Le relazioni tra insiemi descrivono i legami che possono esistere tra due o più insiemi. Queste relazioni sono fondamentali in teoria degli insiemi e matematica in generale.

1 - Introduzione alle relazioni

Definizione: relazione -aria

Dati insiemi non vuoti , si definisce relazione -aria o relazione di grado e si denota "" un sottoinsieme del prodotto cartesiano tra tutti gli insiemi:

Ogni insieme viene detto dominio di .

Se gli insiemi coincidono tutti con uno stesso insieme , si parla di relazione -aria su .

Inoltre, quando , oltre a “relazione unaria” si parla anche di predicato, mentre quando , oltre a “relazione binaria”, si parla anche semplicemente di “relazione” e, dati due elementi e , si scrive:

invece di .

Esempio: relazione binaria tra due insiemi

Dati due insiemi:

Una loro possibile relazione è:

Esempio: gli ordinamenti sono relazioni binarie

Le usuali operazioni di ordine sui numeri naturali sono relazioni binarie su (es. l’ordine non-decrescente è una relazione binaria e la coppia è un elemento di tale relazione perché , mentre la coppia non lo è).

Inoltre, essendo una relazione binaria, si può notare come solitamente si scriva anziché .

Osservazione: database relazionali come relazioni -arie

I database relazionali sono esempi di relazioni -arie dove:

  • è il numero di colonne.
  • Ogni colonna rappresenta l’insieme degli oggetti che compaiono (o possono comparire) in tale colonna.
  • Il database visto come relazione è un sottoinsieme del prodotto cartesiano dei suddetti insiemi.
  • Ogni riga costituisce una -upla di tale prodotto cartesiano che dichiariamo appartenere alla relazione.

In altre parole: la tabella di un database è una rappresentazione grafica di una relazione -aria in cui vengono esplicitamente elencati gli elementi (ovvero le -uple) di tale relazione.

Esempio: database relazionale come relazione -aria

Consideriamo il seguente (ipotetico) database dell’anagrafe:

CognomeNomeData di nascitaLuogo di nascita
RossiMario05/10/1976Firenze
VerdiLuigi25/01/2001Torino
BianchiCarla22/06/1983Napoli
NeriMarco19/03/1969Milano

In termini di relazioni, questo database si può considerare come una relazione quaternaria (cioè con ):

dove:

  • : è l’insieme di tutti i cognomi.
  • : è l’insieme di tutti i nomi.
  • : è l’insieme di tutte le date di nascita.
  • : è l’insieme di tutti i luoghi di nascita.

Le righe forniscono l’elenco completo delle -uple che sono elementi di , ad esempio:

1.1 - Rappresentazioni grafiche delle relazioni con i diagrammi di Eulero-Venn

Le relazioni -arie si possono rappresentare graficamente tramite i diagrammi di Eulero-Venn.

Una relazione -aria su uno stesso insieme si può rappresentare o come una generica relazione -aria su “copie” dell’insieme , oppure come insieme di frecce tra i punti della stessa copia di .

1.2 - Rappresentazioni grafiche delle relazioni con il piano cartesiano

Esattamente come il prodotto cartesiano si può rappresentare sul piano cartesiano, anche le relazioni -arie si possono rappresentare su quest’ultimo essendo sottoinsiemi del prodotto.

1.3 - Dominio e immagine di una relazione

1.3.1 - Rappresentazioni grafiche di dominio e immagine tramite diagrammi di Eulero-Venn

1.4 - Relazione inversa

Definizione: relazione inversa

Dati due insiemi e e una loro relazione binaria , si definisce relazione inversa di e si indica con "" un sottoinsieme del prodotto cartesiano :

In altre parole, per ogni e per ogni si ha:

Esempio

Se è la relazione di minore o uguale su , allora sarà la relazione di maggiore o uguale su perché:

1.4.1 - Rappresentazione grafica di una relazione inversa tramite diagrammi di Eulero-Venn

1.5 - Proprietà delle relazioni binarie

Definizione: proprietà delle relazioni binarie

Dati un insieme e una relazione binaria su (cioè ), essa può avere le seguenti proprietà:

  • Riflessività: .
  • Irriflessività: .
  • Simmetria: .
  • Antisimmetria: .
  • Transitività: .
  • Totalità: .

Osservazione: relazione simmetrica solo se

Dati un insieme e una relazione binaria su (cioè ), è simmetrica se e solo se , ovvero se:

RelazioneRiflessività
SimmetriaTransitivitàTotalità
Relazione di equivalenza
Relazione di ordine
Relazione di ordine totale
Relazione di successione immediata
Relazione di ordine stretto
Relazione di pre-ordine

1.5.1 - Rappresentazioni grafiche delle proprietà delle relazioni

2 - Relazioni di equivalenza

Definizione: relazione di equivalenza

Dato un insieme , si definisce relazione di equivalenza su e si denota con "" una relazione binaria che rispetta le seguenti proprietà:

  • Riflessività: .
  • Simmetria: .
  • Transitività: .

Esempio: relazione di divisibilità per tra due interi

Dato un numero naturale , un numero intero si dice divisibile per e si denota con "" se esiste un tale che . Si può definire una relazione di equivalenza sull’insieme dei numeri interi affermando che, dati due elementi , è in relazione a se la loro differenza è divisibile per :

Si può dimostrare che questa è una relazione di equivalenza verificando le tre proprietà:

  1. Riflessività: vale, perché è divisibile per qualsiasi numero naturale .
  2. Simmetria: vale, perché se è divisibile per , allora è divisibile anche il suo opposto (es. , con ).
  3. Transitività: vale, perché se e sono divisibili per , lo è anche (es. , con ).

Notazioni alternative per le relazioni di equivalenza

Oltre al simbolo "", spesso per denotare le relazioni di equivalenza si usano le lettere , , ecc., oppure simboli che, in qualche misura, richiamano la relazione d’uguaglianza, quali ad esempio "", "", "", "", ecc.

Definizione: classe di equivalenza

Dati un insieme e una relazione di equivalenza su , la classe di equivalenza di un elemento rispetto alla relazione di equivalenza , indicata con "", è l’insieme degli elementi di che hanno la relazione di equivalenza con :

Quando la relazione è chiara dal contesto, si può scrivere anche solo al posto di .

Definizione: insieme quoziente

Dati un insieme e una relazione di equivalenza su , l’insieme delle classi di equivalenza si dice insieme quoziente di per la relazione e si indica con "":

Esempio: relazione di equivalenza su automobili con stesso colore

Dati un insieme e una relazione di equivalenza su letta come “ha lo stesso colore di”, allora una classe di equivalenza può essere quella che comprende tutte le automobili verdi, mentre l’insieme quoziente è l’insieme dei colori delle automobili.

Esempio: insieme dei numeri razionali come insieme quoziente

L’insieme dei numeri razionali può essere espresso come un insieme quoziente. Data una coppia ottenuta dal prodotto cartesiano (quindi può essere qualsiasi numero intero, mentre qualsiasi numero intero eccetto lo ), si può definire una relazione di equivalenza come:

Ciò è verificabile se si interpreta la coppia come una frazione , quindi questa relazione di equivalenza indica che due frazioni sono in relazione tra loro se sono uguali il prodotto tra il numeratore di uno e il denominatore dell’altro: (es. prendendo le frazioni e , si può constatare che ). Se si prende l’insieme quoziente di questa relazione, ossia , si può notare come esso corrisponda proprio all’insieme dei numeri razionali perché comprende tutte le combinazioni possibili di numeri presenti in .

Osservazione:

Dati un insieme e una relazione di equivalenza su , l’insieme quoziente è una famiglia di sottoinsiemi di , cioè è un sottoinsieme dell’insieme delle parti di :

Per costruzione, infatti, ogni elemento di è una classe di equivalenza , e ogni classe di equivalenza è un sottoinsieme di . Quindi:

Poiché è formato unicamente dalle classi di equivalenza, ogni elemento di è un sottoinsieme di .

L’insieme delle parti è definito come l’insieme di tutti i sottoinsiemi di e, dal momento che ogni classe di equivalenza è un sottoinsieme di , si ha che .

Esempio: campionato di serie A come insieme quoziente

Dato un insieme di tutti i giocatori di squadre di serie A e una relazione binaria su stabilendo che due giocatori sono in relazione () se e solo se e giocano nella stessa squadra.

La relazione è chiaramente riflessiva, simmetrica e transitiva, quindi è una relazione di equivalenza su . Le classi di equivalenza sono le squadre del campionato di serie A, mentre il quoziente consiste nel campionato di serie A, ossia è l’insieme delle squadre che giocano in quel campionato.

Esempio: regioni italiane come insieme quoziente

Dato un insieme di tutti i comuni italiani e una relazione binaria su stabilendo che due comuni sono in relazione () se e solo se e si trovano nella stessa regione.

La relazione è chiaramente riflessiva, simmetrica e transitiva, quindi è una relazione di equivalenza su . Le classi di equivalenza sono le regioni italiane, mentre il quoziente consiste nell’insieme di tutte le regioni italiane.

Proposizione: due classi di equivalenza o sono disgiunte o coincidono

Data una relazione di equivalenza su un insieme e due elementi , se , allora :

Inoltre, se , cioè se , allora :

In particolare, due classi di equivalenza o sono disgiunte o coincidono.

Esempio: relazione di congruenza modulo

Consideriamo l’insieme e la relazione di equivalenza definita dalla congruenza modulo :

Questo significa che due numeri sono equivalenti se hanno lo stesso resto quando divisi per .

Le classi di equivalenza, in base alla relazione , sono i gruppi di numeri che danno lo stesso resto modulo . Ecco le classi di equivalenza possibili:

  • perché .
  • perché .
  • perché .

Verifichiamo la proposizione quindi in entrambi i casi:

  • Se , allora le classi di equivalenza ​ e ​ devono essere uguali. Ad esempio:
    • Se e , allora , quindi .
    • Se e , allora , quindi .
    In entrambi i casi, le classi di equivalenza coincidono.
  • Se , allora le classi di equivalenza ​ e ​ sono disgiunte, cioè non hanno elementi in comune. Ad esempio, se e , allora , quindi e e possiamo vedere che In questo caso, le classi di equivalenza sono disgiunte.

2.1 - Relazioni di equivalenza e partizioni

Osservazione: insieme quoziente partizione di

Data una relazione di equivalenza su un insieme , l’insieme quoziente è una partizione di , infatti:

  • Ogni è non vuota.
  • Due classi di equivalenza distinte sono disgiunte (per la proposizione precedente).
  • Per ogni , si ha .

Viceversa, data una partizione di A, la relazione su definita da:

è una relazione di equivalenza su , ovvero è riflessiva, simmetrica e transitiva (se e , allora poiché e è una partizione: perciò ), e .

Quindi, in sostanza, si può concludere che partizioni su e insiemi quozienti di sono la stessa cosa.

3 - Relazioni di ordine

Definizione: relazione di ordine

Dato un insieme , una relazione di ordine su (o, più semplicemente, un ordine o un ordinamento su ) è una relazione che rispetta le seguenti proprietà:

  • Riflessività: .
  • Antisimmetria: .
  • Transitività: .

L’insieme è detto ordinato e, per esplicitarne la relazione di ordine che insiste su di esso, si può scrivere come:

Esempio: ordine non-decrescente è una relazione di ordine

Un esempio canonico per la relazione di ordine è l’ordine non-decrescente su , cioè l’insieme:

Analogamente, è un ordine anche sugli insiemi , ed .

Notazioni alternative per le relazioni di ordine

Oltre al simbolo "", spesso per denotare le relazioni di ordine si usano altri simboli che in qualche misura gli somigliano, come "", "", "", "", ecc.

3.1 - Relazione di ordine totale

Definizione: relazione di ordine totale

Dato un insieme , una relazione di ordine su si dice totale (o lineare) se:

3.2 - Relazione di successione immediata e diagrammi di Hasse

Definizione: relazione di successione immediata

Dato un insieme ordinato , un elemento è un successore immediato di (e è un predecessore immediato di ), in simboli , se:

3.3 - Massimi e minimi di un ordine

Definizione: massimo e minimo di un ordine

Dato un insieme ordinato , un elemento si dice:

  • Massimo (rispetto a ) se .
  • Minimo (rispetto a ) se .

Esempi

L’ordine su ha minimo (il numero ), ma non ha massimo. L’ordine su non ha né minimo, né massimo. L’ordine sull’intervallo ha massimo (il numero ) ma non ha minimo. L’ordine su ha minimo (l’insieme ) e massimo (l’insieme ), poiché per ogni .

3.4 - Relazione di ordine stretto

Definizione: relazione di ordine stretto

Dato un insieme , una relazione binaria su si dice stretta se rispetta le seguenti proprietà:

  • Irriflessività: .
  • Transitività: .

3.5 - Relazione di pre-ordine

Definizione: relazione di pre-ordine

Dato un insieme , una relazione di pre-ordine su (o relazione di quasi-ordine) è una relazione che rispetta le seguenti proprietà:

  • Riflessività: .
  • Transitività: .

L’insieme è detto parzialmente ordinato e, per esplicitarne la relazione di ordine che insiste su di esso, si può scrivere come:

3.5.1 - Maggioranti e minoranti in una relazione di pre-ordine

Definizione: maggiorante, minorante, estremo superiore ed estremo inferiore

Dato un insieme parzialmente ordinato e un sottoinsieme :

  • Un maggiorante di è un elemento tale che .
  • Un minorante di è un elemento tale che .
  • Un estremo superiore di , denotato con "", è un elemento che è maggiorante di e tale che, per ogni , se è un maggiorante di , allora .
  • Un estremo inferiore di , denotato con "", è un elemento che è minorante di e tale che, per ogni , se è un minorante di , allora .

3.5.2 - Massimi e minimi di un pre-ordine

Definizione: massimo e minimo di un pre-ordine

Dato un insieme parzialmente ordinato , un elemento si dice:

  • Massimo (rispetto a ) se .
  • Minimo (rispetto a ) se .

4 - Reticoli

Definizione: reticolo

Un reticolo è un insieme parzialmente ordinato non vuoto in cui, per ogni coppia di elementi , esistono un estremo superiore e un estremo inferiore .

4.1 - Algebra reticolare

Definizione: algebra reticolare

Un’algebra reticolare è un insieme dotato di due operazioni binarie e per cui valgano le seguenti proprietà:

  • e .
  • e .
  • e .

5 - Grafi

Definizione: grafo

Un grafo è una coppia ordinata dove:

  • : è un insieme non vuoto i cui elementi sono detti vertici.
  • : è una relazione binaria su che è simmetrica e irriflessiva, cioè .

Se due vertici soddisfano la relazione binaria , essi si dicono adiacenti.

Fonti

  • Lezioni dei Prof. Chen Yu e Terracini Lea del corso di Matematica Discreta (canale C), Corso di Laurea in Informatica presso l’Università di Torino, A.A. 2023-24.
  • Lezioni del Prof. Radeschi Marco del corso di Algebra Lineare (canale C), Corso di Laurea in Informatica presso l’Università di Torino, A.A. 2023-24.
  • 🏫 Lezioni e slide del Prof. Viale Matteo del corso di Logica Matematica (canale B), Corso di Laurea in Informatica presso l’Università di Torino, A.A. 2024-25: