函数二元关系

       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()元,最大()元的概念,会求极大()元,最大()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{ABCD}

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>}

PA×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AB的二元关系,也可以是到自身的二元关系,如ANA的两个数之和是偶数,就是从AA的二元关系。

       知识点:

h二元关系的定义      :集合AB ,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 RA×BR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,MÆn0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)

4.1 设集合A{a,b},RP(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(41)

   

4.2 A{1,2,3},用列举法给出A上的恒等关系IA,全关系EAA上的小于关系 

       

A上的整除关系

      

 

          

   

   

DA的逆关系

          

        

    4.3 设集合A{2,3,4},B={4,6,7},C={8,9,12,14}R1是由AB的二元关系,R2是由BC的二元关系,定义如下:

        

试用关系矩阵表示法求复合关系

             因此

           

       × (布尔运算)

                          

       {<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  ,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  ,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  ,则 ;在关系图中,有从ab的弧,有从bc的弧,则有从ac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

    R1

  Ö

  Ö

  Ö

  Ö

  Ö

  R1ÈR2

  Ö

  Ö

  Ö

  ´

  ´

  R1ÇR2

  Ö

  Ö

  Ö

  Ö

  Ö

  R1R2

  ´

  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;

       4.4 试判断图42中关系的性质:

 

         42(a)的关系在集合{1,2,3}上是对称的,因为结点1213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。

42(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xy有边,yx有边,但xz没有边。

42(c)的关系自反的,反对称的、但不是传递的。因为21有边,13有边,但23没有边。

       4.5 设集合A{1,2,3,4,5},RA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

       (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。      

       写出关系矩阵,作关系图(43)

  

       (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()元、最大()元问题

       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 ;定理13 ;定理14的推论:

       4.6 设集合A{a,b,c,d},定义R{<a,b>,<b,a>,<b,c>,<c,d>},r(R),s(R),t(R)

       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ab,从bc各有一条有向弧线,则从ac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()元,极大()元也就容易了。这里要注意,最大()元与极大()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。

       4.7 和集合A{a,b,c,d,e},定义A上的二元关系

      

      

判断R1R2是否为等价关系?

       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(44)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4.7R1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。

       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

       先求集合A18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>}

       <A,£>是偏序关系。画<A,£>的关系图和哈斯图如下(45)

 

       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{236}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{369}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aB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 

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  fA®B是双射,则有反函数f1B®A

             

4.9  分别确定一下各题的f是否为从AB的函数,并对其中的函数fA®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(1), f={<1,8>,<3,10>,<2,6>,<4,9>}

(3) A,B(1), f={<1,7>,<2,6>,<4,5>,<1,9>,<5,10>}

(4) A,B为实数集,

                    

(5) A,B(4)

                    

(6) A,B(4)

                    

(7) A,B(4)

                    

(8) A,B为正整数集,

                    

(9) A,B(8)

                    

(10) A,B为正实数集,

                    

  (1)  f是从AB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AB函数,因为Dom(f)={1,2,3,4}¹A

       (3)  f不是从AB函数,因为对于1ÎDom(f)79两个与它对应。

       (4)  f是从AB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) ,不是整个实数集。

       (5)  f是从AB的双射函数,因为 是严格单调,且

       (6)  f不是从AB函数,因为Ran(f)[1,+¥),不是实数集。

       (7)  f不是从AB函数,因为0ÏDom(f)

(8)       (8)       f是从AB函数,且f是单射,因为易验证

              

f不是满射,因为1ÏRan(f)

(9)  f是从AB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AB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 f(1)=1/2是极大值。所以必存在x1¹x2,0<x1<1<x2,f(x1)=f(x2)F也不是         满射,因为Ran(f)(0,1/2),不是整个正实数集。

       4.10  46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。                

       A{1,2,3,4},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“BA”。

       (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g1A®A,且满足

g1{<1,3>,<2,2,1>,<3,4>,<4,2>}

       三、实例

       1 设集合A{1,2}B={a,b,c},C={c,d}, 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).

       2 A{0,a},B={1,a,3},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},AÈB的恒等关系IAÈB{<0,1>,<1,1>,<,a,a>,<3,3>},应该选择(A)

       3 R1R2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>},

R1×R2                 

       答案{<1,4>,<1,3>}

       解答:由合成的定义:

      

      

       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)

       5 设集合 是从AB的函数, ,则s(    )

       (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)

       6 A上的二元关系,

              

R2R1        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R2R1对称闭包

       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;R1R2R3R4R5是反对称的;R1R2R3R4R5是传递的。

       8 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。

(1) 是等价关系;

(2) 等价类分别为{2,3,6}, (1,4), {5}

       9 A{1,2,3,4,5},RA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RA上的偏序关系,并画出哈斯图;

(3)  BÍA,且B{2,3,4,5},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。

       <A,R>的哈斯图(48)

       (3) B{2,3,4,5}时,B的极大元为2

4。极小元为25B无最大元和最小元,

B无上界和下界。