Найти статью
Отношение эквивалентности
Отноше́ние эквивале́нтности на множестве — бинарное отношение, обладающее тремя свойствами: рефлексивностью, симметричностью и транзитивностью[1][2][3]. Такая связь ведёт себя подобно равенству: связанные элементы считаются одинаковыми в выделенном смысле, хотя формально различаются[4]. Обозначается знаками , или : запись читается « эквивалентно »[5].
Главная ценность понятия в том, что оно превращает сходство в точную структуру. Всякое отношение эквивалентности разбивает носитель на непересекающиеся части — классы эквивалентности, а всякое разбиение задаёт отношение эквивалентности, поэтому оба понятия описывают одно и то же устройство двояким образом[6]. Совокупность классов называется фактормножеством и часто оказывается интереснее исходного: из пар чисел рождаются рациональные числа, из сравнений по модулю — арифметика остатков, из равномощных множеств — сама теория мощности[7].
Примеры окружают математику со всех сторон: равенство чисел, параллельность прямых, подобие треугольников, конгруэнтность фигур, одинаковость остатков при делении[8]. Понятие систематически применяется в алгебре, теории чисел, геометрии, топологии и информатике, а в основаниях математики через эквивалентность определяются сами числа[9].
Обычно отношение эквивалентности обозначают символом ~ (тильда) или . Запись x ~ y читается: «x эквивале́нтно y».
Общие сведения
Что важно знать
| Отношение эквивалентности | |
|---|---|
| Дата появления | 1801 — сравнения Гаусса; систематическая теория — конец XIX — начало XX века |
| Место появления | Германия, Великобритания |
| Автор понятия | К. Ф. Гаусс (сравнения), Р. Дедекинд, Г. Фреге, Б. Рассел |
| Базовые понятия | бинарное отношение, разбиение множества, фактормножество, сравнение по модулю |
История
Сравнения Гаусса
Первое систематическое применение эквивалентности появилось задолго до термина. В «Арифметических исследованиях» (1801) Карл Фридрих Гаусс ввёл сравнения по модулю со знаком : числа и сравнимы, если их разность делится на [10]. Гаусс показал, что сравнения можно складывать, вычитать и умножать как обычные равенства, то есть работал с вычетами как с числами новой природы[11]. Практическая сторона знакома каждому: по модулю 7 живут дни недели. Утверждение «через семьдесят два дня будет тот же день недели» говорит о вычетах, а не о конкретных датах[12]. Гаусс имел дело не с отдельными числами, а с целыми классами: знак фиксировал, что различие представителей несущественно. Тем самым классы равных вычетов впервые стали полноценным вычислительным объектом, хотя слово «эквивалентность» ещё не появилось[9]. Параллельно Кантор превратил равномощность из наблюдения в инструмент: счётность числовых семейств и несчётность континуума были получены сравнением классов, а не пересчётом элементов[13]. Обозначение прижилось сразу: тройная черта подчёркивала родство с равенством и их различие. На языке Гаусса задачи о календарях, периодических дробях и шкалах становятся задачами о классах, что и упрочило позиции нового языка в теории чисел XIX века[9].
От Дедекинда и Фреге к Расселу
Во второй половине XIX века идея «одинакового с точностью до» стала центральной в основаниях математики. Рихард Дедекинд в работе 1872 года определил вещественные числа сечениями — разбиениями рациональных чисел на два класса, положив в основу анализа точную конструкцию вместо интуитивной непрерывности[14]. Готлоб Фреге в «Основаниях арифметики» (1884) определил кардинальное число как класс всех равномощных множеств: число — это то общее, что несут разные совокупности одинакового размера[15].
Школа Джузеппе Пеано ввела символическую запись отношений, а Бертран Рассел в «Основаниях математики» (1903), опираясь на работы Фреге, сделал отношения центральным инструментом логики, а определение числа через классы эквивалентности — образцом «определения по абстракции»[16][17]. К середине XX века три аксиомы эквивалентности вошли в стандартный аппарат университетских курсов, а примеры — в арсенал каждой отрасли математики; труды по алгебре и универсальной алгебре закрепили фактор-конструкции как обычный рабочий инструмент[9][18].
Определение
Пусть — непустое множество, а — бинарное отношение на нём, то есть подмножество декартова квадрата . Отношение называется отношением эквивалентности, если выполнены три аксиомы[4].
Рефлексивность означает, что всякий элемент эквивалентен самому себе: для каждого из . Симметричность уравнивает аргументы: из следует , поэтому эквивалентность пары не зависит от порядка перечисления. Транзитивность соединяет свидетельства: из и вытекает , так что сходство переносится по цепочкам любой длины[4].
