关系及其性质

关系的定义

定义(关系):设n∈I+n\in I_+, 且A1,A2,…,AnA_1, A_2, …, A_n为n个任意的集合,R∈A1×A2×…×AnR \in A_1 \times A_2 \times … \times A_n,
(1) 称R为A1,A2,…,AnA_1, A_2, …, A_n间的n元关系;
(2) 若n=2,则称R为从A1到A2的二元关系;
(3) 若R=∅R= \varnothing, 则称R为空关系;
(4) 若R=A1×A2×…×AnR= A_1 \times A_2 \times … \times A_n,则称R为全关系
(5) 若A1=A2=…=An=AA_1 = A_2 = … = A_n =A, 则称R为A上的n元关系

对于于二元关系R,
若 <x, y>∈\inR , 则可表示成 x R y , 读做“x与y有关系R”
若 <x, y>∉\notinR , 则记作 x R‾\overline R y, 读作“ x与y不存在关系R

两类特殊关系:
X上的全(域)关系:
UX={<xi,xj>∣xi,xj∈X}=X×XU_X = \{ <x_i , x_j > | x_i ,x_j\in X \} = X \times X
X上的恒等关系:IX={<x,x>∣x∈X}I_X = \{ < x, x > | x \in X \}

关系的相等 定义:设R1R_1为A1,A2,…,AnA_1, A_2, …, A_n间的n元关系, R2R_2为B1,B2,…,BmB_1, B_2, …, B_m间的m元关系.如果
(1) n=m;
(2) 若1≤i≤n1≤ i ≤ n, 则Ai=BiA_i=B_i;
(3) 把R1R_1和R2R_2作为集合看,R1=R2R_1=R_2.
则称n元关系R1R_1与m元关系R2R_2相等,记为R1=R2R_1=R_2

与集合相等的区别?
例: 设R1⊆N×I+,R2⊆I×I,R3⊆I×IR_1 \subseteq N \times I_+,R_2 \subseteq I \times I, R_3 \subseteq I \times I,且
R1={<n,m>∣n∈N,m∈I+,且m=n+1}R_1=\{<n, m> | n\in N, m\in I_+, 且m=n+1\}, R2={<n,n+1>∣n∈I,且n≥0}R_2=\{<n, n+1> | n\in I, 且n≥0\}, R3={<∣n∣,∣n∣+1>∣n∈I}R_3=\{<|n|, |n|+1> | n\in I\}
作为集合看,R1=R2=R3
作为关系看,R1≠R2,R2=R3

定义 设 R⊆A×BR \subseteq A \times B, 令
dom(R)={x∈A∣∃y∈B使<x,y>∈R}dom (R) = \{ x\in A | \exist y \in B使 <x, y>\in R \} ,
ran(R)={y∈B∣∃x∈A使<x,y>∈R}ran (R) = \{ y\in B | \exist x \in A 使 <x , y>\in R \},
称dom ®为R 的定义域, ran ®为R 的值域。

二元关系的表示

关系图

定义 6.4 (关系图) 设A和B为任意的非空有限集,R
为任意从A到B的二元关系.以A∪BA ∪B中的每个元素
为一个结点,对每个<x, y>∈\inR,皆画一条从x到y
的有向边,就得到一个有向图GR, 称为R的关系图

关系矩阵

定义 6.5 (关系矩阵) 设A和B为任意的非空有限集,R
为任意从A到B的二元关系.令A={a1,a2,…,am}A = \{ a_1, a_2, …, a_m \}, B={b1,b2,…,bn}B = \{ b_1, b_2, …, b_n \},R的关系矩阵,记作MR=(rij)m×nM_R=(r_{ij})_{m×n},其中

rij={0,xi R‾  yi1,xi R  yir_{ij} = \begin{cases} 0, &x_i \, \overline R \,\, y_i \\ 1, & x_i \, R \,\, y_i \end{cases}

关系的性质

自反性

定义 6.6 (自反性) 设R是A上的二元关系,如果对任意的x∈Ax \in A,都有xRxxRx,则称R是自反的,否则称R是非自反的.

  • 在R的关系图中,每个顶点均有自环;
  • 在R的关系矩阵中,主对角线的元素均为1.
反自反性

定义 6.7 (反自反性) 设R是A上的二元关系,如果对任意的x∈Ax \in A,都有xR‾xx \overline R x,则称R是反自反的,否则称R是非反自反的.

  • 在R的关系图中,每个顶点均无自环;
  • 在R的关系矩阵中,主对角线的元素均为0.
对称性

定义 6.8 (对称性) 设R是A上的二元关系,如果对任意的x,y∈Ax, y \in A,都有x R yx\, R\, y则称R是对称的,否则称R是非对称的.

  • 在R的关系图中,任意两个不同顶点之间:或者无弧或者有两条方向相反的弧;
  • R的关系矩阵是对称矩阵.
反对称性

定义 6.9 (反对称性) 设R是A上的二元关系,如果对任意的x,y∈Ax, y \in A,都有x R yx\, R\, y则称R是对称的,否则称R是非对称的.

