ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ОПЕРАЦИИ НАД МНОЖЕСТВАМИ
Цель работы: Изучение основных методов разработки программного обеспечения для моделирования и обработки отношений и систем в рамках модели «черного ящика».
I.КЛЮЧЕВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1.Элементы теории множеств
Понятие множества. Способы задания множеств
Множество – произвольная совокупность различных объектов таких, что в отношении каждого из них можно установить принадлежит он данному множеству или нет.
Первичные понятия теории множеств- множество и отношение быть элементом множества.
Множество можно задать двумя способами:
1.Перечислением всех элементов множества, например, A = {7,9,123} .
2.Указав характеристическое свойство элементов множестваA , в соответствии с которым можно установить, принадлежит данный элемент x множеству A , что обозначается
xÎ A , или нет x Ï A , например,
A = {x : x - целое |
число и 12 £ x £ 157} . |
Это читается следующим образом: |
A - множество всех элементов x таких, что x – |
числа из промежутка [12,157]. |
|
В общем случае для такого способа задания множества можно указать следующее соотношение
A = {x : P(x) - истинно}
Здесь P(x) - характеристическое |
свойство |
или |
условие |
на |
основании которого |
|||||
осуществляется |
отбор |
элементов. Строго |
говоря, |
P(x) - |
высказывательная |
|||||
(пропозициональная) функция. |
Говорят, |
что |
объект a |
удовлетворяет |
высказывательной |
|||||
функции, если высказывание, полученное из P(x) подстановкой вместо x |
названия объекта |
|||||||||
a , т.е. P(a) , является истинным. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подмножества |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пусть множества A и B |
таковы, |
что |
из условияx Î A |
следует, |
что |
x Î B . Тогда |
||||
говорят, что A есть подмножество B , что записывается следующим образом |
|
|||||||||
|
|
|
A Í B |
|
|
|
|
|
|
|
Говорят еще, что |
A – несобственное подмножество множества B . Пусть A Í B . Если |
|||||||||
можно указать такой элемент x , что x Î B и при этом x Ï A , то |
A |
называют собственным |
||||||||
подмножеством множества B и обозначают |
|
|
|
|
|
|
|
A Ì B
Отношения Í и Ì называют отношениями включения. Если A Ì B и B Ì C , то A Ì C . По определению пустое множество, есть подмножество любого множества O/ Ì A .
Если имеют место соотношения A Í B и B Í A , то множества A и B эквивалентны или
равны, т.е. A = B . |
|
Операции над множествами |
|
Рассмотрим операции над множествами. |
A U B ) называется множество, которое |
Объединением множеств A и B (обозначается |
|
состоит из элементов принадлежащих множеству A или множеству B , т.е. |
|
A U B = {x : x Î A или |
x Î B} . |
2
Пересечением множеств A и B (обозначается A I B ) называется множество, которое состоит из элементов принадлежащих множеству A и B , т.е.
A I B = {x : x Î A и x Î B} .
Операции объединения и пересечения множеств можно определить для любо количества множеств.
Легко показать, что если A Í B то A I B = A и A U B = B .
Отсюда в частности следует, что A I A = A и A U A = A .
Дополнением множества A до множества B (или разностью множеств) называется множество, состоящее из элементов принадлежащих множествуB и не принадлежащих множеству A , т.е.
B \ A = {x : x Î B и x Ï A} .
Приведем некоторые тождества, которым удовлетворяет операция дополнения:
1.A I B = A \ ( A \ B)
2.A U (B \ A) = A U B ;
Симметрическая разности множеств. Эта операция определяется следующим образом:
ADB = (A U B) \ ( A I B)
Ее составляют элементы, принадлежащие множеству A , но не принадлежащие B , и элементы, принадлежащие множеству B , но не принадлежащие A .
