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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS CENTRO DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO – CDTec CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO Sistemas Discretos I Prof. Aline Brum LoretoProf. Aline Brum LoretoProf. Aline Brum LoretoProf. Aline Brum Loreto **************************************************************************************** RELAÇÕES 1- Relações Entre as operações com conjuntos temos o produto cartesiano. Relação. Suponha A e B conjuntos. Uma Relação Binária R de A em B é um subconjunto de um produto cartesiano BA× , ou seja: BAR ×⊂ ou BAR →: onde A é denominado domínio, origem ou conjunto de partida de R; B é denominado contradomínio, codomínio ou conjunto de chegada de R. Para indicar que Rba ∈),( pode-se usar a notação bRa . Se Rba ∉),( , escreveremos bRa . Uma relação BAR ×⊂ é constituída de três partes: a origem A, o destino B e o conjunto de pares R. Qualquer alteração em uma destas três partes define uma outra relação. Exemplos: 1) Se A = {1, 2, 3, 4} e B = {2, 3, 4, 5}, temos: )}5,4( ),...,5,2( ),4,2( ),3,2( ),2,2( ),5,1( ),4,1( ),3,1( ),2,1{(=× BA a) BAyxR ×∈= ),{(1 | }yx < )}5,4( ),5,3( ),4,3( ),5,2( ),4,2( ),3,2( ),5,1( ),4,1( ),3,1( ),2,1{(1 =R b) BAyxR ×∈= ),{(2 | x = y} )}4,4( ),3,3( ),2,2{(2 =R c) AxByxR ∈= ),{(3 | }10=+ yx φ=3R 2) Se ZBA == , então BA× é o conjunto formado por todos os pares ordenados de números inteiros. Um exemplo de relação em Z = ZZ × , é ZZyxR ×∈= ),{(4 | }yx = ),...},( ),...,1,1( ),0,0( ),1,1( ..., ),,{...(4 nnnnR −−−−= 2 3) Se ℜ== BA , então BA× é o conjunto formado por todos os pares ordenados de números reais. Um exemplo de relação em R= ℜx ℜ, é 25 ),{( ℜ∈= yxR | }0≥y . 4) Sejam A={a}, B={a, b} e C={0, 1, 2}. Então são relações: a) ∅ é uma relação de A em B, assim como de A em C, de B em C, etc. (O conjunto vazio é sempre subconjunto de qualquer conjunto). b) A x B = { 〉〈〉〈 baaa ,,, } é uma relação com origem em A e destino B (pois Ax B⊆AxB); c) Considerando o conjunto de partida A e o conjunto de chegada B, a relação de igualdade { 〉〈 aa, }; d) }2,1,2,0,1,0{ 〉〈〉〈〉〈 é a relação “menor que” de C em C; e) },1,,0{ 〉〈〉〈 ba é uma relação de C em B. Notação Exemplo: Sejam A={a}, B={a,b} e C={0, 1, 2}. Então: a) Para a relação ⊂: P(B) → P(B), tem-se que {a} ⊂ {a,b} b) Para a relação ≤: C → C, tem-se que 0 ≤ 2 c) Para a relação =: A →A, tem-se que a =a. Domínio e imagem. Seja R uma relação de A em B. Chama-se domínio de definição de R o subconjunto de A constituído pelos elementos x para cada um dos quais existe algum y em B tal que Ryx ∈),( . xRD {)( = ׀ }) ),()( ( RyxByyAx ∈∧∈∃∧∈ Chama-se conjunto imagem ou domínio de valores de R o subconjunto de B constituído pelos elementos y para cada um dos quais existe algum x em A tal que R),( ∈yx . yR {)Im( = ׀ )} ),()( ( RyxAxxBy ∈∧∈∃∧∈ Voltando aos exemplos anteriores temos: 1) }4,3,2,1{)( 1 =RD e }5,4,3,2{)Im( 1 =R }4,3,2{)( 2 =RD e }4,3,2{)Im( 2 =R φ=)( 3RD e φ=)Im( 3R 2) ZRD =)( 4 e ZR =)Im( 4 3) IRRD =)( 5 e += IRR )Im( 5 Logo, D(R) é o conjunto formado pelos primeiros termos dos pares ordenados que constituam R e Im(R) é formado pelos segundos termos dos pares ordenados. 3 Representações Diagrama de Venn Quando A e B são conjuntos finitos com poucos elementos podemos representar uma relação BAR →: usando Diagrama de Venn, onde os dois elementos relacionados são ligados por uma seta. Exemplo: A A }2 ,1 ,0{=A 0 0 2),{( AyxR ∈= }yx < 1 1 2 2 Plano Cartesiano. Grande parte das relações em Matemática são relações em que A (conjunto de partida) e B (conjunto de chegada) são subconjuntos de ℜ. Nesses casos, o gráfico da relação é o conjunto de pontos de um plano dotado de um sistema de coordenadas cartesianas ortogonais, cujas abscissas são os primeiros termos e as ordenadas os segundos termos dos pares ordenados que constituem a relação. Exemplos: y 1) )}1,1( ),1,1( )0,0{(1 −=R 0 x 2) 22 ),{( ZyxR ∈= ׀ }yx = y 0 x 4 Endorrelação ou Auto-Relação Suponha A um conjunto. Então uma relação R: A→A (origem e destino no mesmo conjunto) é dita uma Endorrelação ou Auto-Relação. Nesse caso, afirma-se que R é uma relação em A. Uma endorrelação R: A→A é denotada por 〉〈 RA, . Exemplos: Seja A um conjunto. As seguintes relações são endorrelações: a) ≤〉〈 ,N b) <〉〈 ,Z c) =〉〈 ,Q d) ⊂〉〈 ),(AP Obs.: Uma relação não necesariamente relaciona entidades de um mesmo conjunto. Por exemplo, uma lista telefônica relaciona pessoas (os assinantes) com números (de telefone). Endorrelação como Grafo Toda endorrelação R: A→A pode ser representada como um grafo. A representação como grafo é como segue: - Cada elemento do conjunto A é representado como um ponto ou círculo, e é denominado de nodo; - Cada par 〉〈 ba, da relação é representado como uma seta, arco ou aresta, com origem em a e destino em b. Exemplo: Sejam A={a}, B={a,b} e C={0, 1, 2}. Então as seguintes relações são representadas como grafos: a) ∅: A→A (grafo sem arestas) b) =〉〈 ,B , dado que = é definida por { 〉〈〉〈 bbaa ,,, } c) <〉〈 ,C , dado que < é definida por { 〉〈〉〈〉〈 2,1,2,0,1,0 } d) R:C→C tal que R= { 〉〈〉〈〉〈 2,2,0,2,2,0 } Relação como Matriz Suponha A={a1, a2, …, an} e B={b1, b2, …, bn} dois conjuntos finitos. A representação de uma relação R:A→B na forma de matriz é como segue: - O número de linhas é n (número de elementos do dominio); - O número de colunas é m (número de elementos do codomínio); - A matriz resultante possui m*n posições ou células; - Cada uma das m*n posições da matriz contém um valor lógico (verdadeiro ou falso); 5 - Se Rba ji ∈〉〈 , , a posição da matriz determinada pela linha i e coluna j contém o valor verdadeiro; caso contrario, contém o valor falso. São utilizados os dígitos 1 para representar o verdadeiro e 0 para o falso. Exemplo: Sejam A={a}, B={a,b} e C={0,1,2}. As seguintes endorrelações são representadas como matrizes: a) ∅: A→A (grafo sem arestas) ∅ a a 0 b) =〉〈 ,B , dado que = é definida por { 〉〈〉〈 bbaa ,,, } = a b a b c) <〉〈 ,C , dado que < é definida por { 〉〈〉〈〉〈 2,1,2,0,1,0 } < 0 1 2 0 1 2 d) R:C→C tal que R= { 〉〈〉〈〉〈 2,2,0,2,2,0 } R 0 1 2 0 1 2 Relação Inversa. Seja R uma relação de A em B. Chama-se relação inversa de R, denotada por 1−R , a relação de B em A: ),{(1 xyR =− }),( Ryx ∈ | A relação inversa 1−R é subconjunto de AB × , ao passo que BAR ×⊂ . Exemplos: 1) Se }3,2 ,1 ,0{=A e }4,3 ,2 ,1{=B e )4,3( ),3,2( ),2,1(),1,0{(=R }, então )}3,4( ),2,3( ),1,2( ),0,1{(1 =−R . 6 2) Se 2),{( e ℜ∈=ℜ== yxRBA ׀ }2xy = então 21 ),{( ℜ∈=− xyR ׀ 2),{( }2 IRyxxy ∈== ׀ }2yx = 3) Se 2),{( e ℜ∈=ℜ== yxRBA então }1)2( 22 ≤−+ yx ׀ 22221 ),{( }1)2(),{( ℜ∈=≤−+ℜ∈=− yxyxxyR }1)2( 22 ≤−+ xy 4) Se 2),{( e ℜ∈=ℜ== yxRBA então }2yx = 21 ),{( ℜ∈=− xyR 22 ),{(} ℜ∈== yxyx }2xy = Se a relação R admite um gráfico cartesiano, então o mesmo ocorre com 1−R . Como 1),(),( −∈↔∈ RxyRyx , Observa-se que o gráfico cartesiano de 1−R é simétrico ao gráfico de R, em relação à reta de equação xy = . Observação: Representa-se 1−R pelo Diagrama de Venn simplesmente invertendo o sentido das setas. Exemplo: Se }2 ,1 ,0{== BA e }(1,2) ),2,0( ),1,0{(=R , )}1,2( ),0,2( ),0,1{(1 =−R . A B A B 0 0 0 0 1 1 1 1 2 2 2 2 :que se-Observa )Im()( )1 1 RRD =− Demonstração: Se )()Im( Portanto ).( logo ,),(),( e )Im( 111 −−− ⊂∈∈→∈∈ RDRRDyRxyRyxRy . Se )Im()( Portanto ).Im( logo ,),(),( e )( 111 RRDRzRzxRxzRDz ⊂∈∈→∈∈ −−− . 7 Então )Im()( 1 RRD =− . )2 )()Im( 1 RDR =− )3 RR =−− 11 )( Composição de Relações. Sejam CBSBAR →→ : e : relações. A composição de R e S, resultando na relação composta denotada por: CARS →:o é tal que: ))(),(),(),)(()()(( RScaScbRbaCcBbAa o∈→∈∧∈∈∀∈∀∈∀ Exemplos: 1) A composição das relações CBSBAR →→ : e : é CARS →:o sendo que: )}5,( ),4,( ),3,( ),1,{( dbbaR = )},5( ),,5( ),,2( ),,1{( zyyxS = )},( ),,( ),,{( zdydxaRS =o RS o A R B S C a 1 x b 2 c 3 y d 4 5 z 2) Sejam ℜ=== CBA e as relações: BAyxR ×∈= ),{( }8=+ yx CBzyS ×∈= ),{( então },2 zy = CAzxRS ×∈= ),{(o })8( 2 zx =− 8 Exercícios: 1) Sejam os conjuntos A = {1, 2, 3}, B = {2, 3, 4} e C = {3, 4, 6}. Considerando as relações: R = {(1,3), (2,3), (3,4)} BA×⊂ S = {(2,3), (3,3), (3,4), (4,4)} CB ×⊂ , determine .RS o 2) Sejam IRCBA === e as relações: 2),{( IRyxR ∈= }12 =− yx 2),{( IRzyS ∈= . determine },32 RSyz o+= Propriedades das Relações em um Conjunto A. Uma relação R em A, isto é, de A em A pode apresentar as principais propriedades que seguem. Reflexiva. R é reflexiva se todo elemento de A se relaciona consigo mesmo. )),()(( RxxAxx ∈→∈∀ Exemplos: 1) A relação a)}(b, ),,( ),,( ),,( ),,{( caccbbaaR = em },,{ cbaA = é reflexiva pois ),( e ),( ,),( RccRbbRaa ∈∈∈ . 2) A relação }),{( 2 yxyxR =ℜ∈= é reflexiva pois, para todo x real, x=x. Contra-exemplo: Uma relação R em A não é reflexiva quando existir um elemento x em A tal que .),( Rxx ∉ Por exemplo, )},( ),,( ),,( ),,( ),,( ),,{( bccbaccabbaaR = sobre },,{ cbaA = , pois .),( Rcc ∉ Simétrica. R é simétrica quando, estando x relacionado com y, temos também y relacionado com x. )),(),)(( , ( RxyRyxAyx ∈→∈∈∀ 9 Exemplos: 1) A relação )},( ),,( ),,( ),,{( bbabbaaaR = é uma relação simétrica em },,{ cbaA = 2) A relação R de perpendicularismo definida sobre o conjunto A das retas do espaço: yxRyx ⊥↔∈),( é simétrica pois, para duas retas x e y quaisquer , .xyyx ⊥↔⊥ Contra-exemplo: Uma relação R em A não é simétrica se existirem AyAx ∈∈ e tais que .),( e ),( RxyRyx ∉∈ Por exemplo, )},( ),,( ),,( ),,{( baccbbaaR = sobre },,{ cbaA = , pois .),( e ),( RabRba ∉∈ Transitiva. R é transitiva se x está relacionado com y e y está relacionado com z então, x está relacionado com z. )),(),( e ),)((,, ( RzxRzyRyxAzyx ∈→∈∈∈∀ Exemplos: 1) A relação )},( ),,( ),,( ),,{( cacbbaaaR = sobre },,{ cbaA = é transitiva. 2) A relação R sobre IN (conjunto dos números naturais) definida por yxIRyx ≤↔∈),( é transitiva pois, dados três naturais x, y e z, se . então e zxzyyx ≤≤≤ Contra-exemplo: Uma relação R em A não é transitiva se existirem x, y, z ∈ A tais que ),( ,),( RzyRyx ∈∈ e .),( Rzx ∉ Por exemplo, a relação )},( ),,( ),,( ),,{( cccbbaaaR = sobre },,{ cbaA = não é transitiva pois R.c)(a, e ),( ,),( ∉∈∈ RcbRba Anti-simétrica. R é anti-simétrica se x e y são elementos distintos, então x não se relaciona com y ou y não se relaciona com x. )),(ou ),()(, ( RxyRyxyxAyx ∉∉→≠∈∀ Exemplos: 1) A relação )},( ),,( ),,( ),,{( cababbaaR = sobre },,{ cbaA = é anti-simétrica. 2) A relação R de divisibilidade sobre IN, xRyx ↔∈),( ׀ y (x é divisor de y) é anti-simétrica pois, dados dois números naturais x e y, se x ׀ y e y ׀ x então x = y . 10 Contra-exemplo: Uma relação R sobre A não é anti-simétrica se existirem Ayx ∈ , tais que ),( , Ryxyx ∈≠ e .),( Rxy ∈ Por exemplo, a relação )},( ),,( ),,( ),,( ),,{( ccbbabbaaaR = sobre },,{ cbaA = não é anti-simétrica pois .),( e ),( , RabRbaba ∈∈≠ No estudo das relações sobre um conjunto A finito e com “poucos” elementos, é útil a representação através de um grafos: representamos o conjunto A com seus elementos e indicamos cada par ),( ba da relação através de uma flecha com “origem a e “extremidade” b. Se ),( aa está na relação, usa-se um “laço” envolvendo a. Exemplo: )},( ),,( ),,( ),,( ),,{( bccbbabbaaR = sobre }.,,{ cbaA = Através da representação em grafos é possível visualizar se as propriedades definidas se verificam ou não para uma relação R. Reflexiva. Em cada ponto do diagrama deva haver um laço. Exemplo Contra-exemplo 1R 2R Simétrica. Toda flecha deve ter duas “pontas”. Exemplo Contra-exemplo 3R 4R a • • b c • A a • • b • c A a • • b • c A a • • b c • • d A a • • b c • • dA 11 Transitiva. Para todo par de flechas consecutivas existe uma flecha cuja origem é a da primeira e a extremidade, a da segunda. Exemplo Contra-exemplo 5R 6R Anti-simétrica. Não há flechas de duas pontas. Exemplo Contra-exemplo 7R 8R Endorrelações – ordem e equivalência Endorrelações, Ordenação e Equivalência a) Propriedades: principais propriedades das endorrelações; b) Fecho: extensão de uma endorrelação de forma a satisfazer determinadas propriedades; c) Ordem: endorrelações as quais refletem uma noção intuitiva de ordem; d) Equivalência: endorrelações as quais refletem uma noção de igualdade semântica. a) Propriedades: - Reflexiva, Irreflexiva: Para um conjunto finito A, uma forma simples de entender e verificar se uma endorrelação R:A→A é reflexiva ou irreflexiva, é analisar a sua representação como matriz ou como grafo: a) Matriz - Reflexiva: a diagonal da matriz contém somente o valor verdadeiro; - Irreflexiva: a diagonal da matriz contém somente o valor falso; a • • b c • • d A a • • b • • d A a • • b c • • d A a • • b c • • d A 12 b) Grafo - Reflexiva: qualquer nodo tem um arco com origem e destino nele mesmo; - Irreflexiva: qualquer nodo não tem um arco com origem e destino nele mesmo. Exemplos; Seja A= {0,1,2}. As seguintes relações são: a) Reflexivas, mas não irreflexivas A2:A→A <A,=>, dado que = é definida por {<0,0>,<1,1>,<2,2>}. b) Irreflexivas, mas não reflexivas ∅: A→A R={<0,1>,<1,2>,<2,1>}. - Simétrica, Anti-Simétrica: Para um conjunto finito A, uma forma simples de entender e verificar se uma endorrelação R:A→A é simétrica ou anti-simétrica, é analisar a sua representação como matriz ou como grafo: a) Matriz - Simétrica: a metade acima da diagonal da matriz é a imagem espelhada da metade abaixo; - Anti-simétrica: para qualquer célula verdadeira em uma das metades da matriz (com relação à diagonal), a correspondente célula na outra metade é falsa; b) Grafo - Simétrica: entre dois nodos quaisquer, ou não existe seta, ou existem duas seta, uma em cada sentido; - Anti-simétrica: entre dois nodos quaisquer, existe no máximo uma seta. Exemplos; Seja A= {0,1,2}. As seguintes relações são: a) Simétrica, mas não anti-simétrica: A2 b) Simétrica e Anti-Simétrica: <A,=> c) Anti-Simétrica, mas não simétrica: R:A→A tal que R= {<0,0>,<1,1>,<1,2>}. d) Nem simétrica, nem anti-simétrica: S:A→A tal que S= {<0,1>,<1,0>,<1,2>}. - Transitiva: Para o entendimento e visualização de uma endorrelação transitiva (sobre um conjunto finito) como matriz não é vantajoso, porém como grafo, a transitividade possui uma importante interpretação: o grafo explicita todos os caminhos possíveis entre dois nodos. Informalmente, um caminho em um grafo é determinado por uma seta ou por uma sequência de setas encadeadas. Se existe uma forma de ligar dois nodos via setas encadeadas, então existe um caminho entre estes nodos. Exemplos: Seja A={0,1,2}, as seguintes endorrelações são transitivas: A2:A→A <A,=> <A,≤ > <A,< > 13 b)Fecho de uma Endorrelação Definição: Sejam R:A→A uma endorrelação e P um conjunto de propriedades. Então o fecho de R em Relação a P, é a menor endorrelação em A que contém R e que satisfaz as propriedades de P e é denotado por: FECHO-P(R) Portanto, para qualquer conjunto de propriedades considerado, a relação sempre será subconjunto de seu fecho, ou seja: R⊆FECHO-P(R). Suponha uma endorrelação R:A→A. A construção do fecho de R para as propriedades reflexiva, simétrica e transitiva é como segue; a) Fecho Reflexivo. FECHO-{reflexiva}(R) = R∪{(a,a)a∈A} b) Fecho Simétrico. FECHO-{simétrica}(R) = R∪{(b,a)(a,b)∈R} c) Fecho Transitivo. O FECHO-{transitiva}(R) é construído como segue; c.1) Se (a,b)∈R, então (a,b)∈FECHO-{transitiva}(R) c.2) Se (a,b)∈FECHO-{transitiva}(R) e (b,c)∈FECHO-{transitiva}(R), então (a,c)∈FECHO- {transitiva}(R) c.3) Os únicos elementos de FECHO-{transitiva}(R) são os constituídos como acima. A definição acima é um tipo especial de definição denominada de definição indutiva ou definição recursiva. Dois tipos de fecho de uma relação são especialmente importantes para Computação e Informática e possuem notação própria. Suponha uma endorrelação R:A→A. Então: a) Fecho Transitivo de R denotado por R+, ou seja: R+ = FECHO-{transitiva}(R) b) Fecho Reflexivo e Transitivo de R denotado por R*, ou seja: R* = FECHO-{reflexiva, transitiva}(R) Exemplos: Fecho de uma Relação Sejam A={1,2,3,4,5} um conjunto e R:A→A uma endorrelação tal que: R= {<1,2>,<1,5>,<2,3>,<3,4>}. Alguns fechos de R é como segue: a) Fecho Reflexivo. FECHO-{reflexiva}(R)= {<1,1>, <1,2>,<1,5>,<2,2>,<2,3>,<3,3>,<3,4>,<4,4>,<5,5>}. b) Fecho Simétrico. FECHO-{simétrica}(R)= {<1,2>,<1,5>,<2,1>,<2,3>,<3,2>,<3,4>,<4,3>,<5,1>}. c) Fecho Transitivo. R+= {<1,2>,<1,3>,<1,4>,<1,5>,<2,3>,<2,4>,<3,4>}. d) Fecho Reflexivo e Transitivo. R* = {<1,1>, <1,2>,<1,3>,<1,4>,<1,5>,<2,2>,<2,3>,<2,4>,<3,3>,<3,4>,<4,4>,<5,5>}. c) Ordenação Relação de Ordem reflete a noção intuitiva de ordem. 14 Definição: Relação Conexa Seja R:A→A uma endorrelação. Então R é uma Relação Conexa, se: (∀a∈A)( ∀b∈A)(aRb ∨ bRa ∨ a=b}. Exemplo: Sejam A={a}, B={a,b} e C={0,1,2}. Então: a) A endorrelação ∅:B→B é não-conexa; b) A endorrelação (C, < ), dado que < é definida por {(0,1),(0,2),(1,2)}, é conexa; c) A endorrelação =:A→A é conexa. As propriedades de uma endorrelação de ordem, são exemplificadas: considere as filas de clientes para os diversos caixas de um banco. Então: a) Transitiva. Importante propriedade da noção intuitiva de ordem. Em uma fila, se João antecede José, e José antecede Maria, então João antecede Maria; b) Anti-Simétrica. O princípio mais fundamental deste exemplo (e que melhor caracteriza qualquer ordem) é a propriedade anti-simétrica. Considere a seguinte situação: a ordenado em relação à b e vice-versa (b ordenado em relação à a) só faz sentido se a for igual a b (no exemplo do banco, a antecede b e b antecede a só se a e b forem o mesmo cliente); c) Parcial/Conexa. Nem todos os clientes estão relacionados entre si. De fato, em qualquer banco, sempre existe um caixa especial (e consequentemente, uma fila em separado) para idosos, gestantes e outros casos especiais. Entretanto, parcialidade não é uma propriedade fundamental para caracterizar formalmente a noção de ordem. d) Reflexiva/Irreflexiva. Relações de ordem podem ser reflexivas (como, por exemplo, no caso da relação <N, ≤ > ) ou irreflexivas (como, por exemplo, no caso da relação <Z, < >). No exemplo das filas em um banco, o mais natural seria considerar como uma relação de ordem irreflexiva. Entretanto, uma interpretação reflexiva (todo cliente antecede a si próprio na fila) faria sentido. Relação de Ordem Definição- Relação de Ordem Parcial/Conexa, Ampla/Estrita Seja R: A→A uma endorrelação. Então R é uma: a) Relaçãode Ordem Parcial Ampla ou simplesmente Relação de Ordem Parcial, se R é uma relação: - reflexiva; - anti-simétrica; - transitiva; b) Relação de Ordem Parcial Estrita, se R é uma relação: - irreflexiva; - anti-simétrica; - transitiva; c) Relação de Ordem Conexa Ampla, Relação de Ordem Conexa ou Cadeia se R é uma relação: - de ordem parcial ampla; - conexa; d) Relação de Ordem Conexa Estrita ou Cadeia Estrita se R é uma relação: - de ordem parcial estrita; - conexa. 15 Exemplos: Relação de Ordem Parcial/Conexa, Ampla/Estrita Considere um conjunto não vazio A. Então, as seguintes relações são de: a) Ordem parcial (ampla): <N, ≤ > <P(A), ⊆> b) Ordem parcial estrita: <N, < > <P(A), ⊂> c) Ordem conexa (ampla): <N, ≤ > d) Ordem conexa estrita: <N, < > Exemplo – Ordem Lexicográfica Ordem Lexicográfica estabelece uma relação de ordem conexa. Dado um alfabeto Σ={a,b}, o conjunto Σ* (todas as palavras sobre Σ), é como segue: Σ*={ε, a, b, aa, ab, ba, bb, aaa,...} Observa-se que as palavras, no conjunto Σ*, foram listadas em ordem lexicográfica, ou seja, por tamanho da palavra (número de símbolos) e, para palavras do mesmo tamanho, por ordem “alfabética” (supondo a menor do que b). Dessa forma, qualquer alfabeto ordenado Σ induz o conjunto ordenado (lexicograficamente) Σ*. Obs.: Quando R é uma relação de ordem parcial sobre A, para exprimirmos que: Rba ∈),( usaremos )( Rba ≤ (“a precede b na relação R”). baRba ≠∈ e ),( usaremos )( Rba < (“a precede estritamente b na relação R”). Um conjunto parcialmente ordenado é um conjunto sobre o qual se definiu uma certa relação de ordem parcial. Seja R uma relação de ordem parcial sobre A. Os elementos a, b A∈ se dizem comparáveis mediante R se .ou abba ≤≤ Relação de Ordem Total. Se dois elementos quaisquer de A forem comparáveis mediante R, então R será chamada relação de ordem total sobre A. O conjunto A, neste caso, é chamado conjunto totalmente ordenado. Exemplos: 1) A relação )},(),,(),,(),,(),,(),,{( cbcabaccbbaaR = é uma relação de ordem total sobre },,{ cbaA = . Observe no diagrama ao lado que o fato de não haver dois pontos que não estejam ligados por uma flecha indicam que a ordem é total. 2) A relação R sobre ℜ definida por yxRyx ≤↔∈),( é uma relação de ordem total, pois: ))( ( xxIRxx ≤→∈∀ ) e )(, ( yxxyyxIRyx =∈→≤≤∈∀ a • • b • c 16 ) e )(,, ( zxzyRyxIRzyx ≤→≤∈≤∈∀ ( )( )xyyxIRyxyx ≤≤→∈∀ ou ,, 3) A relação R de divisibilidade sobre xRyxIN ↔∈),(: ׀ y é :pois parcial ordem de xINxx →∈∀ )( ( ׀ )x xINyx )(, ( ∈∀ ׀ yy e ׀ )yxx =→ xINzyx )(,, ( ∈∀ ׀ yy e ׀ xz → ׀ )z Limites Superiores e Inferiores. Seja A um conjunto parcialmente ordenado mediante a relação ≤ . Seja B um subconjunto de A, com .φ≠B Um elemento L A∈ é um limite superior de B se for verdadeira a proposição: ( )( )LxBxx ≤→∈∀ isto é, quando qualquer elemento de B precede L. Um elemento l A∈ é um limite inferior de B se for verdadeira a proposição: ( )( )xlBxx ≤→∈∀ isto é, quando l precede qualquer elemento de B. Máximo e Mínimo. Seja B um subconjunto não vazio do conjunto A parcialmente ordenado pela relação ≤ . Um elemento BM ∈ é um máximo de B quando se verifica a propriedade: ( )( )MxBxx ≤→∈∀ isto é, quando M é um limite superior de B e pertence a B. Um elemento Bm ∈ é um mínimo de B quando se verifica a propriedade: ( )( )xmBxx ≤→∈∀ , isto é, quando m é um limite inferior de B e pertence a B. Proposição. Se B é um subconjunto do conjunto parcialmente ordenado A e existe um máximo (mínimo) de B, então ele é único. Demonstração: Admitamos que 2 1 e MM sejam máximos de B. Temos: 1221 e de máximo é MMBMBM ≤→∈ 2112 e de máximo é MMBMBM ≤→∈ , então 21 MM = . Admitamos que 2 1 e mm sejam mínimos de B. Temos: 2121 m e de mínimo é mmBBm ≤→∈ 1212 m e de mínimo é mmBBm ≤→∈ , então 21 mm = . Supremo e Ínfimo. Seja B um subconjunto não vazio do conjunto parcialmente ordenado A. Chama- se supremo de B o mínimo (caso exista) do conjunto dos limites superiores de B. Chama-se ínfimo de B o máximo (caso exista) do conjunto dos limites inferiores de B. d)Relações de Equivalência. Uma relação R sobre um conjunto A não vazio é chamada relação de equivalência sobre A se, e somente se, R é reflexiva, simétrica e transitiva, isto é, se são verdadeiras as sentenças: i) )),,()( ( RxxAxx ∈→∈∀ ii) )),(),)((, ( RxyRyxAyx ∈→∈∈∀ iii) )),(),( e ),)((,, ( RzxRzyRyxAzyx ∈→∈∈∈∀ 17 Quando R é uma relação de equivalência sobre A, se Rba ∈),( usa-se a notação ),(Rba ≡ que se lê: “a é equivalente a b módulo R”. Exemplos: 1) A relação )},(),,(),,(),,(),,{( accaccbbaaR = é uma relação de equivalência sobre },,{ cbaA = 2) A relação de igualdade sobre IR: yxRyx =↔∈),( é uma relação de equivalência pois: i) ))( ( xxIRxx =→∈∀ ii) ))(, ( xyyxyx =→=∀ iii) ) e )(,, ( zxzyyxzyx =→==∀ Classes de Equivalência. Seja R uma relação de equivalência sobre A. Dado ,Aa ∈ chama-se classe de equivalência determinada por a, módulo R, o subconjunto a de A constituídos pelos elementos x tais que Rax ∈),( . Simbolicamente: Axa ∈= { ׀ }),( Rax ∈ O conjunto das classes de equivalência determinado por R é indicado por RA / e chamado conjunto quociente de A por R. Exemplo: Na relação de equivalência )},(),,(),,(),,(),,{( accaccbbaaR = temos: },{ caa = }{bb = },{ acc = , }}{},,{{/ bcaRA = Observação: Cada classe de equivalência é um elemento do conjunto das partes de A, P(A). Além disso, nota-se que o conjunto quociente de A por R é subconjunto do conjunto das partes de A, ou seja, )(/ APRA ⊂ . Partição de um Conjunto. Seja A um conjunto não vazio. Diz-se que uma classe F de subconjuntos não vazios de A é uma partição de A se, e somente se: a) dois membros quaisquer de F ou são iguais ou são disjuntos; b) a união dos membros de F é igual a A. Exemplos: A 1) }}4{},3,2{},1{{=F é ima partição do conjunto }.4,3,2,1{=A a • • c • b A a • • c • b A 1 2 3 4 18 2) Sejam ZxP ∈= { ׀ e }par é xZxI ∈= {׀}ímpar é x Z então },{ IPF = é uma partição de Z. 3) ] [ [ ] ] [{ } ,1, 1,1, 1, +∞−−∞−=F é uma partição de IR. Relação Dual x Composição de Relações Relação Dual é a inversão (troca) das componentes de cada par ordenado. Composição de Relações é a aplicação de uma relação sobre o resultado de outra. A dualidade e a composição de relações são operações (unária e binária, respectivamente) sobre as relações, as quais, juntamente com as operações sobre conjuntos como, por exemplo, união e intersecção, constituem uma álgebra de relações. Relação Dual Definição- Relação Dual, Relação Oposta, Relação Inversa Seja R: A→B uma relação. Então a relação Dual¸Relação Oposta ou RelaçãoInversa de R, denotado por R-1: B→A ou Rop: B→A é como segue: R-1 = {<b,a> | <a,b> ∈ R}. Obs.: O termo relação dual ou oposta será usado preferencialmente aos termos relação inversa. Embora referenciar relação inversa seja mais comum nas bibliografias em geral, o termo causa confusão com a idéia de uma relação que possui inversa, conceito fundamental nos estudos das relações. Exemplo: Sejam A={a}, B={a,b} e C={0,1,2}. São relações e suas correspondentes relações opostas (dual): Relação Relação Dual =: A→B dada por {<a,a>} =op: B →A dada por {<a,a>} {<0,a>, <1,b>}: C→B {<0,a>, <1,b>}-1= {<a,0>, <b,1>}: B→C A x B:A→B (A x B)-1=BxA:B→A ∅:A→B ∅op=∅:B→A <:C→C <op = >:C→C P I ] [1,−∞− [ ]1,1− ] [+∞,1 19 Representação de Relação Dual no Plano Cartesiano: Exemplo: Seja R = {<x, y>| x = y2} Rop = {<y,x>| x = y2} Representação de Relação Dual como matriz e como grafo: Para uma dada relação, a correspondente relação dual como matriz ou como grafo (no caso de um endorrelação) é como segue: - matriz: a matriz da relação dual é a matriz transposta da matriz da relação, ou seja, é a matriz resultante da troca das linhas pelas colunas; - grafo: o grafo da endorrelação dual é o grafo dual da endorrelação, ou seja, é o grafo resultante da inversão do sentido das arestas. Exemplo: Sejam A={a}, B={a,b} e C={0,1,2}. Suponha a seguinte endorrelação <C, < >: a) Grafos: a endorrelação dual é <C, <op >, correspondente à relação >. b) Matriz: a endorrelação dual é <C, <op >, correspondente à relação > dada por { <2,1 >, <2,0>,<1,0>}. Tipos de Relações Uma relação pode ser classificada nos seguintes tipos os quais não são mutuamente exclusivos: - funcional; - injetora; - total; - sobrejetora; - monomorfismo; - epimorfismo; - isomorfismo. .... 0 < .1 .2 .... 0 > .1 .2 < 0 1 2 0 1 2 > 0 1 2 0 1 2 20 A dualidade dos tipos de relação é: - funcional é o dual de injetora e vice-versa; - total é o dual de sobrejetora e vice-versa. Considerando que: - monomorfismo significa simultaneamente total e injetora; - epimorfismo significa simultaneamente sobrejetora e funcional; vale, como conseqüência, a seguinte dualidade: - monomorfismo é o dual de epimorfismo e vice-versa. Como isomorfismo estabelece uma noção semântica de igualdade, portanto: - isomorfirmo é o dual de si mesmo. Funcional e Injetora Uma relação funcional permite definir função. Definição – Relação Funcional: Seja R:A→B uma relação. Então R é uma Relação Funcional se e somente se: ))()()(( 212121 bbaRbaRbBbBbAa =→∧∈∀∈∀∈∀ Portanto, em uma relação funcional R:A→B, cada elemento de A está relacionado com, no máximo, um elemento de B. Exemplos: Sejam A={a}, B={a,b} e C={0,1,2}. a) São relações funcionais: ∅:A→B {<0,a>, <1,b>}: C→B =: A→B x 2:Z→Z onde x2 = {(x,y) ∈Z2| y = x2} b) Não são relações funcionais: A x B:A→B <:C→C Obs.: 1) A relação funcional em termos da notação com matriz ou como grafo, no caso de uma endorrelação: - matriz: existe no máximo um valor verdadeiro em cada linha da matriz; - grafo: existe no máximo uma aresta partindo de cada nodo. 2) Considerando que injetora é o conceito dual, o seguinte pode ser inferido em termos da notação como matriz ou como grafo ( no caso de uma endorrelação): - matriz: existe no máximo um valor verdadeiro em cada coluna da matriz; - grafo: existe no máximo uma aresta chegando a cada nodo. 21 Definição – Relação