MAT2033 · 12. hafta · relations

Bağıntılar: özellikler, denklik bağıntıları ve kısmi sıralamalar

Bir bağıntının yansıyan, simetrik, ters simetrik, geçişken olup olmadığını kontrol etmek, bileşke ve kapanış almak, denklik sınıflarını ve Hasse diyagramlarını çizmek. Final için klasik soru tipleri.

binary relationrelation on a setreflexiveirreflexivesymmetricantisymmetrictransitivecomposite of relationstransitive closureequivalence relationequivalence classpartitionpartial orderposetHasse diagramleast upper boundn-ary relation

Bağıntılar (relations) fonksiyonların genelleştirilmiş hali. Fonksiyonda her girdinin tam bir çıktısı vardı; bağıntıda bir eleman hiçbir şeyle ya da birçok şeyle ilişkili olabilir. Bu hafta final konusu. Sınavda beklenen soru tipleri: verilen bir bağıntının dört özelliğini kontrol etmek, “Prove that RR is an equivalence relation”, denklik sınıflarını yazmak, Hasse diyagramı çizmek ve bağıntı saymak.

Altın kurallar:

  1. “Her” özelliklerini (reflexive) tek bir eksik çift bozar, “eğer … ise” özelliklerini (symmetric, transitive) tek bir karşı örnek bozar.
  2. Antisymmetric, “symmetric değil” demek değildir. İkisi aynı anda doğru ya da aynı anda yanlış olabilir.
  3. Denklik = reflexive + symmetric + transitive. Kısmi sıralama = reflexive + antisymmetric + transitive.
  4. Bileşke S∘RS\circ R: önce RR, sonra SS.

Tanımlar

AA‘dan BB‘ye bir ikili bağıntı (binary relation), A×BA\times B‘nin herhangi bir alt kümesidir. (a,b)∈R(a,b)\in R yerine a R ba\,R\,b yazılır. AA‘dan AA‘ya bağıntıya ”AA üzerinde bağıntı” (relation on AA) denir.

Sezgi: AA öğrenciler, BB dersler olsun. ”aa, bb dersini alıyor” bir bağıntıdır. Bir öğrenci hiç ders almayabilir ya da beş ders alabilir. Her fonksiyon bir bağıntıdır; tersi doğru değil.

∣A∣=n|A| = n ise ∣A×A∣=n2|A\times A| = n^2 çift var ve her biri ya bağıntıda ya değil. Yani AA üzerinde 2n22^{n^2} bağıntı var.

Dört özellik

RR, AA üzerinde bir bağıntı olsun.

ÖzellikTanımMatris MRM_R‘de görünüşüBozmak için
reflexive (yansıyan)∀a (a,a)∈R\forall a\ (a,a)\in Rköşegen tamamen 1bir (a,a)(a,a) eksik
irreflexive∀a (a,a)∉R\forall a\ (a,a)\notin Rköşegen tamamen 0bir (a,a)(a,a) var
symmetric (simetrik)(a,b)∈R→(b,a)∈R(a,b)\in R \to (b,a)\in RM=MTM = M^T(a,b)(a,b) var, (b,a)(b,a) yok
antisymmetric (ters simetrik)(a,b)∈R∧(b,a)∈R→a=b(a,b)\in R \wedge (b,a)\in R \to a = bköşegen dışında mijm_{ij} ve mjim_{ji} ikisi birden 1 değila≠ba\neq b, ikisi de var
transitive (geçişken)(a,b)∈R∧(b,c)∈R→(a,c)∈R(a,b)\in R \wedge (b,c)\in R \to (a,c)\in RM[2]≤MM^{[2]} \le M (Boolean)(a,b),(b,c)(a,b),(b,c) var, (a,c)(a,c) yok

Örnek 1. {1,2,3,4}\{1,2,3,4\} üzerinde ≤\le: her a≤aa\le a (reflexive). 1≤21\le 2 ama 2≰12\not\le 1 (symmetric değil). a≤ba\le b ve b≤ab \le a ise a=ba = b (antisymmetric). a≤b≤ca\le b\le c ise a≤ca \le c (transitive).

