Math-Wiki - תרומות המשתמש [he]

88-195 בדידה לתיכוניסטים תשעא/מערך שיעור/שיעור 8

2022-08-15T13:56:03Z

שגיא401: /* אקסיומת הבחירה ואקסיומות שקולות */

'''[[מתמטיקה בדידה - מערך תרגול|חזרה למערכי התרגול]]'''

====הגדרת שרשרת בקס"ח====
'''הגדרה.''' קבוצה A אשר מוגדר עליה יחס סדר חלקי R נקראת קבוצה '''סדורה חלקית'''. תת קבוצה של קבוצה סדורה חלקית <math>C\subseteq A</math> נקראת '''שרשרת''' אם R מהווה יחס סדר מלא/משווה על C. כלומר לכל <math>c_1,c_2\in C</math> מתקיים כי <math>c_1Rc_2</math> או <math>c_2Rc_1</math>. שימו לב כי עבור <math>C=\{\}</math> (הקבוצה הריקה) היא תמיד שרשרת. גם לכל <math>a\in A</math> מתקיים כי עבור <math>C=\{a\}</math> היא תמיד שרשרת.

דוגמה פרטית וחשובה: עבור A שהיא קבוצה של קבוצות ו R הוא יחס ההכלה, שרשרת C היא קבוצה של חלק מהקבוצות ב A המקיימות כי כל שתי קבוצות ב C או שהראשונה מוכלת בשניה או שהשניה מוכלת בראשונה.

=אקסיומת הבחירה ואקסיומות שקולות=
'''אקסיומת הבחירה.''' תהי <math>\{A_i\}_i{\in I}</math> משפחה של קבוצות לא ריקות. אזי קיימת פונקציה <math>f:\{A_i\}_{i\in I}\rightarrow\bigcup_{i\in I}A_i </math> המקיימת <math>\forall i\in I:f(A_i)\in A_i</math>. במילים פשוטות: ניתן לבנות פונקציה הבוחרת נציג מכל קבוצה.

תחת אקסיומות ZF (רשימת של אקסיומות "סטנדרטיות", לא משנה אם שמעתם עליהם או לא), הדברים הבאים שקולים לאקסיומת הבחירה:

*'''הלמה של צורן.''': תהי A קבוצה סדורה חלקית '''לא ריקה''' כך שלכל שרשרת המוכלת בA קיים חסם מלעיל מA. אזי קיים בA איבר מקסימלי (איבר שאין איבר שונה ממנו הגדול ממנו).
*'''עקרון המקסימום של האוסדורף''': כל שרשרת מוכלת בשרשרת מקסימלית (שרשרת מקסימאלית = שרשרת שלא מוכלת ממש באף שרשרת אחרת. לחילופין, כל איבר שנוסיף לשרשרת תגרום לה לא להיות שרשרת)

===דוגמה===
תהי <math>f:A\rightarrow B</math> פונקציה. הוכח שקיים צמצום חח"ע של f בעל תמונה זהה ל-f.

==== הוכחה====
===== באמצעות אקסיומת הבחירה=====
נציג את A כאיחוד אוסף המקורות של כל התמונות של הפונקציה <math>A=\bigcup_{b\in im(f)}f^{-1}\Big[\{b\}\Big]</math>. לפי אקסיומת הבחירה ניתן לבנות פונקציה
<math>g:\Big\{f^{-1}\Big[\{b\}\Big]:b\in im(f)\Big\}\rightarrow A</math> השולחת כל קבוצת מקורות לנציג כלשהו שלה.

נוכיח כי <math>h:=f|_{im(g)}</math> הינה חח"ע והתמונה שלה שווה לזו של f. נניח <math>h(a)=h(b)</math> לכן <math>a,b\in f^{-1}\Big[\{h(a)\}\Big]</math> אבל כל מקור של תמונה נשלח לנציג '''יחיד''' על ידי g אחרת זו סתירה לחד ערכיות ולכך ש-g הינה פונקציה. כמו כן, מכיוון שמכל מקור נבחר נציג, כל התמונה של f מתקבלת.

===== באמצעות הלמה של צורן=====
נביט באוסף תתי הקבוצות של A כך שהצמצום של f עליהן חח"ע. (האוסף לא ריק כי תמיד אפשר להצטמצם לקבוצה הריקה)

ט: תהא <math>\{A'_i\}_{i\in I}</math> שרשרת כלשהיא של קבוצת שהצמצום של f עליהם חח"ע אזי הצמצום של f על <math>\hat{A}:=\bigcup_{i\in I}A'_i</math> ג"כ חח"ע

ה: יהיו <math>x\not=y \in \hat{A}</math> אזי קיים <math>j,i\in I</math> כך ש <math>x \in A'_i, y \in A'_j</math>. כיוון שמדובר בשרשרת (היחס מצומצם אליה הוא יחס מלא) אזי

או ש <math>A'_i \subseteq A'_j</math> או <math>A'_j \subseteq A'_i</math> נניח בה"כ <math>A'_j \subseteq A'_i</math> אזי <math>x\not= y \in A'_i </math>
כיוון שהצמצום של f על <math>A'_i</math> היא חח"ע נקבל כי <math>f(x)\not=f(y)</math>

לפי הלמה של צורן קיים <math>\hat{A}\subseteq A </math> מקסמאלית כך ש f מצומצמת עליה חח"ע.

ט: <math>im(f|_{\hat{A}})=im(f)</math>

ה: אחרת קיים <math>y\in im(f)/ im(f|_{\hat{A}})</math> נבחר מקור <math>x\in A</math> ל <math>y</math>
ואז <math>\hat{A}\cup \{x\}</math> קבוצה שמכילה ממש את <math>\hat{A}</math> והצמצום של f עליה חח"ע. סתירה.

=====באמצעות עקרון המקסימום של האוסדורף=====
נגדיר <math>\mathcal{O}= \{A'\subseteq A\mid f|_{A'} \text{ is 1-1 function }\}</math> להיות קבוצה כל תתי הקבוצות של A שהצמצום של f עליהם היא חח"ע. נסתכל על הקסח <math>\mathcal{O}</math> עם יחס ההכלה. ונסתכל על השרשרת <math>\{\emptyset\}</math> (שימו לב שהצמצום לפונקציה הריקה היא הפונקציה (הקבוצה) הריקה והיא חח"ע).
לפי עקרון המקסימום של האוסדורף קיימת שרשרת מקסמאלית C המכילה את <math>\{\emptyset\}</math>. נגדיר <math>\hat{A} = \cup_{A'\in C}f</math>.