Injetora: Seja R:A→B uma relação. Então R é uma Relação Injetora se e somente se: ))()()(( 212121 aaRbaRbaAaAaBb =→∧∈∀∈∀∈∀ Portanto, em uma relação injetora R:A→B, cada elemento de B está relacionado com, no máximo, um elemento de A. Exemplos: Sejam A={a}, B={a,b} e c={0,1,2}. a) São relações injetoras: ∅:A→B {<0,a>, <1,b>}: C→B =: A→B A x B:A→B b) Não são relações injetoras: B x A:B→A x 2:Z→Z onde x2 = {(x,y) ∈Z2| y = x2} <:C→C Obs.: 1) Os conceitos funcional e injetora não são complementares; 2) As relações podem ser (ou não) simultaneamente funcional e injetora. Total e Sobrejetora Definição – Relação Total: Seja R:A→B uma relação. Então R é uma Relação Total se e somente se: ))()(( aRbBbAa ∈∃∈∀ Portanto, em uma relação total R:A→B, o domínio de definição é a origem A. Exemplos: Sejam A={a}, B={a,b} e c={0,1,2}. a) São relações totais: =: A→B A x B:A→B x 2:Z→Z onde x2 = {(x,y) ∈Z2| y = x2} b) Não são relações totais: ∅:A→B {<0,a>, <1,b>}: C→B <:C→C 22 Obs.: 1) A relação total em termos da notação com matriz ou como grafo, no caso de uma endorrelação: - matriz: existe pelo menos um valor verdadeiro em cada linha da matriz; - grafo: existe pelo menos uma aresta partindo de cada nodo. 2) Considerando que sobrejetora é o conceito dual, o seguinte pode ser inferido em termos da notação como matriz ou como grafo ( no caso de uma endorrelação): - matriz: existe pelo menos um valor verdadeiro em cada coluna da matriz; - grafo: existe pelo menos uma aresta chegando a cada nodo. Definição – Relação Sobrejetora: Seja R:A→B uma relação. Então R é uma Relação Sobrejetora se e somente se: ))()(( aRbAaBb ∈∃∈∀ Portanto, em uma relação sobrejetora R:A→B, o conjunto imagem é B. Exemplos: Sejam A={a}, B={a,b} e c={0,1,2}. a) São relações sobrejetoras: {<0,a>, <1,b>}: C→B =: A→A A x B:A→B b) Não são relações sobrejetoras: ∅:A→B =: A→B <:C→C x 2:Z→Z onde x2 = {(x,y) ∈Z2| y = x2} Obs.: 3) Os conceitos total e sobrejetora não são complementares; 4) As relações podem ser (ou não) simultaneamente total e sobrejetora. Monomorfismo e Epimorfismo Definição – Monomorfismo ou Monorrelação: Seja R:A→B. Então R é um Monomorfismo ou uma Monorrelação se e somente se for simultaneamente: - total; - injetora. Portanto, em uma monorrelação R:A→B, o domínio de definição é A, e cada elemento de B está relacionado com, no máximo, um elemento de A. Para enfatizar que R:A→B é uma monorrelação, denota-se: R:A >→ B 23 Exemplos: Sejam A={a}, B={a,b} e c={0,1,2}. a)São monorrelações: =: A→B A x B:A→B b)Não são monorrelações: ∅:A→B B x C:B→C {<0,a>, <1,b>}: C→B <:C→C x 2:Z→Z onde x2 = {(x,y) ∈Z2| y = x2} Obs.: 1) Uma monorrelação em termos da notação com matriz ou como grafo, no caso de uma endorrelação: - matriz: existe pelo menos um valor verdadeiro em cada linha (total) e no máximo um valor verdadeiro em cada coluna (injetora) da matriz; - grafo: existe pelo menos uma aresta partindo (total) e no máximo uma aresta chegando (injetora) a cada nodo. 2) Considerando que epirrelação é o conceito dual, ou seja, é uma relação funcional e sobrejetora, então o seguinte pode ser inferido em termos da notação como matriz ou como grafo ( no caso de uma endorrelação): - matriz: existe pelo menos um valor verdadeiro em cada coluna (sobrejetora) e no máximo um valor verdadeiro em cada linha (funcional) da matriz; - grafo: existe pelo menos uma aresta chegando (sobrejetora) e no máximo uma aresta partindo (funcional) de cada nodo. Definição – Epimorfismo ou Epirrelação: Seja R:A→B uma relação. Então R é um Epimorfismoou uma Epirrelação se e somente se for simultaneamente : - funcional; - sobrejetora. Portanto, em uma epirrelação R:A→B, o conjunto imagem é B e cada elemento de A está relacionado com, no máximo, um elemento de B. Para enfatizar que R:A→B é uma epirrelação, denota-se: R: A →> B. Exemplos: Sejam A={a}, B={a,b} e c={0,1,2}. a)São epirrelações: {<0,a>, <1,b>}: C→B =: A→A 24 b)Não são epirrelações: ∅:A→B =: A→B A x B:A→B <:C→C x 2:Z→Z onde x2 = {(x,y) ∈Z2| y = x2} Isomorfismo O conceito de isomorfismo está associado a uma noção de igualdade semântica, no sentido em que se pode definir uma relação tal que, quando composta com a sua inversa, resulta em uma igualdade. Assim, intuitivamente, um isomorfismo possibilita “ir” (via relação) e “voltar’ (via sua inversa), “sem alterar”. Para introduzir o conceito de isomorfismo, a seguinte notação é desejável: - em diversos momentos, foram introduzidas relações de igualdade como, por exemplo: =:{a} → {a,b} definida por {<a,a>} <{a,b},=> definida por {<a,a>, <a,b>} - quando a relação de igualdade é uma endorrelação <A, =>, é usual denominar essa relação de relação identidade e denotá-la por <A, idA> tal