Örnek 2. {1,2,3}\{1,2,3\} üzerinde R={(1,1),(1,2),(2,1)}R = \{(1,1),(1,2),(2,1)\}:

reflexive?      (2,2) yok              -> HAYIR
symmetric?      (1,2) ve (2,1) ikisi de var  -> EVET
antisymmetric?  (1,2),(2,1) var ama 1 != 2  -> HAYIR
transitive?     (2,1),(1,2) var, (2,2) yok   -> HAYIR

TUZAK · transitive kontrolünde a=ca = c durumunu atlamak. Örnek 2’de (2,1)(2,1) ve (1,2)(1,2)‘den (2,2)(2,2) gerekir. Çoğu öğrenci sadece “üç farklı eleman” zincirlerine bakar ve bunu kaçırır.

İPUCU · boş koşul. “Eğer … ise” özelliklerinde öncül hiç sağlanmıyorsa özellik otomatik doğrudur. Boş bağıntı symmetric, antisymmetric ve transitive’dir (ama AA boş değilse reflexive değildir).

Bağıntı saymak

∣A∣=n|A| = n. Köşegende nn çift, köşegen dışında n2−nn^2 - n çift var; köşegen dışı çiftler {a,b}\{a,b\} eşleşmelerinde gruplanır, n(n−1)2\frac{n(n-1)}{2} eşleşme.

TürSayın=3n=3
tüm bağıntılar2n22^{n^2}512
reflexive2n2−n2^{n^2-n}64
symmetric2n(n+1)/22^{n(n+1)/2}64
antisymmetric2n⋅3n(n−1)/22^n\cdot 3^{n(n-1)/2}216
reflexive ve symmetric2n(n−1)/22^{n(n-1)/2}8

Mantık: symmetric’te köşegen çiftleri serbest (2n2^n) ve her eşleşme “ikisi birden ya da hiçbiri” (22 seçenek). Antisymmetric’te her eşleşme için 3 seçenek: sadece (a,b)(a,b), sadece (b,a)(b,a), hiçbiri.

Bağıntıların bileşkesi ve kuvvetleri

RR: A→BA\to B, SS: B→CB \to C ise

S∘R={(a,c):∃b ((a,b)∈R∧(b,c)∈S)}.S\circ R = \{(a,c) : \exists b\ \big((a,b)\in R \wedge (b,c)\in S\big)\}.

Fonksiyon bileşkesi gibi: önce RR ile git, sonra SS ile devam et. Kuvvetler: R1=RR^1 = R, Rn+1=Rn∘RR^{n+1} = R^n \circ R. Önemli teorem: RR geçişken   ⟺  \iff her n≥1n\ge 1 için Rn⊆RR^n \subseteq R.

Geçişken kapanış (transitive closure) R∗R^*: RR‘yi içeren en küçük geçişken bağıntı. Yönlü graf olarak düşün: aa‘dan bb‘ye bir yol varsa (a,b)∈R∗(a,b)\in R^*. Matrisle MR∗=MR∨MR[2]∨⋯∨MR[n]M_{R^*} = M_R \vee M_R^{[2]} \vee \dots \vee M_R^{[n]}; pratikte Warshall algoritması kullanılır.

Denklik bağıntıları

Reflexive, symmetric ve transitive bir bağıntıya denklik bağıntısı (equivalence relation) denir. Sezgi: “aynı takımda oynuyor”, “aynı kalanı veriyor”, “aynı doğum yılında” gibi bir “aynılık” ilişkisi.

aa‘nın denklik sınıfı (equivalence class): [a]R={s:(a,s)∈R}[a]_R = \{s : (a,s)\in R\}.

