等价关系是集合上满足自反性、对称性和传递性的二元关系。它将这样一种观念形式化:对象即使并不完全相同,也可以在某个指定标准下被视为相同。在数学中,等价关系推广了相等关系,并将元素组织成互不重叠的群组,称为等价类。每个等价关系都确定了其所在集合的一种划分,而每种划分也都确定了一个等价关系。(judsonbooks.org)
定义与记号
用集合论的语言来说,集合 上的关系 是笛卡尔积 的一个子集。记号 或 表示 。一个关系是等价关系,当且仅当它满足以下三个条件:
- 自反性: 对每个 ,都有 。
- 对称性: 若 ,则 。
- 传递性: 若 且 ,则 。
这些条件必须对所有涉及的元素成立,而不能仅在选取的几个例子中成立。符号 、 和 常用于表示特定的等价关系,其具体含义由上下文确定。(judsonbooks.org)
相等关系是一种等价关系:每个元素仅与自身有关系。相比之下,实数上的关系 满足自反性和传递性,却不满足对称性。因此,检验这三个条件,就能将等价关系与其他比较对象的方式区分开来。(terpconnect.umd.edu)
等价类与划分
对于 ,它的等价类为
自反性保证 ,因此每个等价类都非空。由对称性和传递性可得以下基本结论:
因此,两个等价类要么完全相同,要么互不相交,不可能仅有部分重叠。每个元素恰好属于一个等价类。(terpconnect.umd.edu)
所有不同的等价类组成了一个集合划分,即一族非空、两两不相交且并集为 的子集。反过来,给定一个划分,可规定:当两个元素属于同一个部分时,。这个关系满足自反性,因为每个元素都属于某个部分;满足对称性,因为同属一个部分是相互的;也满足传递性,因为包含任一元素的部分都是唯一的。这两种构造确立了固定集合上的划分与等价关系之间的一一对应。(bookdown.org)
用来标识一个等价类的元素称为代表元。不同的代表元可以标识同一个等价类。例如,在模 的同余关系下,整数 、 和 都代表同一个等价类。等价类本身是一个子集,而不是该子集中某个具有特殊地位的元素。(judsonbooks.org)
商集与函数
关于 的商集记作 ,是所有等价类组成的集合:
由 定义的典范投影 是一个满射函数。它将每个等价类视为新集合中的一个元素,同时通过以下条件保留原来的关系: 当且仅当 。(sites.math.rutgers.edu)
反过来,任意函数 都可以通过下式诱导一个等价关系:
它的等价类就是 的非空纤维,即具有某一特定输出值的所有输入组成的集合。因此,等价可以理解为在某个选定函数下无法区分。映射 给出了从 到 的一个双射函数。如果 是到 的满射,那么该商集就与 存在双射对应。(terpconnect.umd.edu)
数值实例
这表示 和 除以 的余数相同。当 时,三个等价类为
尽管每个等价类都包含无穷多个元素,它们仍构成整数集的一个划分。(judsonbooks.org)
等价类也提供了一种构造有理数的方法。对于数对 ,其中 为整数, 为正整数,定义
数对 所在的等价类表示有理数 。因此, 和 表示同一个数。这就将一个数与它的多种分数表示区分开来。将 和 结合,再约去非零因子 ,即可证明传递性。(bookdown.org)
几何与分析中的实例
在几何学中,可以规定:平面上的点到原点的欧几里得距离相同时,它们等价。每个对应正距离的等价类都是以原点为圆心的圆;对应零距离的等价类则只包含原点。因此,等价类不一定是有限集,也不一定由离散对象组成。(jiblm.org)
在实数上,由 定义的关系 的等价类形如 ,其中 是特殊的单元素等价类。这是由丢失信息的函数所诱导的关系的一个例子;在这里,丢失的是非零输入的符号。(sites.math.rutgers.edu)
在微积分中,可以规定:定义在 上的可微函数,如果其导数处处相等,就彼此等价。每个等价类由仅相差一个加法常数的函数组成。在线性代数中,矩阵相似提供了另一个例子:若存在可逆矩阵 ,使得 ,则方矩阵 与 具有这一关系。对变基矩阵求逆可证明对称性,而将变基矩阵相乘可证明传递性。(judsonbooks.org)