Функции выполняемые отношениями. Функции, виды, уровни общения

Любое множество 2-списокв или пар называется отношением. Отношения будут особенно полезны при обсуждении значения программ.

Слово «отношение» может означать правило сравнения, «эквивалентность» или «является подмножеством» и т.д. Формально отношения, которые являются множествами 2-списков, могут описать эти неформальные правила точно, путем включения точно тех пар, чьи элементы состоят в нужной связи друг с другом. Например, отношение между символами и 1-строками содержащими эти символы задается следующим отношением:

C = {: x - символ} = {, , …}

Поскольку отношение это множество, пустое отношение также возможно. Например, соответствие между четными натуральными числами и их нечетными квадратами – таких не существует. Более того, операции над множествами применимы к отношениям. Если s и r отношения, то существуют

s È r, s – r, s Ç r

поскольку это множества упорядоченных пар элементов.

Частный случай отношения – функция, отношение со специальным свойством, отличающееся тем, что каждый первый элемент находится в паре с уникальным вторым элементом. Отношение r является функцией, если и только если для любого

Î r и Î r, то y = z.

В таком случае каждый первый элемент может служить именем для второго в контексте отношения. Например, описанное выше отношение C между символами и 1-строками является функцией.

Операции над множествами также применимы к функциям. Хотя результат операции над множествами упорядоченных пар, которые являются функциями, будет обязательно другим множеством упорядоченных пар, а следовательно отношением, но не всегда функцией.

Если f,g –функции, то f Ç g, f – g тоже функции, но f È g, может быть а может и не быть функцией. Например, определим отношение голова

H = {< Θ y, y>: y - строка} = {, , …}

И возьмем отношение C, описанное выше. Тогда из факта, что C Í H:

является функцией,

H - С = {< Θ y, y>: y – строка как минимум из 2 символов}

является отношением, но не функцией,

является пустой функцией, и

является отношением.

Множество первых элементов пар отношения или функции называется областью определения (domain), а множество вторых элементов пар называется областью значений (range). Для элементов отношения, скажем Î r, x называется аргументом r, а у называется значением r.

Когда Î r и и y является единственным значением для x, value-нотация:

читается, как «y является значением r для аргумента x» или, более кратко, «y является значением r для x» (функциональная форма записи).

Зададим произвольное отношение r и аргумент x, тогда существуют три варианта их соответствия:

1. x Ï domain(r), в таком случае r не определено на x
2. x Î domain(r), и существуют различные y, z, такие что Î r и Î r. В этом случае r неоднозначно определено на x
3. x Î domain(r), и существует уникальная пара Î r. В этом случае r однозначно определено на x и y=r(x).

Таким образом, функция – это отношение, которое однозначно определено для всех элементов его области определения.

Выделяют три специальные функции:

Пустая функция {}, не имеет аргументов и значений, то есть

domain({}) = {}, range({}) = {}

Функция эквивалентности (identity function) , функция I такая,

что если x Î domain(r), тогда I(x) = x.

Постоянная функция , область значений которой задается 1-множеством, то есть всем аргументам соответствует одно и то же значение.

Поскольку отношения и функции являются множествами, они могут быть описаны перечислением элементов или заданием правил. Например:

r = {<†ball†, †bat†>, <†ball†, †game†>, <†game†, †ball†>}

является отношением, поскольку все его элементы - 2-списки

domain(r) = {†ball†, †game†}

range (r) = {†ball†, †game†, †bat†}

Однако, r не является функцией, потому что два разных значения встречаются в паре с одним аргументом †ball†.

Пример отношения, определенного с помощью правила:

s = {: слово x непосредственно предшествует слову y

в строке †this is a relation that is not a function†}

Это отношение также может быть задано перечислением:

s = {<†this†, †is†>, <†is†, †a†>, <†a†, †relation†>, <†relation†, †that†>,

<†that†, †is†>, <†is†, †not†>, <†not†, †a†>, <†a†, †function†>}

Следующее правило определяет функцию:

f = {: первый экземпляр слова непосредственно предшествующий слову y

в строке †this is a relation that is also a function†}

которая также может быть задана перечислением:

f = {<†this†, †is†>, <†is†, †a†>, <†a†, †relation†>,

<†relation†, †that†>, <†that†, †is†>, <†also†, †a†>}

Значение программ.

Отношения и функции жизненно необходимы для описания для описания значения программ. Используя эти понятия, разрабатывается нотация для описания значения программ. Для простых программ значение будет очевидным, но эти простые примеры послужат освоению теории в целом.

Новые идеи: box-нотация, программа и значение программы.

Множество пар ввод-вывод для всех возможных нормальных запусков программы называется значением программы. Также может быть использованы понятия функция программы и отношение программы . Важно различать значение программы и элементы значения. Для конкретного входа Паскаль-машина, управляемая Паскаль-программой может произвести конкретный выход. Но значение программы это гораздо больше, чем способ выражения результата одного частного выполнения. Оно выражает все возможные выполнения Паскаль-программы на Паскаль-машине.

Программа может принимать вход разбиты на строки и производить выход разбитый на строки. Таким образом пары в значении программы могут быть парами списков состоящих из строк символов.

Box-нотация.

Любая Паскаль-программа – строка символов, передаваемая для обработки Паскаль-машине. Например:

P = †PROGRAM PrintHello (INPUT, OUTPUT); BEGIN WRITELN(‘HELLO’) END.†

Представляет одну из первых программ, рассмотренных в начале части I, в виде строки.

Также эту строку можно записать, опустив маркеры строки, как

P = PROGRAM PrintHello (INPUT, OUTPUT);

WRITELN(‘HELLO’)

Строка P представляет синтаксис программы, а ее значение мы будем записывать как P. Значение P это множество 2-списков (упорядоченных пар) списков символьных строк, в которых аргументы представляют входные данные программы, а значения представляют выходные данные программы, то есть

P = {: для входного списка строк L, P выполняется корректно

и возвращает список строк M}

Box-нотация для значения программы держит синтаксис и семантику программы, но ясно разграничивает одно от другого. Для программы PrintHello, приведенной выше:

P = { } =

{>: L – любой список строк }

Помещая текст программы в box:

P = PROGRAM PrintHello (INPUT, OUTPUT); BEGIN WRITELN(‘HELLO’) END

Поскольку P - функция,

PROGRAM PrintHello (INPUT, OUTPUT); BEGIN WRITELN(‘HELLO’) END (L) = <†HELLO†>

для любого списка строк L.

Box-нотация скрывает способ которым программа управляет Паскаль-машиной и показывает только то что сопутствует выполнению. Термин «черный ящик» часто используется для описания механизма рассматриваемого только извне в терминах входов и выходов. Таким образом эта нотация подходит для значения программы с точки зрения ввода-вывода. Например, программа R

PROGRAM PrintHelloInSteps (INPUT, OUTPUT);

WRITE(‘HE’);

WRITE (‘L’);

WRITELN(‘LO’)

Имеет то же значение что и P, то есть R = P.

Программ R также имеет CFPascal имя PrintHelloInSteps. Но поскольку строка †PrintHelloInSteps† является частью строки R, лучше не использовать PrintHelloInSteps в качетсве названия программы R в box-нотации.

Если мы понимаем, что такое отношение , то понять, что такое функция совсем просто. Функция – это частный случай отношения. Каждая функция является отношением, но не каждое отношение является функцией. Какие же отношения являются функциями? Какое дополнительное условие должно выполняться, чтобы отношение являлось функцией?

Вернемся к рассмотрению отношения , действующего из области определения в область значений . Рассмотрим элемент из . Этому элементу соответствует в элемент , такой, что пара принадлежит , что часто записывают в виде: (например, ). Отношению могут принадлежать и другие пары, первым элементом которых может выступать элемент . Для функций такая ситуация невозможна.

Функция – это отношение , в котором элементу из области определения соответствует единственный элемент из области значений.

Отношение "иметь брата", представленное на рис.1, функцией не является. Из точки в области определения идут две дуги в разные точки области значений, следовательно это отношение функцией не является. Содержательно, Елена имеет двух братьев, так что однозначного соответствия между элементом из и элементом из нет.

Если же рассмотреть отношение на тех же множествах "иметь старшего брата", то такое отношение функцией является. У каждого человека братьев может быть много, но только один из них является старшим братом. Функциями являются и такие родственные отношения как "отец" и "мать".

Обычно, когда речь идет о функциях, то для общего обозначения функции используется буква , а не , как в случае отношений, и общая запись имеет привычный вид: .

Рассмотрим хорошо известную функцию . Областью определения этой функции является вся действительная ось: . Область значений функции замкнутый интервал на действительной оси: . График этой функции синусоида, каждой точке на оси соответствует единственная точка графика .

Взаимно однозначная функция

Пусть отношение задает функцию . Что можно сказать об обратном отношении ? Является ли оно также функцией? Совсем не обязательно. Рассмотрим примеры отношений, являющихся функциями.

Для отношения "имеет старшего брата" обратное отношение – это отношение "имеет брата или сестру". Конечно же, это отношение функцией не является. У старшего брата может быть много сестер и братьев.

Для отношений "отец" и "мать" обратным отношением является отношение "сын или дочь", которое также не является функцией, поскольку детей может быть много.

Если рассмотреть функцию , то обратное отношение функцией не является, поскольку одному значению соответствует сколь угодно много значений . Чтобы рассматривать

Отношения. Основные понятия и определения

Определение 2.1. Упорядоченной парой <x , y > называется совокупность двух элементов x и y , расположенных в определенном порядке.

Две упорядоченные пары <x , y > и <u , v> равны межу собой тогда и только тогда, когда x = u и y = v.

Пример 2.1 .

<a , b >, <1, 2>, <x , 4> – упорядоченные пары.

Аналогично можно рассматривать тройки, четверки, n -ки элементов <x 1 , x 2 , … x n >.

Определение 2.2. Прямым (или декартовым )произведением двух множеств A и B называется множество упорядоченных пар, таких, что первый элемент каждой пары принадлежит множеству A , а второй – множеству B :

A ´ B = {<a , b >, ç a Î А и b Ï В }.

В общем случае прямым произведением n множеств А 1 , А 2 ,… А n называется множество А 1 ´ А 2 ´ …´ А n , состоящее из упорядоченных наборов элементов <a 1 , a 2 , …, a n > длины n , таких, что i- ый a i принадлежит множеству А i , a i Î А i .

Пример 2.2 .

Пусть А = {1, 2}, В = {2, 3}.

Тогда A ´ B = {<1, 2>, <1, 3>,<2, 2>,<2, 3>}.

Пример 2.3 .

Пусть А = {x ç0 £ x £ 1} и B = {y ç2 £ y £ 3}

Тогда A ´ B = {< x , y >, ç0 £ x £ 1и2 £ y £ 3}.

Таким образом, множество A ´ B состоит из точек, лежащих внутри и на границе прямоугольника, образованного прямыми x = 0 (ось ординат), x = 1, y = 2и y = 3.

Французский математик и философ Декарт впервые предложил координатное представление точек плоскости. Это исторически первый пример прямого произведения.

Определение 2.3. Бинарным (или двуместным )отношением r называется множество упорядоченных пар.

Если пара <x , y > принадлежит r , то это записывается следующим образом: <x , y > Î r или, что то же самое, xr y .

Пример2.4 .

r = {<1, 1>, <1, 2>, <2, 3>}

Аналогично можно определить n -местное отношение как множество упорядоченных n -ок.

Так как бинарное отношение – множество, то способы задания бинарного отношения такие же, как и способы задания множества (см. разд. 1.1). Бинарное отношение может быть задано перечислением упорядоченных пар или указанием общего свойства упорядоченных пар.

Пример 2.5 .

1. r = {<1, 2>, <2, 1>, <2, 3>} – отношение задано перечислением упорядоченных пар;

2. r = {<x , y > çx + y = 7, x , y – действительные числа} – отношение задано указанием свойства x + y = 7.

Кроме того, бинарное отношение может быть задано матрицей бинарного отношения . Пусть А = {a 1 , a 2 , …, a n } – конечное множество. Матрица бинарного отношения C есть квадратная матрица порядка n , элементы которой c ij определяются следующим образом:

Пример 2.6 .

А = {1, 2, 3, 4}. Зададим бинарное отношение r тремя перечисленными способами.

1. r = {<1, 2>, <1, 3>, <1, 4>, <2, 3>, <2, 4>, <3, 4>} – отношение задано перечислением всех упорядоченных пар.

2. r = {< a i , a j > ça i < a j ; a i , a j Î А } – отношение задано указанием свойства "меньше" на множестве А .

3. – отношение задано матрицей бинарного отношения C .

Пример 2.7 .

Рассмотрим некоторые бинарные отношения.

1. Отношения на множестве натуральных чисел.

а) отношение £ выполняется для пар <1, 2>, <5, 5>, но не выполняется для пары <4, 3>;

б) отношение "иметь общий делитель, отличный от единицы" выполняется для пар <3, 6>, <7, 42>, <21, 15>, но не выполняется для пары <3, 28>.

2. Отношения на множестве точек действительной плоскости.

а) отношение "находиться на одинаковом расстоянии от точки (0, 0)" выполняется для точек (3, 4) и (–2, Ö21), но не выполняется для точек (1, 2) и (5, 3);

б) отношение "быть симметричным относительно оси OY " выполняется для всех точек (x , y ) и (–x , –y ).

3. Отношения на множестве людей.

а) отношение "жить в одном городе";

б) отношение "учиться в одной группе";

в) отношение "быть старше".

Определение 2.4. Областью определения бинарного отношения r называется множество D r = {x çсуществует y, что xr y}.

Определение 2.5. Областью значений бинарного отношения r называется множество R r = {y çсуществует x, что xr y}.

Определение 2.6. Областью задания бинарного отношения r называется множество M r = D r ÈR r .

Используя понятие прямого произведения, можно записать:

r Î D r ´ R r

Если D r = R r = A , то говорят, что бинарное отношение r задано на множестве A .

Пример 2.8 .

Пусть r = {<1, 3>, <3, 3>, <4, 2>}.

Тогда D r = {1, 3, 4}, R r = {3, 2}, M r = {1, 2, 3, 4}.

Операции над отношениями

Так как отношения являются множествами, то все операции над множествами справедливы для отношений.

Пример 2.9 .

r 1 = {<1, 2>, <2, 3>, <3, 4>}.

r 2 = {<1, 2>, <1, 3>, <2, 4>}.

r 1 È r 2 = {<1, 2>, <1, 3>, <2, 3>, <2, 4>, <3, 4>}.

r 1 Ç r 2 = {<1, 2>}.

r 1 \ r 2 = {<2, 3>, <3, 4>}.

Пример 2.10 .

Пусть R – множество действительных чисел. Рассмотрим на этом множестве следующие отношения:

r 1 – " £ "; r 2 – " = "; r 3 – " < "; r 4 – " ³ "; r 5 – " > ".

r 1 = r 2 È r 3 ;

r 2 = r 1 Ç r 4 ;

r 3 = r 1 \ r 2 ;

r 1 = ;

Определим еще две операции над отношениями.

Определение 2.7. Отношение называется обратным к отношению r (обозначается r – 1), если

r – 1 = {<x , y > ç< y, x > Î r }.

Пример 2.11 .

r = {<1, 2>, <2, 3>, <3, 4>}.

r – 1 = {<2, 1>, <3, 2>, <4, 3>}.

Пример 2.12 .

r = {<x , y > ç x – y = 2, x , y Î R }.

r – 1 = {<x , y > ç< y, x > Î r } = r – 1 = {<x , y > çy – x = 2, x , y Î R } = {<x , y > ç– x + y = 2, x , y Î R }.

Определение 2.8. Композицией двух отношений r и s называется отношение

s r = {<x , z > çсуществует такое y , что <x , y > Î r и < y, z > Îs }.

Пример 2.13 .

r = {<x , y > çy = sinx }.

s = {<x , y > çy = Öx }.

s r = {<x , z > çсуществует такое y , что <x , y > Î r и < y, z > Îs } = {<x , z > çсуществует такое y , что y = sinx и z = Öy } = {<x , z > ç z = Ösinx }.

Определение композиции двух отношенийсоответствует определению сложной функции:

y = f (x ), z = g (y ) Þ z = g (f (x )).

Пример 2.14 .

r = {<1, 1>, <1, 2>, <1, 3>, <3, 1>}.

s = {<1, 2>, <1, 3>, <2, 2>, <3, 2>, <3, 3>}.

Процесс нахождения s r в соответствии с определением композиции удобно изобразить таблицей, в которой реализуется перебор всех возможных значений x , y , z . для каждой пары <x , y > Î r нужно рассмотреть все возможные пары < y, z > Îs (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Заметим, что первая, третья и четвертая, а также вторая и пятая строки последнего столбца таблицы содержат одинаковые пары. Поэтому получим:

s r = {<1, 2>, <1, 3>, <3, 2>, <3, 3>}.

Свойства отношений

Определение 2.9. Отношение r называется рефлексивным на множестве X , если для любого x Î X выполняется xr x .

Из определения следует, что всякий элемент < x , x > Î r .

Пример 2.15 .

а) Пусть X – конечное множество, X = {1, 2, 3} и r = {<1, 1>, <1, 2>, <2, 2>, <3, 1>, <3, 3>}. Отношение r рефлексивно. Если X – конечное множество, то главная диагональ матрицы рефлексивного отношения содержит только единицы. Для нашего примера

б) Пусть X r отношение равенства. Это отношение рефлексивно, т.к. каждое число равно самому себе.

в) Пусть X – множество людей и r отношение "жить в одном городе". Это отношение рефлексивно, т.к. каждый живет в одном городе сам с собой.

Определение 2.10. Отношение r называется симметричным на множестве X , если для любых x , y Î X из xry следует yr x .

Очевидно, что r симметрично тогда и только тогда, когда r = r – 1 .

Пример 2.16 .

а) Пусть X – конечное множество, X = {1, 2, 3} и r = {<1, 1>, <1, 2>, <1, 3>, <2, 1>, <3, 1>, <3, 3>}. Отношение r симметрично. Если X – конечное множество, то матрица симметричного отношения симметрична относительно главной диагонали. Для нашего примера

б) Пусть X – множество действительных чисел и r отношение равенства. Это отношение симметрично, т.к. если x равно y , то и y равно x .

в) Пусть X – множество студентов и r отношение "учиться в одной группе". Это отношение симметрично, т.к. если x учится в одной группе с y , то и y учится в одной группе с x .

Определение 2.11. Отношение r называется транзитивным на множестве X , если для любых x , y , z Î X из xry и yr z следует xr z .

Одновременное выполнение условий xry , yr z , xr z означает, что пара <x , z > принадлежит композиции r r . Поэтому для транзитивности r необходимо и достаточно, чтобы множество r r являлось подмножеством r , т. е. r r Í r .

Пример 2.17 .

а) Пусть X – конечное множество, X = {1, 2, 3} и r = {<1, 1>, <1, 2>, <2, 3>, <1, 3>}. Отношение r транзитивно, т. к. наряду с парами <x , y >и <y , z >имеется пара<x , z >. Например, наряду с парами <1, 2>, и <2, 3> имеется пара <1, 3>.

б) Пусть X – множество действительных чисел и r отношение £ (меньше или равно). Это отношение транзитивно, т.к. если x £ y и y £ z , то x £ z .

в) Пусть X – множество людей и r отношение "быть старше". Это отношение транзитивно, т.к. если x старше y и y старше z , то x старше z .

Определение 2.12. Отношение r называется отношением эквивалентности на множестве X , если оно рефлексивно, симметрично и транзитивно на множестве X .

Пример 2.18 .

а) Пусть X – конечное множество, X = {1, 2, 3} и r = {<1, 1>, <2, 2>, <3, 3>}. Отношение r является отношением эквивалентности.

б) Пусть X – множество действительных чисел и r отношение равенства. Это отношение эквивалентности.

в) Пусть X – множество студентов и r отношение "учиться в одной группе". Это отношение эквивалентности.

Пусть r X .

Определение 2.13. Пусть r – отношение эквивалентности на множестве X и x Î X . Классом эквивалентности , порожденным элементом x , называется подмножество множества X , состоящее из тех элементов y Î X , для которых xry . Класс эквивалентности, порожденный элементом x , обозначается через [x ].

Таким образом, [x ] = {y Î X | xry }.

Классы эквивалентности образуют разбиение множества X , т. е. систему непустых попарно непересекающихся его подмножеств, объединение которых совпадает со всем множеством X .

Пример 2.19 .

а) Отношение равенства на множестве целых чисел порождает следующие классы эквивалентности: для любого элемента x из этого множества [x ] = {x }, т.е. каждый класс эквивалентности состоит из одного элемента.

б) Класс эквивалентности, порожденный парой <x , y > определяется соотношением:

[<x , y >] = .

Каждый класс эквивалентности, порожденный парой <x , y >, определяет одно рациональное число.

в) Для отношения принадлежности к одной студенческой группе классом эквивалентности является множество студентов одной группы.

Определение 2.14. Отношение r называется антисимметричным на множестве X , если для любых x , y Î X из xry и yr x следует x = y .

Из определения антисимметричности следует, что всякий раз, когда пара <x , y > принадлежит одновременно r и r – 1 , должно выполняться равенство x = y . Другими словами, r Ç r – 1 состоит только из пар вида < x , x >.

Пример 2.20 .

а) Пусть X – конечное множество, X = {1, 2, 3} и r = {<1, 1>, <1, 2>, <1, 3>, <2, 2>, <2, 3>, <3, 3>}. Отношение r антисимметрично.

Отношение s = {<1, 1>, <1, 2>, <1, 3>, <2, 1>, <2, 3>, <3, 3>} неантисимметрично. Например, <1, 2> Îs, и <2, 1> Îs , но 1 ¹2.

б) Пусть X – множество действительных чисел и r отношение £ (меньше или равно). Это отношение антисимметрично, т.к. если x £ y , и y £ x , то x = y .

Определение 2.15. Отношение r называется отношением частичного порядка (или просто частичным порядком) на множестве X , если оно рефлексивно, антисимметрично и транзитивно на множестве X . Множество X в этом случае называют частично упорядоченным и указанное отношение часто обозначают символом £, если это не приводит к недоразумениям.

Отношение, обратное отношению частичного порядка будет, очевидно, отношением частичного порядка.

Пример 2.21 .

а) Пусть X – конечное множество, X = {1, 2, 3} и r = {<1, 1>, <1, 2>, <1, 3>, <2, 2>, <2, 3>, <3, 3>}. Отношение r

б) Отношение А Í В на множестве подмножеств некоторого множества U есть отношение частичного порядка.

в) Отношение делимости на множестве натуральных чиселесть отношение частичного порядка.

Функции. Основные понятия и определения

В математическом анализе принято следующее определение функции.

Переменная y называется функцией от переменной x , если по некоторому правилу или закону каждому значению x соответствует одно определенное значение y = f (x ). Область изменения переменной x называется областью определения функции, а область изменения переменной y – областью значений функции. Если одному значению x соответствует несколько (и даже бесконечно много значений y ), то функция называется многозначной. Впрочем, в курсе анализа функций действительных переменных избегают многозначных функций и рассматривают однозначные функции.

Рассмотрим другое определение функции с точки зрения отношений.

Определение 2.16. Функцией называется любое бинарное отношение, которое не содержит двух пар с равными первыми компонентами и различными вторыми.

Такое свойство отношения называется однозначностью или функциональностью .

Пример 2.22 .

а) {<1, 2>, <3, 4>, <4, 4>, <5, 6>} – функция.

б) {<x , y >: x , y Î R , y = x 2 } – функция.

в) {<1, 2>, <1, 4>, <4, 4>, <5, 6>} – отношение, но не функция.

Определение 2.17. Если f – функция, то D f – область определения , а R f – область значений функции f .

Пример 2.23 .

Для примера 2.22 а) D f – {1, 3, 4, 5}; R f – {2, 4, 6}.

Для примера 2.22 б) D f = R f = (–¥, ¥).

Каждому элементу x D f функция ставит в соответствие единственный элемент y R f . Это обозначается хорошо известной записью y = f (x ). Элемент x называется аргументом функции или прообразом элемента y при функции f , а элемент y значением функции f на x или образом элемента x при f .

Итак, из всех отношений функции выделяются тем, что каждый элемент из области определения имеет единственный образ.

Определение 2.18. Если D f = X и R f = Y , то говорят, что функция f определена на X и принимает свои значения на Y , а f называют отображением множества X на Y (X ® Y ).

Определение 2.19. Функции f и g равны, если их область определения – одно и то же множество D , и для любого x Î D справедливо равенство f (x ) = g (x ).

Это определение не противоречит определению равенства функций как равенства множеств (ведь мы определили функцию как отношение, т. е. множество): множества f и g равны, тогда и только тогда, когда они состоят из одних и тех же элементов.

Определение 2.20. Функция (отображение) f называется сюръективной или просто сюръекцией , если ля любого элемента y Y существует элемент x Î X , такой, что y = f (x ).

Таким образом, каждая функция f является сюръективным отображением (сюръекцией) D f ® R f .

Если f – сюръекция, а X и Y – конечные множества, то ³ .

Определение 2.21. Функция (отображение) f называется инъективной или просто инъекцией или взаимно однозначной , если из f (a ) = f (b ) следует a = b .

Определение 2.22. Функция (отображение) f называется биективной или просто биекцией , если она одновременно инъективна и сюръективна.

Если f – биекция, а X и Y – конечные множества, то = .

Определение 2.23. Если область значений функции D f состоит из одного элемента, то f называется функцией-константой .

Пример 2.24 .

а) f (x ) = x 2 есть отображение множества действительных чисел на множество неотрицательных действительных чисел. Т.к. f (–a ) = f (a ), и a ¹ –a , то эта функция не является инъекцией.

б) Для каждого x R = (– , ) функция f (x ) = 5 – функция-константа. Она отображает множество R на множество {5}. Эта функция сюръективна, но не инъективна.

в) f (x ) = 2x + 1 является инъекцией и биекцией, т.к. из 2x 1 +1 = 2x 2 +1 следует x 1 = x 2 .

Определение 2.24. Функция, реализующая отображение X 1 ´ X 2 ´...´ X n ®Y называется n-местной функцией.

Пример 2.25 .

а) Сложение, вычитание, умножение и деление являются двуместными функциями на множестве R действительных чисел, т. е. функциями типа R 2 ® R .

б) f (x , y ) = – двуместная функция, реализующая отображение R ´ (R \ )® R . Эта функция не является инъекцией, т.к. f (1, 2) = f (2, 4).

в) Таблица выигрышей лотереи задает двуместную функцию, устанавливающую соответствие между парами из N 2 (N – множество натуральных чисел) и множеством выигрышей.

Поскольку функции являются бинарными отношениями, то можно находить обратные функции и применять операцию композиции. Композиция любых двух функций есть функция, но не для каждой функции f отношение f –1 является функцией.

Пример 2.26 .

а) f = {<1, 2>, <2, 3>, <3, 4>, <4, 2>} – функция.

Отношение f –1 = {<2, 1>, <3, 2>, <4, 3>, <2, 4>} не является функцией.

б) g = {<1, a >, <2, b >, <3, c >, <4, D >} – функция.

g -1 = {<a , 1>, <b , 2>, <c , 3>, <D , 4>} тоже функция.

в) Найдем композицию функций f из примера а) и g -1 из примера б). Имеем g -1f = {<a , 2>, <b , 3>, <c , 4>, <d , 2>}.

fg -1 = Æ.

Заметим, что (g -1f )(a ) = f (g -1 (a )) = f (1) = 2; (g -1f )(c ) = f (g -1 (c )) = f (3) = 4.

Элементарной функцией в математическом анализе называется всякая функция f , являющаяся композицией конечного числа арифметических функций, а также следующих функций:

1) Дробно-рациональные функции, т.е. функции вида

a 0 + a 1 x + ... + a n x n

b 0 + b 1 x + ... + b m x m .

2) Степенная функция f (x ) = x m , где m – любое постоянное действительное число.

3) Показательная функция f (x ) = e x .

4) логарифмическая функция f (x ) = log a x , a >0, a 1.

5) Тригонометрические функции sin, cos, tg, ctg, sec, csc .

6) Гиперболические функции sh, ch, th, cth .

7) Обратные тригонометрические функции arcsin , arccos и т.д.