ט: צמצום f על <math>\hat{A}</math> היא חח"ע

ה: נניח <math>x_1\neq x_2\in \hat{A}</math> אזי קיימות <math>A'_1,A'_2\in C</math> כך ש <math>x_i\in A'_i</math>. מכיוון ש C שרשרת נקבל ש <math>A'_1\subseteq A'_2</math> או להיפך. בה"כ <math>A'_1\subseteq A'_2</math> ולכן <math>x_1,x_2\in A'_2</math> ומכיוון שהצמצום של f על <math> A'_2</math> היא חח"ע, נקבל כי <math>x_1,x_2</math> ממופים לתמונת שונות כנדרש.

ט: התמונה של הצמצום של f על <math>\hat{A}</math> היא <math>Im(f)</math>, כלומר <math>Im(f|_{\hat{A}})=Im(f)</math>

ה: נב"ש שקיים <math>b\in Im(f)</math> שאין לו מקור ב <math>\hat{A}</math> אזי, לפי הגדרת התמונה של f, קיים <math>a\in A</math> (כך ש <math>a\notin \hat{A}</math>) המקיים כי <math>f(a)=b</math>. נקבל כי <math>\hat{A}\cup \{a\}</math> מכילה ממש את <math>\hat{A}</math> והצמצום עליה חח"ע (השתכנעו!) ולכן אם נוסיף את <math>\hat{A}\cup \{a\}</math> לשרשרת C נקבל שרשרשת שמכילה ממש את C בסתירה למקסמאליות של C.

===תרגיל ממבחן תשס"ט מועד א' (ד"ר שי סרוסי וד"ר אלי בגנו)===
קבוצה נקראת "מגניבה" אם ההפרש בין כל שני איברים שונים בה אינו רציונאלי.

1. הוכח כי קיימת קבוצה מגניבה C כך שלכל <math>C\subset B</math> מתקיים כי B אינה מגניבה.

2. כמו כן, הוכח שמתקיים שלכל איבר שאינו ב-C יש איבר מ-C אשר ההפרש בינהם רציונאלי.

====הוכחה====
הוכחת 1. שקולה ללהוכיח כי קיימת קבוצה מגניבה C מקסימאלית ביחס להכלה. נוכיח:

===== לפי הלמה של צורן =====
נביט באוסף הקבוצות המגניבות וביחס ההכלה (האוסף לא ריק כי כל נקודון הוא קבוצה מגניבה). לכל שרשרת של קבוצות מגניבות מתקיים כי האיחוד הכללי שלהן הינו קבוצה מגניבה. אמנם, אם x,y באיחוד הכללי אזי קיימות קבוצות בשרשרת S,T כך ש <math>x\in S \and y\in T</math>. מכיוון שזו שרשרת, ניתן ללא הגבלת הכלליות לומר כי <math>S\subseteq T</math> ולכן <math>x,y\in T</math> ולכן ההפרש בינהן אינו רציונאלי כפי שרצינו.

אם כן, האיחוד הכללי הינו חסם מקסימלי של השרשרת (כי הוא מכיל את כל הקבוצות בשרשרת) מתוך אוסף הקבוצות המגניבות, ולכן לפי הלמה של צורן קיימת קבוצה מגניבה מקסימלית ביחס להכלה. זה אומר שכל קבוצה מגניבה המכילה את C שווה לה.
===== לפי עקרון המקסימום של האוסדורף =====
נגדיר <math>\mathcal{O}</math> אוסף הקבוצות המגניבות, סדורה ע"י הכלה. מתקיים כי <math>\{\emptyset\}</math> שרשרת ולכן היא מוכל בשרשרת מקסימאלית <math>\mathcal{C}</math>.
נגדיר <math>C=\cup_{C'\in \mathcal{C}}</math>

ט: C מגניבה

ה: אם x,y ב C אזי קיימות קבוצות בשרשרת <math>S,T\in \mathcal{C}</math> כך ש <math>x\in S \and y\in T</math>. מכיוון שזו שרשרת, ניתן ללא הגבלת הכלליות לומר כי <math>S\subseteq T</math> ולכן <math>x,y\in T</math> ולכן ההפרש בינהן אינו רציונאלי כפי שרצינו.

ט: C מגניבה ''' מקסימאלית''' (ביחס להכלה)

ה: נב"ש כי קיימת <math>\hat{C}</math> קבוצה מגניבה שמכילה ממש את C אזי <math>\mathcal{C}\cup \{\hat{C}\}</math> היא שרשרת שמכילה ממש את <math>\mathcal{C}</math> בסתירה למקסמאליות של <math>\mathcal{C}</math>

2. נב"ש שקיים איבר שאין לו הפרש רציונאלי עם אף איבר בC. אזי אם נוסיף אותו לC נקבל קבוצה מגניבה המכילה ממש את C בסתירה.

===תרגיל===
הוכח שלכל מרחב וקטורי קיים בסיס (גם אם המרחב אינו מימד סופי)

====הוכחה====
יהיה<math> V </math> מרחב וקטורי. ונרצה להוכיח שקיים בסיס למרחב
===== לפי הלמה של צורן =====
נביט באוסף הקבוצות הבלתי תלויות שלו
<math>\{B\subseteq V| B \; is \; linearly \; independent \}</math>. (האוסף לא ריק כי קבוצה ריקה היא קבוצה בת"ל)
תהא <math>\{B_i\}_{i\in I}</math> שרשרת של קבוצות בת"ל.

ט: <math>B:=\bigcup_{i\in I}B_i</math> הינו חסם מלעיל של השרשרת (כלומר צ"ל ש <math>B</math> בת"ל

ה: יהיה <math>\alpha_1 v_1 +\cdots +\alpha_n v_n =0</math> צ"ל של וקטורים מ B שמתאפס אזי כל וקטור שייך לאיזה שהוא <math>B_j</math>. כיוון שמדובר בשרשרת אזי כל הוקטורים נמצאים באותה קבוצה.
כלומר <math>\exists k\in I \forall i : v_i \in B_k</math> כיוון ש <math>B_k</math> קבוצה בת"ל נקבל שכל המקדמים שווים לאפס.

