Кіріспе
Деректер қорына қатысты ұғым. Математика және абстрактілік алгебрада, қатынас алгебрасы – кері операция деп аталатын инволюциямен кеңейтілген, қалдық буль алгебрасы болып табылады. Қатынас алгебрасының түсіндірмелік мысалы – X жиынындағы барлық екілік қатынастардың алгебрасы, яғни X² карталық квадратының ішкі жиындары, мұнда R•S – R және S екілік қатынастарының әдеттегі композициясы ретінде түсіндіріледі, ал R-дың керісі – кері қатынас ретінде қарастырылады. Қатынас алгебрасы 19 ғасырда Август Де Морган мен Чарльз Пирс атқан еңбектерінде пайда болды, бұл Эрнст Шредердің алгебралық логикасында толыққанды аяқталды. Ал осы жерде қарастырылып отырған қатынас алгебрасының теңдеулік формасын 1940 жылдары Альфред Тарски және оның шәкірттері әзірледі. Тарски мен Гивант (1987) аксиоматикалық жиын теориясын айнымалысыз қарастыру үшін қатынас алгебрасын қолданды, бұл жиын теориясына негізделген математиканың өзі айнымалыларсыз жүргізілуі мүмкін екенін көрсетеді.
In mathematics and abstract algebra, a relation algebra is a residuated Boolean algebra expanded with an involution called converse, a unary operation. The motivating example of a relation algebra is the algebra 2 X 2 of all binary relations on a set X, that is, subsets of the cartesian square X2, with R•S interpreted as the usual composition of binary relations R and S, and with the converse of R as the converse relation. Relation algebra emerged in the 19th century work of Augustus De Morgan and Charles Peirce, which culminated in the algebraic logic of Ernst Schröder. The equational form of relation algebra treated here was developed by Alfred Tarski and his students, starting in the 1940s. Tarski and Givant (1987) applied relation algebra to a variable free treatment of axiomatic set theory, with the implication that mathematics founded on set theory could itself be conducted without variables.
Анықтама
Реляциялық алгебра (L, ∧, ∨, ¬, 0, 1, •, 'I', ˘) – бульдық операциялар – конъюнкция x∧y, дизъюнкция x∨y және жосыма x¬, бульдық тұрақтылар 0 және 1, реляциялық операциялар – композиция x•y және кері x˘, және реляциялық тұрақты 'I' арқылы жабдықталған алгебралық құрылым, мұндай операциялар мен тұрақтылар реляциялар есебінің аксиоматизациясын құрайтын белгілі бір теңдеулерді қанағаттандырады. Шамамен, реляциялық алгебра – бос (0), әмбебап (1) және сәйкестік ('I') реляцияларын қамтитын және осы бес операция бойынша жабық жиынтықтағы екілік реляциялар жүйесіне, топ сәйкестік пермутациясын қамтитын жиынтықтағы пермутациялар жүйесіне композиция және кері операциялар бойынша жабықтай ұқсас. Дегенмен, реляциялық алгебраның бірінші реттік теориясы мұндай екілік реляциялар жүйесі үшін толық емес. Jónsson және Tsinakis (1993) еңбектеріне сәйкес, қосымша операцияларды x ◁ y = x • y˘ және, дуальді түрде, x ▷ y = x˘ • y деп анықтау ыңғайлы. Jónsson және Tsinakis 1 = 'I' ◁ x = x ▷ 'I' және екеуі де x˘-ға тең екенін көрсетті. Сондықтан реляциялық алгебраны алгебралық құрылым ретінде де анықтауға болады (L, ∧, ∨, ¬, 0, 1, •, 'I', ◁, ▷). Бұл қолтаңбаның дәстүрлісінен артықшылығы – реляциялық алгебраны толықтай 'I' ◁ x инволюция болып табылатын, яғни 1 = 'I' ◁ ('I' ◁ x) = x қалдық Буль алгебрасы ретінде анықтауға болады. Соңғы шартты обычай арифметикалық кері шама үшін 1/(1/x) = x теңдеуінің реляциялық аналогы ретінде қарастыруға болады, ал кейбір авторлар кері шаманы кері операцияның синонимі ретінде қолданады. Қалдық Буль алгебрасы шекті сандардағы сәйкестіктермен аксиоматизацияланғандықтан, реляциялық алгебра да солай. Сондықтан соңғылары әртүрлілік құрайды, реляциялық алгебралардың RA әртүрлілігін құрайды. Жоғарыдағы анықтаманы теңдеулер ретінде кеңейту келесі шекті аксиоматизацияны береді.