Ни одна из аксиом не выводится из остальных. Пустое отношение симметрично и транзитивно, но не рефлексивно; отношение на числах рефлексивно и транзитивно, но не симметрично; отношение «отличаться ровно на единицу» симметрично, но не рефлексивно и не транзитивно[7]. На конечных носителях отношение задают перечислением пар или картинкой: точки-элементы соединяются стрелками, и правила читаются как требования к стрелкам — петля у каждой точки, взаимность всех пар, замыкание путей длины два[12]. Существенно и обратное построение: если разбить множество на непересекающиеся части и объявить эквивалентными элементы одной части, все условия выполняются автоматически[7]. Эквивалентность выделяет точную грань между этими ослаблениями равенства[12]. Равенство — частный случай: для него все три аксиомы выполняются, а эквивалентность ослабляет лишь требование совпадения, сохраняя логику «одинаковости»[7]. Запись говорит не о сходстве самих объектов, а о принадлежности одному классу: классы и есть новые «значения», с которыми работает теория[5].
Примеры
Простейший пример — само равенство : все три аксиомы обращаются в известные свойства тождества[4]. Другой полюс — «универсальное» отношение, связывающее любые два элемента: множество распадается при нём на единственный класс[5]. Между полюсами — содержательные эквивалентности. Сравнение по модулю связывает числа, разность которых делится на [19]. Параллельность прямых и плоскостей сравнивает направления. Подобие и конгруэнтность объявляют фигуры «одинаковыми» с точностью до масштаба или движения[8]. равномощность множеств утверждает, что между элементами существует взаимно однозначное соответствие — биекция[20]. Принадлежность одному школьному классу или одной студенческой группе — бытовая модель, на которой понятие демонстрируют студентам[21]. В каждом примере классы видны сразу: направления у параллельности, формы у подобия, остатки у сравнений. Полезно проверять и аксиомы: рефлексивность каждой прямой к самой себе, симметричность параллельности, транзитивность цепочек остатков — упражнения на три свойства проходят через все разделы элементарной математики[12]. Отношение «жить на одной улице» на множестве жителей города даёт разбиение по адресам; отношение «состоять в одной семье» — по семьям. Бытовые примеры полезны при первом знакомстве: классы в них осязаемы, а границы разбиения очевидны[21]. На пространстве функций эквивалентностью служит совпадение почти всюду или совпадение в точках заданного подмножества; на многочленах — совпадение остатка при делении на фиксированный многочлен[22].
На множестве слов словаря эквивалентностью выступает анаграмма: совпадение набора букв при перестановках. На множестве натуральных чисел любопытна эквивалентность «иметь одинаковую сумму цифр»: классы конечны, хотя их носитель бесконечен[12]. На действительной прямой показательна эквивалентность : её классы вырезают на прямой одинаковые «периоды», и на них опирается теория периодических функций[12]. Каждый пример поучителен тем, что «одинаковость» выделена не абсолютно, а относительно задачи: фигуры не равны, но конгруэнтны; числа не равны, но сравнимы[9].
Классы эквивалентности и разбиение
Классом эквивалентности элемента называется множество всех эквивалентных ему элементов:
Ключевые свойства классов выражаются одной альтернативой: два класса либо совпадают, либо не пересекаются[23]. Точнее,
В самом деле, если принадлежит пересечению классов, то и , откуда по симметричности и транзитивности , и тогда любой представитель эквивалентен , то есть попадает в , и наоборот[7]. Каждый элемент лежит в своём классе по рефлексивности, поэтому объединение всех классов даёт всё . Наглядная модель — школа: ученики одного года обучения составляют группу, и расписание составляется по группам, а не по отдельным школьникам[21].
Доказательство не требует ничего, кроме аксиом: рефлексивность гарантирует покрытие, симметричность и транзитивность заставляют пересекающиеся части слиться. Число блоков бывает любым: сравнения по модулю дают конечное семейство, периодичность на прямой — счётное, а классы равномощных множеств образуют собственный класс[7]. Семейство классов, таким образом, образует разбиение — совокупность непустых попарно непересекающихся подмножеств с полным объединением[6]. У равенства блоки одноэлементны, у универсального отношения блок один; сравнение по модулю 5 на целых числах даёт пять классов — по одному на каждый остаток[22]. Из альтернативы извлекают практическое следствие: принадлежность к одному классу проверяется за конечное число сравнений, а класс удобно хранить одним представителем — канонической записью, за которой скрывается весь список[12]. Верно и обратное: всякое разбиение задаёт отношение эквивалентности по правилу «, если и лежат в одном блоке». Эти две конструкции взаимно обратны, поэтому эквивалентности на множестве и разбиения его — одно и то же, описанное с двух сторон[5].