לכן יש קבוצה <math>B</math> בת"ל מקסימלית

ט: <math>B</math> פורשת (ולכן מהווה בסיס).

ה: אחרת קיים <math>v\in V\backslash span(B)</math> אבל אז <math>B\cup \{v\} </math> מכילה ממש את B וגם בת"ל. סתירה למקס' של B.

===== לפי עקרון המקסימום של האוסדורף =====
נגדיר <math>\mathcal{O}</math> אוסף הקבוצות הבלתי תלויות שמוכלות במרחב. כלומר <math>\{B\subseteq V| B \; is \; linearly \; independent \}</math>. בקס"ח <math>\mathcal{O}</math> סדורה ע"י הכלה מתקיים כי <math>\{\emptyset\}</math> היא שרשרת (קבוצה ריקה היא בת"ל) ולכן היא מוכל בשרשרת מקסימאלית C. נגדיר <math>B=\cup_{B'\in C}B'</math>

ט: <math>B</math> בת"ל

ה: יהיה <math>\alpha_1 v_1 +\cdots +\alpha_n v_n =0</math> צ"ל של וקטורים מ B שמתאפס אזי כל וקטור שייך לאיזה שהוא <math>B_j\in C</math>. כיוון ש C שרשרת אזי כל הוקטורים נמצאים באותה קבוצה.
כלומר <math>\exists k\in I \forall i : v_i \in B_k</math> כיוון ש <math>B_k</math> קבוצה בת"ל נקבל שכל המקדמים שווים לאפס.

ט: <math>B</math> פורשת (ולכן מהווה בסיס).

ה: אחרת קיים <math>v\in V\backslash span(B)</math> אבל אז <math>B\cup \{v\} </math> מכילה ממש את B וגם בת"ל. ולכן אם נוסיף קבוצה זאת ל C נקבל שרשרת שמכילה ממש את C בסתירה למקסימאליות של C.

===תרגיל===
תהיינה <math>a<b</math> עוצמות אינסופיות, ותהי קבוצה B כך ש <math>|B|=b</math>

א. הוכח כי קיימת ל-B תת קבוצה A מעוצמה a

ב. הוכח כי B היא איחוד זר של קבוצות אשר כל אחת מהן מעוצמה a.

====פתרון====

א. מההגדרה של השוואת עוצמות, קיימת פונקציה חח"ע מקבוצה בעוצמת a אל תוך B. התמונה של פונקציה זו הינה תת קבוצה A בתוך B מעוצמה a.

סעיף ב. נוכיח במספר דרכים:

===== לפי הלמה של צורן =====
נביט באוסף כל האוספים של תתי קבוצות זרות של B שכל אחת מהן מעוצמה a. (האוסף לא ריק לפי סעיף קודם)

תהא <math>\{B_i\}_{i\in I}</math> שרשרת של קבוצות כך שכל אחת <math>B_i\in P(P(A)) </math> אוסף של תתי קבוצות זרות של B מעוצמה a.

ט: <math>X:=\bigcup_{i\in I}B_i</math> הינו חסם מלעיל של השרשרת.

ה: לכל 2 תתי קבוצות של B ששיכות ל X קיים <math>i\in I</math> כך ששתי תתי הקבוצות שיכות ל <math>B_i</math> ולכן זרות.
בנוסף כל תת קבוצה של B ששיכת ל X שייכת ל <math>B_i</math> כלשהוא ולכן מעוצמה a.

לפי הלמה של צורן קיים אוסף מקס' S

אם <math>\bigcup S=B</math> אז סיימנו

אחרת <math>D:=B/\bigcup S</math> לא ריקה. אם העוצמה של D גדולה שווה מ a אזי יש לה תת קבוצה מעוצמה a שנוכל לצרף ל S וזה יהיה סתירה למקס' של S.
אם העוצמה שלה קטנה מ a אז נוכל לצרף אותה לאחת מהקבוצות ב<math>S</math> ואז נקבל אוסף של קבוצות מעוצמה a שאיחודם שווה B.

===== לפי עקרון המקסימום של האוסדורף =====
נגדיר <math>\mathcal{O}</math> קבוצת כל האוספים של תתי קבוצות זרות של B שכל אחת מהן מעוצמה a. בקס"ח <math>\mathcal{O}</math> עם הכלה מתקיים כי <math>\{\{A\}\}</math> היא שרשרת כאשר A היא תת קבוצה של B מעוצמה a שקיימת לפי סעיף א. כעת לפי עקרון המקסימום, קיימת שרשרת C מקסימאלית. נגדיר <math>T=\cup_{T'\in C}T'</math>

ט: <math>T\in \mathcal{O}</math>

ה: יהיו <math>A_1,A_2\in T</math> אזי קיימות <math>T'_1,T'_2</math> כך ש <math>A_i\in T'_i</math> ומכיוון ש C שרשרת <math>T'_1\subseteq T'_2</math> או להיפך. נניח בה"כ כי <math>T'_1\subseteq T'_2</math> ולכן <math>A_1,A_2\in T'_2</math> ומכיוון ש <math>T'_2\in \mathcal{C}</math> נקבל כי <math>A_1,A_2</math> זרות ומעוצמה a כנדרש

כעת נגדיר <math>B'=\cup_{A'\in T}A'</math> ונגדיר <math>\hat{B}=B\setminus B'</math> .

אם <math>a<|\hat{B}|</math> אז לפי סעיף א' קיימת לה תת קבוצה <math>\hat{A}</math> מעוצמה a. לפי הגדרה <math>\hat{B}</math> מתקיים כי <math>\hat{A}</math> זרה לכל קבוצה ב T ולכן <math>T\cup \{\hat{A}\}\in \mathcal{O}</math> ואם נוסיף אותה ל C נקבל שרשרת שמכילה ממש את C בסתירה למקסימאליות של C.

לכן <math>|\hat{B}|\leq a</math> ונבחר קבוצה אחת A ששייכת T (קיימת לפי סעיף א) ונחליף אותה ב <math>A\cup\hat{B}</math>. מכיוון ש a עוצמה אינסופית נקבל כי <math>A\cup\hat{B}</math> מעוצמה a גם כן (בצירוף <math>|\hat{B}|\leq a</math>) וקיבלנו כעת קבוצות זרות שכל אחת מעוצמה a שהאיחוד של כולם שווה ל B כנדרש

===תרגיל===

תהא <math>X</math>. קבוצה <math>F\subseteq P(X)</math> תקרא בוב אם:

א. <math>X\in F</math>

ב. <math>B,C\in F \Rightarrow B\cap C \in F</math> (סגורה לחיתוכים סופיים)

ג. <math>B \in F \land B\subset C \Rightarrow C\in F</math> (סגורה כלפי מעלה)

תהא קבוצה <math>A\subseteq P(X)</math> שכל חיתוך סופי של קבוצות בה שונה מקבוצה ריקה. הוכיחו: קיים <math>F\neq P(X)</math> בוב מקסימאלי שמכיל אותה.

88-195 בדידה לתיכוניסטים תשעא/מערך שיעור/שיעור 2

2022-06-29T15:12:13Z

שגיא401: /* תרגיל */

'''[[מתמטיקה בדידה - מערך תרגול|חזרה למערכי התרגול]]'''

==מכפלה קרטזית==
הגדרה: '''המכפלה הקרטזית''' של שתי קבוצות A וB הינה אוסף כל ה'''זוגות הסדורים''' - <math>A\times B = \{(a,b)|a\in A \and b\in B\}</math>. ההבדל בין זוג סדור לבין קבוצה המכילה זוג איברים היא שהאיברים יכולים להיות שווים בזוג סדור, והסדר שלהם מהותי. כלומר שני האיברים הבאים שונים <math>(1,2),(2,1)</math> והאיבר הבא הינו זוג חוקי <math>(1,1)</math>.

ניתן להכליל את ההגדרה לעיל לn-יה סדורה - כלומר n איברים מסודרים.

דוגמא: <math>A=\{1,2,3\}</math> ו<math>B=\{a,b\}</math> אזי מתקיים <math>A\times B =\{(1,a),(2,a),(3,a),(1,b),(2,b),(3,b)\}</math>

ניתן להגדיר זוגות סדורים באמצעות הגדרת הקבוצות בלבד, כפי שנראה בתרגיל הבא:

===תרגיל (בשיעורי הבית בד"כ)===
הוכח/הפרך:

1. <math>[(a=c)\and(b=d)]\iff \{\{a\},b\}=\{\{c\},d\}</math>

2. <math>[(a=c)\and(b=d)]\iff \{\{a\},\{a,b\}\}=\{\{c\},\{c,d\}\}</math>

====פתרון====

1. הפרכה ע"י הדוגמא הנגדית <math>a=2,b=\{3\},c=3,d=\{2\}</math>

2.

הוכחה: הכיוון משמאל לימין הוא ברור. מימין לשמאל, נניח והקבוצות שוות אזי <math>\{a\}=\{c\}</math> או ש <math>\{a\}=\{c,d\}</math>.

במקרה הראשון, נובע a=c ובמקרה השני נובע a=c=d, כך או כך a=c. כעת, <math>\{a,b\}=\{c,b\}=\{c\}</math> או <math>\{c,b\}=\{c,d\}</math> ונובע משניהם ש b=d.

לכן, ניתן להגדיר זוג סדור על ידי קבוצות בלבד (באופן דומה לכך שכל המתמטיקה פחות או יותר נבנת על קבוצות בלבד).

===תרגיל===
הוכיחו או הפריכו:

א. לכל קבוצות A,B,C מתקיים <math>A\times(B\cap C)=(A\times B)\cap(A\times C)</math>

ב. לכל קבוצות <math>A,B,C,D</math> מתקיים: <math>(A\times B)\cup (C\times D)=(A\cup C)\times (B\cup D)</math>

====פתרון====
א. הוכחה: <math>(x,y)\in A\times(B\cap C) \iff (x\in A) \and [(y\in B)\and (y\in C)] \iff [(x\in A)\and(y\in B)] \and [(x\in A)\and(y\in C)] \iff (x,y)\in[(A\times B)\cap(A\times C)]</math>

ב. הפרכה: אפשר פשוט לקחת <math>A=\{1\},B=\{2\},C=\{3\},D=\{4\}</math>. אפשר גם לקחת <math>A=B=[0,1],C=D=[1,2]</math>, ולהראות את המלבנים המתאימים שיוצאים בשני הצדדים - זה אולי יותר ממחיש את המכפלה.

==יחסים כתת קבוצה של הזוגות הסדורים==
הגדרה: יהיו A,B קבוצות, <math>R\subseteq A\times B</math> יקרא יחס (מ A ל -B).
הרעיון שעומד בבסיסו של יחס הוא האפשרות "לקשר" בין איברי A ל B.
דוגמא: <math>A=\{1,2,3\},B=\{0,2,6\}</math> ונביט בתת הקבוצה <math>R\subseteq A\times B</math> הבאה: <math>R=\{(1,2),(1,6),(2,2),(2,6),(3,6)\}</math>. מה מיוחד בזוגות אלה?

זוגות אלה הינן כל זוגות האיברים (a,b) כך ש <math>a\leq b</math>. (כלומר הגדרנו את היחס המייצג "קטן שווה")

הערה: יחס לא חייב לייצג חוקיות מסוימת למשל גם הקבוצה <math>S=\{(1,2),(1,6),(2,0),(2,2)\}</math> היא יחס. גם <math>\emptyset</math> היא יחס. וגם <math>A\times B</math> הוא יחס.

סימון: אם זוג מסוים, (a,b), נמצא בקבוצת היחס R נהוג לסמן aRb. (אם יש משמעות ליחס כמו לעיל ניתן גם לסמן פשוט <math>a\leq b</math>.

דוגמא: נביט בקבוצת האנשים A. נגדיר את יחס "בן של" על ידי קבוצת הזוגות הסדורים <math>R\subseteq A\times A</math> כך ש <math>(x,y)\in R</math> אם"ם x הוא בן של y. שימו לב שיש משמעות לכיוון היחס, שכן יש הבדל בין העובדה שאני הבן של מישהו לבין העובדה שהוא הבן שלי.

===תכונות של יחסים על קבוצה===
הגדרה: יחס R על קבוצה A פירושו <math>R\subseteq A\times A</math>

תהי קבוצה A ויחס R עליה אזי
#R נקרא '''רפלקסיבי''' אם כל איבר מקיים את היחס עם עצמו ( מתקיים <math>\forall a\in A:(a,a)\in R</math>)
#R נקרא '''סימטרי''' אם aRb גורר שגם bRa (מתקיים <math>\forall a,b\in A:[(a,b)\in R \rightarrow (b,a)\in R]</math>)
#R נקרא '''טרנזיטיבי''' אם יחס בין ראשון לשני, ויחס בין השני לשלישי גורר יחס בין הראשון לשלישי (מתקיים <math>\forall a,b,c\in A:[((a,b)\in R) \and ((b,c)\in R) \rightarrow ((a,c)\in R)]</math>)
#R נקרא '''אנטי סימטרי (חלש)''' אם aRb וגם bRa גורר כי a=b (מתקיים <math>\forall a,b\in A:[(a,b)\in R \and (b,a)\in R \rightarrow a=b]</math>)

דוגמאות:
*יחס 'שיוויון' הינו רפלקסיבי, סימטרי, טרנזיטיבי ואנטי-סימטרי.
*יחס 'קטן שווה' הינו רפלקסיבי, טרנזיטיבי ואנטי סימטרי.
*יחס 'קטן ממש' הינו טרנזיטיבי ואנטי-סימטרי.
*יחס 'שיוויון מודולו n' הינו רפלקסיבי, סימטרי וטרנזיטיבי.
*יחס 'הכלה' הינו רפלקסיבי, טרנזיטיבי ואנטי-סימטרי.
*יחס 'a מחלק את b' (על הטבעיים) הינו רפלקסיבי, טרנזיטיבי ואנטי-סימטרי.
*יחס 'a מחלק את b' (על השלמים) הינו רפלקסיבי, טרנזיטיבי.
*יחס 'אדם x שמע על אדם y' הינו רפלקסיבי.
==== תרגיל (חשוב)====
מצאו יחסים על הקבוצה <math>\{1,2,3\}</math> עם התכונות הבאות:
* יחס רפלקסיבי
*יחס סימטרי
*יחס אנטי סימטרי
*יחס טרנזיטיבי
*יחס סימטרי ואנטי סימטרי
*יחס טרנזיטיבי וסימטרי
* יחס רפלקסיבי, סימטרי ולא טרנזיטיבי
*עוד לבקשת הקהל

==== תרגיל ====
לכל <math>x</math> ממשי, נגדיר את הערך התחתון שלו <math>\lfloor x\rfloor</math> להיות המספר השלם הגדול ביותר <math>z</math> המקיים <math>z\leq x</math>. למשל <math>\lfloor2.3\rfloor=2</math> למשל <math>\lfloor\pi\rfloor=3</math> למשל <math>\lfloor-2.3\rfloor=-3</math>.

נגדיר <math>R=\left\{ \left(x,\lfloor x\rfloor\right)\,\mid x\in\mathbb{R}\right\}</math> שהוא יחס על <math>\mathbb{R}</math>. קבעו האם הוא רפלקסיבי/סימטרי/אנטי-סימטרי/טרנזיטיבי.

==יחסי שקילות==
הגדרה: תהא A קבוצה ו-R יחס עליה. R יקרא יחס שקילות אם הוא
#רפלקסיבי
#סימטרי
#טרנזיטיבי

דוגמא: תהא <math>A=\{1,2,3,4,5,6\}</math>. נגדיר תת הקבוצות <math>A_1=\{1,3\},A_2=\{2,4,5\},A_3=\{6\}</math>

נגדיר יחס R על A כך <math>\exist 1\leq i \leq 3 : x,y\in A_i \Leftrightarrow xRy</math>

טענה R יחס שקילות

הוכחה:

1. רפלקסיביות - נניח <math>x\in A</math> לכן x שייך ל <math>A_i</math> עבור i מסוים (שכן האיחוד שלהן שווה לA) ולכן <math>(x,x)\in R</math>.

2. סימטריות - נניח <math>(x,y)\in R</math> אזי <math>x,y\in A_i</math> עבור i מסוים, מכיוון שאין משמעות לסדר שייכות לקבוצה, נובע שגם <math>(y,x)\in R</math>.

3. טרנזיטיביות - נניח <math>[(x,y)\in R] \and [(y,z)\in R]</math> אזי קיימים i,j כך ש <math>x,y\in Aֹ_i</math> וגם <math>y,z\in A_j</math>. לכן <math>y\in A_i\cap A_j</math>. מכיוון שהחיתוך בין תתי הקבוצות הוא ריק מוכרח להיות ש<math>A_i=A_j</math> ולכן <math>x,y,z\in A_i</math> ולכן <math>(x,z)\in R</math> כפי שרצינו.

הגדרה: תהא A קבוצה. '''חלוקה''' של A היא חלוקה של A לקבוצות זרות. באופן פורמלי קיימות תת קבוצות <math>\{A_i\}_{i\in I}</math>
כך ש:
* <math>\forall i\in I: A_i \neq \emptyset </math>
* <math>\cup _{i\in I} A_i =A </math> כלומר האיחוד של כל תתי הקבוצות שווה לקבוצה כולה
* הן '''זרות''' זו לו = החיתוך בין כל שתי תתי קבוצות הוא ריק (<math>\forall i\not= j\in I : A_i\cap A_j = \phi </math>)

כפי שראינו בדוגמה הקודמת חלוקה של A מגדירה יחס שקילות (אמנם זה "רק" דוגמא אבל ניתן להוכיח את המקרה הכללי באותו אופן).

'''הערה:''' אפשר להציג את היחס על <math>P(X)</math> שמוגדר ע"י <math>A\sim B\iff A\cap S=B\cap S </math> (כאשר S ת"ק קבועה), אם כי זה נעשה בשיעורי הבית. מוזמנים לקחת קבוצות S,X קונקרטיות ולתאר בצורה מדויקת איך היחס נראה ("איך היחס נראה" זה לא שאלה מוגדרת היטב - הכוונה שתוודאו שאתם יודעים להסביר לעצמכם מה הולך שמה).
בנוסף, חשבו מה קורה ביחסים:
# <math>A\sim B\iff A\cup S=B\cup S </math>
# <math>A\sim B\iff A\triangle S=B\triangle S </math>

====תרגיל====
נגדיר על <math>\mathbb{R}</math> ארבעה יחסים <math>Q,R,S,T</math> באופן הבא: לכל <math>x,y\in \mathbb{R}</math>:

<math>xQy\iff x-y=17</math>

<math>xRy\iff x-y\in \mathbb{N}\cup \{0\}</math>

<math>xSy\iff x-y\in 2\mathbb{Z}\cup 3\mathbb{Z}</math>.

<math>xTy\iff x-y\in \mathbb{Z}</math>.

בדקו עבור כל אחד מהם האם הוא יחס שקילות.

=====פתרון=====

<math>Q</math> לא כיון שלא רפלקסיבי, שהרי לכל <math>x\in \mathbb{R}</math> (ובפרט קיים לפחות אחד) <math>x-x=0\neq 17</math>.

<math>R</math> אמנם רפלקסיבי, אך לא סימטרי.

<math>S</math> לא טרנזיטיבי: <math>2S6\land 6S3</math> אבל לא נכון ש-<math>2S3</math>.

<math>T</math> כן יחס שקילות:

רפלקסיביות: יהי <math>x\in \mathbb{R}</math>, אז <math>x-x=0\in \mathbb{Z}</math>.

סימטריות: <math>xTy\Rightarrow \exists a\in \mathbb{Z} :x-y=a \Rightarrow y-x=-a\in \mathbb{Z} \Rightarrow yTx</math>.

טרנזיטיביות: <math>xTy\land yTz\Rightarrow \exists a\in \mathbb{Z}: x-y=a \land \exists b\in \mathbb{Z}: y-z=b\\ \Rightarrow x-z=x-y+y-z=a+b\in \mathbb{Z}</math>.

===מחלקות שקילות וקבוצת המנה===
הגדרה:

יהא R יחס שקילות על A אזי

# לכל <math>x\in A</math> מוגדרת '''מחלקת השקילות של x ''' להיות <math>\bar{x}=[x]_R:=\{y\in A | (x,y)\in R\} </math>
# ''' קבוצת המנה ''' מוגדרת <math>A/R := \{ [x]_R | x\in A\} </math>

למשל, בדוגמא הראשונה <math>A_1,A_2,A_3</math> הן מחלקות השקילות. קבוצת המנה היא <math>A/R=\{A_1,A_2,A_3\}</math>

משפט: יהא R יחס שקילות על A אזי
# לכל <math>x,y\in A</math> מתקיים <math>[x]=[y]</math> או <math>[x]\cap [y] =\phi </math> (כלומר מחלקות השקילות זרות)
# <math>A=\bigcup_{[x]\in A/R}[x]</math> כלומר (איחוד מחלקות השקילות תתן את כל A)
הערה: זה בדיוק אומר שמיחס שקילות ניתן להגיע לחלוקה של A

מסקנה:
תהא A קבוצה אזי יש התאמה {<math>R</math> יחס שקילות על A }
<math>\leftrightarrow</math> {חלוקות של A}

חידוד: מהותו העיקרית של יחס שקילויות הוא לשים לב לשקילות מסוימת בין אברים שונים (כמו שיוויון) ולצמצם את החזרות המיותרות על ידי קיבוץ כל האיברים השקולים לקבוצה אחת.
====תרגיל====
כמה יחסי שקילות שונים יש על <math>A=\{1,2,3\}</math>? פתרון: נספור לפי חלוקות ונגלה כי התשובה היא 5.
====תרגיל====
תהי <math>A=\{1,2,3\}</math> קבוצה. השלם את היחסים הבאים מעליה על מנת שיקיימו את התכונות הנדרשות בשאלה (השלם - כלומר הוסף זוגות סדורים '''הכרחיים'''):
*השלם את <math>R=\{(1,2)\}</math> להיות יחס סימטרי וטרנזיטיבי. האם אחרי ההשלמה קיבלת יחס שקילות?
*השלם את הקבוצה הריקה ליחס שקילות. איך קוראים ליחס שקיבלת? מהן מחלקות השקילות?

=====פתרון=====
1. <math>R=\{(1,2),(2,1),(1,1),(2,2)\}</math> זה אינו יחס שקילות מכיוון שאינו רפלקסיבי - (3,3) חסר.

2. <math>R=\{(1,1),(2,2),(3,3)\}</math>. זהו יחס השיוויון, מחלקות השקילות שלו הינן [1],[2],[3].

====תרגיל====
ראינו לעיל יחס <math>T\subseteq \mathbb{R}\times \mathbb{R}</math> (המוגדר ע"י שההפרש שייך לשלמים) והראינו שהוא יחס שקילות. הוכיחו:

א. <math>x\in \mathbb{R}\smallsetminus \mathbb{Q}\Rightarrow [x]_T\subseteq \mathbb{R}\smallsetminus \mathbb{Q}</math>.

ב. אם <math>x,y\in [0,1)</math> שונים אז <math>[x]_T\neq [y]_T</math>.

ג. <math>\forall x\in \mathbb{R} \exists y\in [0,1): [x]_T=[y]_T</math>.

=====פתרון=====
א. יהי <math>x\in \mathbb{R}\smallsetminus \mathbb{Q}</math> ונניח בשלילה שקיים <math>q\in \mathbb{Q}\cap [x]_T</math>. נקבל שקיים <math>a\in \mathbb{Z}</math> כך ש <math>x-q=a</math> ולכן <math>x=a+q\in \mathbb{Q}</math> בסתירה (סגירות הרציונאליים).

ב. יהיו <math>x\neq y</math>. בה"כ <math>x>y</math>, ולכן <math>x-y>0</math>. מאידך, כיון ששניהם בין 0 ל-1 נקבל <math>x-y<1</math>, ולכן ההפרש בהכרח לא שלם, ולכן הם לא שקולים.

ג. כל מספר כשמחסרים ממנו את הערך השלם התחתון שלו מקבלים משהו בין 0 ל-1, והם שקולים כי ההפרש הוא הערך השלם התחתון, שהוא, מהגדרתו, מספר שלם.

