Relazioni in matematica

significato · proprietà · equivalenza · ordine

Che cos'è una relazione

Intuitivamente una relazione esprime un legame tra gli elementi di due insiemi: «è minore di», «è divisibile per», «ha la stessa parità di». In modo rigoroso tutto questo si riduce a un solo oggetto insiemistico: un insieme di coppie ordinate.

Prodotto cartesiano

Dati due insiemi \(A\) e \(B\), il loro prodotto cartesiano è l'insieme di tutte le coppie ordinate con primo elemento in \(A\) e secondo in \(B\):

\[ A\times B=\{(a,b)\mid a\in A,\ b\in B\}. \]

Se \(A\) e \(B\) sono finiti, \(\lvert A\times B\rvert=\lvert A\rvert\cdot\lvert B\rvert\).

Definizione di relazione

Una relazione \(\mathcal R\) da \(A\) a \(B\) è un sottoinsieme del prodotto cartesiano:

\[ \mathcal R\subseteq A\times B. \]

Si scrive \(a\,\mathcal R\,b\) (si legge «\(a\) è in relazione con \(b\)») per indicare che \((a,b)\in\mathcal R\), e \(a\,\cancel{\mathcal R}\,b\) quando \((a,b)\notin\mathcal R\).

Quando \(A=B\) si parla di relazione (binaria) su \(A\): è un sottoinsieme di \(A\times A\). È questo il caso centrale per equivalenza e ordine.

Esempio. Su \(A=\{1,2,3\}\) la relazione «\(\le\)» è \(\ \mathcal R=\{(1,1),(1,2),(1,3),(2,2),(2,3),(3,3)\}\). Infatti \(1\le 2\) significa \((1,2)\in\mathcal R\).

Come si rappresenta

La stessa relazione si può descrivere in modi diversi — tutti equivalenti. Prendiamo «\(\le\)» su \(\{1,2,3\}\).

Elenco delle coppie

{(1,1), (1,2), (1,3), (2,2), (2,3), (3,3)}

Tabella a doppia entrata (matrice)

Una crocetta nella riga \(a\), colonna \(b\) quando \(a\,\mathcal R\,b\):

≤123
1×××
2××
3×

Grafo a frecce (grafo orientato)

Ogni elemento è un nodo; si disegna una freccia \(a\to b\) quando \(a\,\mathcal R\,b\). Una freccia che torna sul nodo stesso (un cappio) rappresenta \((a,a)\). Nella sezione Simulazione puoi costruire tu una relazione e vederne contemporaneamente matrice e grafo.

Le proprietà di una relazione su \(A\)

Per una relazione \(\mathcal R\) su un insieme \(A\) si definiscono alcune proprietà. Qui \(\forall\) significa «per ogni».

Riflessiva — ogni elemento è in relazione con sé stesso: \[\forall a\in A:\ a\,\mathcal R\,a.\]
Antiriflessiva — nessun elemento è in relazione con sé stesso: \[\forall a\in A:\ a\,\cancel{\mathcal R}\,a.\]
Simmetrica — se vale in un verso, vale anche nell'altro: \[\forall a,b\in A:\ a\,\mathcal R\,b\ \Rightarrow\ b\,\mathcal R\,a.\]
Antisimmetrica — due elementi distinti non possono essere in relazione nei due versi: \[\forall a,b\in A:\ (a\,\mathcal R\,b\ \wedge\ b\,\mathcal R\,a)\ \Rightarrow\ a=b.\]
Transitiva — le relazioni «si concatenano»: \[\forall a,b,c\in A:\ (a\,\mathcal R\,b\ \wedge\ b\,\mathcal R\,c)\ \Rightarrow\ a\,\mathcal R\,c.\]
Attenzione. «Antisimmetrica» non è la negazione di «simmetrica». La relazione di uguaglianza \(\{(a,a)\}\) è contemporaneamente simmetrica e antisimmetrica. Inoltre «non riflessiva» non vuol dire «antiriflessiva»: basta un elemento senza cappio perché non sia riflessiva, ma per essere antiriflessiva nessun elemento deve averne.

