3. Relationen Rolf Linn 3.1 Kartesische Produkte 3.2 Zweistellige Relationen 3.3 Äqivalenzrelationen 3.4 Halbordnungen 3.5 Hüllen 3. Relationen GM 3-1 Wozu Relationen? Rolf Linn Mathematik Theoretische Informatik Kryptographie Beispiel: Sei m∈IN. Für x∈Z und y∈Z wird die Relation ≡m definiert durch x≡my ⇔ ∃z∈Z: x-y = z⋅m Relationale Datenbanken Beispiel: Relationen der Datenbank einer Autovermietung Wagennummer Typ Kundennummer Wagennummer Mietbeginn Mietende 12 VW Golf 13 12 1.1.2007 10.1.2007 90 Audi A4 146 90 4.5.2007 15.5.2007 87 VW Golf 13 87 5.5.2007 13.5.2007 115 Citroën C2 21 115 11.5.2007 26.5.2007 21 90 27.6.2007 5.7.2007 3. Relationen GM 3-2 3.1 Kartesische Produkte Rolf Linn Geordnetes Paar Tripel n-tupel Kartesisches Produkt René Descartes (Renatus Cartesius, 1596-1650): französischer Philosoph und Naturwissenschaftler, Wegbereiter der analytischen Geometrie (Kartesische Koordinaten). 3.1 Kartesische Produkte GM 3-3 Geordnetes Paar, Tripel, n-tupel Rolf Linn Das „Gebilde“ ( a1, a2, a3, …, an ) heißt n-tupel. Ist n=2 spricht man von einem geordneten Paar, ist n=3 von einem Tripel. Beispiel: Relation als Menge geordneter Paare Wagennummer Typ Relation als Menge von 4-tupeln Kundennummer Wagennummer Mietbeginn Mietende 12 VW Golf 13 12 1.1.2007 10.1.2007 90 Audi A4 146 90 4.5.2007 15.5.2007 87 VW Golf 13 87 5.5.2007 13.5.2007 115 Citroën C2 21 115 11.5.2007 26.5.2007 21 90 27.6.2007 5.7.2007 3.1 Kartesische Produkte GM 3-4 Definition 3.1.1: Kartesisches Produkt Rolf Linn Seien A1, A2, …, An Mengen. A1×A2×…×An = { (a1, a2, … an) | a1∈A1 ∧ a2∈A2 ∧ … ∧ an∈An } heißt kartesisches oder auch direktes Produkt von A1, A2, …, An . Ist A1 = A2 = … = An = A, setzt man An = A1×A2×…×An. Beispiel: Sei A = { a0, a1 } und B = { b0, b1, b2 }. Dann ist A×B = { (a0,b0), (a0,b1), (a0,b2), (a1,b0), (a1,b1), (a1,b2) } A A×B = { a0, a1 } × { b0, b1, b2 }. a1 ● a0 ● ● ● ● (a1,b0) (a1,b1) (a1,b2) ● ● ● (a0,b0) (a0,b1) (a0,b2) 3.1 Kartesische Produkte ● ● ● b0 b1 b2 B GM 3-5 Beispiel: Punkt in der Ebene Rolf Linn Nach Wahl eines Nullpunktes und eines Maßstabes ist jeder Punkt in der Ebene eindeutig durch ein geordnetes Paar von reellen Zahlen festgelegt: y ● P = ( x p , yp ) yp xp 3.1 Kartesische Produkte x GM 3-6 Beispiel: Punkt im Raum Rolf Linn Nach Wahl eines Nullpunktes und eines Maßstabes ist jeder Punkt im Raum eindeutig durch ein Tripel von reellen Zahlen festgelegt: y yp ● P = ( x p , yp , zp ) zp z 3.1 Kartesische Produkte xp x Übungsaufgaben 3.1.1 und 3.1.2 GM 3-7 3.2 Zweistellige Relationen Rolf Linn Reflexivität Symmetrie Antisymmetrie Asymmetrie Transitivität 3.2 Zweistellige Relationen GM 3-8 Relation: Teilmenge eines Kartesischen Produktes Wagennummer Typ 12 VW Golf Rolf Linn Typ VW Golf ● ● ● ● ● Audi A4 ● ● ● ● ● Citroën