====תרגיל====

על <math>\mathbb{R}\times \mathbb{R}</math> נגדיר יחס <math>\sim</math> לפי זה שלכל <math>(x_1,y_1),(x_2,y_2)</math>:

<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff x_1^2+y_1^2=x_2^2+y_2^2</math>.

הוכיחו שזהו יחס שקילות ('''חשוב להדגיש איך בודקים יחס שקילות על זוגות סדורים!!!'''). מהי, מבחינה גיאומטרית מחלקת השקילות של <math>(0,1)</math>? ומהי, מבחינה גיאומטרית, קבוצת המנה?

=====פתרון=====

מעגל עם רדיוס 1 מסביב לראשית. קבוצת המנה - אוסף המעגלים מסביב לראשית (כלומר: קבוצה של קבוצות של זוגות סדורים שהם הנק' על כל מעגל לפי הרדיוס שלו).

==== תרגיל ====
תהא <math>A</math> קבוצה ותהא <math>S\subseteq A</math> ת"ק שלה. נגדיר יחס <math>\sim</math> על <math>P(A)</math>
ע"י הכלל <math>B_1\sim B_2 \iff B_1 \cup S=B_2\cup S</math>

* הוכיחו כי זהו יחס שקילות.
* עבור <math>S=\{1,7,9,10\},A=\{1,2,\dots 10\}</math> מצאו את מספר האיברים ב <math>P(A)/\sim</math>

=====פתרון=====
* יש לבדוק פשוט שהתכונות של יחס שקילות מתקיימות לפי הגדרת היחס הנתון.
* נשים לב ששתי קבוצות ב-(P(A שקולות זו לזו אם ורק אם הן נבדלות זו מזו רק באיברים השייכים ל-S (אפשר להוכיח), כלומר: אם ההפרש הסימטרי שלהן מוכל ב-S. לכן, אם אנו רוצים לספור מחלקות שקילות (שונות), עלינו לספור כמה אפשרויות יש לחלק של ההפרש הסימטרי שאינו מוכל ב-S (החלק שמוכל אינו משפיע). כיוון שחלק זה יכול להיות כל תת קבוצה של המשלים של S (ביחס ל-A), וכיוון שבמשלים זה יש 6 איברים, נקבל שישנן 6^2 אפשרויות, ולכן זהו מספר מחלקות השקילות, כלומר: גודל קבוצת המנה.

===דוגמא חשובה - הגדרת הרציונאליים ===
נביט בקבוצת המכפלה הקרטזית של השלמים עם עצמם <math>\mathbb{Z}\times \mathbb{N} </math>. נסתכל על ההתאמה <math>(a,b)\leftrightarrow\frac{a}{b}</math> האם תחת ההתאמה הזו ניתן להגדיר את הרציונאליים באמצעות המכפלה הקרטזית לעיל בלבד?

תשובה: לא. למשל, <math>\frac{2}{6}=\frac{1}{3}</math> ואילו <math>(2,6)\neq (1,3)</math>. כלומר, המכפלה הקרטזית מכילה חזרות מיותרות לעומת הרציונאליים.

נרצה איפוא, להגדיר יחס שקילות על הזוגות הסדורים של מספרים שלמים כך שכל שני שברים שקולים יהיו ביחס. שימו לב שאנו מגדירים יחס על קבוצת זוגות סדורים, ולכן האיברים ביחס הינם זוגות סדורים של זוגות סדורים. נגדיר
<math>R</math> על <math>\mathbb{Z}\times \mathbb{N} </math> ע"י

<math>(x,y)R(z,w) \iff xw=zy</math> (כלומר אם מתקיים עבור השברים <math>\frac{x}{y}=\frac{z}{w}</math>)

נוכיח רק טרנזיטיביות:
נניח <math>(x,y)R(z,w), (z,w)R(a,b) </math>
אזי <math> xw=zy, zb=aw </math> (צ"ל <math> xb=ay </math>)

כייון ש <math> w \not=0 </math> נקבל כי <math>x=\frac{zy}{w}</math> ולכן <math>xb=\frac{zby}{w}=\frac{awy}{w}=ay</math> כנדרש.

ומי שלא רוצה להשתמש בחילוק (אבל כן מתיר לצמצם משיוויון איבר שנמצא בשני הצדדים, כי ניתן להשתכנע בכך מהגדרת כפל על טבעיים): נשים לב שמתקיים: <math>xwb=zyb=yaw</math>, ולכן נקבל <math>xb=ay</math> כנדרש.

מסקנה: הרציונאלים הם קבוצת המנה של <<math>\mathbb{Z}\times \mathbb{N} </math> והיחס שהגדרנו לעיל. למעשה, מאחורי כל שבר עומדת הקבוצה האינסופית של כל השברים השקולים לו, ופשוט אנחנו בוחרים לייצג קבוצה זו על ידי אחד השברים שבה באופן שרירותי (או באופן מסוים - בחירת השבר המצומצם).

===שאלה ממבחן===
א. תהי A קבוצה לא ריקה ותהי <math>\{R_i\}_{i\in I}</math> משפחה של יחסי שקילות על A. הוכיחו כי החיתוך הכללי <math>R=\cap_{i\in I}R_i</math> הינו יחס שקילויות על A.

ב. נסמן <math>R_n=\{(x,y)\in\mathbb{Z}\times\mathbb{Z}:n|(x-y)\}</math>. מהם <math>R_1,R_2,R=\cap_{n\in\mathbb{N}}R_n</math>? מהן קבוצות המנה <math>\mathbb{Z}/R,\mathbb{Z}/R_1,\mathbb{Z}/R_2</math>?

====פתרון====
א. רפלקסיביות: מאחר ו <math>\forall a\in A\forall i\in I : (a,a)\in R_i</math> נובע ש <math>\forall a\in A: (a,a)\in R</math>.

סימטריות: נניח <math>(x,y)\in R</math> לכן <math>\forall i\in I:(x,y)\in R_i</math> ולכן נובע מסמטריות היחסים ש <math>\forall i\in I:(y,x)\in R_i</math> ולכן <math>(y,x)\in R</math>.

טרנזיטיביות: ממש אותו דבר...

ב. <math>R_1</math> הינו אוסף כל הזוגות הסדורים מעל השלמים, שכן אחד מחלק כל מספר ולכן כל הפרש.

