函数与二元关系
一 基本要求
1. 理解关系的概念:二元关系、空关系、全关系、恒等关系和n元关系。
掌握关系矩阵和关系图及其表示方法,掌握关系的运算(并、交、补、差和对称差)。
2. 了解复合关系和逆关系的概念。
3. 理解关系的性质(自反性和反自反性、对称性和反对称性、传递性),掌握其判别方法(定义、矩阵或图)
4. 知道关系闭包(自反闭包(r(R));对称闭包(s(R));传递闭包(t(R)))概念,会求关系的闭包。
5. 了解等价关系和偏序关系概念,掌握等价类的求法,会作偏序关系的哈斯图。知道极大(小)元,最大(小)元的概念,会求极大(小)元,最大(小)元。
6. 理解函数概念:函数(映射),函数相等,象与原象,复合函数和反函数。
7. 理解单射、满射和双射等概念,掌握其判别方法。
重点:关系概念与其性质,等价关系和偏序关系,函数。
二、学习辅导
1. 关系的概念
包括定义、运算、矩阵表示、图形表示、
关系的概念是第4章全章的基础,又是第3章集合概念的应用。因此同学应该真正理解并掌握二元关系的概念及关系矩阵、关系图的表示。
二元关系是两种客体之间的联系,例如某学生学习语文、数学、外语,表示为
A={语文,数学。外语}
功课的成绩分四个等级,记作
B={A,B,C,D}
于是该生成绩的全部可能为A×B
A×B={<语文,A>,<语文,B>,<语文,C>,<语文,D>,<数学,A>,<数学,B>,
<数学,C>,<数学,D>,<外语,A>,<外语,B>,<外语,C>, <外语,D>}
那么该生的实际成绩 P={<语文,B>,<数学,A>,<外语,D>}
P是A×B的一个子集,它表示了功课与其成绩的一种关系。这是两个集合(客体)之间的二元关系,从A到B的二元关系,也可以是到自身的二元关系,如A=N,A的两个数之和是偶数,就是从A到A的二元关系。
知识点:
h二元关系的定义 :集合A,B, ,记作xRy,就是集合。
h二元关系的定义域:Dom(R)
h二元关系的值域:Ran(R)
关系的表示方法:
h集合表示法:关系是集合,有似集合的表示方法――列举法和描述法
h矩阵表示法 R=A×B,R的矩阵 ,
h图表示法
几个特殊的关系:
h空关系Æ;唯一是任何关系的子集的关系,MÆ是n阶0矩阵。
h全关系
h恒等关系 ,MI是单位矩阵。
h关系R的逆关系 ,
h复合关系 ,有
(布尔运算)。
例4.1 设集合A={a,b},R是P(A)上的包含关系,有
用描述法表示;
用列举法表示:
R的关系矩阵 R的关系图(图4-1)
,
例4.2 设A={1,2,3},用列举法给出A上的恒等关系IA,全关系EA,A上的小于关系
和A上的整除关系
解
DA的逆关系
有
例4.3 设集合A={2,3,4},B={4,6,7},C={8,9,12,14}。R1是由A到B的二元关系,R2是由B到C的二元关系,定义如下:
,
试用关系矩阵表示法求复合关系 。
解 , 因此
× (布尔运算)
=
故 ={<2,8>,<2,12>,<3,12>}
2. 关系的性质
自反性与反自反性、对称性与反对称性、传递性
关系的性质既是对关系概念的加深理解和掌握,又是关系的闭包、等价关系和偏序关系的基础。
知识点(二元关系R)
h自反性 ;矩阵 的主对角线元素全为1;关系图的每个结点都有自回路。
h反自反性 ;矩阵 的主对角线元素全为0;关系图的每个结点都没有自回路。
h对称性 若 ,则 ;矩阵 是对称矩阵,即 ;有向关系图中有向弧成对出现。
h反对称性 若 , ,则x=y或若 ,则 ;矩阵 不出现对称元素;关系图中没有成对弧出现。
h传递性 若 ,则 ;在关系图中,有从a到b的弧,有从b到c的弧,则有从a到c的弧。
二元运算的并、交、补、差、逆、复合具有的性质表
原有性质 运算 |
自反性 |
反自反性 |
对称性 |
反对称性 |
传递性 |
R-1 |
Ö |
Ö |
Ö |
Ö |
Ö |
R1ÈR2 |
Ö |
Ö |
Ö |
´ |
´ |
R1ÇR2 |
Ö |
Ö |
Ö |
Ö |
Ö |
R1-R2 |
´ |
Ö |
Ö |
Ö |
´ |
R1×R2 |
Ö |
´ |
´ |
´ |
´ |
