偏序

Basis
最後更新: 標籤: 集合論

先備知識

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 AABB,它們的笛卡兒積 A×BA \times B 是所有有序對 (a,b)(a, b)(其中 aAa \in AbBb \in B)所構成的集合:

A×B    {(a,b)aA,  bB}A \times B \;\coloneqq\; \{(a, b) \mid a \in A,\; b \in B\}

例如,{1,2}×{x,y}={(1,x),(1,y),(2,x),(2,y)}\{1, 2\} \times \{x, y\} = \{(1,x),\,(1,y),\,(2,x),\,(2,y)\}

集合 SS 上的**二元關係(binary relation)**是任意子集 RS×SR \subseteq S \times S。當 (a,b)R(a, b) \in R 時,稱「aabb 有關係」,記作 aRba \mathbin{R} b。關係描述哪些有序對被 RR 所編碼的規則「聯繫」起來。

熟悉的範例:

  • Z\mathbb{Z} 上通常的 \leq:有序對 (2,5)(2, 5) 屬於該關係,因為 252 \leq 5
  • N\mathbb{N} 上的整除性:aba \mid b 表示 kN\exists\, k \in \mathbb{N} 使得 b=kab = k \cdot a
  • 冪集上的集合包含:有序對 ({1},{1,2})(\{1\}, \{1, 2\}) 屬於該關係,因為 {1}{1,2}\{1\} \subseteq \{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:

aS,aa\forall a \in S,\quad a \leq a

反對稱性(Antisymmetry)。aba \leq bbab \leq a,則 aabb 必須相等:

a,bS,ab   and   ba    a=b\forall a, b \in S,\quad a \leq b \;\text{ and }\; b \leq a \;\Longrightarrow\; 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)。aba \leq bbcb \leq c,則 aca \leq c

a,b,cS,ab   and   bc    ac\forall a, b, c \in S,\quad a \leq b \;\text{ and }\; b \leq c \;\Longrightarrow\; a \leq c

這捕捉了順序關係沿比較鏈「傳播」的概念。

偏序的定義

SS 上的偏序(partial order)SS 上一個自反、反對稱且可傳遞的二元關係 \leq。數對 (S,)(S, \leq) 稱為偏序集(partially ordered set),簡稱 poset

符號 \leq 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 \leq,可以得到一個伴隨的嚴格偏序(strict partial order) <<,定義為:

a<b    ab   and   aba < b \;\coloneqq\; a \leq b \;\text{ and }\; a \neq b

嚴格版本是非自反的(對所有 aaaaa \not< a)和非對稱的a<bbaa < b \Rightarrow b \not< a)。兩個版本互相決定,所以你可以透過給出 \leq<< 中的任一個來指定偏序。

範例

整數的 \leq 關係

(Z,)(\mathbb{Z}, \leq) 是最熟悉的偏序。自反性(nnn \leq n)、反對稱性(若 mnm \leq nnmn \leq mm=nm = n)和可傳遞性(若 mnm \leq nnpn \leq pmpm \leq 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,nZm, n \in \mathbb{Z},要麼 mnm \leq n 要麼 nmn \leq m

包含關係下的冪集

AA 為任意集合,P(A)\mathcal{P}(A) 表示其冪集——AA 的所有子集的集合。則 (P(A),)(\mathcal{P}(A), \subseteq) 是一個偏序。

A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\},考慮子集 {1,2}\{1, 2\}{2,3}\{2, 3\}:兩者都不包含另一個,所以它們在 \subseteq 下是不可比較的。這在 (Z,)(\mathbb{Z}, \leq) 中不會發生。

正整數的整除性

定義 aba \mid b(「aa 整除 bb」),若存在 kNk \in \mathbb{N} 使得 b=kab = k \cdot a。則 (Z>0,  )(\mathbb{Z}_{>0},\; \mid) 是偏序:

  • 自反性: aaa \mid a,因為 a=1aa = 1 \cdot a。✓
  • 反對稱性: 對正整數,若 aba \mid bbab \mid a,則 a=ba = b。✓
  • 可傳遞性:aba \mid bbcb \mid c,寫 b=jab = j \cdot ac=kbc = k \cdot b;則 c=(kj)ac = (kj) \cdot a,所以 aca \mid c。✓

然而 2233 不可比較:232 \nmid 3323 \nmid 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<ba < b 時,將 bb 置於 aa 上方
  • aa 向上到 bb 畫一條線段,當且僅當 a<ba < b 且沒有 cc 使得 a<c<ba < c < b(這些稱為覆蓋關係)。
  • 省略已由可傳遞性暗示的線條。

{1,2,3,6}\{1, 2, 3, 6\} 上的整除序,圖中 11 在底部,2233 在中間(各自透過一條線與 11 相連),66 在頂部(與 2233 相連)。從 1166 的線省略了,因為它由 1<2<61 < 2 < 6 的可傳遞性推出。

可比較與不可比較的元素

SS 中兩個元素 a,ba, b可比較的(comparable),若 aba \leq bbab \leq a。若兩者都不成立,則它們是不可比較的(incomparable),有時記作 aba \parallel b

(Z,)(\mathbb{Z}, \leq) 中,每對元素都是可比較的。在 (P({1,2}),)(\mathcal{P}(\{1,2\}), \subseteq) 中,單元素集 {1}\{1\}{2}\{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 mSm \in S極小的(minimal),若 SS 中沒有嚴格低於它的元素:

aS with a<m\nexists\, a \in S \text{ with } a < m

元素 MSM \in S極大的(maximal),若 SS 中沒有嚴格高於它的元素:

aS with M<a\nexists\, a \in S \text{ with } M < a

SS最小元素(least element)(或最小值)是低於每個其他元素的元素 m0m_0

aS,m0a\forall a \in S,\quad m_0 \leq a

SS最大元素(greatest element)(或最大值)是高於每個其他元素的元素 M0M_0

aS,aM0\forall a \in S,\quad a \leq M_0

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}S = \{2, 3, 6\} 上的整除序。元素 2233 都是極小的(SS 中沒有元素嚴格整除它們中的任一個),但沒有最小元素——2233 不可比較,所以兩者都不是 \leq 另一個。元素 66 既是極大的又是唯一的最大元素,因為 262 \mid 6363 \mid 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)aA,bB}A \times B = \{(a, b) \mid a \in A, b \in B\} 封裝有序對。集合 SS 上的二元關係S×SS \times S 的任意子集。
  • SS 上的偏序 \leq自反的反對稱的可傳遞的;數對 (S,)(S, \leq)偏序集
  • 伴隨的嚴格偏序 << 定義為 a<baba < b \coloneqq a \leq baba \neq b
  • 關鍵範例:(Z,)(\mathbb{Z}, \leq)(P(A),)(\mathcal{P}(A), \subseteq) 和正整數上的整除性。
  • 元素可以是可比較的(一個 \leq 另一個)或不可比較的(兩者都不成立)。
  • 最小(最大)元素\leq\geqSS 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。