Пустое множество является нулевым элементом для операции симметрической разности
ADO/ = A . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Из определения операции симметрической разности следует, что ADA = O/ . |
|
|
||||||
Декартовым |
произведением |
множеств A |
и B |
называется |
множество |
всех |
||
упорядоченных пар (a,b) |
таких, что |
a Î A и b Î B . |
Так как существует не более одного |
|
||||
множества, содержащего в качестве |
элементов все |
упорядоченные пары(a,b) , где a Î A и |
|
|||||
b Î B , и |
только |
такие |
пары, то |
декартово или прямое произведение двух множеств |
||||
определяется ими однозначно. Обозначим его A´ B . Таким образом |
|
|
||||||
|
|
|
A´ B = {(a,b) : "a Î A и "b Î B} . |
|
|
|||
Как |
следует |
из определенияA ´ B ¹ B ´ A . Отметим еще одно важное свойство этой |
|
|||||
операции, а именно A ´ B = O/ , тогда и только тогда, когда или A = O/ , или B = O/ . |
|
|||||||
Если декартово произведение определяется на одном и том же множествеA , то говорят |
|
|||||||
о "декартовой степени множества" и такое декартово произведение обозначают |
|
|
A´ A´K´ A = An .
Разбиение множества на систему подмножеств
В практических приложениях одной из наиболее часто встречающихся операций над множествами является операция разбиения множества на систему подмножеств. Приведем
строгое определения понятия разбиения некоторого множестваA |
на систему |
подмножеств |
|||||||||
R = {Ai : i Î I} . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Система множеств R |
является |
разбиением |
множестваA , |
если |
она |
удовлетворяет |
|||||
следующим условиям: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1. |
Любое Ai |
Î R является подмножеством множества A , т.е. |
Ai Í A . |
|
|||||||
2. |
Любые |
два |
множестваAi |
Î R и |
Aj Î R |
i, j Î I и |
i ¹ j |
являются попарно |
|||
непересекающимися, т.е. |
Ai |
I Aj = O/ |
"i, j Î I , |
i ¹ j . |
|
|
|
|
|||
3. |
Объединение всех множеств Ai |
Î R |
UAi = A . |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
"iÎI |
|
|
|
|
В этом случае множество A называется сепарабельным.
3
Отношения
С термином "отношение" довольно часто приходится сталкиваться и в повседневной жизни, и в инженерной деятельности. В частности, это связано с определением связей между различными явлениями или объектами, а также установлением соотношений между ними.
Приведем общее определение понятия отношения. Отношение – подмножество R конечной декартовой степени
An = A´ A´K´ A ,
множества A , т.е. множество, состоящее |
из |
упорядоченныхn -ок (a1 , a2 ,K, an ) . |
Подмножество, |
|
|
R Í An
называется n -местным отношением на множестве A . Число n называется рангом или типом
отношения R . Запись |
R(a1 , a2 ,K, an ) означает, что (a1, a2 ,K, an ) Î R . |
|
|
|
||||||||||
|
Одноместные отношения называются свойствами. Двухместные отношения называются |
|||||||||||||
бинарными, трехместные - тернарными и т. д. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Наиболее важное значение для практических приложений имеют бинарные отношения. |
|||||||||||||
|
В |
общем |
случае, |
бинарное |
отношение R |
на |
множествах X и |
Y |
определяется, |
как |
||||
некоторое |
подмножество упорядоченных |
пар(x, y) Î X ´Y |
декартового |
произведения |
этих |
|||||||||
множеств. Как правило, используют обозначение x R y , если x находится в отношении R c y |
||||||||||||||
и x |
|
y |
в |
противном |
случае. Часто используются |
и другие обозначения отношений: xry , |
||||||||
R |
||||||||||||||
y = r(x) . Аналогичным образом можно определить бинарное отношение на множестве X . |
|
|||||||||||||
|
Множество |
|
всех |
парU = X 2 |
={(x, y) : (x, y) Î X ´ X} |
|
называется полным |
|||||||
("универсальным") бинарным отношением. |
|
|
|
пары(x, y) удовлетворяют условиям |
||||||||||
|
Поскольку |
в общем случае не все возможные |
||||||||||||
накладываемым |
отношением R , |
бинарное |
отношение |
является |
подмножеством |
полного |
бинарного отношения, т.е. R Í U .
Задать отношение — это значит указать тем или иным способом пары (x, y) , для которых выполнено отношение R .