Relazioni di equivalenza

Una relazione \(\mathcal R\) su \(A\) è una relazione di equivalenza se è

riflessiva  +  simmetrica  +  transitiva

Spesso si usa il simbolo \(\sim\). Serve a formalizzare l'idea di «avere in comune una certa caratteristica»: stessa parità, stesso resto nella divisione, stessa direzione.

Classe di equivalenza

Dato \(a\in A\), la sua classe di equivalenza è l'insieme di tutti gli elementi equivalenti ad \(a\):

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

Vale un fatto fondamentale: due classi o sono identiche o sono disgiunte. Di conseguenza le classi di equivalenza partizionano \(A\): lo suddividono in «caselle» che non si sovrappongono e che insieme ricoprono tutto \(A\).

Insieme quoziente

L'insieme di tutte le classi di equivalenza si chiama insieme quoziente e si indica

\[ A/\!\sim\ =\ \{\,[a]\mid a\in A\,\}. \]
Esempio — congruenza modulo 3 su \(\mathbb{Z}\). Poniamo \(a\sim b\) quando \(a-b\) è multiplo di \(3\). È una relazione di equivalenza; le classi sono tre (i resti \(0,1,2\)): \[ [0]=\{\dots,-3,0,3,6,\dots\},\quad [1]=\{\dots,-2,1,4,\dots\},\quad [2]=\{\dots,-1,2,5,\dots\}. \] L'insieme quoziente \(\mathbb{Z}/\!\sim\) ha quindi \(3\) elementi.

Relazioni d'ordine

Una relazione \(\mathcal R\) su \(A\) è una relazione d'ordine (ordine parziale) se è

riflessiva  +  antisimmetrica  +  transitiva

Il prototipo è «\(\le\)»: serve a disporre in fila gli elementi, a dire quale «viene prima». Si usa spesso il simbolo \(\preceq\).

Ordine totale e ordine parziale

Due elementi \(a,b\) si dicono confrontabili se \(a\preceq b\) oppure \(b\preceq a\). Allora:

  • l'ordine è totale se ogni coppia di elementi è confrontabile — gli elementi stanno tutti su un'unica fila;
  • l'ordine è parziale (in senso stretto) se esistono elementi non confrontabili.
Esempi.
  • «\(\le\)» su \(\mathbb{N}\) (o \(\mathbb{R}\)): ordine totale, due numeri si confrontano sempre.
  • Divisibilità «\(\mid\)» su \(\mathbb{N}^{+}\) (\(a\mid b\) se \(a\) divide \(b\)): ordine parziale. Ad esempio \(2\) e \(3\) non sono confrontabili: \(2\nmid 3\) e \(3\nmid 2\).
  • Inclusione «\(\subseteq\)» tra sottoinsiemi: ordine parziale. \(\{1\}\) e \(\{2\}\) non sono confrontabili.

Quadro d'insieme

riflessivasimmetricaantisimmetricatransitiva
Equivalenza✓✓—✓
Ordine✓—✓✓

Simmetria e antisimmetria sono ciò che distingue i due concetti: l'equivalenza «identifica» elementi diversi mettendoli nella stessa classe, l'ordine li «separa» stabilendo chi precede chi.

Costruttore di relazioni

Scegli l'insieme \(A=\{1,\dots,n\}\) e clicca le celle della matrice per aggiungere o togliere coppie: la cella nella riga \(a\), colonna \(b\) rappresenta \((a,b)\). Il grafo a frecce e l'analisi delle proprietà si aggiornano in tempo reale. Prova i modelli pronti per vedere relazioni notevoli.

Insieme:
Modelli:

Le celle sulla diagonale (in azzurro tenue) sono le coppie \((a,a)\): governano la riflessività. Un bordo ambrato segnala gli elementi che violano una proprietà.

Proprietà

Classificazione

Pratica interattiva

Rispondi con un numero intero, poi premi Verifica. Se sei bloccato usa Aiuto: i suggerimenti diventano via via più espliciti.

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