Фактормножество
Совокупность всех классов эквивалентности называется фактормножеством и обозначается [23]. Отображение , отправляющее элемент в его класс, называется канонической проекцией; оно сюръективно по построению[23]. Фактормножество может быть устроено проще исходного: при сравнении по модулю 5 — это конечный набор вычетов, при равномощности — сами кардинальные числа[7]. Число классов называют индексом эквивалентности; он бывает и конечным, и бесконечным. Работа с фактормножеством упрощает рассмотрение: бесконечная числовая прямая при сравнении по модулю 12 сжимается в циферблат, и время описывается конечным набором положений[12]. Обозначение подчёркивает двойную природу объекта: перед нами и набор из вычетов, и новая числовая система со своими операциями[22].
Через фактормножество уточняется смысл «обобщённого равенства»: работая с , мы рассматриваем эквивалентные элементы как один объект и тем самым «факторизуем» несущественное различие[5]. Практический приём — построение классов из методики преподавания дискретной математики: перебирая элементы и объединяя эквивалентные, получают разбиение, которое затем выступает фактормножеством[21]. Для сравнения по модулю 5 класс двойки собирает числа — бесконечный список, свёрнутый в один объект[22]. Выбор образца упорядочивает работу: остаток от деления — канонический представитель своего класса, несократимая запись дроби — рационального числа. Опираясь на образцы, фактормножество можно изображать частью исходного носителя и вести счёт классов через них[7].
Отображения, постоянные на классах
Пусть — произвольное отображение. Правило задаёт на эквивалентность; её классы — полные прообразы значений[18]. Обратно, если эквивалентность задана заранее, а постоянна на каждом классе, то однозначно спускается на фактормножество: . Разложение показывает, что всякое такое соответствие — композиция проекции и отображения фактормножества[18]. Модуль числа даёт эскиз: у отношения «отличаться знаком» классы — пары вида и одноэлементный нуль, а спущенное правило сопоставляет каждой паре её неотрицательный элемент[7]. Свойство спускаться называют универсальным: соответствие, уважающее разбиение, и только оно продолжается до фактормножества, причём единственным образом[18].
Примеры элементарны: модуль числа спускается с отношения «отличаться знаком», связывающего и ; каноническая проекция целых чисел на вычеты отправляет и в один класс при модуле 5. Универсальный приём лежит в основе конструкций алгебры. гомоморфизм групп спускается на факторгруппу; вычеты образуют кольцо остатков; дифференциальные формы спускаются на факторпространства[24]. Разложение через фактор объясняет и типичную потерю информации: проекция стирает выбор представителя, спущенное правило сохраняет лишь то, что от разбиения не зависит. Проверка постоянства на классах — обязательный шаг каждой фактор-конструкции: попытка спустить обычное деление на вычеты при составном модуле проваливается именно из-за нарушения постоянства[22].
Примеры в математике
Сравнения по модулю
Сравнение по модулю — исторически первая и самая наглядная эквивалентность. На множестве целых чисел класс собирает числа с вычетом ; для основания классов ровно , и они образуют множество [19]. Сложение и умножение остатков определены корректно: результат не зависит от выбора представителей, что проверяется транзитивностью[22]. Вычисление сводится к отбрасыванию полных модулей: , а при модуле 5 даёт вычет 2, поэтому . Так возникает арифметика остатков: часы с двенадцатью отметками, контрольные цифры номеров, коды с исправлением ошибок, календарные расчёты[12]. Контрольная цифра штрихкода вычисляется взвешенной суммой по этому правилу, и ошибка в одной цифре переводит номер в другой класс, что делает опечатку заметной[12]. Отрицательные числа вписываются в ту же схему: при основании 5 имеет вычет 3 и принадлежит классу тройки. Операции образуют кольцо при любом основании, а при простом — поле; на этом наблюдении держится значительная часть прикладной теории кодирования[22].
Построение чисел
Эквивалентность — стандартный способ строить новые числовые системы из старых. Рациональные числа определяются как классы пар целых чисел с , где при : дробь «две четвёртых» и «одна вторая» различны как пары и одинаковы как классы[22]. Вещественные числа строятся как классы фундаментальных последовательностей рациональных чисел или через дедекиндовы сечения[7]. Каскад продолжается: целые числа строятся из натуральных как классы пар с условием при , где пара изображает разность . В обоих случаях эквивалентность отсеивает несущественное: конкретную запись дроби, конкретный способ приближения, конкретный знак у разности[5]. Привычные числовые системы сами оказываются фактормножествами, построенными по трёхаксиомной схеме[7]. Десятичная дробь служит не определением, а удобным представителем класса: записи 0,4999… и 0,5 различны, их классы совпадают, и вычисления не зависят от выбора записи[7]. Перенос порядка и операций на семейства требует проверки корректности: результат сравнения не должен зависеть от представителей. Для рациональных чисел порядок задаётся перекрёстным умножением, для остатков — сравнением самих остатков; каждая проверка коротка, но без неё фактор-конструкция осталась бы набором ярлыков[22].
Алгебра и геометрия
В алгебре фактор-конструкции управляют строением структур. По нормальной подгруппе группы строится факторгруппа, по идеалу кольца — факторкольцо; теорема о гомоморфизме выражает любой гомоморфизм через фактор и вложение[24]. Канонический пример — проекция : её ядро собрано из кратностей , и всякое сравнение по модулю равносильно принадлежности этому ядру[22]. Факторизация не разрушает структуру, а переносит её на новые объекты: операции фактор-объекта наследуются от операций исходного[18]. Тот же приём работает с многочленами: вычеты при делении на фиксированный многочлен образуют классы, и на них строится арифметика конечных полей, применяемая в кодировании[22]. В геометрии та же логика работает с движениями: фигуры объявляются эквивалентными, если движение переводит одну в другую, и изучаются «формы» вместо индивидуальных фигур. Этим объясняется и школьная практика: доказательства проводятся для семейства в целом, поэтому достаточно одного удачного чертежа[8]. Современная алгебра пользуется этими построениями постоянно, и сами названия говорят о происхождении; за каждым из них стоит разбиение по эквивалентности и перенос структуры на новые объекты[24]. Школьная теорема утверждает, что два треугольника подобны при пропорциональности сторон и равенстве углов: признаки перечислены так, чтобы семейство подобия распознавалось по нескольким элементам[8]. В теории множеств равномощность классифицирует множества по мощности: счётные семейства, континуум, иерархия кардиналов; программу этой классификации задал Георг Кантор, построив теорию мощности как изучение равномощности[7][13].
Применения и обобщения
В информатике эквивалентность реализуют алгоритмами объединения классов: структуры с почти постоянным временем операции строят разбиение по мере поступления пар[12]. Хеш-функции группируют записи по совпадению ключей, а проверка равенства выражений лежит в основе систем символьных вычислений[21]. Структуры объединения хранят разбиение в виде леса ссылок и отвечают на вопрос о совпадении пары почти мгновенно; эти приёмы составляют вычислительный фундамент темы[12]. Компоненты связности графа — ещё один пример: две вершины эквивалентны, если между ними существует путь, и слияние частей при добавлении ребра выполняет та же структура данных[12]. В прикладной классификации фактормножества описывают уровни обобщения понятий: иерархии объектов согласованы с эквивалентностями тогда и только тогда, когда классы нижнего уровня вкладываются в классы верхнего[25].
Ослабление аксиом даёт родственные понятия. Отношение, обладающее рефлексивностью и симметричностью, но не транзитивностью, называется отношением толерантности: «знакомые» или «похожие» объекты образуют не классы, а пересекающиеся совокупности. Пример — сходство оттенков цвета: соседние оттенки глаз не различает, но цепочка таких сравнений уводит далеко, и транзитивность теряется[12]. Порядок, напротив, навязывает старшинство: словари и сортировки держатся на его рефлексивности и транзитивности, а симметричность сознательно отброшена[22]. Эквивалентность занимает среднее положение: она сравнивает без иерархии и группирует без предпочтений[18]. Смешанные требования встречаются в прикладных задачах: сравнение документов с допуском на перефразировку, распознавание образов, поиск похожих записей — каждая из этих областей строит собственное «отношение похожести» и проверяет, выдерживает ли оно три аксиомы[12].
Примечания
- ↑ Фор Р., Кофман А., Дени-Папен М. Современная математика / Пер. с фр. Е. В. Гайдукова и Н. Н. Родман; под ред. А. Н. Колмогорова. — Москва: Мир, 1966. — С. 34—38.
- ↑ Halmos P. R. Naive Set Theory. — New York: Springer, 1974. — С. 28. — (Undergraduate Texts in Mathematics). — ISBN 978-0-387-90104-6.
- ↑ Бурбаки Н. Начала математики. Часть 1. Основные структуры анализа. Кн. 1: Теория множеств / пер. Г. Н. Поварова, Ю. А. Шихановича; под ред. В. А. Успенского. — Москва: Мир, 1963. — С. 50—52.
- ↑ 1 2 3 4 Equivalence Relation (англ.). Wolfram MathWorld.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 Halmos P. R. Naive Set Theory. — New York: Springer, 1974. — ISBN 978-0-387-90092-6.
- ↑ 1 2 Partition (англ.). Wolfram MathWorld.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Enderton H. B. Elements of Set Theory. — New York: Academic Press, 1977. — ISBN 978-0-12-238440-0.
- ↑ 1 2 3 4 Congruence (англ.). Wolfram MathWorld.
- ↑ 1 2 3 4 5 Katz V. J. A History of Mathematics. — 3rd ed.. — Boston: Pearson, 2009. — ISBN 978-0-321-16193-2.
- ↑ Johann Carl Friedrich Gauss (англ.). MacTutor History of Mathematics Archive.
- ↑ Курош А. Г. Курс высшей алгебры. — 11-е изд., стер.. — М.: Наука, 1975.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Rosen K. H. Discrete Mathematics and Its Applications. — 6th ed.. — New York: McGraw-Hill, 2006. — ISBN 978-0-07-288008-3.
- ↑ 1 2 Georg Ferdinand Ludwig Philipp Cantor (англ.). MacTutor History of Mathematics Archive.
- ↑ Julius Wilhelm Richard Dedekind (англ.). MacTutor History of Mathematics Archive.
- ↑ Friedrich Ludwig Gottlob Frege (англ.). MacTutor History of Mathematics Archive.
- ↑ Bertrand Arthur William Russell (англ.). MacTutor History of Mathematics Archive.
- ↑ Giuseppe Peano (англ.). MacTutor History of Mathematics Archive.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 Mac Lane S., Birkhoff G. Algebra. — 3rd ed.. — Providence: AMS Chelsea, 1999. — ISBN 978-0-8218-1646-2.
- ↑ 1 2 Modular Arithmetic (англ.). Wolfram MathWorld.
- ↑ Bijection (англ.). Wolfram MathWorld.
- ↑ 1 2 3 4 5 Рыбин С. В. Преподавание дискретной математики студентам инженерных специальностей // Компьютерные инструменты в образовании. — 2015.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Кострикин А. И. Введение в алгебру. Ч. 1: Основы алгебры. — М.: МЦНМО, 2024. — ISBN 978-5-4439-4533-0.
- ↑ 1 2 3 Equivalence Class (англ.). Wolfram MathWorld.
- ↑ 1 2 3 Dummit D. S., Foote R. M. Abstract Algebra. — 3rd ed.. — Hoboken: Wiley, 2003. — ISBN 978-0-471-45234-8.
- ↑ Скопин И. Н. Иерархические отношения — методическая основа изучения понятия иерархий // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Информатизация образования. — 2014.
Литература
- Атья М., Макдональд И. Введение в коммутативную алгебру / пер. с англ. Ю. И. Манина. — М.: Мир, 1972.
- Бурбаки Н. Начала математики. Часть 1. Основные структуры анализа. Кн. 1: Теория множеств / пер. Г. Н. Поварова, Ю. А. Шихановича; под ред. В. А. Успенского. — Москва: Мир, 1963. — 457 с. — (Начала математики).
- Дистель Р. Теория графов. — Новосибирск: Изд-во Ин-та математики СО РАН, 2002. — 336 с. — ISBN 5-86134-101-X.
- Фор Р., Кофман А., Дени-Папен М. Современная математика / Пер. с фр. Е. В. Гайдукова и Н. Н. Родман; под ред. А. Н. Колмогорова. — Москва: Мир, 1966. — 271 с.
- Шафаревич И. Р. Основы алгебраической геометрии. — М.: Наука, 1972.
- Dummit D. S., Foote R. M. Abstract Algebra. — 3rd ed.. — Hoboken: Wiley, 2003. — ISBN 978-0-471-45234-8.
- Enderton H. B. Elements of Set Theory. — New York: Academic Press, 1977. — ISBN 978-0-12-238440-0.
- Halmos P. R. Naive Set Theory. — New York: Springer, 1974. — ISBN 978-0-387-90092-6.
- Mac Lane S., Birkhoff G. Algebra. — 3rd ed.. — Providence: AMS Chelsea, 1999. — ISBN 978-0-8218-1646-2.
- Rosen K. H. Discrete Mathematics and Its Applications. — 6th ed.. — New York: McGraw-Hill, 2006. — ISBN 978-0-07-288008-3.