<math>R_2</math> הינו אוסף כל הזוגות בהם שני הצדדים זוגיים או שני הצדדים אי זוגיים, שכן ההפרש בינהם חייב להיות זוגי.

R הינו אוסף הזוגות שההפרש בינהם מתחלק בכל המספרים הטבעיים. רק הפרש אפס יכול להתחלק בכל מספר, ולכן R הינו אוסף הזוגות מהצורה (q,q) עבור q מספר שלם. (יחס השיוויון.)

<math>\mathbb{Z}/R_1</math> הינו אוסף מחלקות השקילות של היחס המכיל את כל הזוגות. יש בו רק מחלקת שקילות אחת המכילה את כל המספרים השלמים.

<math>\mathbb{Z}/R_2</math> מכיל שתי קבוצות, קבוצת הזוגיים וקבוצת האי זוגיים שכן בין כל הזוגיים יש את היחס, ובין כל האי זוגיים ולא בין לבין כמובן (הרי זה יחס שקילויות כפי שקל להוכיח).

<math>\mathbb{Z}/R</math> הינו אוסף כל הקבוצות המכילות איבר שלם בודד.

==תירגול נוסף==
=== תרגיל ===
היחסים הבאים הם יחסים על קבוצת הממשיים. קבעו האם היחסים הבאים הם רפלקסיבים? האם הם סימטרים? האם הם אנטי-סימטריים? האם הם טרנזיטיבים?
* <math>\left\{ \left(x,y\right)\in\mathbb{R\times R}\,|\,x+y=0\right\} </math>
* <math>\left\{ \left(x,y\right)\in\mathbb{R\times R}\,|\,x+y=1\right\} </math>

==== תרגיל ====
עבור כל אחד מהיחסים מתרגיל קודם. קבעו האם הוא יחס סדר? האם הוא יחס שקילות? האם הוא חלוקה של הממשיים?

עבור כל אחד מיחסי השקילות של סעיף קודם - מצאו את מחלקת השקילות של האיברים <math>0,\pi, 100</math>

עבור כל אחד מיחסי השקילות של סעיף קודם - תארו את קבוצת המנה.

=== תרגיל ===
היחסים הבאים הם יחסים על קבוצת הטבעיים. קבעו האם היחסים הבאים הם רפלקסיבים? האם הם סימטרים? האם הם אנטי-סימטריים? האם הם רפלקסיבים?
* <math>\left\{ \left(x,y\right)\in\mathbb{N\times N}\,|\,x+y=1\right\} </math>
* <math>\left\{ \left(x,y\right)\in\mathbb{N\times N}\,|\,x+y=2\right\} </math>
* <math>\left\{ \left(x,y\right)\in\mathbb{N\times N}\,|\,x+y=3\right\} </math>

=== תרגיל ===
ראינו שניתן להגדיר את <math>\mathbb{Q}</math> כקבוצת מנה של יחס שקילות. הוכיחו כי ניתן להגדיר חיבור וכפל של מספר רציונאליים כמו שאנחנו רגילים.

=== תרגיל ===
מצאו קבוצה ויחס שקילות כך שניתן לזהות את המספרים השלמים <math>\mathbb{Z}</math> עם קבוצת המנה המתקבלת (התבססו על קיומה של קבוצת הטבעיים בלבד).

הוכיחו כי ניתן להגדיר חיבור וכפל של מספר שלמים כמו שאנחנו רגילים.

=== תרגיל ===
מצאו קבוצה ויחס שקילות כך שניתן לזהות את המספרים המשיים <math>\mathbb{R}</math> עם קבוצת המנה המתקבלת (התבססו על קיומה של קבוצת הרציונאליים בלבד).

הוכיחו כי ניתן להגדיר חיבור וכפל של מספר שלמים כמו שאנחנו רגילים.

=== תרגיל ===
עבור היחס מודלו <math>n</math> על קבוצת השלמים <math>\mathbb{Z}</math>, נסמן את קבוצת המנה ב <math>\mathbb{Z}_n</math>

הוכיחו כי ניתן להגדיר חיבור וכפל של איברים ב <math>\mathbb{Z}_n</math> ע"י <math>[a]+[b]=[a+b], [a][b]=[ab]</math>. חיבור זה נקרא חיבור מודלו n וכפל זה נקראה כפל מודלו n.

===תרגיל===

על <math>\mathbb{R}\times \mathbb{R}</math> נגדיר את היחסים הבאים: (היחסים יסומנו ב <math>\sim</math>)

*<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff x_1^2+y_1=x_2^2+y_2</math>.
*<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff x_1=x_2</math>.
*<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff y_1=y_2</math>.
*<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff |x_1|=|x_2|</math>.
*<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff |y_1|=|y_2|</math>.
*<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff |x_1|+|y_1|=|x_2|+|y_2|</math>.
*<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff x_1^2-y_1=x_2^2-y_2</math>.
*<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff x_1^2-y_1^2=x_2^2-y_2^2</math>.
*<math>(x_1,y_1)\sim (x_2,y_2)\iff 5x_1^2-y_1=5x_2^2-y_2</math>.

הוכיחו שאלו יחס שקילות. מהי, מבחינה גיאומטרית מחלקת השקילות של <math>(0,1)</math>? ומהי, מבחינה גיאומטרית, קבוצת המנה?

=== תרגיל ===
תהא <math>X</math> קבוצה. היחסים הבאים הם יחסים על קבוצת החזקה <math>P(X)</math>. קבעו האם היחסים הבאים הם רפלקסיבים? האם הם סימטרים? האם הם אנטי-סימטריים? האם הם רפלקסיבים?

* <math>\left\{ \left(A,B\right)\,|\, A=B\right\} </math>
* <math>\left\{ \left(A,B\right)\,|\, A\subseteq B\right\} </math>
* <math>\left\{ \left(A,B\right)\,|\, A\cap B=B\right\} </math>
* <math>\left\{ \left(A,B\right)\,|\, A\cap B=\emptyset\right\} </math>
* <math>\left\{ \left(A,B\right)\,|\, A^c=B\right\} </math>

==== תרגיל ====
בכל אחד מהיחסים שהופיעו קודם, קבעו האם הוא יחס שקילות. במידה והוא יחס שקילות, מצאו את החלוקה שהוא משרה.