  • 在 R 的关系图中,任意不同顶点之间至多有一条弧;
  • 在R的矩阵中,若 i≠ji\neq j且 rij=1r_{ij} = 1 , 则rji=0r_{ji} = 0或 rij⋅rji=0(i≠j)r_{ij} · r_{ji}=0 (i \neq j )
传递性

定义 6.10 (传递性) 设R是A上的二元关系,如果对任意的x,y,z∈Ax, y, z \in A,都有xRyxRy且yRzyRz则称R是传递的,否则称R是非传递的.

  • 在 R 的关系图中,若顶点 x 到顶点 y有一条路径,则必有从 x 到 y 的一条边
  • 在关系矩阵:若有 k 使 rik.rkj=1r_{ik} . r_{kj} =1, 则 rij=1r_{ij} = 1

关系图和关系矩阵中五种性质的表述

只要不违反规则,就是符合规则的

关系的运算

关系的集合运算

集合运算定义:设R和S是从集合A到B的关系, 取全集为A×BA×B, 则
R∩S,R∪S,R-S,~R,R⊕SR∩S, R∪S, R-S, ~R, R \oplus S
仍是A到B的关系,并且对于任意 x∈A, y∈B:
x(R∩S)y⇔<x,y>∈R∩S⇔xRy∧xSyx (R∩S) y\Leftrightarrow <x, y>∈ R ∩ S\Leftrightarrow x R y ∧ x S y
x(R∪S)y⇔<x,y>∈R∪S⇔xRy∨xSyx (R∪S) y\Leftrightarrow <x, y>∈ R ∪ S\Leftrightarrow x R y ∨ x S y
x(R-S)y⇔<x,y>∈R-S⇔xRy∧xS‾yx (R-S) y\Leftrightarrow <x, y>∈ R - S\Leftrightarrow x R y ∧ x \overline S y
x(~R)y⇔<x,y>∈~R⇔xR‾yx (~R) y\Leftrightarrow <x, y>∈ ~R\Leftrightarrow x \overline R y
x(R⊕S)y⇔<x,y>∈R⊕S⇔x(R-S)y∨x(S-R)yx (R \oplus S) y\Leftrightarrow <x, y>∈ R \oplus S\Leftrightarrow x (R-S) y ∨ x (S-R) y

集合运算下是否保持五个性质:

关系的逆运算

逆运算定义:(逆关系) 将关系R中每个有序偶的第一元和第二元对换所得到的关系, 称为R的逆关系,记作R−1R^{-1},
R−1={<x,y>|<y,x>∈R}R^{-1} =\{<x, y>|<y, x >∈R \}
显然,dom(R−1)=ran(R)dom(R^{-1})=ran(R), ran(R−1)=dom(R)ran(R^{-1})=dom(R)
定理: 设A,B为非空有限集合,R为从A到B的二元关系.
(1) MR-1=MRT(转置)
(2) 把GR的每个有向边反向后, 得到R-1的关系图GR-1


逆运算的性质:若R,Ri(i=0,1,2,…)R, R_i (i=0, 1, 2, …)都是从集合A到集合B的二元关系,K 为 N 的非空子集,则有
(1) (R−1)−1=R(R^{-1})^{-1}=R;
(2) (~R)−1=~(R−1)(~R)^{-1}= ~(R^{-1});
(3) 如果R1⊆R2R_1\subseteq R_2, 则R1−1⊆R2−1R_1^{-1}\subseteq R_2^{-1};
(4) 如果R1=R2R_1 =R_2, 则R1−1=R2−1R_1^{-1} =R_2^{-1};
(5) (⋃𝒏∈KR𝒏)−1=⋃𝒏∈K(R𝒏−𝟏)(⋃_{𝒏∈K} R_𝒏)^{-1}=⋃_{𝒏∈K}(R_𝒏^{-𝟏});
(6) (⋂𝒏∈KR𝒏)−1=⋂𝒏∈K(R𝒏−𝟏)(⋂_{𝒏∈K} R_𝒏)^{-1}=⋂_{𝒏∈K}(R_𝒏^{-𝟏});
(7) (R1−R2)−1=R1−1−R2−1(R_1-R_2)^{-1}=R_1^{-1}-R_2^{-1};
(8) (R1⊕R2)−1=R1−1⊕R2−1(R_1\oplus R_2)^{-1}=R_1^{-1}\oplus R_2^{-1}.

定理:设R为集合A上的二元关系.则
R是自反的(反自反、对称、反对称、传递)当且仅当R-1是自反的(反自反、对称、反对称、传递)
逆运算保持关系的五个性质
定理:集合A上的二元关系R是对称的当且仅当R=R-1。

R∪R−1R∪R^{-1}是A上的包含R的最小对称关系;
R∩R−1R∩R^{-1}为A上的包含在R中的最大对称关系.
⇒R∩R−1⊆R⊆R∪R−1\Rightarrow R∩R^{-1}\subseteq R \subseteq R∪R^{-1}