Дискретная математика без формул

Соловьев Александр

Такое отображение называется ГОМОМОРФНЫМ. Или говорят, что между этими множествами существует ГОМОМОРФИЗМ.

Вернемся к тому, что слово не очень благозвучное, а по американским меркам и громоздкое. Поэтому последнее время все чаше используется более короткий (усеченный) термин – МОРФИЗМ.

Морфизмы играют в математике исключительную роль. Коль скоро математику не без оснований часто отождествляют с математическим моделированием, то приведем афоризм из одной умной философской книжки: ХОРОШАЯ МОДЕЛЬ ВСЕГДА ГОМОМОРФНА.

Афоризм в конце лекции провоцирует размышления. Чего бы и хотелось добиться…

Лекция 5. ОСОБЫЕ ОТНОШЕНИЯ

Каждое конкретное отношение обладает сразу совокупностью свойств. Полезно исследовать группы отношений, у которых совокупности свойств одинаковые.

Прежде всего к таковым относятся отношения ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ. Это отношения, которые одновременно обладают свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности. Отношение «равенства» чисел – самый простой пример эквивалентности. Или «учиться в одной студенческой группе».

Интересно, что каждый об'ект эквивалентен сам себе хотя бы потому, что для самого невероятного об'екта, который ни на что не похож, по отношении к самому себе выполняются рефлексивность, симметричность и транзитивность. Обычно же об'екты не столь уникальны и имеют место множества (любят говорить КЛАССЫ) эквивалентных между собой об'ектов.

Самое важное свойство отношения эквивалентности (то есть свойство отношения, которое само определено с помощью трех вышеупомянутых свойств) покажем на примере. Если взять первозданный хаос, то есть все множество студентов университета, которые болтаются по коридорам, сидят в буфете или в аудиториях, а еще лучше дома или вообще неизвестно где, то отношение «учиться в одной группе» РАЗБИВАЕТэто множество на подмножества-группы. Каждый студент принадлежит какой-то группе и не может принадлежать сразу двум. (В реальной жизни возможны исключения из этих очевидных свойств, но мы по умолчанию рассматриваем лишь нормальных студентов).

В качестве лабораторной работы по разбиению рекомендуется разбить тарелку. Желательно, из китайского фарфора. А потом созерцать осколки, каждый из которых будет для фарфоринок классом эквивалентности применительно к отношению «принадлежать одному и тому же осколку»… Это лучше, чем разбивать группы, тем более, что ортодоксальные алгебраисты под «группой» понимают не кучу студентов, а нечто фундаментальное математическое… Но это уже начало другой романтической истории про молоденького французского гения и (увы) дуэлянта – Эвариста Галуа.

Заметную роль в математике играют и отношения ПОРЯДКА, обладающие свойствами транзитивности и антисимметричности. Нарушение любого из них нарушает порядок не только с точки зрения математики, но и здравого смысла.

Примеры. «Быть больше» на множестве чисел, «быть после» в очереди, «быть старше по званию» в армии.

Дополнительно, если порядки обладают свойством полноты, то их называют СОВЕРШЕННЫМИ. Например, «больше», на множестве действительных чисел.

Если отношение еще и рефлексивно, то порядок называют НЕСТРОГИМ (ЧАСТИЧНЫМ). Например, «выть выше или равного роста». А предыдущие три примера – это отношения СТРОГОГО (ЛИНЕЙНОГО)порядка, поскольку в них имеет место антирефлексивность.

Отрадно то, что теоретико-множественные отношения порядка как правило совпадают с житейским представлением об упорядочении. Но не всегда. Знаменитое отношение «быть братом» с одной стороны очень похоже на отношение порядка. Иван брат Марьи, но Марья не брат Петра – вроде( !) антирефлексивность. Если Иван брат Петра, а Петр брат Марьи, то Иван брат Марьи. Вроде бы( !) транзитивность. Но, если Иван брат Петра, то и Петр брать Ивана – то есть с анитисимметричностью все-таки не получается. Хуже того, если Иван брат Петра, а Петр брать Ивана, то по свойству транзитивности придем к заключению, что Иван брат Ивана. А чтобы не возникал такой абсурдный результат, отношение «быть братом» признается нетранзитивным.

Более интересными являются другие отношения, очень похожие на отношения порядка. Например, «быть немного выше ростом». Это антисимметричное, но нетранзитивное отношение. Иван немного выше ростом Петра, Петро немного выше ростом Егора. Но Иван намного выше ростом Егора. Отношения, похожие на отношения порядка, но не обладающие свойством транзитивности, называют отношениями ТОЛЕРАНТНОСТИ. Хорошей иллюстрацией этого отношения служат многие известные картинки Эшера, где, например, ящерицы «плавно» превращаются в птиц и т.п.

Отношения частичного порядка, то есть рефлексивные, антисимметричные и транзитивные, на которые накладывают ряд дополнительных свойств, изучаются в рамках раздела математики с экзотическим названием ТЕОРИЯ РЕШЕТОК. Это название пугает, поэтому в нашей стране первоначально слово latticeпереводили как " структура". Но когда в математике все шире стал употребляться термин structure, то пришлось ему отдать русское слово структура, а решетки стали и у нас в стране решетками.

Можно предположить, что название «решетки» возникло в связи с использованием так называемых диаграмм Хассе, которые может и напоминают экстравагантные решетки для окон… Но мы договорились без формул, а тем более без рисунков. Рисунки, в отличие от формул, народ любит. Но рисовать картинки в Ворде еще противнее, чем формулы, поэтому постараемся, насколько, конечно, возможно, компенсировать и их красноречием…

Начнем с примеров решеток.

Возьмем слова: о, ор, вор, ворот, кол, олово, коловорот, и упорядочим их по вхождению одних слов в другие (не забывая, что каждое слово входит в само себя). Это будет наша первая решетка.

Можно убедиться, что здесь выполняются все свойства частичного порядка. А о дополнительных свойствах поговорим позже.

Числа: 1, 2, 3, 4, 6, 9, 12, 18, 36 с отношением делить нацело, так же образуют решетку.

Обычные действительные числа с отношением «больше или равно» дают одну из самых распространенных решеток. Хотя для нас она менее экзотическая. Можно сказать, простая как бревно…

Множество всех подмножеств какого-то множества с отношением включения также дает решетку, причем, с рядом замечательных свойств.