Temel teorem: denklik sınıfları ya aynıdır ya da ayrıktır, birleşimleri AA‘dır. Yani bir bölüntü (partition) oluştururlar. Tersine her bölüntü bir denklik bağıntısı tanımlar (“aynı blokta olmak”). Bu yüzden nn elemanlı kümedeki denklik bağıntısı sayısı, bölüntü sayısına (Bell sayısı) eşittir: n=3n = 3 için 5, n=4n = 4 için 15.

En klasik örnek: mm modülünde denklik. a≡b(modm)a \equiv b \pmod m ancak ve ancak m∣a−bm \mid a - b. mm tane sınıf var: [0],[1],…,[m−1][0], [1], \dots, [m-1].

Tam yazılmış ispat

Claim. Let m>1m > 1 be an integer. The relation R={(a,b):a≡b(modm)}R = \{(a,b) : a \equiv b \pmod m\} on Z\mathbb{Z} is an equivalence relation.

Proof. Reflexive. For every integer aa, a−a=0=m⋅0a - a = 0 = m\cdot 0, so m∣a−am \mid a - a and a R aa\,R\,a. Symmetric. Suppose a R ba\,R\,b. Then a−b=mka - b = mk for some integer kk. Hence b−a=m(−k)b - a = m(-k), and −k-k is an integer, so b R ab\,R\,a. Transitive. Suppose a R ba\,R\,b and b R cb\,R\,c. Then a−b=mka - b = mk and b−c=mlb - c = ml for some integers k,lk, l. Adding, a−c=m(k+l)a - c = m(k + l), so m∣a−cm \mid a - c and a R ca\,R\,c. Since RR is reflexive, symmetric and transitive, it is an equivalence relation. ■\blacksquare

Türkçesi: her özelliği ayrı başlıkla yaz, tanımı (a−b=mka - b = mk) açık yaz, sonunda üçünü birden andığın bitiş cümlesini koy. Hocalar puanı özellik başına verir.

Kısmi sıralamalar

Reflexive, antisymmetric ve transitive bağıntıya kısmi sıralama (partial order) denir; (S,≼)(S, \preccurlyeq) çiftine poset denir. Örnekler: sayılarda ≤\le, pozitif tam sayılarda ∣\mid, kümelerde ⊆\subseteq.

“Kısmi” çünkü her iki eleman karşılaştırılabilir (comparable) olmak zorunda değil: 2∤32 \nmid 3 ve 3∤23\nmid 2. Her ikili karşılaştırılabiliyorsa total order (tam sıralama) denir.

Hasse diyagramı

Poset’i çizmenin kısa yolu. Yönlü grafından üç şeyi sil:

  1. köşegen döngülerini (reflexive’den zaten biliniyor),
  2. geçişkenlikten gelen kenarları (a≼b≼ca \preccurlyeq b \preccurlyeq c varsa aa-cc kenarı),
  3. ok yönlerini (küçük olan aşağıda çizilir).

Geriye sadece örtme (cover) çiftleri kalır: a≺ba \prec b ve arada eleman yok.

Örnek. 18’in bölenleri {1,2,3,6,9,18}\{1,2,3,6,9,18\}, bölünebilme ile:

seviye 3:            18
                    /  \
seviye 2:          6    9
                  / \  /
seviye 1:        2   3
                  \ /
seviye 0:          1
kenarlar: 1-2, 1-3, 2-6, 3-6, 3-9, 6-18, 9-18   (7 kenar)

Terimler: maximal (üstünde kimse yok), minimal (altında kimse yok), greatest/least element (herkesten büyük/küçük, tek olmalı), upper bound (bir alt kümenin hepsinden büyük eşit), least upper bound (üst sınırların en küçüğü). Bölünebilmede lub = ekok (lcm), glb = ebob (gcd).

n-li bağıntılar (kısaca)

A1×A2×⋯×AnA_1\times A_2\times\dots\times A_n‘nin alt kümesine n-ary relation denir. Veritabanı tablosu tam olarak budur: her satır bir nn-li (n-tuple), her sütun bir alan. Seçme (selection) satır süzer, izdüşüm (projection) sütun siler, birleştirme (join) iki tabloyu ortak alanlarda eşler. Finalde en fazla bir tanım sorusu olarak gelir.