que: idA:A→A Definição – Isomorfismo ou Isorrelação: Uma relação R:A→B é dita um Isomorfismo ou uma Isorrelação se e somente se existe uma relação S:B→A tal que: S ° R = idA e R° S = idB Para enfatizar que R:A→B é uma isorrelação, denota-se: R: A ↔ B Adicionalmente, vale que: - quando S ° R = idA, afirma-se que R possui inversa à esquerda; - quando R° S = idB, afirma-se que R possui inversa à direita; - quando S ° R = idA e R° S = idB, afirma-se que R (respectivamente S) possui inversa, a qual é S (respectivamente, R). Definição – Conjuntos Isomorfos: Dois conjuntos A e B são ditos Conjuntos Isomorfos se existe uma isorrelação R: A ↔ B. 25 Exemplos: 1) Para qualquer conjunto A, a relação identidade idA:A→A é um isomorfismo. De fato, a identidade composta com ela mesma resulta na própria identidade, ou seja: idA ° idA = A portanto, qualquer conjunto é isomorfo a si mesmo. 2) Sejam A={a, b,c}, C={1,2,3} e a relação R:A→C tal que: R={<a,1>, <b,2>, <c,3>} R é um isomorfismo. De fato, considere a relação dual R-1:C→A tal que: R-1={<1,a>, <2,b>, <3,c>} Logo: R-1 ° R = {<a,a>, <b,b>, <c,c>}= idA e R ° R-1 = {<1,1>, <2,2>, <3,3>}= idC. Portanto, A e C são conjuntos isomorfos. Obs.: Para provar que uma relação é um isomorfismo, basta mostrar que ela possui inversa. Observe que, se possui inversa, então esta é a relação dual. Entretanto, mostrar que uma relação não é um isomorfismo pode ser um pouco mais difícil (a dual nem sempre é a inversa). Frequentemente, tal prova é por absurdo, como exemplo abaixo: Exemplo: Não é Isomorfismo Sejam A={0,1,2}, B={a, b} e a relação R:A→B tal que: R = {<0,a>, <1,b>} R não é um isomorfismo. A prova que segue é por absurdo. Assim, suponha que R é um isomorfismo. Portanto, R possui uma relação inversa S:B→A tal que: S ° R = idA e R° S = idB Então: S ° R = idA ⇒ definição de relação identidade <2,2> ∈ S ° R ⇒ definição de composição (∃x∈A)( <2,x> ∈ R ∧ <x,2> ∈ S) o que é um absurdo, pois não existe um par do tipo <2,x> em R. Logo, é absurdo supor que R é um isomorfismo. Portanto, R não é um isomorfismo. Exemplo: Isorrelação Sejam A={a}, B={a,b} e c={0,1,2}. a)São isorrelações: ∅:∅→∅ {<0,1>, <1,2>,<2,0>}: C→C 26 ad_1:N→N-{0} onde ad_1={<x,y> ∈ N xN –{0}| y=x+1} R:Z →Z onde R={<x,y> ∈ ZxN |y=2x se x≥0 e y=|2x|-1 se x<0}, sendo que |2x| denota o módulo (valor absoluto) de 2x. b)Não são isorrelações: ∅:A→B A x B:A→B <:C→C x 2:Z→Z onde x2 = {(x,y) ∈Z2| y = x2}. O seguinte teorema apresenta um importante resultado relativamente às isorrelações. A prova é omitida. Teorema – Isorrelação ↔↔↔↔ Monorrelação e Epirrelação Seja R:A→B uma relação. Então R é uma isorrelação se e somente se, simultaneamente: - R é uma monorrelação; - R é uma epirrelação. Portanto, uma relação é uma isorrelação se e somente se for, simultaneamente; - total; - injetora; - funcional; - sobrejetora. Exemplo: Não é isomorfismo Sejam A={0,1,2}, B={a,b} e a relação R:A→B tal que: R={<0,a>, <1,b>} R não é um isomorfismo. De fato, R não é total. Obs.: Outro importante resultado que pode ser deduzido de um isomorfismo é que os conjuntos origem e destino possuem o mesmo número de elementos. Tal fato é explorado detalhadamente quando do estudo da cardinalidade (número de elementos) de um conjunto. Conjuntos que possuem o mesmo cardinal são ditos “iguais” (semanticamente) a menos de uma relação de troca de nomes dos elementos, ou seja, a menos de uma isorrelação. Tal fato induz a seguinte afirmação, usual em muitas teorias, para um dado isomorfismo, para enfatizar que nomes de elementos não são importantes e que podem ser trocados: Iguais a menos de isomorfismo Exemplo- Igualdade a Menos de Isomorfismo: Produto Cartesiano Comutatividade. O produto cartesiano é uma operação não-comutativa. Por exemplo, para os conjuntos A={a,b} e B={0,1}, os seguintes conjuntos resultantes do produto cartesiano são claramente distintos: A x B = {<a,0>, <a,1>, <b,0>, <b,1>} B x A = {<0,a>, <1,a>, <0,b>, <1,b>}. 27 Entretanto, são conjuntos isomorfos. De fato: - considere a relação troca:AxB →BxA a qual troca a primeira componente de cada par pela segunda, ou seja: troca = {<<a,0>, <0,a>>,<<a,1>,<1,a>> , <<b,0>, <0,b>>,<<b,1>,<1,b>> } - a relação troca possui como inversa a relação dual troca-1:BxA →AxB a qual simplesmente destroca as componentes, ou seja: troca -1 = {<<0,a>, <a,0>>,<<1,a>,<a,1>> , <<0,b>, <b,0>>,<<1,b>,<b,1>> } - o seguinte resultado ocorre: troca -1 ° troca = idAxB e troca ° troca-1 = idBxA a generalização deste raciocínio mostra que, para quaisquer dois conjuntos A e B, o conjunto AxB é isomorfo ao BxA e, portanto, esses conjuntos são iguais a menos de isomorfismo.
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