C2 ● ● ● ● ● ● 12 ● 90 90 Audi A4 87 VW Golf 115 Citroën C2 ● ● 87 115 Wagennummer { (12, VW Golf), (90, Audi A4), (87, VW Golf), (115, Citroën C2) } 3.2 Zweistellige Relationen GM 3-9 Definition 3.2.1: Relation Rolf Linn Seien A und B Mengen. Eine Teilmenge R ⊆ A×B heißt (zweistellige oder binäre) Relation zwischen A und B. Ist A=B, so heißt R Relation auf A. Beispiel: Typ VW Golf ● ● ● ● ● Audi A4 ● ● ● ● ● Citroën C2 ● ● ● ● ● ● 12 ● 90 ● ● 87 115 Wagennummer { (12, VW Golf), (90, Audi A4), (87, VW Golf), (115, Citroën C2) } 3.2 Zweistellige Relationen GM 3-10 Weiteres Beispiel für eine Relation Rolf Linn Lackfarbe Mondsilber Meteorgrau Dschungelgrün Tiefseeblau Vulkanrot Schneeweiß Ziegelrot Oasengrün Petrol Kaskadenblau Blauviolett Floraviolett Glutrot Polsterfarbe Schiefergrau " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " { (Glutrot, Schiefergrau), (Floraviolett, Schiefergrau), (Kaskadenblau, Schiefergrau), (Oasengrün, Schiefergrau), (Schneeweiß, Schiefergrau), (Schneeweiß, Blauviolett), (Schneeweiß, Petrol), …, (Mondsilber, Ziegelrot) } 3.2 Zweistellige Relationen GM 3-11 Visualisierung einer Relation zwischen A und B Rolf Linn A = { a 1, a 2, a 3 , a 4 } B = { b 1, b 2, b 3 } R = { (a2, b1), (a2, b2), (a3, b3), (a4, b2) } Matrix Tabelle b1 b2 b3 a1 a2 ● ● a3 a4 ● ● 3.2 Zweistellige Relationen Graph A B a1 a2 b1 a2 a2 b2 a3 b3 a4 b2 a3 a4 b1 b2 b3 GM 3-12 Visualisierung einer Relation auf A Rolf Linn A = { a 1, a 2, a 3 , a 4 } R = { (a1, a2), (a1, a4), (a3, a1), (a3, a3), (a4, a4) } Matrix Tabelle a1 a2 a3 a4 a1 ● ● a2 a3 ● ● a4 3.2 Zweistellige Relationen ● A A a1 a2 a1 a4 a3 a1 a3 a3 a4 a4 Graph a2 a1 a4 a3 GM 3-13 Die Relation x ≥ y auf den reellen Zahlen Rolf Linn y ≥ x Entsprechend sind auch <, ≤, >, = und ≠ Relationen auf den reellen Zahlen (und auch auf den natürlichen, ganzen sowie den rationalen Zahlen). Statt (x,y)∈R schreiben wir wie üblich xRy 3.2 Zweistellige Relationen Übungsaufgabe 3.2.1 GM 3-14 Definition 3.2.2: Reflexivität Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt reflexiv, falls gilt ∀x∈A: xRx. Beispiel: Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } Eine reflexive Relation auf A R = { (a1,a1), (a1,a2), (a1,a4), (a2,a2), (a3,a1), (a3,a3), (a4,a4) } a1 a2 a3 a4 a1 ● a2 a3 a4 3.2 Zweistellige Relationen ● ● ● a2 ● a1 ● ● a4 a3 GM 3-15 Eine nicht reflexive Relation Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt reflexiv, falls gilt ∀x∈A: xRx. Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } R = { (a1,a2), (a1,a4), (a3,a1), (a3,a3), (a4,a4) } a2 a1 a2 a3 a4 a1 ● ● a2 a3 ● ● a4 ● a1 a4 a3 ∃x∈A: ¬xRx 3.2 Zweistellige Relationen GM 3-16 Definition 3.2.3: Symmetrie Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt symmetrisch, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A: xRy ⇒ yRx. Beispiel: Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } Eine symmetrische Relation auf A R = { (a1,a2), (a1,a3), (a1,a4), (a2,a1), (a3,a1), (a3,a3), (a4,a1), (a4,a4) } a2 a1 a2 a3 a4 a1 3.2 Zweistellige Relationen ● a2 ● a3 ● a4 ● ● ● ● ● a1 a4 a3 GM 3-17 Eine nicht symmetrische Relation Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt symmetrisch, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A: xRy ⇒ yRx. Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } R = { (a1,a2), (a1,a4), (a3,a1), (a3,a3), (a4,a4) } a2 a1 a2 a3 a4 a1 ● ● a2 a3 ● a4 ● ● a1 a4 a3 ∃x∈A, ∃y∈A: ¬ (xRy ⇒ yRx) 3.2 Zweistellige Relationen GM 3-18 Definition 3.2.4: Antisymmetrie Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt antisymmetrisch, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A: (xRy ∧ yRx) ⇒ x=y. Beispiel: Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } Eine antisymmetrische Relation auf A R = { (a1,a2), (a1,a4), (a3,a1), (a3,a3), (a4,a4) } a2 a1 a2 a3 a4 a1 ● ● a2 a3 a4 3.2 Zweistellige Relationen ● ● ● a1 a4 a3 GM 3-19 Eine nicht antisymmetrische Relation Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt antisymmetrisch, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A: (xRy ∧ yRx) ⇒ x=y. Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } R = { (a1,a2), (a1,a4), (a2,a1), (a3,a1), (a3,a3), (a4,a4) } a2 a1 a2 a3 a4 a1 ● a2 ● a3 ● a4 ● ● ● a1 a4 a3 ∃x∈A, ∃y∈A: ¬ ((xRy ∧ yRx) ⇒ x=y) 3.2 Zweistellige Relationen GM 3-20 Eine symmetrische und antisymmetrische Relation Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt symmetrisch, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A: xRy ⇒ yRx. Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt antisymmetrisch, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A: (xRy ∧ yRx) ⇒ x=y. Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } R = { (a1,a1), (a2,a2), (a3,a3), (a4,a4) } a1 a2 a3 a4 a1 a2 a3 a4 3.2 Zweistellige Relationen ● a2 ● a1 ● ● a4 a3 GM 3-21 Definition 3.2.5: Asymmetrie Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt asymmetrisch, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A: xRy ⇒ ¬yRx. Beispiel: Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } Eine asymmetrische Relation auf A R = { (a1,a2), (a1,a4), (a3,a1) } a2 a1 a2 a3 a4 a1 ● a2 a3 a4 3.2 Zweistellige Relationen ● ● a1 a4 a3 GM 3-22 Eine nicht asymmetrische Relation Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt asymmetrisch, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A: xRy ⇒ ¬yRx. Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } R = { (a1,a2), (a1,a4), (a2,a1), (a3,a1), (a3,a3), (a4,a4) } a2 a1 a2 a3 a4 a1 ● a2 ● a3 ● a4 ● ● ● a1 a4 a3 ∃x∈A, ∃y∈A: ¬(xRy ⇒ ¬yRx) 3.2 Zweistellige Relationen GM 3-23 Definition 3.2.6: Transitivität Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt transitiv, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A, ∀z∈A: (xRy ∧ yRz) ⇒ xRz. Beispiel: Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } Eine transitive Relation auf A R = { (a1,a2), (a1,a4), (a3,a1), (a3,a2), (a3,a3), (a3,a4), (a4,a4) } a2 a1 a2 a3 a4 a1 ● ● a2 a3 a4 3.2 Zweistellige Relationen ● ● ● ● ● a1 a4 a3 GM 3-24 Eine nicht transitive Relation Rolf Linn Eine zweistellige Relation R auf der Menge A heißt transitiv, falls gilt ∀x∈A, ∀y∈A, ∀z∈A: (xRy ∧ yRz) ⇒ xRz. Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } R = { (a1,a2), (a1,a4), (a3,a1), (a3,a3), (a4,a4) } a2 a1 a2 a3 a4 a1 ● ● a2 a3 a4 ● ● ● a1 a4 a3 ∃x∈A, ∃y∈A, ∃z∈A: ¬ ((xRy ∧ yRz) ⇒ xRz) 3.2 Zweistellige Relationen Übungsaufgaben 3.2.2 bis 3.2.6 GM 3-25 3.3 Äquivalenzrelationen Rolf Linn Äquivalenzklassen Partition Zerlegung Klasseneinteilung 3.4 Äquivalenzrelationen GM 3-26 Klassifikation und Abstraktion Rolf Linn Zerlegung einer Menge in Teile, deren Elemente in bestimmten Eigenschaften übereinstimmen. Diese Elemente heißen dann äquivalent (gleichwertig). Beispiele: Personen – gleicher Beruf Personen – gleiches Alter Brüche – gleicher Wert, z.B. 4 12 = 9 27 Berechnungsverfahren – bei gleicher Eingabe gleiches Ergebnis Innere Zustände eines Automaten – bei gleicher nachfolgender Eingabe gleiche Ausgabe 1. 2. 3. 3.4 Äquivalenzrelationen Jedes Element ist zu sich selbst gleichwertig. Ist A zu B gleichwertig, dann auch B zu A. Ist A zu B gleichwertig und B zu C, dann auch A zu C. GM 3-27 Definition 3.3.1: Äquivalenzrelation Rolf Linn Eine zweistellige Relation heißt Äquivalenzrelation, falls sie reflexiv, symmetrisch und transitiv ist. 1. Beispiel: Sei A = { a1, a2, a3 , a4 } R = { (a1,a1), (a1,a2), (a1,a4), (a2,a1), (a2,a2), (a2,a4), (a3,a3), (a4,a1), (a4,a2), (a4,a4) } a1 a2 a3 a4 a1 ● ● ● a2 ● ● ● a3 a4 2. Beispiel: ● ● ● a2 a1 ● a4 a3 Sei m∈IN. Für x∈Z und y∈Z wird die Relation ≡m auf Z definiert durch 3.4 Äquivalenzrelationen x≡my ⇔ ∃z∈Z: x-y = z⋅m GM 3-28 Äquivalenzrelation und Klasseneinteilung Rolf Linn Sei A = { x∈IN | x<10 }. Für x∈A und y∈A ist die Relation ≡3 auf A definiert durch x≡3y ⇔ ∃z∈Z: x-y = z⋅3 0 1 3 6 2 4 7 5 8 9 3.4 Äquivalenzrelationen GM 3-29 Definition 3.3.2: Äquivalenzklasse Rolf Linn Seien ~ eine Äquvalenzrelation auf der Menge A und a∈A. [a]~ = { x∈A | x~a } heißt Äquvalenzklasse von a bezüglich ~. Wenn die Äquivalenzrelation ~ aus dem Kontext eindeutig hervorgeht, schreiben wir wie üblich statt [a]~ einfach nur [a]. Beispiel: A = { x∈IN | x<10 } ≡3 0 1 3 6 [6] = { x∈A | x≡36 } 3.4 Äquivalenzrelationen 2 4 7 5 8 9 GM 3-30 Satz 3.3.1: Eigenschaften von Äquivalenzklassen Rolf Linn Sei ~ eine Äquivalenzrelation auf der Menge