Sık yapılan hatalar

YanlışDoğrusu
“Symmetric değil, o halde antisymmetric”Bağımsız özellikler; {(1,2),(2,1),(1,3)}\{(1,2),(2,1),(1,3)\} ikisi de değil
Transitive’de (a,b),(b,a)(a,b),(b,a) zincirini atlamak(a,a)(a,a) da gerekir
Reflexive için “bazı (a,a)(a,a) var” yeterli sanmakHer aa için (a,a)(a,a)
S∘RS\circ R‘de önce SS‘yi uygulamakÖnce RR, sonra SS
Hasse’de 11-44 gibi geçişken kenarı çizmekSadece arada eleman olmayan çiftler
Maximal = greatestMaximal birden çok olabilir; greatest herkesten büyük ve tek
Antisymmetric sayısında 3n23^{n^2}2n⋅3n(n−1)/22^n \cdot 3^{n(n-1)/2}: köşegen 2, eşleşme 3 seçenek
Denklik sınıflarını yazarken bir elemanı iki sınıfa koymakSınıflar ayrık; her eleman tam bir sınıfta

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Let R={(a,b):a∣b}R = \{(a,b) : a \mid b\} on A={1,2,3,4}A = \{1,2,3,4\}. List the number of ordered pairs in RR and determine whether RR is reflexive, symmetric, antisymmetric, transitive.

Cevabı göster
8 pairs; reflexive, not symmetric, antisymmetric, transitive

Çiftler: (1,1),(1,2),(1,3),(1,4),(2,2),(2,4),(3,3),(4,4)(1,1),(1,2),(1,3),(1,4),(2,2),(2,4),(3,3),(4,4), toplam 8.
Her a∣aa \mid a, yansıyan. (1,2)∈R(1,2) \in R ama (2,1)∉R(2,1) \notin R, simetrik değil. a∣ba \mid b ve b∣ab \mid a (pozitiflerde) a=ba = b verir, ters simetrik. a∣ba\mid b, b∣cb \mid c ise a∣ca \mid c, geçişken. Sonuç: bir kısmi sıralama.

Soru 2kolay

Show that R={(1,1),(1,2),(2,1),(2,2),(3,3)}R = \{(1,1),(1,2),(2,1),(2,2),(3,3)\} on {1,2,3}\{1,2,3\} is an equivalence relation and list its equivalence classes.

Cevabı göster
Classes: {1,2} and {3}

Yansıyan: (1,1),(2,2),(3,3)(1,1),(2,2),(3,3) hepsi var. Simetrik: tek köşegen dışı çiftler (1,2)(1,2) ve (2,1)(2,1), ikisi de var. Geçişken: (1,2),(2,1)(1,2),(2,1) için (1,1)(1,1) var; (2,1),(1,2)(2,1),(1,2) için (2,2)(2,2) var; diğer zincirler köşegen içeriyor.[1]={1,2}=[2][1] = \{1,2\} = [2], [3]={3}[3] = \{3\}. Sınıflar {1,2}\{1,2\} ve {3}\{3\}, kümenin bir bölüntüsü.

Soru 3kolay

How many binary relations are there on a set with 4 elements?

Cevabı göster
65536

Bağıntı = A×AA \times A'nın bir alt kümesi. ∣A×A∣=16|A\times A| = 16, her çift ya var ya yok: 216=655362^{16} = 65536.

Soru 4orta

How many reflexive relations are there on a set with 4 elements?

Cevabı göster
4096

4 köşegen çifti (a,a)(a,a) zorunlu olarak var. Kalan 16−4=1216 - 4 = 12 çift serbest: 212=40962^{12} = 4096.

Soru 5orta

How many antisymmetric relations are there on a set with 3 elements?

Cevabı göster
216

Köşegendeki 3 çift serbest: 232^3. Köşegen dışında {a,b}\{a,b\} biçiminde C(3,2)=3C(3,2) = 3 eşleşme var. Her biri için 3 seçenek: sadece (a,b)(a,b), sadece (b,a)(b,a), hiçbiri (ikisi birden yasak).
Toplam 23⋅33=8⋅27=2162^3 \cdot 3^3 = 8 \cdot 27 = 216.

Soru 6orta

On {1,2,3}\{1,2,3\} let R={(1,2),(1,3),(2,3)}R = \{(1,2),(1,3),(2,3)\} and S={(2,1),(3,2),(3,3)}S = \{(2,1),(3,2),(3,3)\}. Find S∘RS \circ R.

Cevabı göster
{(1,1),(1,2),(1,3),(2,2),(2,3)}

S∘R={(a,c):∃b, (a,b)∈R ve (b,c)∈S}S\circ R = \{(a,c) : \exists b,\ (a,b)\in R \text{ ve } (b,c)\in S\}. Önce RR, sonra SS.(1,2)(1,2) ile (2,1)(2,1): (1,1)(1,1). (1,3)(1,3) ile (3,2)(3,2), (3,3)(3,3): (1,2)(1,2), (1,3)(1,3). (2,3)(2,3) ile (3,2)(3,2), (3,3)(3,3): (2,2)(2,2), (2,3)(2,3).
Sonuç {(1,1),(1,2),(1,3),(2,2),(2,3)}\{(1,1),(1,2),(1,3),(2,2),(2,3)\}. (Ters sırada R∘S={(2,2),(2,3),(3,3)}R\circ S = \{(2,2),(2,3),(3,3)\}, farklı.)

Soru 7orta

Let RR be congruence modulo 4 on A={0,1,…,11}A = \{0, 1, \dots, 11\}. Find the equivalence class of 7 and the number of ordered pairs in RR.

Cevabı göster
[7] = {3, 7, 11}; 36 pairs

[7]={x∈A:x≡7(mod4)}={3,7,11}[7] = \{x \in A : x \equiv 7 \pmod 4\} = \{3, 7, 11\}.
4 sınıf var ([0],[1],[2],[3][0],[1],[2],[3]), her biri 3 elemanlı. Bir sınıfın içinden her sıralı çift bağıntıda: 32=93^2 = 9. Toplam 4⋅9=364 \cdot 9 = 36.

Soru 8zor

How many different equivalence relations are there on a set with 4 elements?

Cevabı göster
15

Denklik bağıntıları ile bölüntüler (partition) birebir eşleşir. 4 elemanı blok yapılarına göre say:
tek blok {4}\{4\}: 1. 3+13+1: 4. 2+22+2: 3. 2+1+12+1+1: C(4,2)=6C(4,2) = 6. 1+1+1+11+1+1+1: 1. Toplam 1+4+3+6+1=151+4+3+6+1 = 15.

Soru 9orta

Consider the poset ({1,2,3,4,6,12},∣)(\{1,2,3,4,6,12\}, \mid). How many edges does its Hasse diagram have? Find the least upper bound and the greatest lower bound of {4,6}\{4, 6\}.

Cevabı göster
7 edges; lub = 12, glb = 2

Hasse kenarı sadece "arada eleman olmayan" (cover) çiftler: 1-21\text{-}2, 1-31\text{-}3, 2-42\text{-}4, 2-62\text{-}6, 3-63\text{-}6, 4-124\text{-}12, 6-126\text{-}12. Toplam 7 (1-41\text{-}4 çizilmez, arada 2 var).
Üst sınırlar: hem 4'ün hem 6'nın katı olanlar, sadece 12. En küçük üst sınır 12. Alt sınırlar: ikisini de bölenler {1,2}\{1,2\}, en büyüğü 2.

