IBOOO Úvod do informatiky — príklady na procvičení Sada 6 — Řešení Upozornění Vzorová řešení dostáváte k dispozici, abyste mohli zkontrolovat správnost svých řešení. Můžete je použít i jako návody k řešení jednotlivých příkladů tak, že je budete číst po částech a budete se snažit další krok provést vždy sami. Příklady ztratí veškerý svůj smysl, pokud se je budete učit jako básničku. Snažte se nad nimi přemýšlet a vyřešit je sami, než se podíváte do vzorových řešení. Téma Vlastnosti relací. Ekvivalence, rozklad množiny, třídy ekvivalence. Uspořádání, předus-pořádání. Minimální, maximální, nejmenší a největší prvky uspořádaných množin. Horní a dolní závora, suprémum a infimum. Relace pokrytí na uspořádané množině. Hasseovské diagramy. Příklad 1. a) Dokažte, že každé uspořádání je předuspořádání, ale obrácené tvrzení neplatí. b) Dokažte, že každá ekvivalence je předuspořádání, ale obrácené tvrzení neplatí. Řešení a) Nechť M je libovolná množina a nechť i? C M x M je libovolné uspořádání na M. Potom R je reflexivní, antisymetrická a tranzitivní relace. Protože je relace R reflexivní a tranzitivní, je to předuspořádání. Abychom dokázali, že obrácené tvrzení neplatí, nalezneme předuspořádání, které není uspořádáním. Nechť M = {a, b} a R = M x M. Důkaz, že R je hledaná relace, tedy že i? je reflexivní a tranzitivní, ale není antisymetrická, ponecháváme čtenáři. b) Nechť M je libovolná množina a nechť i? C M x M je libovolná ekvivalence na M. Potom R je zejména reflexivní a tranzitivní, je to tedy předuspořádání. Abychom ukázali, že obecné tvrzení neplatí, nalezneme předuspořádání, které není ekvivalencí. Nechť M = {a,b,c} & R = ícIm U {(a, b), (a, c), (b, c), (c, &)}. Příklad 2. Rozhodněte, které z následujících relací jsou předuspořádání, uspořádání, resp. úplná uspořádání. Svá tvrzení dokažte. Pokud je to nutné, tak v definicích předpokládáme, že (A, 0 V a < b} C Z x Z h) R = {((a, b), (a^)) \_b a), kde >a = 0, potom a ■ a > 0, tedy (a, a) G i?. Je-li a = 0, potom (0, 0) G i? přímo z definice. 2 Relace je tranzitivní. Nechť a, b, c E Z, (a, b), (b, c) E Z. Rozlišíme tři případy podle hodnoty b. Pokud 6 = 0, potom a < 0 < c, odkud (a, 6) E R. (Tyto kroky nejsou tak zřejmé. Dobře si je promyslete!) Pokud 6 < 0, potom a < 0. Rozlišíme dva podpřípady podle c. Pokud c < 0, potom a ■ c > 0 a (a, c) E R. Pokud 0 < c, potom a < c a také (a,c) E R. Pokud 0 < 6, je důkaz analogický jako v předchozím případě. Detailně jej proveďte sami Tedy relace R je jistě předuspořádání. Relace není uspořádání, protože není antisy-metrická. Například (1, 2), (2,1) E R, ale 1 ^ 2. h) Relace R je reflexivní, tranzitivní i antisymetrická, což plyne z toho, že 1 a \B\ > 0. i) Tento příklad je zcela analogický příkladu (c). Relace je uspořádání, které není úplné. Protipříklad úplnosti lze použít stejný jako v příkladě (c). Příklad 3. Nechť ňCMxMje předuspořádání na M. Nechť ~ je jádro R. Dokažte, že uspořádaná množina (M/L,<) indukovaná předuspořádáním i? je dobře definovaná. Tj. dokažte, že ~ C M x M je skutečně ekvivalence a < C M/L x M/L je skutečně uspořádání. Řešení Nechť i? C M x M je předuspořádání na M. Jádrem předuspořádání R rozumíme relaci ~ C M x M takovou, že pro x,y E M platí x ~ y právě tehdy, když (x, y) E R a současně (y, x) E R. Ukážeme, že ~ je ekvivalence. Relace ~ je reflexivní, protože R je reflexivní. (Opravdu chápete, proč to platí?) Relace ~ je symetrická přímo z definice. (Rozmyslete si to! Je snadné k tomuto závěru dojít na základě špatných úvah. Relace R není symetrická.) Abychom dokázali tran-zitivitu, uvažme a,b,c E M takové, že a ~ 6 a 6 ~ c. Z definice relace R plyne (a, 6), (6, a), (6,c), (c, 6) E R. Protože i? je tranzitivní, musí platit (a,c), (c,a) E R, odkud a ~ c. Protože ~ je ekvivalence, má smysl hovořit o rozkladu M/L. Předuspořádání R indukuje na M/L relaci < C M/L x M/L definovanou pomocí reprezentantů. Pro libovolné x,y E M platí [x] < [y] právě tehdy, když (x,y) E R. Kdybychom chtěli být důslední, museli bychom na tomto místě ověřit, že definice pomocí reprezentantů je korektní. Museli bychom dokázat: je-li (xo, yo) E R pro nějaká xo, yo £ M, potom pro všechna x E [xo] a pro všechna y E [yo] platí (x, y) E R. Dokažte to! (Využijete především tranzitivitu R.) Dokážeme, že < je uspořádání. Relace < je reflexivní, protože R je reflexivní. (Promyslete si to!) Relace < je tranzitivní, protože R je tranzitivní. Pro antisymetrii uvažme [x], [y] E M/L tak, že platí [x] < [y] a [y] < [x]. Z definice relace < potom platí (x,y),(y,x) E R a tedy x ~ y. Proto [x] = [y], což jsme měli dokázat. Příklad 4. Nechť i? C M x M je ekvivalence (je to tedy i předuspořádání). a) Jak vypadá jádro R? b) Jak vypadá uspořádání indukované relací R na příslušném rozkladu? 3 Řešení a) Nechť x, y G M a značme ~ jádro R. Potom z definice x ~ y právě tehdy, když (x,y), (y,x) G i?. Protože R je ekvivalence, je symetrická, a tedy (x,y), (y,x) G i? nastane právě tehdy, když (x, y) G i?. Proto ~ = R. (Zároveň jsme provedli oba směry důkazu rovnosti množin R a ~.) Relace R je tedy svým vlastním jádrem. b) Nechť x,y G M. Předpokládejme, že [x] < [y], kde [x], [y] G M/L. Potom z definice < platí (x,y) G i?. Protože i? je symetrická, platí i (y,x) G R, odkud [y] < [x]. Protože < je uspořádání, tedy relace antisymetrická, musí platit [x] = [y\. Ukázali jsme, že pokud jsou dvě třídy ekvivalence v relaci <, potom jsou stejné. A protože relace < je reflexivní (je to uspořádání), můžeme shrnout, že < = idjy^. Příklad 5. Nakreslete grafy relací a Hasseovské diagramy následujících uspořádaných množin. a) (2{a>6>c},C) b) ({íígNo|«< 10}, |) c) (jneNo I n< 3},<) d) ({ne No j n< 3},id) Řešení b) V tomto případě graf ponecháváme čtenáři kvůli prostorové náročnosti přehledného zobrazení. 4 c) 3 2 1 O d) O 1 2 3 Příklad 6. Pro uspořádané množiny zadané Hasseovskými diagramy Ü3 Ü4 04 62 e3 nakreslete Hasseovské diagramy (nejen) následujících uspořádaných množin. a) (B x A,<), kde < je uspořádání po složkách b) (B x A,^<), kde ^ je lexikografické uspořádání c) (D x £>,<), kde < je lexikografické uspořádání d) (C x E,^<), kde ^ je uspořádání po složkách Řešení a) (62,03) (62,04) (62,02) (61,03) (62,01) (61,02) (61,01) (61,04) 5 b) c) d) (c2,e4) (62,03) (62,04) (62,^2) (62,^1) (61, a3) (61, a4) (61, a2) (61, «i) (^4,62) (<Í4,6l) { 0 V a < 6} C Z x Z c) i? = {(a, b) | 3 k,l,m,n G N0 : a = 5m + k Ab = bn + l Ak < 1} C N0 x N0 d) i? = {(a, b) | pro každé prvočíslo p platí: p|a=^p|6}CNxN Řešení a)~ = {(/,0)|/(A) = 0(A)}C2^x2^ M/„ = {{# G SA | /(A) = 0(A)} | / G SA} < = {([/], M) I /(^) C y(A)} C MA x M/L Protože jsme konstrukci provedli přesně podle definice a vět o vztahu rozkladu a příslušné ekvivalence, není potřeba nic dalšího dokazovat. b) ~ = {(0, 0)} U {(a, b) | a ■ b > 0} C Z x Z M/L = {{a G Z | a < 0}, {0}, {a G Z | a > 0}} < = {([a], [6]) | a < 6} C M/L x M/L Abyste nemuseli dokazovat korektnost těchto konstrukcí, stačí, když vyjdete z definic a známých tvrzení a z nich získané vztahy upravit do uvedené podoby. Zejména u definice < není zcela zřejmé, proč nezávisí na reprezentantech. Kolik prvků má 6>cAe}; c), x = {a, c, d} b) (M,<) = (No,|),x = 924 c) (M, <) = (A x B, ^), x = (a2, fe), kde ^ je lexikografické uspořádání a (A, c), X = {{b, c}, {c, d}} c) (M, <) = (2{°.6.cAe}> c), X = {{c}, {a, c, d}} d) (M, <) = (N,<),I = {nGN|n< n0} pro nějaké n0eN e) (M, <) = (Z, <), X = {3k - 2 | k e Z} f) (M, <) = (No, |), X C N, |X| = n pro nějaké n G N g) (M,<) = (No,\),X = {2n \neN} Řešení a) Nejprve si uvědomme, že pokud A je konečná a platí \A\ < n, potom X = 0 a je to totéž, jako by bylo n = 0. Je-li A nekonečná, potom pro každé n G N platí n < \A\. Proto se stačí omezit na taková n, která splňují 0 < n < \A\. Pokud n = 0, potom X = {0} a 0 je jedinou horní závorou i jedinou dolní závorou množiny X. Tedy je to i supremum i infimum množiny X. Pokud A je konečná a n = \A\, potom X = {A} a A je jedinou horní závorou i jedinou dolní závorou množiny X. Tedy je to i supremum i infimum množiny X. Nechť 0 < n < \A\ a H C A je horní závora množiny X. Ukážeme, že H = A. K tomu stačí ukázat ACH, protože opačná inkluze plyne přímo z předpokladů. Nechť 9 a E A. Potom jistě existuje Y C A taková, že \Y\ = n a a E Y. (Intuitivně je to zřejmé, ale uměli byste to dokázat?) Protože |y| = n, platí Y E X a tudíž a E H (jinak by H nebylo větší než Y). Tedy A je horní závora množiny X. Protože je to jediná horní závora, je to zároveň i supremum. Nechť 0 < n < \A\ a nechť D C A je dolní závora množiny X. Ukážeme, že D = 0. Sporem tedy předpokládejme, že existuje a E D. Jistě existuje Y C A \ {a}, \Y\ = n, takže Y E X. Protože a ^ Y, neplatí D C Y a D tak nemůže být dolní závorou X. Proto D = 0. Protože je to jediná dolní závora, je to i infimum. Proč jsme řešili případy n = 0 a n = \A\ zvlášť? Kde jsme ve zbylé části využili 0