Christian Eisentraut & Julia Krämer www.vorkurs-mathematik-informatik.de Mathematik-Vorkurs für Informatiker Relationen1 Hinweis: Ist bei Aufgaben keine spezielle Schreibweise für Relationen angegeben, die Sie verwenden sollen, so stellen Sie die Relationen als Mengen von Paaren dar. Aufgabe 1. (Wiederholung wichtiger Begriffe) Notieren Sie die Definitionen der folgenden Begriffe aus dem Kopf ohne im Skript nachzuschlagen und korrigieren Sie dann ihre Lösungen: (a) Relation über zwei Mengen A und B (b) funktionale Relation (c) injektiv (d) surjektiv (e) bijektiv (f) reflexiv (g) irreflexiv (h) symmetrisch (i) antisymmetrisch (j) transitiv Kategorie 1 Aufgabe 2. (Relationen formal darstellen) Welche Beziehungen stellen die folgenden Relationen dar? Notieren Sie die Relation dann formal. Kategorie 2 Beispiel (a) {(1, 0), (2, 0), (3, 0), . . . , (2, 1), (3, 1), . . . (3, 2), . . . } – Es wird die >-Relationen auf natürlichen Zahlen dargestellt, formal: {(a, b)|(a, b) ∈ N2 ∧ a > b} (b) {(1, 1, 1), (1, 2, 2), (1, 3, 3), . . . , (2, 1, 2), (2, 2, 4), (2, 3, 6), . . . , (3, 1, 3), (3, 2, 6), (3, 3, 9), . . . } – Die Relation stellt die Multiplikation natürlicher Zahlen dar, die ersten beiden Komponenten sind die beiden Faktoren, die letzte das Ergebnis. 1 Die vorlegende Sammlung an Übungsaufgaben erstellt von Christian Eisentraut und Julia Krämer (www.vorkurs-mathematik-informatik.de) ist inklusive aller darin vorkommenden Texte und Bilder lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung - Nicht-kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz. Weitere Hinweise finden Sie unter http: //creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/. 1 Formal würde die Relation {(a, b, c) ∈ N3 | a · b = c} lauten. (a) (b) (c) (d) (e) {(0, 0), (0, 1), (0, 2), (0, 3), . . . , (1, 1), (1, 2), (1, 3), . . . , (2, 2), (2, 3), (2, 4), . . . } {(1, 1), (2, 2), (3, 3), (4, 4), (5, 5), . . . } {(4, 4), (4, 8), (4, 12), (4, 16), . . . } {(1, 1, 2), (1, 2, 3), (1, 3, 4), . . . , (2, 1, 3), (2, 2, 4), (2, 3, 5), . . . , (3, 1, 4), (3, 2, 5), (3, 3, 6), . . . } {(1, 2), (2, 3), (3, 5), (4, 7), (5, 11), (6, 13), . . . } Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 3. (Relationen natürlichsprachlich) Stellen Sie jeweils die folgenden natürlichsprachlich notierten Beziehungen als mathematische Relationen dar. Kategorie 2 Beispiel Studenten haben eine eigene Matrikelnummer – {(x, y) ∈ Studenten×M atrikelnummern | x hat Matrikelnummer y} (a) Menschen haben Vornamen (b) Menschen haben Mütter (c) Menschen haben Großmütter (Hinweis: Stellen Sie diese Relation mit Hilfe der Relation aus (b) und einer weiteren Relation dar.) (d) natürliche Zahlen haben eine Binärdarstellung Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 4. (Pfeildiagramme) Zeichnen Sie die als Mengen angegebenen Relationen als Pfeildiagramm. Geben Sie außerdem die Matrixdarstellung an. Beispiel Sei die Relation {(1, 2), (2, 3), (1, 3)} über der Menge {1, 2, 3} gegeben. Die graphische Darstellung sieht wie folgt aus: 2 1 3 2 Kategorie 3 Die Darstellung der Relation als Matrix 0 0 0 (a) (b) (c) (d) (e) sieht wie folgt aus: 1 1 0 1 0 0 {(1, 2), (3, 4), (1, 4), (4, 2)} über der Menge {1, 2, 3, 4, 5} {(1, 1), (2, 2), (3, 3), (4, 4)} über der Menge {1, 2, 3, 4} {(a, b) ∈ {1, 2, 3, 4, 5, 6}2 | a teilt b} {(a, b) | a ∈ {1, 2, 3} ∧ b ∈ {a, b, c}} {(a, b) ∈ {a, b, c, . . . , x, y, z}2 | b ist der Nachfolger von a im Alphabet} Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 5. (Pfeildiagramme) Geben Sie die als Matrix angegebenen Relationen als Pfeilbilder an. Kategorie 3 Hinweis: Es handelt sich um Relationen über natürlichen Zahlen. Die Nummer der Reihe gibt die erste, die Nummer der Spalte die zweite Komponente des Tupels an. Beispiel 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 beschreibt die Relation {(1, 2), (1, 4), (2, 1), (2, 3), (2, 4), (3, 4), (4, 1), 1 1 0 1 (4, 2), (4, 4)} mit dem folgenden Pfeilbild: 0 0 (a) 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 2 1 4 3 1 0 1 0 3 (b) (c) (d) (e) 0 0 0 ( ) 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 6. (Eigenschaften in Matrixdarstellung erkennen) Beschreiben Sie möglichst einprägsam jeweils die Matrizendarstellung (a) reflexiver (b) transitiver (c) antisymmetrischer (d) symmetrischer Relationen über natürlichen Zahlen. Kategorie 4 Hinweis: Am besten wählen Sie sich jeweils ein bis zwei Relationen, die diese Eigenschaft haben, stellen diese als Matrix dar und suchen charakteristische Merkmale. Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 7. (Inverse Relation) Geben Sie zu den Relationen aus Aufgabe 5 die inversen Relationen als Menge, als Pfeilbild und in Matrixdarstellung an. Beispiel Die inverse Relation zum Beispiel von {(2, 1), (4, 1), (1, 2), (3, 2), (4, 2), (4, 3), (1, 4), 0 1 (2, 4), (4, 4)}, die Matrixdarstellung 0 1 Aufgabe 8.5: Die inverse Relation lautet 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 und das Pfeilbild: 0 1 4 Kategorie 3 2 1 4 3 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 8. (Komposition von Relationen) Zeichnen Sie die Komposition der folgenden Relationen. Die Relation sind in der Reihenfolge zu komponieren, wie sie in der Aufgabenstellung aufgeführt sind. Kapitel 3 Beispiel Die angegebene Reihenfolge für die Relationen sei {(1, 3), (3, 2)} und {(2, 1), (3, 3)}. Damit ist die Komposition, die zu bilden ist, {(1, 3), (3, 2)} ◦ {(2, 1), (3, 3)}. Es lässt sich (1, 3) mit (3, 3) und (3, 2) mit (2, 1) über die Definition der Komposition “zusammenbringen”. Als Pfeilbild sieht die Komposition so aus: 2 3 (a) (b) (c) (d) 1 {(1, 2), (1, 3), (2, 3)} und {(3, 1), (2, 2), (3, 2)} über {1, 2, 3} {(a, b) ∈ N2 | a = b + 1} und {(a, b) ∈ N2 | a > 0 ∧ a = b − 1} {(1, 4), (2, 4), (3, 4)} und {(4, 4)} über {1, 2, 3, 4} {((1, 1), (2, 2)), ((1, 2)(2, 1)), ((1, 2), (3, 1)), ((3, 1), (4, 1))} und {((1, 2), (3, 4)), ((3, 2), (1, 1)), ((2, 2), (2, 3)), ((3, 1), (4, 4))} über ({1, 2, 3, 4}2 )2 Lösung. TODO::ODOT 5 Aufgabe 9. (Beispiele zu Eigenschaften finden) Geben Sie ein Beispiel dafür an, dass es Relationen gibt, die weder symmetrisch noch antisymmetrisch sind. Kategorie 4 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 10. (Beispiele zu Eigenschaften finden) Geben Sie eine Relation an, die sowohl symmetrisch als auch antisymmetrisch ist. Kategorie 4 Aufgabe 11. (Reflexiv-transitiv-symmetrischer Abschluss) Schließen Sie die folgenden Relationen reflexiv, transitiv und symmetrisch ab: Kategorie 3 Beispiel {(1, 2), (2, 3), (3, 1)} wird reflexiv über {1, 2, 3} abgeschlossen durch Hinzufügen der Paare (1, 1), (2, 2) und (3, 3). Die Symmetrie-Eigenschaft erhält man, indem man die Paare (2, 1), (3, 2) und (1, 3) zur Menge hinzufügt. Die Menge ist nun schon transitiv, da alle möglichen Paare aus {1, 2, 3} × {1, 2, 3} enthalten sind. (a) (b) (c) (d) (e) {(1, 2), (2, 1)} über {1, 2} {(1, 2), (2, 1)} über {1, 2, 3} {(1, 2), (2, 1), (2, 3)} über {1, 2, 3} {(1, 2), (2, 1), (2, 3), (1, 4)} über {1, 2, 3, 4} {(1, 2), (1, 3), (1, 4), (4, 2), (3, 2), (2, 2), (2, 1)} über {1, 2, 3, 4} Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 12. (Reflexiv-transitiv-symmetrischer Abschluss) Schließen Sie die leere Menge über einer beliebigen Menge M reflexiv, transitiv und symmetrisch ab. Kategorie 3 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 13. (Reflexiv-transitiv-symmetrischer Abschluss natürlichsprachlich) Schließen Sie die Relation “x ist Elternteil von y” transitiv, symmetrisch und reflexiv ab. Welche Relation erhalten Sie? 6 Kategorie 3 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 14. (Eigenschaften natürlichsprachlicher Relationen) Welche Eigenschaften haben diese natürlichsprachlichen Relationen? Notieren Sie die Relation zunächst als Menge und geben Sie dabei auch die Mengen an, über der die Relationen definiert sind. Kategorie 3 Beispiel x ist Haustier von y – Formal lautet diese Relation {(x, y) ∈ Haustier × M ensch | x ist Haustier von y}. Die Relation kann nicht reflexiv, transitiv, symmetrisch oder antisymmetrisch sein, da Quellmenge und Zielmenge nicht übereinstimmen. Sie ist links-total, da jedes Haustier ein Menschen hat, der dieses Haustier besitzt (ansonsten wäre das Tier kein Haustier), sie ist aber nicht rechts-total, da es Menschen gibt, die keine Haustiere haben. (a) (b) (c) (d) (e) (f) x x x x x x ist Vater von y ist Großvater von y ist Schwester von y ist die Matrikelnummer von y ist das Studienfach von y studiert y Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 15. (Eigenschaften beweisen) Welche der folgenden Relationen sind reflexiv, transitiv, symmetrisch oder antisymmetrisch? Beweisen Sie Ihre Antwort. Beispiel R := {(a, a) | a ∈ N} über den natürlichen Zahlen– Die Menge ist reflexiv, transitiv, symmetrisch und antisymmetrisch. Textbeweis Erklärungen Schlussregel Reflexivität: ∀x ∈ N : (x, x) ∈ R Sei ẋ in N beliebig. Dann gilt: ẋ = ẋ. ∀x : x = x (∀:Bew), (∀:Anw) Damit ist (ẋ, ẋ) ∈ R (Subst)(Definition der Relation) 7 Kategorie 4 Transitivität: ∀x, y, z ∈ N : (x, y) ∈ R ∧ (y, z) ∈ R → (x, z) ∈ R Seien ẋ, ẏ, ż beliebig in N und (ẋ, ẏ) und (ẏ, ż) in R enthalten. (∀:Bew),(∀:Bew),(∀:Bew), (→:Bew), (∧:Anw),(Subst) ( Kommutativität ∧), (∧:Anw) Dann gilt ẋ = ẏ und ẏ = ż. (Subst)(Definition Relation), (Subst)(Definition Relation) Damit gilt dann auch ẋ = ż und somit (x, z) ∈ R. Angewendeter Satz: ∀x, y, z ∈ N : x = y ∧ y = z→x=z (∀:Anw), (∀:Anw), (∀:Anw), (→:Anw) Antisymmetrie: ∀x, y : (x, y) ∈ R ∧ (y, x) ∈ R → x = y Seien ẋ und ẏ beliebig in N. Ist ẋ ̸= ẏ, dann ist kein Paar mit x und y in der Relation enthalten. (∀:Bew), (∀:Bew) Angewendeter Satz: ∀x, y ∈ N : x¬y → ¬(y = x) Damit ist die Prämisse von Antisymmetrie immer falsch, die Aussage damit wahr. (FU), (∀:Anw), (∀:Anw), (→:Anw) (Subst)(Definition →) Für ẋ = ẏ ist die Konklusion von Antisymmetrie erfüllt und die Aussage damit wahr. □ (W) Symmetrie: ∀x, y : (x, y) ∈ R → (y, x) ∈ R Seien ẋ und ẏ beliebig in R. Dann ist ẋ = ẏ und damit (ẋ, ẏ) = (ẏ, ẋ).□ (∀:Bew), (∀:Bew) Angewendeter Satz: ∀ẋ, ẏ ∈ N : ẋ = ẏ → (ẋ, ẏ) = (ẏ, ẋ) (Subst) (Definition Relation), (∀:Anw),(∀:Anw), (→:Anw), (Subst) (Definition Relation) (a) {(1, 1), (2, 2), (3, 3)} über der Menge {1, 2, 3} (b) {(1, 1), (2, 2), (3, 3)} über der Menge {1, 2, 3, 4} 8 (c) {(1, 2), (2, 3), (3, 1), (2, 1), (3, 2), (1, 3)} über {1, 2, 3} (d) {(a, b) ∈ N2 | a | b} über den natürlichen Zahlen Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 16. (Eigenschaften beweisen) Welche der folgenden Relationen sind links-total bzw. rechts-total? Geben Sie zunächst Quell- und Zielmenge, sowie Definitions- und Wertebereich an und beweisen Sie dann wie in Aufgabe 15 Ihre Behauptung. Kategorie 4 Beispiel {(1, 2), (2, 1)} über {1, 2, 3}: Die Quell- und Zielmenge ist {1, 2, 3}, der Definitionsund Wertebereich {1, 2}. Die Relation ist weder links-total, noch rechts-total, da der 3 kein Wert zugeordnet wird und die 3 nicht getroffen wird. (a) (b) (c) (d) (e) (f) {(1, 2), (2, 1)} über {1, 2} {(1, 2), (2, 3), (3, 1)} über {1, 2, 3} {(a, a + 1) | a ∈ N} über N {(a, a − 1) | a ∈ N ∧ a > 0} über N {(a, a) | a ∈ N} über N {(a, b) ∈ N2 | a ≤ b} über N Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 17. (Beweise) Zeigen Sie jeweils die Äquivalenz der alternativen Charakterisierungen (aus der Vorlesung) zu den ursprüngenlichen von Transitivität, Antisymmetrie und Symmetrie. Kategorie 5 Aufgabe 18. (Eigenschaften beweisen) Beweisen Sie, dass ⊆ eine Ordnungsrelation ist. Kategorie 4 Hinweis: Sie benötigen die Definition von ⊆ für den Beweis. Lösung. TODO::ODOT 9 Aufgabe 19. (Relationen zu Eigenschaften finden) Finden Sie Relationen, die irreflexiv, transitiv und antisymmetrisch sind. Welche der Ihnen aus der Vorlesung oder der Schule bekannten Relationen erfüllen diese Eigenschaften? Kategorie 5 Hinweis: Irreflexivität einer binären Relation R über einer Menge M ist definiert als ∀x ∈ M : (x, x) ̸∈ R. Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 20. (Relationen zu Eigenschaften finden) Konstruieren Sie jeweils eine Äqivalenzrelation, eine Ordnungsrelation, eine Totalordnung und eine Wohlordnung, die bisher noch nicht in der Vorlesung genannt wurden. Kategorie 5 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 21. (Minimale Elemente) Was sind jeweils die minimalen Elemente der folgenden Ordnungsrelationen: (a) ≤ auf der Menge N, (b) ≤ auf der Menge Z, (c) ⊆ (d) | auf N ( | bezeichnet die Teilbarkeitsrelation) Welche dieser minimalen Elemente sind auch Minima? Kategorie 3 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 22. (Beweise) Sei die Relation ∼ = über Mengen definiert als M ∼ = M ′ genau dann wenn |M | = |M |. ∼ Zeigen Sie, dass = eine Äquivalenzrelation ist. Lösung. TODO::ODOT 10 Kategorie 6 Aufgabe 23. (Beweise) Beweisen oder widerlegen Sie: {(a, b) | a ∈ Z ∧ b ∈ Z ∧ a − b = 5} ist eine Äquivalenzrelation. Kategorie 5 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 24. (Beweise) Beweisen oder widerlegen Sie: {(a, b) | a ∈ Z∧b ∈ Z∧a−5 < b} ist eine Ordnungsrelation. Kategorie 5 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 25. (Eigenschaften beweisen) Welche der folgenden Funktionen sind injektiv, surjektiv oder bijektiv? Beweisen Sie Ihre Antwort. Kategorie 4 Beispiel Sei f : R → R, f (x) = x2 . f ist weder injektiv, da z.B. die 1 und die −1 auf den gleichen Wert abgebildet werden, noch surjektiv, da z.B. −1 nicht getroffen wird. Damit ist die Funktion auch nicht bijektiv (nach Definition). (a) (b) (c) (d) (e) f: f: f: f: f: R \ {0} → R, f (x) = x12 R → R, f (x) = x R \ {0} → R, f (x) = x1 − 1 R → R, f (x) = x3 R → R, f (x) = x2 + 2 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 26. (Funktionen zu Eigenschaften finden) Geben Sie Funktionen an, die die folgenden Eigenschaften besitzen. Verwenden Sie dafür keine der Funktionen aus Aufgabe 25. (a) injektiv, aber nicht surjektiv (b) surjektiv, aber nicht injektiv (c) bijektiv 11 Kategorie 4 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 27. (Beweise) Gibt es Funktionen, die (a) transitiv (b) reflexiv (c) symmetrisch sind? Wenn ja, geben Sie Beispiele an, wenn nein, begründen Sie wieso. Kategorie 6 Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 28. (Beweise) injektiv Beweisen oder widerlegen Sie: Sind zwei Funktionen f und g surjektiv bijektiv injektiv so ist ihre Komposition f ◦ g surjektiv . bijektiv Kategorie 5 , Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 29. (Beweise) Beweisen Sie die folgenden drei Aussagen. Seien dafür f und g beliebige Funktionen: (a) Ist f ◦ g injektiv, so ist f injektiv. (b) Ist f ◦ g surjektiv, so ist g surjektiv. (c) Ist f ◦ g bijektiv, so ist f injektiv und g surjektiv. Kategorie 5 Lösung. TODO::ODOT 12 Aufgabe 30. (Beweise verstehen) Identifizieren Sie hier, welche der Schlussregeln angewendet worden