Kapitel 5: Strukturen § 1.1 Zweistellige Relationen § 1.2 Graphen § 1.3 Algebren § 1.4 Strukturen 344 § 5.1 Zweistellige Relationen 345 Erinnerung: Relationen Definition Seien k ≥ 1 und A eine Menge. 1. Ak ist die Menge aller k -Tupel von Elementen aus A. 2. Eine k -stellige Relation auf A ist eine Teilmenge von Ak . Notation Ist R ⊆ A2 eine 2-stellige Relation auf einer Menge A, so schreiben wir häufig, für a, b ∈ A, aRb anstatt (a, b) ∈ R. 346 Eigenschaften 2-stelliger Relationen Definition 5.1 Sei R eine 2-stellige Relation auf einer Menge A. 1. R ist reflexiv, wenn für alle a ∈ A gilt: aRa. 2. R ist symmetrisch, wenn für alle a, b ∈ A gilt: aRb =⇒ bRa. 3. R ist antisymmetrisch, wenn für alle a, b ∈ A gilt: aRb und bRa =⇒ a = b. 4. R ist konnex, wenn für alle a, b ∈ A gilt: aRb oder bRa. 5. R ist transitiv, wenn für alle a, b, c ∈ A gilt: aRb und bRc =⇒ aRc. 347 Äquivalenzrelationen Definition 5.2 Eine Äquivalenzrelation ist eine 2-stellige Relation, die reflexiv, symmetrisch und transitiv ist. 348 Beispiele von Äquivalenzrelationen 1. Gleichheit. Für jede Menge A: (a, a) a ∈ A . 2. Gleichmächtigkeit. Für jede Menge A: (B, C) ∈ ℘(A)2 B und C sind gleichmächtig . 3. Logische Äquivalenz. (ϕ, ψ) ∈ AL2 ϕ ≡ ψ . 4. Äquivalenz modulo n. Für jede Zahl n ∈ N \ {0}: (i, j) ∈ Z2 i ≡ j (mod n) . 349 Partitionen Definition 5.3 Eine Partition einer Menge A ist eine Familie (Pi )i∈I von nichtleeren Teilmengen von A, für die gilt: S 1. i∈I Pi = A. 2. Für alle i, j ∈ I mit i 6= j: Pi ∩ Pj = ∅. (Wir sagen: Die Mengen Pi , für i ∈ I, sind paarweise disjunkt.) 350 Äquivalenzklassen Definition 5.4 Sei ∼ eine Äquivalenzrelation auf einer Menge A. Die Äquivalenzklasse eines Elementes a ∈ A ist die Menge a/∼ := {b ∈ A | a ∼ b}. Satz 5.5 (Hauptsatz über Äquivalenzrelationen) Sei A eine Menge. 1. Die Äquivalenzklassen jeder Äquivalenzrelation auf A bilden eine Partition von A. 2. Umgekehrt gibt es zu jeder Partition auf A eine Äquivalenzrelation, deren Äquivalenzklassen gerade die Mengen der Partition sind. (Beweis als Übung) 351 Ordnungen Definition 5.6 Sei R eine 2-stellige Relation auf einer Menge A. 1. Die Relation R ist eine Präordnung, wenn Sie reflexiv und transitiv ist. 2. Die Relation R ist eine partielle Ordnung, wenn Sie reflexiv, transitiv und antisymmetrisch ist. 3. Die Relation R ist eine lineare Ordnung (oder totale Ordnung), wenn Sie reflexiv, transitiv, antisymmetrisch und konnex ist. 352 Beispiele 1. ≤ und ≥ sind lineare Ordnungen auf N (und auf Z, Q, R). 2. Für jede Menge A sind ⊆ und ⊇ partielle Ordnungen auf ℘(A). 3. Die Relation (ϕ, ψ) ∈ AL2 ϕ Subformel von ψ ist eine partielle Ordnung auf AL. 4. Die Folgerungsrelation (ϕ, ψ) ∈ AL2 ψ folgt aus {ϕ} ist eine Präordnung auf AL. 5. Für jede Menge A ist (B, C) ∈ ℘(A)2 |B| ≤ |C| eine Präordung auf ℘(A) (wobei n ≤ ∞ für alle n ∈ N). 353 Präordnungen und ihre Äquivalenzrelationen Satz 5.7 Sei A eine Menge und - eine Präordnung auf A. Dann ist die Relation ∼ := (a, b) ∈ A2 a - b und b - a eine Äquivalenzrelation auf A (die zu - gehörende Äquivalenzrelation). 354 Die reflexive transitive Hülle einer Relation Definition 5.8 Sei A eine Menge und R ⊆ A2 . Die reflexive transitive Hülle von R (auf A) ist die rekursiv wie folgt definierte Relation R ∗ ⊆ A2 : Basisregeln: I I Für alle a ∈ A ist (a, a) ∈ R ∗ . Für alle (a, b) ∈ R ist (a, b) ∈ R ∗ . Rekursive Regel: I Sind (a, b), (b, c) ∈ R ∗ , so ist auch (a, c) ∈ R ∗ . 355 Satz 5.9 Sei R eine 2-stellige Relation auf einer Menge A. Die reflexive transitive Hülle R ∗ ist die (bzgl. Inklusion) kleinste Präordnung auf A, die R enthält. Genauer: 1. R ⊆ R ∗ . 2. R ∗ ist eine Präordnung auf A. 3. Ist R 0 Präordnung auf A mit R ⊆ R 0 , so ist R ∗ ⊆ R 0 . Korollar 5.10 Sei R eine 2-stellige Relation auf einer Menge A und R ∗ die reflexive transitive Hülle von A. Dann gilt: \ R∗ = R 0 ⊆ A2 R 0 Präordnung und R ⊆ R 0 . 356 Beweis von Satz 5.9 1. R ⊆ R ∗ wegen der zweiten Basisregel. 2. R ∗ ist reflexiv wegen der ersten Basisregel. R ∗ ist transitiv, denn falls (a, b), (b, c) ∈ R ∗ , so auch (a, c) ∈ R ∗ wegen der rekursiven Regel. 3. Sei R 0 eine Präordnung auf A mit R ⊆ R 0 . Wir zeigen induktiv, dass für alle (a, b) ∈ R ∗ gilt: (a, b) ∈ R 0 . Induktionsanfang: I (a, a) ∈ R 0 für alle a ∈ A, da R 0 reflexiv. I (a, b) ∈ R 0 für alle (a, b) ∈ R, da R ⊆ R 0 . Induktionsschritt: Seien (a, b), (b, c) ∈ R ∗ . Induktionsannahme: (a, b), (b, c) ∈ R 0 . Behauptung: (a, c) ∈ R 0 . Beweis: Folgt unmittelbar aus der (IA) und der Transitivität von R 0 . 357 § 5.2 Graphen 358 Digraphen Definition 5.11 Ein gerichteter Graph (kurz: Digraph) ist ein Paar G := (V , E), wobei V eine Menge ist und E ⊆ V 2 eine 2-stellige Relation auf V . Die Elemente von V bezeichnet man als die Ecken (oder Knoten) von G, die Elemente von E als die Kanten von G. Beispiel 5.12 “ G= 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 , (0, 2), (0, 4), (0, 5), (1, 0), (2, 1), (2, 5), (3, 1), (3, 3), (3, 6), (4, 0), ” (4, 5), (6, 3), (6, 5) 0 4 1 2 3 5 6 Graphische Darstellung von G. 359 Graphen von 2-stelligen Relationen Für jede 2-stellige Relation R ⊆ A2 ist (A, R) ein Digraph. Beispiel 5.13 Die Teilerrelation auf {1, . . . , 10}. 8 10 5 4 6 2 3 1 9 7 360 Beispiele von Graphen Straßenkarten Kanten repräsentieren Straßen und Ecken Kreuzungen. Flugpläne Ecken repräsentieren Flughäfen und Kanten Direktflüge. 361 Beispiele von Graphen Elektrische Schaltungen Ecken repräsentieren Bauteile wie Dioden, Transistoren, Widerstände etc. und Kanten die Verdrahtung. Schaltkreise Ecken repräsentieren Schaltelemente und Kanten die Verbindungen. 362 Beispiele von Graphen Computernetzwerke Ecken repräsentieren Computer und Kanten Netzwerkverbindungen. Das World Wide Web Ecken repräsentieren Webseiten und Kanten Hyperlinks. 363 Beispiele von Graphen Flowcharts Ecken repräsentieren Boxen und Kanten Pfeile. 364 Beispiele von Graphen Moleküle Ecken repräsentieren Atome, Kanten Verbindungen. H H H C C H H O H 365 Wege, Pfade, Zyklen und Kreise Definition 5.14 Sei G = (V , E) ein Digraph. 1. Ein Weg in G ist ein Tupel (v0 , . . . , v` ) ∈ V `+1 , für ein ` ∈ N, so dass für 1 ≤ i ≤ ` gilt: (vi−1 , vi ) ∈ E. (v0 , . . . , v` ) ist ein Weg von v0 nach v` . ` ist die Länge des Weges. Achtung: Für alle v ∈ V ist (v ) ein Weg der Länge 0 von v nach v. 2. Ein Pfad in G ist ein Weg (v0 , . . . , v` ), dessen Ecken paarweise verschieden sind, das heißt, für 0 ≤ i < j ≤ ` gilt vi 6= vj . 3. Ein Zyklus in G ist ein Weg (v0 , . . . , v` ) der Länge ` ≥ 1 mit v0 = v` . 4. Ein Kreis in G ist ein Weg (v0 , . . . , v` ) der Länge ` ≥ 1 mit v0 = v` und vi 6= vj für 0 ≤ i < j ≤ ` − 1. 366 Beispiele Weg (0, 2, 1, 0, 4, 5) 0 4 1 2 3 5 6 Zyklus (0, 2, 1, 0, 4, 0) 0 4 1 2 3 5 6 Pfad (0, 4, 5) 0 4 1 2 3 5 6 Kreis (0, 2, 1, 0) 0 4 1 2 3 5 6 367 Wege und die reflexive transitive Hülle Lemma 5.15 Seien G = (V , E) ein Digraph und v , w ∈ V . Dann sind folgende Aussagen äquivalent: 1. Es gibt einen Weg von v nach w. 2. (v , w) ∈ E ∗ , wobei E ∗ ⊆ V 2 die reflexive transitive Hülle von E ist. 368 Beweis von Lemma 5.15 (1) =⇒ (2): Sei (v0 , v1 , . . . , v` ) mit v0 = v , v` = w ein Weg von v nach w. Wir zeigen per Induktion über i, dass für 0 ≤ i ≤ ` gilt: (v0 , vi ) ∈ E ∗ . Daraus folgt (v , w) = (v0 , v` ) ∈ E ∗ . Induktionsanfang: i = 0. (v0 , v0 ) ∈ E ∗ , da E ∗ reflexiv. Induktionsschritt: i → i + 1. Falls i ≥ `, so ist nichts zu zeigen. Sei also i < `. Es gilt: I (v0 , vi ) ∈ E ∗ nach Induktionsannahme. I (vi , vi+1 ) ∈ E ∗ , da (vi , vi+1 ) ∈ E und E ⊆ E ∗ . Also (v0 , vi+1 ) ∈ E ∗ , da E ∗ transitiv. 369 Beweis von Lemma 5.15 (cont.) (2) =⇒ (1): Wir zeigen per Induktion über die rekursive Definition von E ∗ , dass für alle (v , w) ∈ E ∗ gilt: Es gibt einen Weg von v nach w. Induktionsanfang: I I (v ) ist ein Weg (der Länge 0) von v nach v . Für (v , w) ∈ E ist (v , w) ein Weg (der Länge 1) von v nach w. Induktionsschritt: Seien (v , u), (u, w) ∈ E ∗ . Nach Induktionsannahme gibt es einen Weg (v0 , . . . , v` ) mit v0 = v , v` = u von v nach u und einen Weg (w0 , . . . , wm ) mit w0 = u, wm = w von u nach w. Dann ist (v0 , . . . , v` , w1 , . . . , wm ) ein Weg von v nach w. 370 Schleifen Definition 5.16 Sei G = (V , E) ein Digraph. 1. Eine Schleife in G ist eine Kante (v , v ) ∈ E, für ein v ∈ V . 2. Der Digraph G ist schleifenfrei, wenn er keine Schleifen enthält. Beispiel 5.17 Schleife (3, 3) 0 4 1 2 3 5 6 ein schleifenfreier Digraph 0 4 1 2 3 5 6 371 Gerichtete azyklische Graphen Definition 5.18 Ein Digraph ist azyklisch, wenn er keinen Zyklus enthält. Einen azyklischen Digraphen bezeichnet man auch als DAG (sprich: Dähg“, für Directed Acyclic Graph). ” Satz 5.19 Sei G = (V , E) ein schleifenfreier Digraph. Dann ist G genau dann ein DAG, wenn die reflexive transitive Hülle E ∗ von E auf V eine partielle Ordnung ist. 372 Ungerichtete Graphen Definition 5.20 Ein ungerichteter Graph (oder einfach Graph) ist ein Digraph (V , E), für den E symmetrisch ist. Beispiel 5.21 1 2 0 3 10 11 4 14 9 12 5 8 6 7 13 373 Zusammenhang Definition 5.22 Ein Graph G = (V , E) ist zusammenhängend, wenn es für alle v , w ∈ V einen Weg von v nach w gibt. Beispiel 5.23 zusammenhängend nicht zusammenhängend zwei Zusamenhangskomponenten“ ” 1 1 2 2 0 0 3 3 10 10 11 11 4 4 14 9 9 12 12 5 8 5 8 6 6 7 7 13 374 Zusammenhangskomponenten Satz 5.24 Sei G = (V , E) ein Graph. Dann ist die reflexive transitive Hülle E ∗ von E eine Äquivalenzrelation. Ferner gilt, für alle v , w ∈ V : (v , w) ∈ E ∗ ⇐⇒ es gibt einen Weg von v nach w in G. Die Äquivalenzklassen von E ∗ bezeichnet man als die Zusammenhangskomponenten von G. 375 § 5.3 Algebren 376 Mehrstellige Funktionen Definition 5.25 Seien k ∈ N und A eine Menge. Eine k -stellige Funktion auf A ist eine Funktion f : Ak → A. Notation Sei f : Ak → A und (a1 , . . . , ak ) ∈ Ak . Statt f ((a1 , . . . , ak )) schreiben wir f (a1 , . . . , ak ). 377 2-Stellige Funktionen Definition 5.26 Sei A eine Menge und f : A2 → A. 1. f ist assoziativ, wenn für alle a, b, c ∈ A gilt: f (a, f (b, c)) = f (f (a, b), c). 2. f ist kommutativ, wenn für alle a, b ∈ A gilt: f (a, b) = f (b, a). 3. f ist idempotent, wenn für alle a ∈ A gilt: f (a, a) = a. Notation Ist f : A2 → A eine 2-stellige Funktion auf einer Menge A, so schreiben wir häufig, für a, b ∈ A, afb anstatt f (a, b). 378 Algebren Definition 5.27 Eine Algebra ist ein Tupel A = (A, f1 , . . . , f` , c1 , . . . , cm ), bestehend aus I einer Menge A, I Funktionen fi : Aki → A für 1 ≤ i ≤ `, Elementen c1 , . . . , cm ∈ A (die wir als Konstanten bezeichnen). I 379 Beispiele 1. Der Körper der reellen Zahlen: R := (R, +, · , 0, 1). 2 2 (Die kleinen Ziffern unter den Funktionen geben ihre Stelligkeit an.) 2. Der Körper der rationalen Zahlen: Q := (Q, +, · , 0, 1). 2 2 3. Die additive Gruppe der ganzen Zahlen: (Z, +). 2 4. Potenzmengenalgebren. Für jede Menge A: P(A) := (℘(A), ∩, ∪, { , ∅, A) 2 2 1 (Komplementbildung im Universum A). 380 Gruppen Definition 5.28 Eine Gruppe ist eine Algebra (G, ∗), wobei die zweistellige Funktion ∗ 2 folgende Eigenschaften hat: 1. ∗ ist assoziativ. 2. Es gibt ein neutrales Element e ∈ G, so dass für alle g ∈ G gilt: a) g ∗ e = e ∗ g = g, b) es gibt ein g 0 ∈ G, so dass g ∗ g 0 = e. Ähnlich Ringe, Körper und andere mathematische Strukturen. 381 Boolesche Algebren Definition 5.29 Eine Boolesche Algebra ist eine Algebra B = (B, u, t, ¬, ⊥, >) 2 2 1 mit folgenden Eigenschaften: Für alle a, b, c ∈ B, 1. Idempotenz a u a = a, a t a = a. 2. Kommutativität a u b = b u a, a t b = b t a. 3. Assoziativität (a u b) u c = a u (b u c), (a t b) t c = a t (b t c). (Fortsetzung nächste Folie) 382 4. Absorption a u (a t b) = a, a t (a u b) = a. 5. Distributivität a u (b t c) = (a u b) t (a u c), a t (b u c) = (a t b) u (a t c). 6. Tertium Non Datur a u ¬a = ⊥, a t ¬a = >. 7. a u > = a, a t ⊥ = a, a u ⊥ = ⊥, a t > = >. 383 Beispiele 1. B2 := ({0, 1}, ∧, ∨, ¬, 0, 1) ist eine Boolesche Algebra (wobei ∧, ∨, ¬ durch die üblichen Verknüpfungstafeln definiert sind). 2. Potenzmengenalgebren. Für jede Menge A ist P(A) := (℘(A), ∩, ∪, { , ∅, A) 2 2 1 eine Boolesche Algebra. 384 § 5.4 Strukturen 385 Symbolmengen Definition 5.30 Eine Symbolmenge (auch Signatur oder Vokabular) ist eine Menge σ von Relations-, Funktions- und Konstantensymbolen. Jedes Relationsymbol Ṙ ∈ σ und jedes Funktionssymbol ḟ ∈ σ hat eine Stelligkeit stell(Ṙ) ∈ N \ {0} (bzw. stell(ḟ ) ∈ N \ {0}). 386 Notation I σ bezeichnet immer eine Symbolmenge. I Wir kennzeichnen Symbole immer mit einem Punkt, wie in Ṙ oder ḟ . I Für Relationssymbole verwenden wir normalerweise Grossbuchstaben wie Ṗ, Q̇, Ṙ, Ė, für Funktionssymbole Kleinbuchstaben wie ḟ , ġ, ḣ und für Konstantensymbole Kleinbuchstaben wie ċ, ḋ. Gelegentlich verwenden wir als Relations- und ˙ (2-stelliges Funktionssymbole auch Zeichen wie ≤ ˙ Relationssymbol), +̇, × (2-stellige Funktionssymbole) und als ˙ oder Zahlen wie 0̇, 1̇. Konstantensymbole Symbole wie ⊥ I I Die Stelligkeit eines Relations- oder Funktionssymbols deuten wir häufig an, indem wir sie unter das Symbol schreiben. Beispiel 5.31 Die Notation Ṙ deutet an, dass Ṙ ein 2-stelliges Relationssymbol ist. 2 387 Strukturen Definition 5.32 Eine σ-Struktur A besteht aus: I I I I einer nicht-leeren Menge A, dem Träger von A, je einer k -stelligen Relation Ṙ A ⊆ Ak für alle k ∈ N \ {0} und alle k -stelligen Funktionssymbole Ṙ ∈ σ, je einer k -stelligen Funktion ḟ A : Ak → A für alle k ∈ N \ {0} und alle k -stelligen Funktionssymbole ḟ ∈ σ, je einem Element ċ A ∈ A für alle Konstantensymbole c ∈ σ. 388 Notation I Strukturen bezeichnen wir mit kalligraphischen Großbuchstaben, etwa A, B, G und ihre Träger mit den entsprechenden lateinischen Großbuchstaben, etwa A, B, G. I Wir beschreiben σ-Strukturen oft in Tupelschreibweise, etwa A = A, (Ṡ A )Ṡ∈σ oder, falls σ = {Ṡ1 , . . . , Ṡn } endlich, A = A, Ṡ1A , . . . , ṠnA . 