретак: ако је релација рефлексивна, антисиметрична, линеарна и транзитивна.
  • Строги поретак: ако је релација ирефлексивна и транзитивна (свакој релацији поретка одговара једна релација строгог поретка, нпр. релацији \( \le \) одговара строги поретак \( < \)).
У наредној табели приказане су три веома важне релације поретка у математици:
Особина \( \le \) на скупу \( \mathbb{R} \) \( | \) (дељивост) на \( \mathbb{N} \) \( \subseteq \) (инклузија) скупова
Рефлексивност \( x \le x \) \( n | n \) \( A \subseteq A \)
Антисиметричност \( x \le y \land y \le x \Rightarrow x = y \) \( n | m \land m | n \Rightarrow n = m \) \( A \subseteq B \land B \subseteq A \Rightarrow A = B \)
Транзитивност \( x \le y \land y \le z \Rightarrow x \le z \) \( n | m \land m | k \Rightarrow n | k \) \( A \subseteq B \land B \subseteq C \Rightarrow A \subseteq C \)
Релација \( \rho \) је релација еквиваленције ако је рефлексивна, симетрична и транзитивна. Типичан пример овакве релације је једнакост (\( = \)).
Класа еквиваленције: Свака релација еквиваленције неког скупа дели тај скуп на међусобно дисјунктне (не преклапају се) непразне подскупове. Сваки од тих подскупова назива се класа еквиваленције, а њихова унија даје цео почетни скуп.
Релација дефинисана са: "\( x \rho y \) ако је разлика \( x - y \) дељива са 2" на скупу целих бројева \( \mathbb{Z} \) је релација еквиваленције.
Ова релација дели скуп целих бројева на тачно две класе еквиваленције:
  1. Скуп парних бројева: \( \{..., -4, -2, 0, 2, 4, ...\} \)
  2. Скуп непарних бројева: \( \{..., -5, -3, -1, 1, 3, ...\} \)

Задаци за вежбање

Лаки ниво: Дата је релација \( \rho = \{(1,1), (2,2), (3,3), (1,2), (2,1)\} \) на скупу \( A = \{1, 2, 3\} \). Да ли је ова релација рефлексивна и симетрична?
Да. Релација је рефлексивна јер садржи парове \( (1,1), (2,2), (3,3) \), што значи да је сваки елемент у релацији са самим собом. Такође је симетрична јер за једини пар различитих елемената \( (1,2) \) постоји и обрнути пар \( (2,1) \).
Средњи ниво: Нека је релација \( \rho \) на скупу природних бројева \( \mathbb{N} \) дефинисана као \( x \rho y \) ако је \( x < y \). Да ли је ово релација поретка или релација строгог поретка? Објасните зашто.
Ово је релација строгог поретка.
Није релација поретка јер није рефлексивна (ниједан број није строго мањи од самог себе, тј. не важи \( x < x \)).
Она испуњава услове за строги поретак јер је ирефлексивна (никада не важи \( x \rho x \)) и транзитивна (ако је \( x < y \) и \( y < z \), онда мора бити \( x < z \)).
Тежи ниво: На скупу свих ученика једне школе дефинисана је релација: ученик \( A \) је у релацији са учеником \( B \) ако иду у исто одељење. Докажите да је ово релација еквиваленције и наведите шта представљају класе еквиваленције у овом случају.
Да би била релација еквиваленције, мора да испуњава 3 особине:
1. Рефлексивност: Сваки ученик иде у исто одељење са самим собом (\( A \rho A \)).
2. Симетричност: Ако ученик \( A \) иде у исто одељење са учеником \( B \), онда и ученик \( B \) иде у исто одељење са учеником \( A \) (\( A \rho B \Rightarrow B \rho A \)).
3. Транзитивност: Ако ученик \( A \) иде у одељење са \( B \), а ученик \( B \) иде у одељење са \( C \), онда ученик \( A \) мора ићи у одељење са \( C \) (\( A \rho B \land B \rho C \Rightarrow A \rho C \)).
Класе еквиваленције: Свака класа еквиваленције представља један конкретан разред (одељење) у тој школи (нпр. класа свих ученика који иду у одељење I-1). Све класе заједно чине целу школу.

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: