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3. Relationen
Eine Relation ist allgemein eine Beziehung, die zwischen Dingen bestehen kann. Relationen im Sinne der Mathematik sind ausschließlich diejenigen Beziehungen, bei denen stets klar ist, ob sie bestehen oder nicht. Zwei Gegenstände können also nicht „bis zu einem gewissen Grade“ in einer Relation zueinander stehen.
Damit ist eine einfache mengentheoretische Definition des Begriffs der Relation möglich: Eine Relati‐
on R ist eine Menge von n‐Tupeln. Dinge, die in der Relation R zueinander stehen, bilden ein n‐Tupel, das Element von R ist.
Wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, versteht man unter einer Relation eine "zwei‐
stellige" oder "binäre" Relation, also eine Beziehung zwischen je zwei Dingen. Die Elemente eines Paares (a,b) können aus verschiedenen Grundmengen A und B stammen; die Relation heißt dann heterogen oder "Relation zwischen den Mengen A und B". Wenn die Grundmengen übereinstimmen, A = B, heißt die Relation homogen oder "Relation in der Menge A". Wichtige Spezialfälle, zum Beispiel Äquivalenzrelationen und Ordnungsrelationen, sind Relationen in einer Menge.
3.1. Definition
Die vorstehenden Überlegungen erlauben nun folgende formale Definition: Eine binäre Relation R ist eine Teilmenge des kartesischen Produkts zweier Mengen A und B:
R ⊆ A B mit A B := {(a, b)| (a ∈ A) ∧ (b ∈ B)}
Die Menge A wird als Vorbereich oder Quelle der Relation R bezeichnet; die Menge B als Nachbe‐
reich, Ziel oder Zielmenge
Allgemeiner ist eine n‐stellige Relation eine Teilmenge des kartesischen Produkts von n Mengen A
1, ..., A
nR ⊆ A
1... A
nmit A
1... A
n:= {(a
1,… , a
n)| (a
1∈ A
1) ∧ … ∧ (a
n∈ A
n)}.
Oft ist die obige Definition, insbesondere einer binären Relation, nicht präzise genug, und man muss die Quelle und Zielmenge in die Definition mit einbeziehen; obige Teilmenge ist dann genauer der Graph der Relation. Dann definiert man eine Relation als Tripel R = (G
R,A,B) mit
G
R= Graph(R) ⊆ A B.
Alternativ könnte man vereinbaren, dass ein Paar (a,b) hier die Mengen A und B als "Zielmengen" für den Index 1 bzw. 2 "beinhaltet".
Diese genauere Definition lässt sich offensichtlich direkt auf n‐stellige Relationen verallgemeinern.
Die Kenntnis von Quelle und Zielmenge ist jedoch besonders für binäre Relationen wichtig, u. a., wenn man Funktionen als spezielle (sogenannte funktionale) Relationen betrachtet.
3.2. Erläuterungen und Schreibweisen
Das kartesische Produkt ist die Menge aller geordneten Paare von a und b, wobei a irgendein Ele‐
ment aus der Menge A und b eines aus B darstellt. Bei dem geordneten Paar ist die Reihenfolge wich‐
tig, d.h. (a,b) unterscheidet sich von (b,a), im Gegensatz zum ungeordneten Paar {a,b}, das identisch ist mit {b,a}.
Für (a, b) ∈ R schreibt man meist „aRb“. Oft betrachtet man den Spezialfall B = A, also R ⊆ A A, die Relation heißt dann auch homogen. Manche Autoren definieren eine allgemeine Relation bereits als homogene Relation, denn eine allgemeine Relation R ⊆ A B ist auch immer homogen: R ⊆ A ∪ B) A ∪ B).
2 3.3. Relationen und Funktionen
Einer Relation im obigen Sinn entspricht auf eindeutige Weise eine Funktion f
R, deren Definitions‐
menge das kartesische Produkt der Mengen ist und deren Zielmenge lediglich die Elemente wahr und falsch umfasst, wobei f
R(a,b) zu aRb äquivalent ist. Diese Funktion ist auch als Indikatorfunktion oder charakteristische Funktion der Teilmenge G
R⊆ A × B bekannt (wobei evtl. falsch = 0 und wahr = 1 genommen wird).
Umgekehrt kann man aber auch eine Funktion als eine spezielle (nämlich als eine linkstotale und rechtseindeutige) Relation definieren (siehe unten). Ob man Funktionen als spezielle Relationen oder Relationen als spezielle Funktionen erklärt, bleibt willkürlich.
3.4. Verkettung von Relationen
Eine Relation R ⊆ A × B und eine Relation S ⊆ B × C können miteinander verkettet werden. Das Er‐
gebnis ist die Relation RS = S ∘ R = {(a, b) ∈ A × C | ∃b ∈ B: (a, b) ∈ R ∧ (b, c)∈ S}.
Dies ist eine Verallgemeinerung des bekannteren Konzepts der Verkettung von Funktionen.
3.5. Homogene Relationen
Ist R ⊆ A × A, dann nennt man die Relation homogen. In diesem Fall ist die Verkettung R ∘ R ebenfalls eine homogene Relation. Hier ist die Schreibweise R
2=R ∘ R und allgemeiner R
nfür n ∈ \ {0, 1} ge‐
bräuchlich. Das kann zu Verwechslungen mit dem kartesischen Produkt M
2⊆ M × M führen, das sich natürlich auch aus Relationen bilden lässt. Die Bedeutung ergibt sich aus dem Sinnzusammenhang.
Eine spezielle homogene Relation ist die Diagonale Δ
A(oder auch nur Δ) auf einer Menge A. Dies ist nichts anderes als die Gleichheitsrelation als Teilmenge des kartesischen Produkts A × A geschrieben:
Δ
A= {(a, b) ∈ A × A|a =b} = {(a, a) |a ∈ A}.
Diese Schreib‐ und Sprechweise kann verwendet werden, um gewisse Eigenschaften von Relationen in Mengenschreibweise kurz darzustellen.
Eine weitere spezielle homogene Relation ist die Allrelation oder universale Relation U = A × A,
die etwa in der Graphentheorie eine Rolle spielt. Ein Anwendungsbeispiel ist folgender Satz:
Ist G = (V,E) ein gerichteter Graph mit Eckenmenge V und Kantenmenge E ⊆ V × V, so ist G genau dann (stark) zusammenhängend, wenn die reflexiv‐transitive Hülle von E die Allrelation ist.
3.6. Umkehrrelation
Die Umkehrrelation (auch konverse Relation oder inverse Relation genannt) ist für eine Relation R ⊆ A × B definiert als
R
‐1= {(a, b) ∈ B × A|(a, b) ∈ R}.
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Beispiel
Alle möglichen Kombinationen von den Elementen aus der Menge A := {a,b,c} und B := {x,y,z}:
Eigenschaften (binär)
Die in den folgenden Tabellen gegebenen Beispiele beziehen sich bei Verwendung von Gleichheits‐
zeichen "=", Kleinerzeichen "<" und Kleinergleich‐Zeichen "≤" auf die gewöhnliche Anordnung reeller Zahlen.
Attribute für homogene Relationen
Die folgenden Attribute beschreiben gemeinsam eine Äquivalenzrelation, die Attribute reflexiv und transitiv sind auch für Ordnungsrelationen gebräuchlich:
Die Relation heißt
wenn gilt (Aussagenlogik)
oder gleichwertig
(Mengenschreibweise) und das bedeutet reflexiv ∀a∈ A: (a,a) ∈ R ∆ ⊆ R Jedes Element steht in Relation zu sich
selbst, z. B. ist stets a≤a.
symmetrisch ∀a,b∈ A: (a,b) ∈ R⟹
(b,a) ∈ R R ⊆ R
‐1