389 Beispiel: Arithmetische Strukturen Sei ˙ 0̇, 1̇}, σAr := {+̇, ×, ˙ 2-stellige Funktionssymbole sind und 0̇, 1̇ wobei +̇, × Konstantensymbole. Wir definieren eine σAr -Struktur N ˙ N , 0̇N , 1̇N ), N := (N, +̇ , × N ˙ N die natürliche Addition bzw. Multiplikation auf N wobei +̇ und × sind und 0̇N := 0, 1̇N := 1. Entsprechend können wir σAr -Strukturen Z, Q, R, C mit Trägern Z, Q, R, C definieren. 390 Beispiel: Graphen und Ordnungen I Sei σGraph := {Ė}, wobei Ė ein 2-stelliges Relationssymbol ist. Digraphen und Graphen lassen sich als σGraph -Strukturen G = (G, Ė G ) auffassen. I ˙ wobei ≤ ˙ ein 2-stelliges Relationssymbol ist. Sei σOrd := {≤}, Jeder Präordnung, partiellen Ordnung oder linearen Ordnung ≤ ˙ A ) mit auf einer Menge A entspricht eine σOrd -Struktur (A, ≤ A ˙ := ≤. ≤ 391 Beispiel: Gruppen, Körper und Boolesche Algebren I I I I Sei σGr := {˙∗}, wobei ∗˙ ein 2-stelliges Funktionssymbol ist. Gruppen lassen sich als σGr -Strukturen auffassen. Körper lassen sich als σAr -Strukturen auffassen. ˙ Geordnete Körper lassen sich als σAr ∪ {≤}-Strukturen auffassen, ˙ wobei ≤ ein 2-stelliges Relationssymbol ist. Sei ˙ >}. ˙ ˙ ⊥, σBA := {u̇, ṫ, ¬, Boolesche Algebren lassen sich als σBA -Strukturen auffassen. Achtung: Nicht jede σGr -Struktur ist eine Gruppe. Entsprechendes gilt für Ordnungen, (geordnete) Körper, Boolesche Algebren. 392 Isomorphismen Definition 5.33 Seien A, B σ-Strukturen. Ein Isomorphismus von A nach B ist eine Abbildung I : A → B mit folgenden Eigenschaften: 1. I ist bijektiv. 2. Für alle k ∈ N \ {0}, alle k-stelligen Relationssymbole Ṙ ∈ σ und alle k-Tupel (a1 , . . . , ak ) ∈ Ak gilt: ` ´ (a1 , . . . , ak ) ∈ Ṙ A ⇐⇒ I(a1 ), . . . , I(ak ) ∈ Ṙ B . 3. Für alle k ∈ N \ {0}, alle k-stelligen Funktionssymbole ḟ ∈ σ und alle k-Tupel (a1 , . . . , ak ) ∈ Ak gilt: ` ´ ` ´ I ḟ A (a1 , . . . , ak ) = ḟ B I(a1 ), . . . , I(ak ) . 4. Für alle Konstantensymbole ċ ∈ σ gilt: ` ´ I ċ A = ċ B . ∼ B, um anzudeuten, dass I ein Isomorphismus von A Wir schreiben I : A = nach B ist. 393 Isomorphie Definition 5.34 Sei σ eine Symbolmenge. ∼ B), Zwei σ-Strukturen A und B sind isomorph (wir schreiben: A = wenn es einen Isomorphismus von A nach B gibt. 394 Beispiel Die beiden Graphen (aufgefasst als σGraph -Strukturen) sind isomorph. 395 Beispiele 1. Sind A, B gleichmächtige Mengen, so sind die Potenzmengenalgebren P(A) und P(B) (aufgefasst als σBA -Strukturen) isomorph. ˙ A und ≤ ˙B 2. Sind A, B gleichmächtige endliche Mengen und ≤ lineare Ordnungen auf A bzw. B, so sind die beiden ˙ A ) und (B, ≤ ˙ B ) isomorph. σOrd -Strukturen (A, ≤ ˙ N ) und (Z, ≤ ˙ Z ), wobei ≤ ˙ N und ≤ ˙ Z die Die σOrd -Strukturen (N, ≤ natürlichen linearen Ordnungen auf N bzw. Z sind, sind nicht isomorph. 3. Die Booleschen Algebren ({0, 1}, ∧, ∨, ¬, 0, 1) und P({∅}) sind isomorph. 396 Isomorphie als Äquivalenzrelation Satz 5.35 Isomorphie ist eine Äquivalenzrelation auf der Klasse aller σ-Strukturen. (Beweis als Übung) 397