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関係かんけいrelation基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_7662c798e226dbe0530ccd74876c6b05description関係を直積集合の部分集合として定義し、二項関係、反射性・対称性・反対称性・推移性を、具体例と表で整理する講義である。prerequisites集合の基本 / 直積集合の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/discrete-math/discrete-mathematics-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/cartesian-product-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/relation-composition-and-closure.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/equivalence-relations-and-partitions.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/partial-and-total-orders.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/map-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/discrete-math/relations-and-equivalence-relations.exercise.n.md
mathdiscrete-mathrelationlecture

Basics of relations関係かんけい

1導入どうにゅう

関係かんけいrelationまなぶときの中心ちゅうしんいは、「対象たいしょうobjectどうしのむすびつきを、どの順序対じゅんじょついordered pair採用さいようするかで記録きろくできるか」である。関係かんけいrelation曖昧あいまい言葉ことばではなく、直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian product部分集合ぶぶんしゅうごうsubsetである。

この定義ていぎにより、「abひとしい」「ab 以下いかである」「abる」「固定こていしたせい整数せいすう mった abあまりがおなじ」のようなことなる主張しゅちょうを、おな形式けいしきformあつかえる。

この形式化けいしきかにより、言葉ことばちがいではなく、どの順序対じゅんじょついordered pairはいっているかで性質せいしつ判定はんていできる。したがって、あと反射性はんしゃせい対称性たいしょうせい反対称性はんたいしょうせい推移性すいいせい調しらべるときも、おな集合しゅうごうとしての見方みかた使つかう。

1Introduction

The central question for a relation関係かんけい is whether connections between objects対象たいしょう can be recorded by choosing which ordered pairs順序対じゅんじょつい to include. A relation is not a vague word; it is a subset部分集合ぶぶんしゅうごう of a Cartesian product直積集合ちょくせきしゅうごう.

This definition lets statements that look different, such as “a equals b,” “a is below b,” “a divides b,” and “a and b have the same remainder when divided by a fixed positive integer m,” be treated in the same form形式けいしき.

Once these statements are formalized, their properties can be determined by which ordered pairs順序対じゅんじょつい are included rather than by differences in wording. The same set-theoretic viewpoint will be used below to test reflexivity, symmetry, antisymmetry, and transitivity.

2用語ようご定義ていぎ

集合しゅうごうset A,Bたいして、A から B への関係かんけいrelationとは、A×B部分集合ぶぶんしゅうごうsubsetである。

RA×B

く。(a,b)R のとき、ab関係かんけいrelation Rむすばれるといい、しばしば

aRb

く。

A=B場合ばあいRA×AA うえ二項関係にこうかんけいbinary relationという。同値関係どうちかんけいequivalence relation順序関係じゅんじょかんけいorder relationは、どちらも二項関係にこうかんけいbinary relation特別とくべつ場合ばあいである。

2Terms and definitions

For sets集合しゅうごう A,B, a relation関係かんけい from A to B is a subset部分集合ぶぶんしゅうごう of A×B.

RA×B.

When (a,b)R, we say that a is related to b by R, and often write

aRb.

When A=B, a relation RA×A is called a binary relation二項関係にこうかんけい on A. Equivalence relations同値関係どうちかんけい and order relations順序関係じゅんじょかんけい are special kinds of binary relations.

3方針ほうしん

関係かんけいrelation調しらべるときは、まず母体ぼたいとなる直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian product確認かくにんする。つぎに、そのうち採用さいようされている順序対じゅんじょついordered pairがどれかを確認かくにんする。

性質せいしつproperty判定はんていするときは、すべてのげんelementについて条件じょうけん成立せいりつするかを確認かくにんする。1 れいだけで反射性はんしゃせいreflexivity推移性すいいせいtransitivity証明しょうめいすることはできない。失敗しっぱいしめすには 1 つの反例はんれいcounterexample十分じゅうぶんである。

全称条件ぜんしょうじょうけんuniversal conditionしめすときは、任意にんいげんelementからはじめる。一方いっぽう性質せいしつ成立せいりつしないことをしめすときは、その条件じょうけんやぶ順序対じゅんじょついordered pairくみを 1 つしめせばよい。

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3Strategy

When studying a relation関係かんけい, first identify the ambient Cartesian product直積集合ちょくせきしゅうごう. Then identify which ordered pairs順序対じゅんじょつい are included.

To prove a property性質せいしつ, check that the condition holds for all relevant elementsげん. One example cannot prove reflexivity反射性はんしゃせい or transitivity推移性すいいせい. To show failure, one counterexample反例はんれい is enough.

To prove a universal condition全称条件ぜんしょうじょうけん, begin with arbitrary elements. To show that a property fails, exhibit one ordered pair順序対じゅんじょつい or tuple that violates its condition.

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4直感的ちょっかんてき説明せつめい

関係かんけいrelationは、ひょうのマスにしるしけることとしてるとよい。A×Bかく順序対じゅんじょついordered pair (a,b) は、ぎょう aれつcolumn b交点こうてん対応たいおうする。関係かんけいrelation R は、そのひょううち成立せいりつする」と判断はんだんしたマスの集合しゅうごうである。

関係かんけいrelationえるとは、採用さいようする順序対じゅんじょついordered pairえることである。母体ぼたいとなる A×B固定こていしているかぎり、だい 1 成分せいぶんA から、だい 2 成分せいぶんB からるというかた保存ほぞんされる。

ひょう見方みかたは、逆関係ぎゃくかんけいinverse relationではぎょうれつcolumnえること、関係かんけい合成ごうせいcomposition of relationsでは中間ちゅうかんげんelement経由けいゆすることにも接続せつぞくする。

4Intuitive explanation

A relation関係かんけい can be viewed as marking cells in a table. Each ordered pair順序対じゅんじょつい (a,b) in A×B corresponds to the cell at row a and columnれつ b. The relation R is the set of cells judged to hold.

Changing a relation means changing which ordered pairs are included. As long as the ambient product A×B is fixed, the type is preserved: first components come from A and second components come from B.

The table viewpoint also prepares for later operations: an inverse relation逆関係ぎゃくかんけい swaps rows and columns, while composition合成ごうせい of relations follows a connection through an intermediate elementげん.

5重要じゅうよう性質せいしつproperty

A うえ二項関係にこうかんけいbinary relation Rたいして、つぎ性質せいしつpropertyかんがえる。ひょうa,b,c はすべて A任意にんいげんelementとする。

性質せいしつ定義ていぎ直感ちょっかん
反射性はんしゃせいreflexivityすべての aA について aRa自分じぶん自分じぶんむすばれる
対称性たいしょうせいsymmetryaRb なら bRaきをぎゃくにしても成立せいりつする
反対称性はんたいしょうせいantisymmetryaRb かつ bRa なら a=b相互そうごむすばれる別物べつものゆるさない
推移性すいいせいtransitivityaRb かつ bRc なら aRc中継ちゅうけいしてむすべる

対称性たいしょうせいsymmetry反対称性はんたいしょうせいantisymmetry名前なまえているが、意味いみ反対はんたいではない。

対称性たいしょうせいsymmetry反対称性はんたいしょうせいantisymmetry同時どうじ成立せいりつすることも、両方りょうほうとも失敗しっぱいすることもある。等号とうごう関係かんけい両方りょうほうたす典型例てんけいれいであり、名前なまえだけで反対はんたい性質せいしつだと判断はんだんしない。

5Important properties性質せいしつ

For a binary relation二項関係にこうかんけい R on A, consider the following properties性質せいしつ. In the table, a,b,c denote arbitrary elementsげん of A.

PropertyDefinitionIntuition
Reflexivity反射性はんしゃせいaRa for every aAeach element is related to itself
Symmetry対称性たいしょうせいaRb implies bRathe relation holds in the reverse direction
Antisymmetry反対称性はんたいしょうせいaRb and bRa imply a=btwo different elements cannot be mutually related
Transitivity推移性すいいせいaRb and bRc imply aRcrelations can be chained

Symmetry対称性たいしょうせい and antisymmetry反対称性はんたいしょうせい have similar names, but their meanings are not opposites.

They may hold simultaneously, and they may also both fail. Equality is a standard example satisfying both, so their names alone should not be used to treat them as opposite properties.

6例題れいだい整除関係せいじょかんけいdivisibility relation判定はんていする

6.1問題もんだい

A={1,2,3,6} うえ関係かんけいrelation R を、aRb とは「abる」ことだと定義ていぎする。R反射性はんしゃせいreflexivity反対称性はんたいしょうせいantisymmetry推移性すいいせいtransitivityたすことを確認かくにんせよ。

6Worked example: check the divisibility relation整除関係せいじょかんけい

6.1Problem

On A={1,2,3,6}, define a relation関係かんけい R by letting aRb mean “a divides b.” Check that R satisfies reflexivity反射性はんしゃせい, antisymmetry反対称性はんたいしょうせい, and transitivity推移性すいいせい.

6.2解説かいせつ

反射性はんしゃせいreflexivityについて、任意にんいaAたいして a=a·1 なので、aaる。したがって aRa である。

反対称性はんたいしょうせいantisymmetryについて、aRb かつ bRa とする。すると b=aka=bたすせい整数せいすうinteger k,存在そんざいする。したがって a=ak である。aA なので a0 であり、両辺りょうへんaって 1=kる。k,せい整数せいすうintegerなので k==1 であり、a=b である。

推移性すいいせいtransitivityについて、aRb かつ bRc とする。すると b=akc=bける。したがって c=a(k) であり、aRc である。

6.2Explanation

For reflexivity反射性はんしゃせい, every aA satisfies a=a·1, so a divides itself. Hence aRa.

For antisymmetry反対称性はんたいしょうせい, suppose aRb and bRa. Then there are positive integers整数せいすう k, such that b=ak and a=b. Hence a=ak. Since aA, a0, so dividing by a gives 1=k. Because k, are positive integers, k==1, and therefore a=b.

For transitivity推移性すいいせい, suppose aRb and bRc. Then b=ak and c=b. Thus c=a(k), so aRc.

7見分みわかた関連かんれんリンク

  • abむすばれるか」を判定はんていするなら、関係かんけいrelationである。
  • おな集合しゅうごうsetなか対象たいしょうどうしを比較ひかくするなら、二項関係にこうかんけいbinary relationである。
  • 同類どうるいける」なら同値関係どうちかんけいequivalence relationうたがう。
  • 大小だいしょう前後ぜんごとして比較ひかくする」なら順序関係じゅんじょかんけいorder relationうたがう。
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7How to identify it and related links

  • If the question is whether a and b are connected, think of a relation関係かんけい.
  • If objects in the same set集合しゅうごう are compared, think of a binary relation二項関係にこうかんけい.
  • If objects are grouped into classes, suspect an equivalence relation同値関係どうちかんけい.
  • If objects are compared by size or order, suspect an order relation順序関係じゅんじょかんけい.
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