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同値関係と分割md 8de591a
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同値関係どうちかんけいequivalence relation分割ぶんかつpartition

date2026-07-14document_iddoc_173d8184bd6dbb155a36f3e4350685e5description同値関係を、対象を重ならない同値類へ分類するための関係として導入し、分割との対応を丁寧に示す講義である。prerequisites集合の基本 / 関係の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/discrete-math/discrete-mathematics-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/relation-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/relation-composition-and-closure.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/quotient-sets-and-canonical-projections.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/equivalence-relations-and-cosets.lecture.n.md / data/exercise/math/discrete-math/relations-and-equivalence-relations.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

同値関係どうちかんけいequivalence relation目的もくてきは、対象たいしょうobjectを「おなじものとなす」基準きじゅん分類ぶんるいすることである。ここで重要じゅうようなのは、完全かんぜんひとしいという意味いみではなく、いま目的もくてきたいしておなあつかいをする、という意味いみである。

たとえば整数せいすうを 3 でったあまりで分類ぶんるいすると、1,4,7おな分類ぶんるいはいる。これは 1=4 という意味いみではない。3 でったあまりをかぎおなじ、という意味いみである。

同値関係どうちかんけいequivalence relationは、対象たいしょうを「おな種類しゅるい」としてけるための関係かんけいである。順序じゅんじょのようにうえしためるのではなく、同値類どうちるいequivalence classというはこ分類ぶんるいする。

2用語ようご定義ていぎ

集合しゅうごうset A うえ二項関係にこうかんけいbinary relation 同値関係どうちかんけいequivalence relationであるとは、つぎの 3 条件じょうけんたすことである。ひょうa,b,cA任意にんいげんelementとする。

条件じょうけんしき意味いみ
反射性はんしゃせいreflexivityaa自分じぶん自分じぶん同類どうるいである
対称性たいしょうせいsymmetryabba同類どうるいであることにきはない
推移性すいいせいtransitivityab,bcac同類どうるい連鎖れんさ同類どうるいである

aAたいして、a同値類どうちるいequivalence class

[a]={xAxa}

定義ていぎする。同値類どうちるいequivalence classは、a同類どうるいなされるげんelementあつめた集合しゅうごうsetである。

同値関係どうちかんけいequivalence relationには反射性はんしゃせいreflexivity対称性たいしょうせいsymmetry推移性すいいせいtransitivityみっつがすべて必要ひつようである。そこからられる分割ぶんかつpartitionは、からでない部分集合ぶぶんしゅうごうたちがたがいにかさならず、全体ぜんたいおお構造こうぞうである。分割ぶんかつつくかく部分集合ぶぶんしゅうごうsubsetは、分割ぶんかつブロックblockばれることがある。

3方針ほうしん

同値関係どうちかんけいequivalence relation確認かくにんするときは、3 条件じょうけん別々べつべつ証明しょうめいする。とく推移性すいいせいtransitivity見落みおとしやすい。abbc から acみちびけるかをかなら確認かくにんする。

また、同値関係どうちかんけいequivalence relation導入どうにゅうする理由りゆうは、集合しゅうごうset同値類どうちるいequivalence classけるためである。したがって「なにわるか」よりも、「なに無視むしして同一視どういつしするか」をさきかんがえる。

証明しょうめいでは、みっつの性質せいしつ別々べつべつ確認かくにんする。失敗しっぱいしめすときは、反射性はんしゃせいなら aRaけるげんelement対称性たいしょうせい推移性すいいせいなら条件じょうけんやぶくみを 1 つしめせばよい。

data/lecture/math/discrete-math/relation-basics.lecture.n.md data/lecture/math/discrete-math/relation-composition-and-closure.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

同値関係どうちかんけいequivalence relationは、集合しゅうごうsetげんelementいろけることとしてかんがえられる。おないろげんelement同類どうるいなす。反射性はんしゃせいreflexivityかくげんelementなんらかのいろつこと、対称性たいしょうせいsymmetryおないろであることにきがないこと、推移性すいいせいtransitivityいろ途中とちゅうわらないことに対応たいおうする。

この色分いろわけがただしくできると、集合しゅうごうsetたがいにかさならない部分集合ぶぶんしゅうごうsubsetかれる。このかた分割ぶんかつpartitionである。

同値類どうちるいequivalence classたがいにかさならないはこであり、かくげんelementかならず 1 つのはこはいる。2 つのはこすこしでもかさなれば、推移性すいいせいtransitivityによりじつおなはこになる。

5厳密げんみつ説明せつめい同値関係どうちかんけいequivalence relationから分割ぶんかつpartition

同値関係どうちかんけいequivalence relation あたえられると、同値類どうちるいequivalence classあつまりは A分割ぶんかつpartitionになる。つまり、つぎの 2 つが成立せいりつする。

  1. 任意にんいaAすくなくとも 1 つの同値類どうちるいequivalence classぞくする。
  2. 2 つの同値類どうちるいequivalence classは、一致いっちするか、まじわらないかのどちらかである。

まず 1 つは、反射性はんしゃせいreflexivityより aa なので a[a] である。

つぎに 2 つしめす。[a][b][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] とする。このとき、ある x存在そんざいして x[a] かつ x[b] である。定義ていぎより xa かつ xb である。対称性たいしょうせいsymmetryより ax であり、推移性すいいせいtransitivityより ab である。

任意にんいy[a]ると、ya である。さらに ab なので、推移性すいいせいtransitivityより yb である。したがって y[b] であり、[a][b] である。同様どうよう[b][a] なので [a]=[b] である。

6ぎゃくに、分割ぶんかつpartitionから同値関係どうちかんけいequivalence relation

分割ぶんかつpartitionとは、Aからでない部分集合ぶぶんしゅうごうsubsetあつまりで、たがいにまじわらず、全体ぜんたいおおうものである。

分割ぶんかつpartitionあたえられたら、「abおな部品ぶひんぞくする」と定義ていぎして ab とする。このとき 同値関係どうちかんけいequivalence relationである。反射性はんしゃせいreflexivityaかならなんらかの部品ぶひんぞくすることからしたがう。対称性たいしょうせいsymmetryは「おな部品ぶひんぞくする」が対称たいしょう主張しゅちょうであることからしたがう。推移性すいいせいtransitivityについて、a,bおな部品ぶひんぞくし、b,cおな部品ぶひんぞくするとする。2 つの部品ぶひんb共有きょうゆうするので、分割ぶんかつ部品ぶひんたがいにまじわらないことから同一どういつである。したがって a,cおな部品ぶひんぞくする。

分割ぶんかつpartitionから同値関係どうちかんけいequivalence relationつくるときは、「おなブロックblockぞくする」ことを関係かんけいにする。自分じぶん自分じぶんおなブロックblockぞくし、きをぎゃくにしてもわらず、おなブロックblock経由けいゆしてもおなブロックblockとどまる。

7例題れいだい合同ごうどうによる同値関係どうちかんけいequivalence relation

7.1問題もんだい

整数せいすう全体ぜんたい Zたいして、ab を「a-b が 3 の倍数ばいすうである」と定義ていぎする。これは同値関係どうちかんけいequivalence relationであることを確認かくにんし、同値類どうちるいequivalence classべよ。

7.2解説かいせつ

反射性はんしゃせいreflexivityについて、a-a=0 は 3 の倍数ばいすうなので aa である。

対称性たいしょうせいsymmetryについて、ab とすると、ある kZ により a-b=3kける。すると b-a=-3k=3(-k) なので ba である。

推移性すいいせいtransitivityについて、ab かつ bc とする。すると、ある k,Z により a-b=3kb-c=3ける。両式りょうしきすと a-c=3(k+) なので ac である。

同値類どうちるいequivalence classは、3 でったあまりごとに

[0]={[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],-6,-3,0,3,6,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")]}
[1]={[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],-5,-2,1,4,7,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")]}
[2]={[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],-4,-1,2,5,8,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")]}

である。このれいは、同値関係どうちかんけいequivalence relation集合しゅうごうsetかさならない分類ぶんるいclassification分解ぶんかいすることをしめしている。

data/lecture/math/abstract-algebra/equivalence-relations-and-cosets.lecture.n.md

8見分みわかた

  • 対象たいしょうを「おな種類しゅるい」にけたいなら、同値関係どうちかんけいequivalence relationかんがえる。
  • 同値関係どうちかんけいequivalence relation しめすには、反射性はんしゃせいreflexivity対称性たいしょうせいsymmetry推移性すいいせいtransitivity別々べつべつ確認かくにんする。
  • 同値類どうちるいequivalence class は、代表元だいひょうげんそのものではなく、代表元だいひょうげん同類どうるいげんelement集合しゅうごうsetである。
  • 分割ぶんかつpartition あらわれたら、おな部品ぶひんぞくするという同値関係どうちかんけいequivalence relationつくれる。

見分みわけるときは、関係かんけい性質せいしつ分類ぶんるい性質せいしつ対応たいおうさせる。同値類どうちるいequivalence classかさなるならおな同値類どうちるいであり、代表元だいひょうげんえてもぞくする同値類どうちるいわらない。

9証明しょうめい補足ほそく:2 つの構成こうせいたがいにぎゃくである

ここまでで、同値関係どうちかんけいequivalence relation から同値類どうちるいあつまり

{[x]xA}

つくり、分割ぶんかつpartitionから「おなブロックblockぞくする」という同値関係どうちかんけいつくった。この 2 つの構成こうせい往復おうふくすると、最初さいしょ情報じょうほうもどる。

同値関係どうちかんけいからはじめた場合ばあいxyおな同値類どうちるいぞくすることは [x]=[y]同値どうちであり、これは xy同値どうちである。したがって分割ぶんかつからつくなおした関係かんけいもと一致いっちする。

分割ぶんかつ [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]C からはじめた場合ばあいx同値類どうちるいxふく[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]C唯一ゆいいつブロックblockそのものである。したがって同値類どうちるいあつめてつくなおした分割ぶんかつ[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]C一致いっちする。

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