等价关系与划分 - 抽象的分类法

等价关系是抽象代数中极为重要的概念,它为我们提供了一种"分类"的方法。通过等价关系,我们可以把一个集合划分成若干个互不相交的子集,每个子集称为一个等价类。这个思想在后续学习群论中的商群、环论中的商环时将发挥关键作用。

等价关系

定义

设 \(R\) 是集合 \(A\) 上的一个二元关系(即 \(R \subseteq A \times A\))。如果 \(R\) 满足以下三个性质,则称 \(R\) 是 \(A\) 上的一个等价关系:

  1. 自反性:对所有 \(a \in A\),有 \(a \sim a\)
  2. 对称性:若 \(a \sim b\),则 \(b \sim a\)
  3. 传递性:若 \(a \sim b\) 且 \(b \sim c\),则 \(a \sim c\)

我们用符号 \(\sim\) 表示等价关系。等价关系可以理解为一种"相等"的标准。它告诉我们哪些元素在某种意义下是"相同的"。一个级的小朋友是一个集合,那么“同班同学”是一个等价关系。

  • 小红 \(a\) 和自己是同班同学(自反性)
  • 如果小红 \(a\) 和小明 \(b\) 是同班同学,那么小明 \(b\) 和小红 \(a\) 也是同班同学(对称性)
  • 如果小红 \(a\) 和小明 \(b\) 是同班同学,且小明 \(b\) 和小华 \(c\) 是同班同学,那么小红 \(a\) 和小华 \(c\) 也是同班同学(传递性)

等价关系,可以把一个集合划分为一些子集。就像“同班同学”这个关系,把一个级的小朋友划分为不同的班。

例子

整数模 \(n\) 的同余

定义整数 \(a, b\) 的关系 \(a \sim b\) 当且仅当 \(n \mid (a - b)\),记作 \(a \equiv b \pmod{n}\)。

验证:

  • 自反性:\(a - a = 0 \cdot n\),故 \(a \equiv a \pmod{n}\)
  • 对称性:若 \(a \equiv b \pmod{n}\),则 \(n \mid (a-b)\),故 \(n \mid (b-a)\),所以 \(b \equiv a \pmod{n}\)。整除表示不太形象,若 \(a \equiv b \pmod{n}\),那么存在整数 \(k\) 使得 \(a - b = k \cdot n\),所以 \(b - a = -k \cdot n\),所以 \(b \equiv a \pmod{n}\)
  • 传递性:若 \(a \equiv b \pmod{n}\) 且 \(b \equiv c \pmod{n}\),则 \(n \mid (a-b)\) 且 \(n \mid (b-c)\),故 \(n \mid (a-c)\),所以 \(a \equiv c \pmod{n}\)

平面几何中的全等

在平面几何中,三角形的全等关系是一个等价关系:

  • 自反性:每个三角形与自身全等
  • 对称性:若 \(\triangle ABC \cong \triangle DEF\),则 \(\triangle DEF \cong \triangle ABC\)
  • 传递性:若 \(\triangle ABC \cong \triangle DEF\) 且 \(\triangle DEF \cong \triangle GHI\),则 \(\triangle ABC \cong \triangle GHI\)

集合的势(等势关系)

在所有集合构成的"类"上,定义关系:\(A \sim B\) 当且仅当 \(A\) 与 \(B\) 之间存在双射(即两个集合的元素可以一一对应)。这是一个等价关系。

验证:

  • 自反性:\(A \to A\) 取恒等映射 \(\text{id}(x) = x\),是双射
  • 对称性:若 \(f: A \to B\) 是双射,则 \(f^{-1}: B \to A\) 也是双射
  • 传递性:若 \(f: A \to B\) 和 \(g: B \to C\) 都是双射,则 \(g \circ f: A \to C\) 也是双射

例如 \(\{1, 2, 3\} \sim \{a, b, c\}\)(都有 3 个元素,可以建立一一对应),而 \(\{1, 2, 3\} \not\sim \{a, b\}\)(3 个元素和 2 个元素之间不存在双射)。

这个等价关系的每个等价类,就是"大小相同"的所有集合,而这个"大小"就是集合的基数(或势)。有限集合的基数就是元素个数;无限集合的基数则需要更细致的讨论——比如 \(\mathbb{N}\) 和 \(\mathbb{Z}\) 虽然"看起来"大小不同,但它们之间存在双射,所以基数相同。