A. Für a∈A und b∈A gilt: a) a∈[a] b) a~b ⇔ [a] = [b] c) ¬(a~b) ⇔ [a]∩[b] = Ø Übungsaufgaben 3.3.1 bis 3.3.3 Beispiel: A = { x∈IN | x<10 } ≡3 0 1 3 6 2 4 7 5 8 9 [0]=[3]=[6]=[9]={0,3,6,9} 3.4 Äquivalenzrelationen [1]=[4]=[7]={1,4,7} [2]=[5]=[8]={2,5,8} GM 3-31 Definition 3.3.3: Partition Rolf Linn Es sei M eine Menge und P eine Menge von nichtleeren Teilmengen von M. Die Menge P heißt Partition, Zerlegung oder Klasseneinteilung von M, wenn gilt: a) (A∈P ∧ B∈P ∧ A≠B) ⇒ A∩B = Ø b) ∀m∈M ∃A∈P: m∈A Beispiel: A3 A1 A2 A5 A7 A4 A6 3.4 Äquivalenzrelationen GM 3-32 Definition 3.3.4: Quotientenmenge Rolf Linn Sei ~ eine Äquivalenzrelation auf der Menge A. A/~ = { [a]~ | a∈A } heißt Quotient oder Quotientenmenge von A bezüglich ~. Die Elemente der Quotientenmenge sind die Äquivalenzklassen. Beispiel: A = { x∈IN | x<10 } ≡3 0 1 3 6 2 4 7 5 8 9 [0]=[3]=[6]=[9]={0,3,6,9} 3.4 Äquivalenzrelationen A/~ = { {0,3,6,9}, {1,4,7}, {2,5,8}} [1]=[4]=[7]={1,4,7} [2]=[5]=[8]={2,5,8} GM 3-33 Satz 3.3.2: Äquivalenzrelation und Partition Rolf Linn Sei ~ eine Äquivalenzrelation auf der Menge A. Der Quotient A/~ ist dann eine Partition von A. Beispiel: A = { x∈IN | x<10 } ≡3 0 1 3 2 4 6 7 5 8 9 [0]=[3]=[6]=[9]={0,3,6,9} [1]=[4]=[7]={1,4,7} [2]=[5]=[8]={2,5,8} A/~ = { {0,3,6,9}, {1,4,7}, {2,5,8}} 3.4 Äquivalenzrelationen GM 3-34 Äquivalenzrelation und Partition Rolf Linn Zu jeder Partition P auf einer Menge A gibt es eine eindeutig bestimmte Relation ~ auf A, sodass P = A/~. Wir bezeichnen diese Relation mit ~P. Es gilt ~ A/~ = ~ Übungsaufgaben 3.3.4 und 3.3.5 A/ ~P = P (ohne Beweis) A3 A1 A2 A5 A7 A4 A6 3.4 Äquivalenzrelationen GM 3-35 3.4 Halbordnungen Rolf Linn Strikte Halbordnung (Nicht strikte) Halbordnung Hasse-Diagramm 3.4 Halbordnungen GM 3-36 Strikte Halbordnungen Rolf Linn Anordnung der Elemente einer Menge nach bestimmten Kriterien, wie „kleiner - größer“, „früher - später“ oder „langsamer - schneller“. Beispiele: Personen: kleiner - größer Studierende: nach absolvierten Modulen Auto: langsamer – schneller Einträge im Telefonbuch: lexikographisch 1. 2. 3.4 Halbordnungen Ist A vor B, dann ist nicht B vor A. Ist A vor B und B vor C, dann ist auch A vor C. GM 3-37 Definition 3.4.1: Strikte Halbordnung Rolf Linn Eine Relation R heißt strikte Halbordnung, wenn sie asymmetrisch und transitiv ist. Beispiel: Anna (Digitaltechnik, Mathematik, Theoretische Informatik) Hans Petra (Mathematik, Theoretische Informatik) (Digitaltechnik, Theoretische Informatik) Karl Heiner (Mathematik) (Theoretische Informatik) 3.4 Halbordnungen GM 3-38 Halbordnung Rolf Linn Nimmt man zu einer strikten Halbordnung auf A für alle x∈A die Elemente (x,x) hinzu, erhält man eine (nicht strikte) Halbordnung. Beispiel: Anna Petra Hans Karl 3.4 Halbordnungen Heiner GM 3-39 Definition 