Soru 10zor

Let RR be the relation on Z\mathbb{Z} with a R ba\,R\,b iff a+ba + b is even. Prove that RR is an equivalence relation and describe its equivalence classes.

Cevabı göster
Equivalence relation; two classes: even and odd integers

Reflexive: a+a=2aa + a = 2a çift, yani a R aa\,R\,a.
Symmetric: a+ba + b çiftse b+a=a+bb + a = a + b de çift.
Transitive: a+b=2ka + b = 2k, b+c=2mb + c = 2m olsun. Topla: a+2b+c=2k+2ma + 2b + c = 2k + 2m, yani a+c=2(k+m−b)a + c = 2(k + m - b), çift. Böylece a R ca\,R\,c.
Sınıflar: [0][0] = çift sayılar, [1][1] = tek sayılar. (a+ba+b çift ancak ve ancak aa ile bb aynı paritede.)

Soru 11orta

Find the transitive closure of R={(1,2),(2,3),(3,4)}R = \{(1,2),(2,3),(3,4)\} on {1,2,3,4}\{1,2,3,4\}.

Cevabı göster
{(1,2),(1,3),(1,4),(2,3),(2,4),(3,4)}

Geçişken kapanış = yönlü grafta yol olan her (a,b)(a,b). Yollar: 1→21\to2, 1→2→31\to2\to3, 1→2→3→41\to2\to3\to4, 2→32\to3, 2→3→42\to3\to4, 3→43\to4.
Eklenen çiftler (1,3)(1,3), (2,4)(2,4), (1,4)(1,4). Toplam 6 çift. (Döngü olmadığı için köşegen çiftleri gelmez.)

Soru 12zor

Let a R ba\,R\,b iff a≤b+1a \le b + 1 on Z\mathbb{Z}. Is RR reflexive, symmetric, antisymmetric, transitive? Give counterexamples where it fails.

Cevabı göster
Reflexive only

Reflexive: a≤a+1a \le a + 1, doğru.
Symmetric değil: (0,5)(0, 5) var (0≤60 \le 6) ama (5,0)(5, 0) yok (5≤15 \le 1 yanlış).
Antisymmetric değil: (2,1)(2,1) (2≤22 \le 2) ve (1,2)(1,2) (1≤31 \le 3) ikisi de var ama 1≠21 \neq 2.
Transitive değil: (3,2)(3,2) ve (2,1)(2,1) var, ama (3,1)(3,1) yok çünkü 3≤23 \le 2 yanlış.

Doğrulama: Her bağıntının özellikleri node ile tüm çiftler üzerinde kaba kuvvetle kontrol edildi; sayma formülleri n = 2, 3 (ve denklik bağıntıları için n = 4, 2^16 bağıntı) üzerinde tek tek sayılarak doğrulandı; bileşke, geçişken kapanış (Warshall) ve Hasse kenarları kodla hesaplandı (verify/MAT2033/12.mjs).

Deftere not kartı

Bağıntı R ⊆ A x A; |A| = n ise 2^(n^2) bağıntı Reflexive: her (a,a) VAR -> 2^(n^2 - n) tane Irreflexive: hiç (a,a) YOK Symmetric: (a,b) varsa (b,a) -> 2^(n(n+1)/2) Antisymmetric: (a,b) ve (b,a) ikisi birden ise a = b -> 2^n * 3^(n(n-1)/2) Transitive: (a,b), (b,c) varsa (a,c) de var Simetrik ve ters simetrik aynı anda olabilir (sadece köşegen); "değil" bunun tersi değil S o R: önce R sonra S; (a,c): a R b ve b S c Equivalence = refl + sym + trans; sınıflar bölüntü verir; mod m -> m sınıf Partial order = refl + antisym + trans; Hasse: döngü/yön/geçişken kenar çizilmez lub: en küçük üst sınır, glb: en büyük alt sınır; divides'ta lcm ve gcd Matris: refl köşegen 1, sym M = M^T, Warshall ile geçişken kapanış