非例子:实数的大小关系

实数的大小关系 "\(\leq\)" 不是等价关系。虽然它满足自反性(\(a \leq a\))和传递性(若 \(a \leq b\) 且 \(b \leq c\),则 \(a \leq c\)),但不满足对称性(若 \(a \leq b\),一般 \(b \leq a\) 不成立)。

等价类

定义

设 \(\sim\) 是集合 \(A\) 上的等价关系。对 \(a \in A\),定义等价类(equivalent class)为:

\[ [a] = \{x \in A \mid x \sim a\} \]

其中 \(a\) 称为该等价类的代表元(representative)。

重要性质

  1. 非空性:每个等价类都非空,因为至少包含其代表元自身
  2. 互不相交:若 \([a] \neq [b]\),则 \([a] \cap [b] = \emptyset\)
  3. 覆盖全域:\(\bigcup_{[a] \in A/\sim} [a] = A\)

这三个性质说明:等价关系将集合 \(A\) 划分成若干互不相交的等价类的并。回到上面“同班同学”这个等价关系,将一个年级的小朋友分为若干个班,每个班就是一个等价类。每个班至少都会有一个学生(非空性),一个学生不会同时在两个班里(互不相交),所有班组成一个年级(覆盖全域)。

定理:等价类与代表元

若 \(a \sim b\),则 \([a] = [b]\);若 \(a \nsim b\),则 \([a] \cap [b] = \emptyset\)。

划分

定义

集合 \(A\) 的一个划分(partition)是指把 \(A\) 分成若干个非空子集的并集,这些子集两两不相交。每个子集称为一个块或部分。

定理:等价关系与划分的对应

集合 \(A\) 上的等价关系与 \(A\) 的划分是一一对应的。

这个定理揭示了等价关系的本质:它本质上就是对集合的一种"分类"或"划分"。

商集

定义

设 \(\sim\) 是集合 \(A\) 上的等价关系。由所有等价类组成的集合称为商集,记作:

\[ A/\sim = \{[a] \mid a \in A\} \]

例子

整数模 \(n\) 的剩余类

在模 \(n\) 的同余关系下,整数集 \(\mathbb{Z}\) 被划分为 \(n\) 个等价类:

\[ [0], [1], [2], \ldots, [n-1] \]

这 \(n\) 个类称为模 \(n\) 的剩余类或同余类。商集记作 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 或 \(\mathbb{Z}_n\)。

例如,\(\mathbb{Z}/3\mathbb{Z} = \{[0], [1], [2]\}\),其中:

  • \([0] = \{\ldots, -6, -3, 0, 3, 6, \ldots\}\)
  • \([1] = \{\ldots, -5, -2, 1, 4, 7, \ldots\}\)
  • \([2] = \{\ldots, -4, -1, 2, 5, 8, \ldots\}\)

同余运算:来自等价关系的运算

等价关系的一个重要应用是可以在商集上定义运算。

定理:同余运算的良定义性

设 \(\sim\) 是集合 \(A\) 上的等价关系,\(\circ\) 是 \(A\) 上的二元运算。若 \(\sim\) 与 \(\circ\) 兼容(即 \(a_1 \sim a_2\) 且 \(b_1 \sim b_2\) 时,有 \(a_1 \circ b_1 \sim a_2 \circ b_2\)),则可以在商集 \(A/\sim\) 上定义运算:

\[ [a] \circ [b] = [a \circ b] \]

例:模 \(n\) 加法

在 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 上定义加法:\([a] + [b] = [a+b]\)。

例如,在 \(\mathbb{Z}/5\mathbb{Z}\) 中:

  • \([3] + [4] = [7] = [2]\)
  • \([2] + [3] = [5] = [0]\)

💡 这里的等号 \(=\) 实际上表示等价类的相等。我们通常把 \([a]\) 简记为 \(a\),但心里要清楚它代表的是一个等价类。

小结

  • 等价关系是满足自反性、对称性、传递性的二元关系
  • 等价关系将集合划分为互不相交的等价类
  • 商集是所有等价类组成的集合
  • 当等价关系与运算兼容时,可以在商集上定义运算

等价关系与划分的思想将在后续学习中不断出现:群论中的陪集与商群、环论中的理想与商环,本质上都是这种"分类"思想的体现。

概念关系图

下图展示了本篇核心概念——等价关系、等价类、划分、商集——及其相互关系: