當你將一列數字從小到大排序時,你依賴的是一種順序關係。但排序的概念遠比這更廣:你可以按包含關係排序子集、按依賴關係排序任務、按整除性排序整數。所有這些背後的抽象結構就是偏序(partial order)——一個精確的數學概念,表示「先於或等於」,甚至允許某些元素對之間不可比較。
二元關係
在定義順序之前,你需要一種討論集合元素之間關係的方式。關鍵要素是笛卡兒積(Cartesian product)。
給定集合 A 和 B,它們的笛卡兒積 A×B 是所有有序對 (a,b)(其中 a∈A 且 b∈B)所構成的集合:
A×B:={(a,b)∣a∈A,b∈B}
例如,{1,2}×{x,y}={(1,x),(1,y),(2,x),(2,y)}。
集合 S 上的**二元關係(binary relation)**是任意子集 R⊆S×S。當 (a,b)∈R 時,稱「a 與 b 有關係」,記作 aRb。關係描述哪些有序對被 R 所編碼的規則「聯繫」起來。
熟悉的範例:
- Z 上通常的 ≤:有序對 (2,5) 屬於該關係,因為 2≤5。
- N 上的整除性:a∣b 表示 ∃k∈N 使得 b=k⋅a。
- 冪集上的集合包含:有序對 ({1},{1,2}) 屬於該關係,因為 {1}⊆{1,2}。
三個關鍵性質
並非所有二元關係都是順序。一個順序關係必須滿足三個結構條件。
自反性(Reflexivity)。 每個元素與自身有關係:
∀a∈S,a≤a
反對稱性(Antisymmetry)。 若 a≤b 且 b≤a,則 a 與 b 必須相等:
∀a,b∈S,a≤b and b≤a⟹a=b
這排除了循環:兩個不同的元素不能同時各自「低於」對方。
可傳遞性(Transitivity)。 若 a≤b 且 b≤c,則 a≤c:
∀a,b,c∈S,a≤b and b≤c⟹a≤c
這捕捉了順序關係沿比較鏈「傳播」的概念。
偏序的定義
S 上的偏序(partial order)是 S 上一個自反、反對稱且可傳遞的二元關係 ≤。數對 (S,≤) 稱為偏序集(partially ordered set),簡稱 poset。
符號 ≤ 是慣例,但任何滿足這三個公理的二元關係都是偏序,無論使用何種記號。
嚴格偏序
從任意偏序 ≤,可以得到一個伴隨的嚴格偏序(strict partial order) <,定義為:
a<b:=a≤b and a=b
嚴格版本是非自反的(對所有 a,a<a)和非對稱的(a<b⇒b<a)。兩個版本互相決定,所以你可以透過給出 ≤ 或 < 中的任一個來指定偏序。
範例
整數的 ≤ 關係
(Z,≤) 是最熟悉的偏序。自反性(n≤n)、反對稱性(若 m≤n 且 n≤m 則 m=n)和可傳遞性(若 m≤n 且 n≤p 則 m≤p)都成立。在這個例子中,每對整數都是可比較的:給定任意 m,n∈Z,要麼 m≤n 要麼 n≤m。
包含關係下的冪集
設 A 為任意集合,P(A) 表示其冪集——A 的所有子集的集合。則 (P(A),⊆) 是一個偏序。
取 A={1,2,3},考慮子集 {1,2} 和 {2,3}:兩者都不包含另一個,所以它們在 ⊆ 下是不可比較的。這在 (Z,≤) 中不會發生。
正整數的整除性
定義 a∣b(「a 整除 b」),若存在 k∈N 使得 b=k⋅a。則 (Z>0,∣) 是偏序:
- 自反性: a∣a,因為 a=1⋅a。✓
- 反對稱性: 對正整數,若 a∣b 且 b∣a,則 a=b。✓
- 可傳遞性: 若 a∣b 且 b∣c,寫 b=j⋅a 和 c=k⋅b;則 c=(kj)⋅a,所以 a∣c。✓
然而 2 和 3 不可比較:2∤3 且 3∤2。
哈斯圖
對有限偏序集,**哈斯圖(Hasse diagram)**提供了簡明的視覺摘要:
- 將每個元素畫為一個帶標籤的點。
- 每當 a<b 時,將 b 置於 a 上方。
- 從 a 向上到 b 畫一條線段,當且僅當 a<b 且沒有 c 使得 a<c<b(這些稱為覆蓋關係)。
- 省略已由可傳遞性暗示的線條。
對 {1,2,3,6} 上的整除序,圖中 1 在底部,2 和 3 在中間(各自透過一條線與 1 相連),6 在頂部(與 2 和 3 相連)。從 1 到 6 的線省略了,因為它由 1<2<6 的可傳遞性推出。
可比較與不可比較的元素
S 中兩個元素 a,b 是可比較的(comparable),若 a≤b 或 b≤a。若兩者都不成立,則它們是不可比較的(incomparable),有時記作 a∥b。
在 (Z,≤) 中,每對元素都是可比較的。在 (P({1,2}),⊆) 中,單元素集 {1} 和 {2} 是不可比較的。「偏序」中的「偏」字正是指此:不是每對元素都需要可比較。當每對元素都可比較時,結果就是一個更強的概念——全序,你將在下一個檢查點中遇到它。
極小、極大、最小與最大元素
這四個術語容易混淆;以下是它們的精確含義。
元素 m∈S 是極小的(minimal),若 S 中沒有嚴格低於它的元素:
∄a∈S with a<m
元素 M∈S 是極大的(maximal),若 S 中沒有嚴格高於它的元素:
∄a∈S with M<a
S 的最小元素(least element)(或最小值)是低於每個其他元素的元素 m0:
∀a∈S,m0≤a
S 的最大元素(greatest element)(或最大值)是高於每個其他元素的元素 M0:
∀a∈S,a≤M0
關鍵區別。 最小元素自動是極小的,但極小元素不一定是最小元素。一個偏序集可以有多個極小元素,而其中沒有最小元素。
範例。 考慮 S={2,3,6} 上的整除序。元素 2 和 3 都是極小的(S 中沒有元素嚴格整除它們中的任一個),但沒有最小元素——2 和 3 不可比較,所以兩者都不是 ≤ 另一個。元素 6 既是極大的又是唯一的最大元素,因為 2∣6 且 3∣6。
最小元素若存在,由反對稱性唯一確定;最大元素也同樣。
摘要
- 笛卡兒積 A×B={(a,b)∣a∈A,b∈B} 封裝有序對。集合 S 上的二元關係是 S×S 的任意子集。
- S 上的偏序 ≤ 是自反的、反對稱的且可傳遞的;數對 (S,≤) 是偏序集。
- 伴隨的嚴格偏序 < 定義為 a<b:=a≤b 且 a=b。
- 關鍵範例:(Z,≤)、(P(A),⊆) 和正整數上的整除性。
- 元素可以是可比較的(一個 ≤ 另一個)或不可比較的(兩者都不成立)。
- 最小(最大)元素是 ≤(≥) S 中每個元素的元素,且是唯一的;極小(極大)元素僅是其下方(上方)沒有嚴格更小(更大)的元素,且不必唯一。