3.4.2: Halbordnung Rolf Linn Eine Relation R heißt (nicht strikte) Halbordnung (auch (nicht strikte) partielle Ordnung), wenn sie reflexiv, antisymmetrisch und transitiv ist. Beispiel: Anna Petra Hans Karl 3.4 Halbordnungen Heiner GM 3-40 Satz 3.4.1: Strikte Halbordnung und Halbordnung Rolf Linn Sei S eine strikte Halbordnung auf der Menge A. Dann ist H = S ∪ { (x,x) | x∈A } eine Halbordnung auf A. Sei H eine Halbordnung auf der Menge A. Dann ist S = H \ { (x,x) | x∈A } eine strikte Halbordnung auf A. Übungsaufgabe 3.4.1 bis 3.4.3 3.4 Halbordnungen GM 3-41 Definition 3.4.3: unmittelbarer Nachfolger Rolf Linn Sei R eine Halbordnung oder eine strikte Halbordnung auf A. y heißt unmittelbarer Nachfolger von x, falls xRy, x≠y und ¬∃z∈A: (x≠z ∧ xRz ∧ z≠y ∧ zRy). Beispiel: Anna Petra Hans Karl 3.4 Halbordnungen Hans ist unmittelbarer Nachfolger von Karl, Anna ist nicht unmittelbarer Nachfolger von Karl. Heiner GM 3-42 Hasse-Diagramm Rolf Linn Halbordnungen oder strikte Halbordnungen können durch HasseDiagramme dargestellt werden, hierbei wird jedes Element nur mit seinen unmittelbaren Nachfolgern durch einen Strich verbunden. Beispiel: Anna Petra Hans Karl Heiner Übungsaufgabe 3.4.4 3.4 Halbordnungen GM 3-43 3.5 Hüllen Rolf Linn Reflexive Hülle Symmetrische Hülle Transitive Hülle 3.5 Hüllen GM 3-44 Definition 3.5.1: Hülle Rolf Linn Sei R eine Relation auf A und E eine Eigenschaft von Relationen. Die Relation R* heißt Hülle (oder Abschluss) von R bezüglich E, wenn gilt: a) R* besitzt die Eigenschaft E b) R ⊆ R* c) Für alle Relationen S mit den Eigenschaften E und R⊆S gilt R*⊆S Beispiele: Sei R eine Relation auf A R ∪ { (x,x) | x∈A } ist die reflexive Hülle von R (die Hülle von R bezüglich der Reflexivität). R ∪ { (x,y) | (y,x)∈R } ist die symmetrische Hülle von R. Transitive Hülle von R ? 3.5 Hüllen GM 3-45 Transitive Hülle Rolf Linn A = { a, b, c, d, e, f, g, h } R = { (b,f), (c,a), (d,g), (e,h), (f,c), (g,f), (h,h) } a b c f d e g h R* = { (b,a), (b,c), (b,f), (c,a), (d,a), (d,c), (d,f), (d,g), (e,h), (f,a), (f,c), (g,a), (g,c), (g,f), (h,h) } Übungsaufgabe 3.5.1 3.5 Hüllen GM 3-46 Definition 3.5.2: Durchschnitt vieler Mengen Rolf Linn Sei A eine nichtleere Menge von Mengen. Wir definieren den Durchschnitt A = { x | ∀A∈A: x∈A } A durch ∈ ∈ A A Beispiel: A A Sei A = { {1,5,8,9}, IN, {-1,5,8} } A = { 5, 8 } A∈ A 3.5 Hüllen GM 3-47 Satz 3.5.1: Durchschnitt transitiver Relationen Rolf Linn Sei R eine Menge transitiver Relationen auf der Menge A. R ist dann auch eine transitive Relation auf A. S= ∈ R R 3.5 Hüllen GM 3-48 Satz 3.5.2: Transitive Hülle Rolf Linn Sei R eine Relation auf der Menge A. S sei die Menge aller transitiven Relationen S auf A, für die R⊆S gilt. S ist dann die transitive Hülle von R. T= ∈ S S 3.5 Hüllen GM 3-49