离散数学课件-第4章.ppt
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1、1离散数学Discrete Mathematics&学习内容学习内容4.14.1集合的基本知识集合的基本知识集合的基本知识集合的基本知识4.2 序偶与笛卡尔积序偶与笛卡尔积4.3 4.3 关系及其性质关系及其性质关系及其性质关系及其性质4.4 n4.4 n元关系及其应用元关系及其应用元关系及其应用元关系及其应用4.5 4.5 关系的闭包关系的闭包关系的闭包关系的闭包4.6 4.6 等价关系等价关系4.7 4.7 偏序偏序偏序偏序&偏序偏序一、偏序一、偏序 定义定义1:集合集合S上的关系上的关系R,如果它是自反的、反对称的,如果它是自反的、反对称的 和传递的,就称为和传递的,就称为偏序偏序。集合
2、集合S与偏序与偏序R一起叫做一起叫做偏序集偏序集,记作(,记作(S,R).例如数值的例如数值的、关系和集合的关系和集合的 都是偏序关系。都是偏序关系。【example 1】证明证明“大于或等于大于或等于”关系(关系()是整数集合上)是整数集合上的偏序。的偏序。solution:因为对所有整数因为对所有整数a,有,有a a,是自反的。是自反的。如果如果a b且且b a,那么,那么a=b,因此,因此是反对称的。是反对称的。最后,因为最后,因为a b和和b c,所以,所以是传递的。是传递的。从而从而是整数集合上的偏序且(是整数集合上的偏序且(Z,)是偏序集。)是偏序集。【example 2】整除关系
3、整除关系“|”是正整数集合上的偏序,因为由是正整数集合上的偏序,因为由前前几节所述,它是自反的、反对称的和传递的。我们看到几节所述,它是自反的、反对称的和传递的。我们看到(Z+,|)是偏序集()是偏序集(Z+表示正整数集合)。表示正整数集合)。【example 3】证明包含关系证明包含关系 是集合是集合S S的幂集上的偏序。的幂集上的偏序。Solution:因为只要因为只要A是是S的子集,就有的子集,就有A A,是自反的。是自反的。因为因为A B和和B A推出推出A=B,因此它是反对称的。,因此它是反对称的。最后,因为最后,因为A B和和B C推出推出A B,是传递的。是传递的。因此,因此,是
4、是P(S)上的偏序,且(上的偏序,且(P(S),)是偏序集。)是偏序集。在任意一个偏序集中记号在任意一个偏序集中记号a a b b表示表示(a(a,b)b)R.R.使用这个记号使用这个记号 是由于是由于“小于或等于小于或等于”关系是偏序关系的范例。关系是偏序关系的范例。注意:注意:符号符号 表示任意偏序关系,并不仅仅是表示任意偏序关系,并不仅仅是“小于或等于小于或等于”关系。关系。记号记号abab表示表示a a b b但但ab.ab.如果如果ab,ab,我们说我们说“a a小于小于b”b”或或“b b大于大于a”a”。当当a与与b是偏序集(是偏序集(S,)的元素时,不一定有)的元素时,不一定有
5、a b 或或b c。例如,在(例如,在(P(Z),P(Z),)中)中,1,2,1,2与与1,31,3没有关系,反之亦然,因为没有关系,反之亦然,因为没有一个集合被另一个集合包含。类似地在没有一个集合被另一个集合包含。类似地在(Z,|)(Z,|)中,中,2 2与与3 3没关系,没关系,3 3与与2 2也没关系。由此得到定义也没关系。由此得到定义2.2.定义定义2 2:偏序集:偏序集(S,)的元素的元素a和和b叫做叫做可比的可比的,如果,如果a b 或或 b a。当。当a和和b是是S的元素并且既没有的元素并且既没有a b,也没,也没 有有b a,则称,则称a与与b是是不可比不可比的。的。【exam
6、ple 4】在偏序集在偏序集(Z+,)中,整数中,整数3和和9是可比的吗?是可比的吗?5和和7是可比的吗?是可比的吗?整数整数3和和9是可比的,因为是可比的,因为3|9.整数整数5和和7是不可比的,因为是不可比的,因为5不能整除不能整除7,并且,并且7也不能整除也不能整除5.用形容词用形容词“部分的(偏的)部分的(偏的)”描述偏序是由于一些对描述偏序是由于一些对元素可能是不可比的。当集合中的每对元素都可比时,元素可能是不可比的。当集合中的每对元素都可比时,这个关系叫做这个关系叫做全序全序。定义定义3:如果如果(S,)是偏序集,且是偏序集,且S的每对元素都是可的每对元素都是可比的,则比的,则S叫
7、做叫做全序集全序集或或线序集线序集,且,且 叫做叫做全序全序或或线线序序。一个全序集也叫做。一个全序集也叫做链链。【example 5】偏序集偏序集(Z,)是全序集,因为只要是全序集,因为只要a和和b是整数是整数,就有,就有a b或或b a。【example 6】偏序集偏序集(Z+,|)不是全序集,因为它包含着不可不是全序集,因为它包含着不可比的元素,例如比的元素,例如5和和7.定义定义4 4:对于偏序集对于偏序集(S,),如果,如果 是全序,并且是全序,并且S的每的每 个非空子集都有一个最小元素,就称它为个非空子集都有一个最小元素,就称它为良序集良序集。For example,N是自然数集合
8、,是自然数集合,I是整数集合,是整数集合,是小于等于关系,是小于等于关系,就是就是良序集。而良序集。而不是良序集。不是良序集。定理定理 所有所有良序集,一定是全序集。良序集,一定是全序集。Proof:设设为良序集为良序集,任取任取x,y A,则则x,y A,它有最小它有最小元素。该最小元素或是元素。该最小元素或是x,或是或是y。于是有于是有x y或或 y x,所以所以是全序集。是全序集。定理定理 有限的有限的全序集,一定是良序集。全序集,一定是良序集。Proof:设设A=a1,a2,,an,是全序集。是全序集。假设它不是良序,必存在非空子集假设它不是良序,必存在非空子集B A,B中无最小元素,
9、中无最小元素,因因B是有限集,必存在是有限集,必存在x,y B,使得使得x与与y之间不满足之间不满足关系关系,与与是全序矛盾。是全序矛盾。是良序集。是良序集。【example 7】正整数的有序对的集合正整数的有序对的集合Z+Z+与与 构成构成良序集,对于良序集,对于(a1,a2)和和(b1,b2),如果如果a1b1,或如果或如果a1=b1且且a2 b2(字典顺序),则(字典顺序),则(a1,a2)(b1,b2).在前几章的学习中我们现实了怎样使用良序归纳原则证明关在前几章的学习中我们现实了怎样使用良序归纳原则证明关于一个良序集的结果。现在我们叙述并证明这个证明技术是于一个良序集的结果。现在我们
10、叙述并证明这个证明技术是有效的。有效的。定理定理1 良序归纳原理良序归纳原理 设设S是一个良序集,如果下述条件成立:是一个良序集,如果下述条件成立:基础步基础步:P(x0)对对S的最小元素为真,且的最小元素为真,且 归纳步归纳步:对一切对一切y S,如果如果P(x)对所有的对所有的x y为真,则为真,则P(y)为为 真。那么真。那么P(x)对所有的对所有的x S为真。为真。proof:假若假若P(x)不对所有的不对所有的x S为真。那么存在一个元素为真。那么存在一个元素y S使使得得P(y)为假。于是集合为假。于是集合A=x S|P(x)为假为假是非空的。是非空的。因为因为S是良序的,集合是良
11、序的,集合A有最小元素有最小元素a.易知易知a不等于不等于x0,因为从因为从基础步知道基础步知道P(x0)为真。为真。根据根据a是选自是选自A的最小元素,我们知道对所有的的最小元素,我们知道对所有的x S(xaa)都都有有P(x)为真。由归纳步这就可以退出为真。由归纳步这就可以退出P(a)为真。为真。这个矛盾就证明了这个矛盾就证明了P(x)必须对所有必须对所有x S 为真。为真。二、字典顺序二、字典顺序字典顺序字典顺序是以字母表中的字母顺序为基础的。这是从一是以字母表中的字母顺序为基础的。这是从一个集合上的偏序构造一个集合上的串的序的特殊情况。个集合上的偏序构造一个集合上的串的序的特殊情况。我
12、们将说明这种构造在任一个偏序集上是怎么做的。我们将说明这种构造在任一个偏序集上是怎么做的。首先,我们将说明怎样在两个偏序集首先,我们将说明怎样在两个偏序集(A1,1)和和(A2,2)的笛的笛卡尔积上构造一个偏序。卡尔积上构造一个偏序。在在A1A2上的字典顺序定义如下:如果第一个对的第一个上的字典顺序定义如下:如果第一个对的第一个元素(在元素(在A1中)小于第二个对的第一个元素,或者第一个元中)小于第二个对的第一个元素,或者第一个元素相等,但是第一个对的第二个元素(在素相等,但是第一个对的第二个元素(在A2中)小于第二个中)小于第二个对的第二个元素,那么第一个对小于第二个对。换句话说,对的第二个
13、元素,那么第一个对小于第二个对。换句话说,(a1,a2)小于小于(b1,b2),即即(a1,a2)(b1,b2)或者或者a11b1,或者或者a1=b1且且a22b2.把相等加到把相等加到A1A2上的序就得到偏序上的序就得到偏序。【example 8】确定在偏序集(确定在偏序集(ZZ,)中是否有)中是否有(3,5)(4,8),(3,8)(4,5)和和(4,9)(4,11)?这里的这里的 是从是从Z上通常的上通常的关系构造的字典顺序。关系构造的字典顺序。Solution:因为因为34,故而故而(3,5)(4,8),且且(3,8)(4,5)。因为。因为(4,9)与与(4,11)的第一元素相同,但的第
14、一元素相同,但911,我们有我们有(4,9)(4,11)。下图明显地显示了下图明显地显示了Z+Z+中比中比(3,4)小的有序对的集合。小的有序对的集合。可以在可以在n个偏序集个偏序集(A1,1),(A2,2),(An,n)的笛卡尔的笛卡尔积上定义字典顺序。积上定义字典顺序。如下定义如下定义A1A2An上的偏序上的偏序 :如果:如果a10 是的是的a1=b1,ai=bi,且且ai+1i+1 bi+1,那么那么(a1,a2,an)(b1,b2,bn)换句话说,如果在两个换句话说,如果在两个n元组不同元素出现的第一位置上等元组不同元素出现的第一位置上等一个一个n元组的元素小于第二个元组的元素小于第二
15、个n元组的元素,那么第一个元组的元素,那么第一个n元组小元组小于第二个于第二个n元组。元组。【example 9】注意(注意(1,2,3,5)(1,2,4,3),因为这),因为这些些4元组的前两位相同,但是第一个元组的前两位相同,但是第一个4元组的第三位元组的第三位3小于第二个小于第二个4元组的第三位元组的第三位4(这里的(这里的4元组上的字典顺序是整数集合上的通元组上的字典顺序是整数集合上的通常的常的“小于或等于小于或等于”关系导出的字典顺序)。关系导出的字典顺序)。我们现在可以定义串上的字典顺序。考虑偏序集我们现在可以定义串上的字典顺序。考虑偏序集S上的串上的串a1a2an和和b1b2bn
16、,假定这些串不相等。设假定这些串不相等。设t是是m,n中较小的数。中较小的数。定义字典顺序如下:定义字典顺序如下:a1a2an小于小于b1b2bn,当且仅当当且仅当(a1a2at)(b1b2bt)或者或者(a1a2at)=(b1b2bt)并且)并且mn 其中这个不等式中的其中这个不等式中的表示表示St中的字典顺序。换句话说,为确定两中的字典顺序。换句话说,为确定两个不同串的序,较长的串被切到较短的串的长度个不同串的序,较长的串被切到较短的串的长度t,即,即t=min(m,n)然然后使用后使用St上的字典顺序比较每个船的前上的字典顺序比较每个船的前t为组成的为组成的t元组,如果对应于元组,如果对
17、应于第一个串的第一个串的t元组小于第二个串的元组小于第二个串的t元组,或者这两个元组,或者这两个t元组相等,但是元组相等,但是第二个串更长,那么第一个串小于第二个串。第二个串更长,那么第一个串小于第二个串。【example 10】考虑小写英语字母串构成的集合。使用在字母考虑小写英语字母串构成的集合。使用在字母表中的字母序,可以构成在串的集合上的字典顺序。表中的字母序,可以构成在串的集合上的字典顺序。如果两个串第一次出现不同字母时,第一个串的字母先于第如果两个串第一次出现不同字母时,第一个串的字母先于第二个字母,或者如果第一个串和第二个串在所有的位都相同,二个字母,或者如果第一个串和第二个串在所
18、有的位都相同,但是第二个串有更多的字母,那么,第一个串小于第二个串。但是第二个串有更多的字母,那么,第一个串小于第二个串。这种排序和字典使用的排序相同。例如这种排序和字典使用的排序相同。例如 discreet discrete因为这两个串在第因为这两个串在第7位首次出现字母,并且位首次出现字母,并且 e t.discreet discreetness因为这两个串前因为这两个串前8个字母相同,但是第二个串更长。此外个字母相同,但是第二个串更长。此外 discrete discretion在有穷偏序集的有向图中有许多可以不必显示出来,因为他在有穷偏序集的有向图中有许多可以不必显示出来,因为他们是必
19、须存在的。们是必须存在的。例如,考虑在集合例如,考虑在集合11,2 2,3 3,44上的偏序上的偏序(a,b)|a(a,b)|a bb的有向图,参的有向图,参见图见图a a。因为这个关系是偏序,它是自反的并且有向图在所有的顶点都有。因为这个关系是偏序,它是自反的并且有向图在所有的顶点都有环,因此,我们不必显示这些环,因为它们是必须出现的。在图环,因此,我们不必显示这些环,因为它们是必须出现的。在图b b中没有中没有显示这些环。由于一个偏序是传递的,我们不必显示那些由于传递性而必显示这些环。由于一个偏序是传递的,我们不必显示那些由于传递性而必须出现的边。例如,在图须出现的边。例如,在图c c中没
20、有显示边中没有显示边(1,3),(1,4)(1,3),(1,4)和和(2,4)(2,4),因为它们,因为它们是必须出现的。如果假设所有的边的方向是向上的,我们不必显示边的方是必须出现的。如果假设所有的边的方向是向上的,我们不必显示边的方向;图向;图c c没有显示方向。没有显示方向。我们可以使用下面的过程表示一个有穷集上的偏序。我们可以使用下面的过程表示一个有穷集上的偏序。从这个关系的有向图开始:从这个关系的有向图开始:(1)(1)自反性:每个顶点都有自回路,省去。自反性:每个顶点都有自回路,省去。(2)(2)反反对对称称性性:两两个个顶顶点点间间只只可可能能有有一一个个箭箭头头从从左左 右右,
21、或从下或从下上的方向从小到大安置顶点,可省略箭头。上的方向从小到大安置顶点,可省略箭头。(3)(3)传递性:由于有传递性:由于有(a,b)(a,b),(b,c)R(b,c)R 则则(a,c)R(a,c)R故只画故只画(a,b)(a,b),(b,c)(b,c)对应的边对应的边,省略边省略边(a,c)(a,c)。哈塞图(哈塞图(HasseHasse 图)图)定义:定义:设设 是上的一个偏序关系,如果是上的一个偏序关系,如果a a b b,则将画在,则将画在 下面,且不下面,且不,使,使a a c c,c c b b,则,间用直线连,则,间用直线连 接。并符合简化的关系图的绘制,称这样得到关系图为接
22、。并符合简化的关系图的绘制,称这样得到关系图为 哈塞图(哈塞图(HasseHasse图)图)。292023/2/20【example 11】画出表示画出表示1,2,3,4,6,8,12上的偏序上的偏序(a,b)|a 整除整除b的哈塞图。的哈塞图。Solution:由这个偏序的有向图开始,如下图由这个偏序的有向图开始,如下图a所示。移走所有的环,所示。移走所有的环,如下图如下图b所示,然后删去所有由传递性导出的边。这些边是所示,然后删去所有由传递性导出的边。这些边是(1,4),(1,6),(1,8),(1,12),(2,8),(3,12).排列所有的边使得方向向上排列所有的边使得方向向上,并且删
23、除所有的箭头得到哈塞图。结果如图,并且删除所有的箭头得到哈塞图。结果如图c所示。所示。【example 12】画出幂集画出幂集P(S)上的偏序上的偏序(A,B)|A B的哈塞的哈塞 图,其中图,其中S=a,b,c.Solution:关于这个偏序的哈塞图是由相关的有向图得到的,先删除所关于这个偏序的哈塞图是由相关的有向图得到的,先删除所有的环和所有的由传递性产生的边,即有的环和所有的由传递性产生的边,即(,a,b),(,a,c),(,b,c),(,a,b,c),(a,a,b,c),(b,a,b,c)和和(c,a,b,c).最后,使所有的边方向向上并删除箭头。得到哈塞图如下所最后,使所有的边方向向
24、上并删除箭头。得到哈塞图如下所示。示。【example】:,1(,)(,),2(,)(,)|,3(s1,s2)s1 s2,s1,s2 p(B)求求R1,R2,R3 所表示关系的哈塞图。所表示关系的哈塞图。1 2 3 4 5 6 7 8 9 123456789abca,ba,ca,ca,b,c具有极值性质的偏序集元素有许多重要应用。具有极值性质的偏序集元素有许多重要应用。偏序集的一个元素叫做极大的,当它不小于这个偏序集的任偏序集的一个元素叫做极大的,当它不小于这个偏序集的任何其他元素。即何其他元素。即a在偏序集在偏序集(S,)中是)中是极大的极大的,当不存,当不存在在bS使得使得ab.类似地,偏
25、序集的一个元素叫做极小的,如果它不大于这个类似地,偏序集的一个元素叫做极小的,如果它不大于这个偏序集的任何其他元素。即偏序集的任何其他元素。即a在偏序集(在偏序集(S,)中是)中是极小极小的的,如果不存在,如果不存在bS使得使得ba。使用哈塞图很容易是识别极大元素和极小元素。它们是图中使用哈塞图很容易是识别极大元素和极小元素。它们是图中的的“顶顶”元素与元素与“底底”元素。元素。定义定义 极大元与极小元:极大元与极小元:设(设(S,)是偏序集,若)是偏序集,若S,且在,且在S中找不到一个中找不到一个元素元素b(ba),使),使a b(b a),则称),则称a为为A中的中的极大元素极大元素(极小
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