Способы задания бинарных отношений
Можно привести несколько разных способов задания отношений(преимущества каждого из способов определяются свойствами множества X ).
Первый, очевидный, способ состоит в непосредственном перечислении таких пар. Ясно,
что он приемлем лишь в случае конечного множества X .
Второй способ задания отношения R |
на конечном множестве- матричный. Отношение |
|||||
задается, в общем случаем прямоугольной матрицей. Для этого все элементы множестваX |
||||||
нумеруются, а элементы матрицы отношения R определяется из соотношения |
||||||
ì1, |
x |
i |
R x |
j для всех i , j . |
||
aij (R) = í |
|
|
|
|
||
xi |
|
|
|
|||
î0, |
R x j |
Третий способ — задание отношения в видеграфа. Вершинам графа G(R) ставятся в соответствие (пронумерованные) элементы множества X , и если xi R x j , то от вершины xi ,
проводят направленную дугу к вершине x j , если xi |
|
|
|
|
|
R x j , то дуга отсутствует. |
|
||||
Иначе |
говоря, верхнее сечение - это множество всех y Î X , |
которые |
находятся в |
||
отношении |
y R x с заданным элементом x Î X , нижнее сечение — множество всех y Î X , с |
||||
которыми |
заданный элементx Î X находится |
в отношенииR . |
Отношение |
однозначно |
определяется одним из своих сечений.
4
Отношения эквивалентности, порядка и доминирования
Отношение можно отнести к тому или иному типу, если установить какими свойствами оно обладает. Рассмотрим основные свойства бинарных отношений:
- |
рефлексивность x R x, "x Î X ; |
|
||||
- |
антирефлексивность x |
|
x, |
"x Î X ; |
||
R |
||||||
- |
симметричность x R y Þ y R x, |
"x, y Î X ; |
||||
- |
асимметричность x R y Þ y |
|
x, |
"x, y Î X ; |
||
R |
||||||
- |
антисимметричность "x, y Î X |
x R y = y R x Þ x = y ; |
||||
- |
транзитивность "x, y, z Î X |
|
из |
x R y и y R z Þ x R z ; |
Рассмотрим некоторые, наиболее важные в практическом смысле, типы отношений. Отношением эквивалентности (обозначается знаками “=” или “ ¥ ”) называется
отношение обладающее свойствами:
-рефлексивности - x = x ;
-симметричности - y = x ® x = y ;
-транзитивности - x = y и y = z ® x = z .
Примеры отношений эквивалентности: "быть четным"— на множестве натуральных чисел; "быть однокурсниками" – на множестве студентов данного ВУЗа; отношение подобия на множестве треугольников и т.д.
Задание |
отношения |
эквивалентности |
равносильно |
разбиению |
множестваX |
на |
||
непересекающиеся |
классы ( X = UXi такие, |
что X i |
I X j = O/ , |
"i ¹ j ) |
эквивалентных |
|||
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
элементов, а именно: |
x = y , тогда и только тогда, когда x, y Î X i , т.е. элементы принадлежат |
|||||||
одному классу эквивалентности. |
|
|
|
|
|
|||
Отношением |
нестрогого порядка(используются |
обозначения: £ , |
Í ) называется |
|||||
отношение обладающее следующими свойствами: |
|
|
|
|
|
-рефлексивнности x £ x
-антисимметричности x £ y и y £ x ® x = y
-транзитивности x £ y и y £ z ® x £ z .
Отношением строгого порядка(используются обозначения < , Ì ) называется отношение обладающее следующими свойствами:
-антирефлексивности x < x -ложно;
- асимметричности x < y и y < x -взаимоисключаются;
-транзитивности из x < y и y < z ® x < z .
Отношением доминирования называется отношение, обладающее двумя свойствами: антирефлексивностью и асимметричностью. Говорят, что " x доминирует y " (обозначается
x f y ), когда x в каком-то смысле превосходит y . |
|
|
|
||
Это |
отношение, как |
правило, используется |
для |
описания |
административных, |
управленческих, а в общем случае иерархических систем. |
|
|
|