Например, функция log 2 (x 3 +sincos 3x ) является элементарной, т.к. она есть композиция функций cosx , sinx , x 3 , x 1 + x 2 , logx , x 2 .

Выражение, описывающее композицию функций, называется формулой.

Для многоместной функции справедлив следующий важный результат, полученный А. Н. Колмогоровым и В. И. Арнольдом в 1957 г. и являющийся решением 13-ой проблемы Гильберта:

Теорема. Всякая непрерывная функция n переменных представима в виде композиции непрерывных функций двух переменных.

Способы задания функций

1. Наиболее простой способ задания функций – это таблицы (табл. 2.2):

Таблица 2.2

Однако, таким образом могут быть заданы функции, определенные на конечных множествах.

Если функция, определенная на бесконечном множестве (отрезке, интервале), задана в конечном числе точек, например, в виде тригонометрических таблиц, таблиц специальных функций и т.п., то для вычисления значений функций в промежуточных точках пользуются правилами интерполяции.

2. Функция может быть задана в виде формулы, описывающей функцию как композицию других функций. Формула задает последовательность вычисления функции.

Пример 2.28 .

f (x ) = sin (x + Öx ) является композицией следующих функций:

g (y ) = Öy ; h (u, v) = u + v; w (z ) = sinz.

3. Функция может быть задана в виде рекурсивной процедуры. Рекурсивная процедура задает функцию, определенную на множестве натуральных чисел, т. е. f (n ), n = 1, 2,... следующим образом: а) задается значение f (1) (или f (0)); б) значение f (n + 1) определяется через композицию f (n ) и других известных функций. Простейшим примером рекурсивной процедуры является вычисление n !: а) 0! = 1; б) (n + 1)! = n !(n + 1). Многие процедуры численных методов являются рекурсивными процедурами.

4. Возможны способы задания функции, не содержащие способа вычисления функции, а только описывающие ее. Например:

f M (x ) =

Функция f M (x ) – характеристическая функция множества M .

Итак, по смыслу нашего определения, задать функцию f – значит задать отображение X ® Y , т.е. определить множество X ´Y , поэтому вопрос сводится к заданию некоторого множества. Однако можно определить понятие функции, не используя языка теории множеств, а именно: функция считается заданной, если задана вычислительная процедура, которая по заданному значению аргумента находит соответствующее значение функции. Функция, определенная таким образом, называется вычислимой.

Пример 2.29 .

Процедура определения чисел Фибоначчи , задается соотношением

F n = F n- 1 + F n- 2 (n ³ 2) (2.1)

с начальными значениями F 0 = 1, F 1 = 1.

Формула (2.1) вместе с начальными значениями определяет следующий ряд чисел Фибоначчи:

Вычислительная процедура определения значения функции по заданному значению аргумента есть не что иное, как алгоритм .

Контрольные вопросы к теме 2

1. Укажите способы задания бинарного отношения.

2. Главная диагональ матрицы какого отношения содержит только единицы?

3. Для какого отношения r всегда выполняется условие r = r – 1 ?

4. Для какого отношения r всегда выполняется условие r r Í r .

5. Ввести отношения эквивалентности и частичного порядка на множестве всех прямых на плоскости.

6. Укажите способы задания функций.

7. Какое из следующих утверждений справедливо?

а) Всякое бинарное отношение есть функция.

б) Всякая функция есть бинарное отношение.

Тема 3. ГРАФЫ

Первая работа по теории графов принадлежащая Эйлеру, появилась в 1736 году. Вначале эта теория была связана с математическими головоломками и играми. Однако впоследствии теория графов стала использоваться в топологии, алгебре, теории чисел. В наше время теория графов находит применение в самых разнообразных областях науки, техники и практической деятельности. Она используется при проектировании электрических сетей, планировании транспортных перевозок, построении молекулярных схем. Применяется теория графов также в экономике, психологии, социологии, биологии.

Упражнения.

1) С помощью формулы бинома Ньютона при a = 1, b = i вычислить +++…, +++…, +++…, +++…

2) С помощью формулы Муавра вычислить устно sin 4j и cos 5j .

Лекция 3.

1. СООТВЕТСТВИЯ. ФУНКЦИИ. ОТНОШЕНИЯ. ОТНОШЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ

Определение. Будем говорить, что на множестве Х задано бинарное отношение R , если " x, y Î X мы можем определить (по какому-нибудь правилу) находятся эти элементы в отношении R или нет.

Определим понятие отношения более строго.

Введем понятие декартова (прямого) произведение A´B произвольных множеств A и B.

По определению A´B = { (a, b), a Î A , bÎ B}. Аналогично определяется декартово произведение 3-х, 4-х и произвольного числа множеств. По определению A´A´ …´A = A n .

Определения .

1. Соответствием S из множества A в множество B называется подмножество S Í A´B. Тот факт, что элементы aÎ A, bÎ B находятся в соответствии S, мы будем записывать в виде (a, b) Î S или в виде aSb.

2. Естественным образом для соответствий S 1 и S 2 определяются S 1 ∩S 2 и S 1 U S 2 – как пересечение и объединение подмножеств. Как и для любых подмножеств определяется понятие включения соответствий S 1 Í S 2 . Так S 1 Í S 2 Û

из a S 1 b Þ a S 2 b.

3. Для соответствий S 1 Í A´B и S 2 Í B´C определим композицию соответствий S 1 *S 2 Í A´С. Будем считать, что для элементов aÎ A, сÎ С по определению a S 1 *S 2 с Û $ bÎ B такой, что a S 1 b и b S 2 с.

4. Для соответствия S Í A´B определим соответствие

S -1 Í B´A так: по определению bS -1 a Û a S b.

5. Пусть по определению соответствие D A Í A´A,

D A ={(a,a), aÎ A}.

6. Соответствие F из множества A в множество B называется функцией, определенной на A, со значениями в B (или отображением из A в B ), если " aÎ A $! bÎ B такой, что aFb. В этом случае будем писать также aF = b или, более привычно, Fa = b. В этом определении функция отождествляется со своим графиком. В наших обозначениях aF 1 *F 2 с можно записать в виде с = (aF 1)F 2 . Композиция F 2 F 1 функций означает по определению, что (F 2 F 1)(a)= F 2 (F 1 (a)). Таким образом, F 2 F 1 = F 1 *F 2 .

7. Для отображения F из A в B образом подмножества A 1 Í A

называется подмножество F(A 1)= {F(a)| aÎ A 1 } Í B, а прообразом подмножества B 1 Í B называется подмножество

F -1 (B 1)= { aÎ A | F(a) Î B 1 } Í A .

8. Отображение F из A в B называется инъекцией , если из

a 1 ¹ a 2 Þ Fa 1 ¹ Fa 2 .

9. Отображение F из A в B называется сюръекцией , если

" bÎ B $ aÎ A такой, что Fa = b.

10. Отображение F из A в B называется биекцией или взаимнооднозначным отображением , если F – инъекция и сюръекция одновременно.

11. Биекция конечного (а иногда и бесконечного) множества называется подстановкой .

12. Бинарным отношением на множестве Х называется подмножество R Í X´X. Тот факт, что элементы x, y Î X находятся в отношении R, мы будем записывать в виде (x, y) Î R или в виде xRy.

Человеку присуща потребность в общении, взаимодействии с другими людьми. Удовлетворяя эту потребность, он проявляет и реализует свои возможности.

Человеческая жизнь на всем ее протяжении проявляется, прежде всего, в общении. И все многообразие жизни отражается в столь же бесконечном многообразии общения: в семье, школе, на производстве, в быту, компаниях и т.д.

Общение - одна из универсальных форм активности личности, проявляющаяся в установлении и развитии контактов между людьми, в формировании межличностных отношений и порождаемая потребностями в совместной деятельности.

Общение выполняет целый ряд основных функций :

• Информационная - функция приема, передачи сведений;
• Контактная - установление контакта как состояния обоюдной готовности людей к приему и передачи информации;
• Побудительная - функция стимуляции активности к действию;
• Координационная - функция взаимного ориентирования и согласования действий;
• Понимания - предполагает не только прием информации, но и понимание этой информации друг другом;
• Амотивная - функция возбуждения в партнере нужных эмоций, переживаний, чувств, предполагает эмоциональный обмен, изменение эмоционального состояния;
• Функция установления отношений - осознание и фиксирование своего социального статуса, социальной роли в конкретной социальной общности.
• Функция оказания влияния - изменение состояния, поведения, намерений, представлений, установок, мнений, решений, потребностей, действий и т.д.

Наряду с функциями выделяют основные виды общения.

По количеству участников:

• межличностное;
• групповое.

По способу общения:

• вербальное;
• невербальное.

По положению общающихся:

• контактное;
• дистантное.

По условиям общения:

• официальное;
• неофициальное.

В структуре общения выделяют три тесно взаимосвязанные, взаимообусловленные стороны:

• Перцептивная сторона общения - процесс восприятия друг друга.
• Коммуникативная сторона общения предполагает передачу информации. При этом необходимо учитывать, что человек высказывает 80% от того, что хочет сказать, слушающий - воспринимает 70% и понимает 60% от сказанного.
• Интерактивная сторона общения предполагает организацию взаимодействия (согласованность действий, распределение функций и др.).

При организации общения необходимо учитывать, что оно проходит ряд этапов, каждый из которых влияет на его эффективность.

Если один из этапов общения выпадает, эффективность общения резко снижается и существует вероятность не достичь тех целей, которые ставились при организации общения. Умение эффективно достигать поставленных целей в общении называется коммуникабельностью, коммуникативной компетентностью, социальным интеллектом.