对于五个性质的判定,可以根据定义、关系矩阵或关系图进行判定。其中对传递性的判定,难度稍大点,也可以如下方法判定:不破坏传递性的定义,可认为具有传递性。例如空关系可认为具有传递性,同时具有对称性和反对称性,但是不具有自反性;
例4.4 试判断图4-2中关系的性质:
解 图4-2中(a)的关系在集合{1,2,3}上是对称的,因为结点1与2,1与3之间的有向弧是成对出现且方向相反;它不是自反的,也不是反自反的,因为有的结点有自回路,有的结点没有自回路。它也不是传递的,因为<1,2>ÎR,<2,1>ÎR,若是传递关系,应该有<2,2>ÎR,然而结点2处没有自回路。
图4-2中(b)是反自反的,因为每个结点都没有自回路。它也是反对称的,因为两条边都是单向边,它又是传递的,因为不存在结点x,y,zÎ{1,2,3}。使得x到y有边,y到x有边,但x到z没有边。
图4-2中(c)的关系自反的,反对称的、但不是传递的。因为2到1有边,1到3有边,但2到3没有边。
例4.5 设集合A={1,2,3,4,5},R是A上的关系。定义为
R={<1,1>,<1,2>,<1,3>,<1.4>,<1,5>,<2,2>,<2,3>,<2,4>,<2,5>,
<3,3>,<3,4>,<3,5>,<4,4>,<4,5>,<5,5>}
试判断R是
(1) A上的自反关系; (2) A上的对称关系;
(3) A上的反对称关系; (4) A上的可传递关系。
解 写出关系矩阵,作关系图(图4-3)。
,
(1) 因为 ,或MR的主对角线元素皆为1,或关系图中每个结点都有自回路,故R是自反关系;
(2) 因为 ,或MR不是对称矩阵,或关系图中每对结点都没有成对出现的方向相反的弧,故R不是对称关系;
(3) 因为 ,或MR的主对角线两侧元素对称位置元素1,或0不对称,或关系图中每对结点没有成对的有向弧,故R是反对称关系;
(4) 因为不难验证 ,或关系图中 。故R是自反的;
3. 关系的闭包与极大(小)元、最大(小)元问题
设R是非空集合A上的二元关系,在关系R的基础上,添加最少的有序对,得到的关系记作R’,使得R’即有关系的某个性质(R却不具有该性质),R’就是R的闭包,记作r(R)(R’具有自反性),s(R)(R’具对称性),t(R)(R’具有传递性)。
在理解和掌握闭包概念的基础上,主要这闭包的求法。关键是记住几个定理的结论:定理12的 ;定理13的 ;定理14的推论: 。
例4.6 设集合A={a,b,c,d},定义R={<a,b>,<b,a>,<b,c>,<c,d>},求r(R),s(R),t(R)。
解 求自反闭包,R不具有自反性,由自反性的定义,只需在R上添加IA,于是
r(R)=RÈIA={<a,a>,<a,b>,<b,a>,<b,b>,<b,c>,<c,c>,<c,d>}
其中下画线者为添加元素。
s(R)=RÈ{<c,b>,<d,c>}={ <a,b>,<b,a>,<b,c>,<c,b>,<c,d>,<d,c>}
t(R)=RÈ{<a,a>,<b,b>,<a,c>,<b,d>,<a,d>}
={<a,a>, <a,b>,<a,c>,<a,d>,<b,a>,<b,b>,<b,c>,<b,d>,<c,d>}
4. 常见的特殊关系 等价关系和偏序关系
等价关系和偏序关系是两种最重要的关系。它们具有不同的性质。
等价关系图的特点是:每一个结点都有一个自回路,两个结点间如有有向弧线,则一定是双向弧线,如果从a到b,从b到c各有一条有向弧线,则从a到c一定有有向弧线。
等价类,若R是等价关系,与R中的某个元素等价的所有元素作为整体,就是一个等价类。就可以把R分成若干个等价类(子集)。
偏序关系是第8章偏序格的基础,理解和掌握偏序关系和偏序集概念的关键是哈斯图。哈斯图的画法掌握了,对于确定任一子集的最大(小)元,极大(小)元也就容易了。这里要注意,最大(小)元与极大(小)元只能在子集内确定。而上界与下界可在子集之外的全集中确定,最小上界是所有上界中最小者,最小上界再小也不会小于子集中的任一元素;可以与某一元素相等,最大下界也是同样。
例4.7 和集合A={a,b,c,d,e},定义A上的二元关系
判断R1,R2是否为等价关系?
解 判断等价关系,就是验证是否具有自反性、对称性和传递性。
写出R1的关系矩阵,
由关系的矩阵可知,R1具有自反性和对称性。由关系图(图4-4)可知它具有传递性,故R1是等价关系。
R2不是等价关系,因为 ,故R不具有自反性。
注意:自反性,对称性和传递性之一不具备,就是破坏了等价关系的定义。
事实上 ,故R2不具有对称性; ,R2也不具有传递性。
对例4.7的R1进行分类。对于元素a,因为 所以a生成的等价类 ;
对于元素b,因为 所以b生成的等价类 ;
对于元素c,因为 ,所以c生成的等价类 ;
对于元素d,因为 所以d生成的等价类 ;
对于元素e,因为 所以e生成的等价类 ;
由上可见,不同的元素,可能有相同的等价类。
例4.8 设集合A={18的正整数因子},£为整除关系,求cov(A)
,称为x盖住y,如A={1,2,3,4},cov(A)={<1,2>,<1,3>,<2,4>},<1,4>Ïcov(A),因为存在2ÎA,使得1<2<4。
解 先求集合A,18的正整数因子,有A={1,2,3,6,9,18}
整除关系:£={<1,1><1,2>,<1,3>,<1,6>,<1,9>,<1,18>,<2,2>,<2,6>,<2,18>,
<3,3>,<3,6>,<3,9>,<3,18>,<6,6>,<6,18>,<9,9>,<9,18>,<18,18>}
cov(A)={<1,2>,<1,3>,<2,6>,<3,6>,<3,9>,<6,18>,<9,18>}
则<A,£>是偏序关系。画<A,£>的关系图和哈斯图如下(图4-5):
集合(cov(A )
cov(A)的最大元是18,极大元是18,最小元、极小元均为1。
子集{2,3,6}的最大元和极大元都是6,无极小元。上界为6,下界为1,上确界为6,下确界为1。
子集{3,6,9,}无最大元,最小元和极小元都是3。上界为18,下界为3,上确界为18,下确界为3。
子集{1,2,3}的上界和上确界只能是6,而不能是9。
5. 函数
函数是一种特殊的关系,集合A×B的任何子集都是关系,但不一定是函数。函数要求对于定义域A中每一个元素a,B中有且仅有一个元素与a对应,而关系没有这个限制。
二函数相等是指:定义域相同,对应关系相同,而且定义域内每个对应值都相同。
知识点:
h函数
h定义域
函数的类型:
h单射 若
h满射 f(A)=B
h双射 单射且满射。
h非单非满映射
判定的方法除定义外,还可借助于关系图。而实数集的子集上的函数,也可以用直角坐标表示,尤其是初等函数。
h复合函数
一般
复合函数的性质:
h 如果f,g都是单射的,则f·g是单射的;
h 如果f,g都是满射的,则f·g是满射的;
h 如果f,g都是双射的,则f·g是双射的;
h 如果f·g是单射的,则f是单射的;
h 如果f·g是满射的,则g是满射的;
h如果f·g是双射的,则f是单射的,g是满射的。
h反函数 若f:A®B是双射,则有反函数f-1:B®A,
例4.9 分别确定一下各题的f是否为从A到B的函数,并对其中的函数f:A®B指出它是否为单射,满射或双射?如果不是,请说明理由。
(1)
(2) A,B同(1), f={<1,8>,<3,10>,<2,6>,<4,9>}
(3) A,B同(1), f={<1,7>,<2,6>,<4,5>,<1,9>,<5,10>}
(4) A,B为实数集,
(5) A,B同(4),
(6) A,B同(4),
(7) A,B同(4),
(8) A,B为正整数集,
(9) A,B同(8),
(10) A,B为正实数集,
解 (1) f是从A到B函数,但不是单射,因为f(3)=f(5)=9;也不是满射,因为7ÏRan(f)。 (2) f不是从A到B函数,因为Dom(f)={1,2,3,4}¹A。
(3) f不是从A到B函数,因为对于1ÎDom(f)有7和9两个与它对应。
(4) f是从A到B函数,但不是单射,因为f(0)=f(1)=0;也不是满射,因为该函数的最小值是-1/4,所以Ran(f)是 ,不是整个实数集。
(5) f是从A到B的双射函数,因为 是严格单调,且 。
(6) f不是从A到B函数,因为Ran(f)是[1,+¥),不是实数集。
(7) f不是从A到B函数,因为0ÏDom(f)。
(8) (8) f是从A到B函数,且f是单射,因为易验证
但f不是满射,因为1ÏRan(f)。
(9) f是从A到B函数,且f是满射,因为
但不是单射,因为f(1)=f(2)=1。
(10) f是从A到B函数,但f不是单射,因为当x®时,f(x)®0,当x®+¥时,也有f(x)®0,
只有当x=1时 ,f(1)=1/2是极大值。所以必存在x1¹x2,0<x1<1<x2,且f(x1)=f(x2)。F也不是 满射,因为Ran(f)是(0,1/2),不是整个正实数集。
例4.10 图4-6中,定义了函数f,g,h
求:(1) f,g,h的像;
(2) f·g, h·f, g·g;
(3) 指出f,g,h中哪些是单射,满射和双射
(4) f,g,h中哪些函数存在反函数,给出其反函数的表达式。
解 令A={1,2,3,4},则f,g,hÎAA。其中若A={a,b,c,d},B={1,2,3},那么
={<a,1>,<a,2>,<a,3>,<b,1>,<b,2>,<b,3>,<c,1>,<c,2>,<c,3>,<d,1>,<d,2>,<d,3>}。
称为“B上A”。
(1) f(A)={1,2,4}, g(A)=A, h(A)={1,3}
(2) f·g={<1,4>,<2,2>,<3,2>,<4,3>}
h·f={<1,2>,<2,1>,<3,2>,<4,1>}
g·g={<1,4>,<2,3,>,<3,2>,<4,1>}
(3) 只有g是单射,又是满射,即为双射。
(4) 只有g有反函数g-1:A®A,且满足
g-1={<1,3>,<2,2,1>,<3,4>,<4,2>}
三、实例
例1 设集合A={1,2},B={a,b,c},C={c,d}, 则A×BÇC)=( )
(A){<c,1>,<2,c>} (B) {<1,c>,<2,c>} (C){<c,1>,<c,2>} (D){<1,c>,<c,2>}
答案:(B)
解答: ,故选择(B).
例2 设A={0,a},B={1,a,3},则AÈB的恒等关系是( )
(A) {<0,0><1,1>,<3,3>,<a,a>} (B) {<0,0>,<1,1>,<3,3>}
(C) {<1,1>,<a,a>,<3,3>} (D) {<0,1>,<1,a>,<a,3>,<3,0>}
答案:(A)
解答:因为AÈB={0,1,3,a},故AÈB的恒等关系IAÈB={<0,1>,<1,1>,<,a,a>,<3,3>},应该选择(A)。
例3 设R1,R2是集合A={1,2,3,4},其中
R1={<1,1>,<1,2>,<2,4>}, R2={<1,4>,<2,3>,<2,4>,<3,2>},
则R1×R2=
答案:{<1,4>,<1,3>}
解答:由合成的定义:
例4 设集合A={a,b,c},A上的二元关系R={<a,a>,<b,b>}不具备关系( )性质。
(A) 传递性 (B) 反对称性 (C) 对称性 (D) 自反性
答案:(D)
解答:只有每个结点都有自回路,才具有自反性,R缺少<c,c>。故应选(D)。
例5 设集合 是从A到B的函数, ,则s是( )
(A) 双射 (B) 满射但不是单射 (C) 单射但不是满射 (D)非单射也非满射
答案:(B)
解答:因为s(A)=B,故是满射,但是s(a1)=s(a2)=b2,故不是单射。所以应选(B)。
例6 设 是A上的二元关系,
则R2是R1的 闭包
答案:对称
解答:在R1的基础上添加<c,b>,此时关系矩阵是对称矩阵,故R2是R1的对称闭包
例7 设集合 判定下列关系,哪些是自反的,对称的,反对称的,传递的?
解答:均不是自反的;R4是对称的;R1,R2,R3,R4,R5是反对称的;R1,R2,R3,R4,R5是传递的。
例8 设A={1,2,3,4,5,6},定义A上的二元关系
R={<1,1>,<1,4>,<2,2>,<2,3>,<2,6>,<3,2>,<3,3>,<3,6>,
<4,1>,<4,4>,<5,5>,<6,2>,<6,3>,<6,6>}
(1) 判定R是否为等价关系?
(2) 若是等价关系,写出A的关于R的等价类。
解 (1) 是等价关系;
(2) 等价类分别为{2,3,6}, (1,4), {5}
例9 设A={1,2,3,4,5},R是A上的二元关系,
R={<1,1>,<2,2>,<3,3>,<3,4>,<4,4>,<5,3>,<5,4>,<5,5>}
(1) 试写出R的关系矩阵和关系图;
(2) 证明R是A上的偏序关系,并画出哈斯图;
(3) 若BÍA,且B={2,3,4,5},求B的最大元,最小元,极大元极小元最小上界和最大下界。
解 (1) 关系矩阵,关系图如下:
,
(2) 不难验证R具有自反性;由关系图
看出R具有传递性;反对称性的等价定义,
易知R具有反对称性,故<A,R>是偏序关系。
作<A,R>的哈斯图(图4-8)。
(3) 当B={2,3,4,5}时,B的极大元为2,
4。极小元为2,5。B无最大元和最小元,
B无上界和下界。