sind. Dabei bezeichne idx die Funktion id : X → X, x 7→ x für eine beliebige Menge X. Zeichnen Sie auch den dazugehörigen Beweisbaum. Hinweis: Folgender Beweis stammt (mit kleinen Anpassungen und ergänzenden Erklärungen von uns) aus der Grundvorlesung “Lineare Algebra 1”. Textbeweis Erklärungen Schlussregel Behauptung: Seien M und N Mengen und sei f : M → N eine Funktion. Dann ist f genau dann bijektiv, wenn eine Abbildung g : N → M existiert mit g ◦ f = idM und f ◦ g = idN . Beweis: Hinrichtung: zu zeigen: Es existiert g : N → M mit g ◦ f = idM und f ◦ g = idN =⇒ f ist bijektiv. Annahme: Es existiert g : N → M mit g ◦ f = idM und f ◦ g = idN . Sei y ∈ N . Setze x als g(y) ∈ M. Dann gilt: f (x) = f (g(y)) = (f ◦ g)(y) = idN (y) = y für alle y ∈ N. Damit ist f surjektiv. Seien x und x′ ∈ M mit f (x) = f (x′ ). Dann gilt: x = idM (x) = (g ◦ f )(x) = g(f (x)) = g(f (x′ )) = (g ◦ f )(x′ ) = idM (x′ ) = x′ . Damit ist f injektiv. Es folgt: f ist bijektiv. Rückrichtung zu zeigen:f ist bijektiv =⇒ Es existiert g : N → M mit g ◦ f = idM und f ◦ g = idN Annahme: f ist bijektiv Da f bijektiv ist, gibt es für jedes y ∈ N genau ein x ∈ M mit f (x) = y. Man bezeichne mit xy x ∈ M , so dass f (x) = y mit y ∈ N 13 Kategorie 4 Textbeweis . Nun definiere man g : N → Erklärungen Schlussregel M, y 7→ xy . Für jedes y ∈ M gilt: (f ◦ g)(y) = f (g(y)) = f (xy ) = y = idN (y). Man wähle x ∈ M mit f (x) = y mit y ∈ N . Dann ist x = xy , da f injektiv ist. Es gilt: (g ◦ f )(x) = g(f (x)) = g(y) = xy = x = idM (x). Damit erfüllt g die geforderten Eigenschaften. □ Lösung. TODO::ODOT Aufgabe 31. (Beweise) Beweisen Sie: Die Funktion f : R → R, f (x) = x2 − 2 hat keine Nullstelle in Q. Kategorie 5 Hinweis: Eine Nullstelle einer beliebigen Funktion g ist ein Element x seines Quellbereiches, so dass g(x) = 0. Gehen Sie bei diesem Beweis ähnlich vor wie beim Beweis, dass √ 2 ̸∈ Q. Lösung. TODO::ODOT Hinweis: Auf Funktionen kann man äquivalent injektiv und surjektiv auch wie folgt definieren. Sei f : X → Y eine beliebige Funktion von der Menge X in die Menge Y . Dann heißt f injektiv, wenn es ∀x, y ∈ X : f (x) = f (y) → x = y erfüllt und surjektiv, wenn es ∀y ∈ Y : ∃x ∈ X : f (x) = y erfüllt. Auch die Komposition definiert man häufig auf Funktionen etwas anders: Sei zusätzlich g : W → X eine Funktion von der Menge W nach X. Dann ist (f ◦ g)(w) := f (g(w)) für w ∈ W . Definition 1 (Umkehrfunktion und Umkehrabbildung) (a) f −1 ist die Umkehrfunktion zu einer Funktion f , wenn f −1 funktional und die Umkehrrelation von f ist. (b) f −1 ist die Umkehrabbildung zu einer Abbildung f , wenn f −1 funktional, links-total und die Umkehrrelation von f ist. 14 Umkehrfunktion Umkehrabbildung Aufgabe 32. (Beweise) Beweisen Sie die folgenden beiden Äquivalenzen: (a) Eine Funktion f besitzt genau dann eine Umkehrfunktion, wenn f injektiv ist. (b) Eine Abbildung f besitzt genau dann eine Umkehrabbildung, wenn f bijektiv ist. Lösung. TODO::ODOT 15 Kategorie 5