Бинарлық қатынастардың қасиеттерін РА-да көрсету
Келесі кесте екілік қатынастардың әдеттегі қасиеттерінің қаншасы қысқаша RA теңдіктері немесе теңсіздіктері түрінде берілуі мүмкін екенін көрсетеді. Төменде, A ≤ B түріндегі теңсіздік, 1=A∨B = B Буль теңдеуінің қысқартылған түрі. Осындай сипаттағы нәтижелердің ең толық жиынтығы Карнаптың (1958) C тарауында келтірілген, онда жазу осы мақаладағыдан біршама өзгеше. Суппестің (1960) 3.2 тарауында азырақ нәтижелер бар, олар ZFC теоремалары түрінде ұсынылған және осы мақаладағы жазуға көбірек ұқсайды. Carnap және Suppes өз нәтижелерін осы мақаладағы RA немесе теңдеулік түрде жасамаған. R егер және тек егер:Функционалды R˘ • R ≤ 'I' Солдан толық 'I' ≤ R • R˘ (R˘ – сюръективті)Функция функционалды және солдан толық. Инъективті R • R˘ ≤ 'I' (R˘ – функционалды) Сюръективті 'I' ≤ R˘ • R (R˘ – солдан толық)Биекция 1=R˘ • R = R • R˘ = 'I' (Инъективті сюръективті функция)Транзитивті R • R ≤ RРефлексивті 'I' ≤ RКорефлексивті R ≤ 'I'Иррефлексивті 1=R ∧ 'I' = 0Симметриялық 1=R˘ = RАнтисимметриялық R ∧ R˘ ≤ 'I'Асимметриялық 1=R ∧ R˘ = 0Қатты байланысты 1= R ∨ R˘ = 1Байланысты 1= 'I' ∨ R ∨ R˘ = 1Идемпотентті 1=R • R = RАлдын ала тәртіп R – транзитивті және рефлексивті. Теңдестік R – симметриялық алдын ала тәртіп. Ішінара тәртіп R – антисимметриялық алдын ала тәртіп. Толық тәртіп R – қатты байланысты және ішінара тәртіп. Қатаң ішінара тәртіп R – транзитивті және иррефлексивті. Қатаң толық тәртіп R – байланысты және қатаң ішінара тәртіп. Тығыз R ∧ 'I'^(−) ≤ (R ∧ 'I'^(−)) • (R ∧ 'I'^(−)).
Экспрессивтік күш
РА метаматематикасы Тарски мен Гивант (1987) еңбегінде кеңінен талқыланады, ал Гивант (2006) жұмысында қысқаша сипатталады. RA толығымен біркелкі алмастыру және теңдікті алмастыру арқылы манипуляцияланатын теңдеулерден тұрады. Екі қағида да мектеп математикасынан және абстрактілі алгебрадан жақсы белгілі. Сондықтан RA дәлелдері барлық математиктерге таныс тәсілмен жүргізіледі, жалпы математикалық логикадан өзгеше. RA кез келген (және логикалық эквиваленттілік шегінде дәл) үштен артық айнымалысы жоқ бірінші реттік логика (FOL) формулаларын өрнектей алады. (Бір айнымалы бірнеше рет квантификациялануы мүмкін, сондықтан кванторлар айнымалыларды "қайта пайдалану" арқылы кез келген тереңдікте орналастырылуы мүмкін.) Таң қалдыратыны, FOL-дың осы фрагменті Пеано арифметикасын және ұсынылған барлық аксиомалық жиын теорияларын өрнектеуге жеткілікті. Осылайша, RA – бұл FOL және оның байланыстырушылары, кванторлары, логикалық қорытындылар мен modus ponens-тің қатыспауымен дерлік барлық математиканы алгебралаудың бір жолы. RA Пеано арифметикасын және жиын теориясын өрнектей алатындықтан, Гёдельдің толық еместік теоремалары оған қолданылады; RA толық емес, толықтыру мүмкін емес және шешілмейтін. (Ескерту: RA-ның Буль алгебрасы фрагменті толық және шешімді.) RRA класын құрайтын бейнеленетін қатынас алгебралары – бұл қандай да бір жиынтағындағы екілік қатынастардан тұратын және RA операцияларының мақсатты интерпретациясына қатысты жабық алгебраларға изоморфты қатынас алгебралары. Мысалы, псевдоэлементарлық сыныптар әдісін қолдану арқылы, RRA квазивариети екендігі, яғни, жалпы Horn теориясымен аксиомаланатындығы оңай көрсетіледі. 1950 жылы Роджер Линдон RRA-да орындалатын, бірақ RA-да орындалмаған теңдеулердің бар екенін дәлелдеді. Сондықтан RRA-дан туындаған сорт RA сортының нақты субсорты болып табылады. 1955 жылы Альфред Тарски RRA-ның өзі сорт екенін көрсетті. 1964 жылы Дональд Монк RRA-ның, RA-дан айырмашылығы, анықтама бойынша шекті аксиоматизацияланбайтынын көрсетті.
Мысалдар
Кез келген Буль алгебрасы конъюнкцияны композиция ретінде түсіндіру арқылы РА-ға айналуы мүмкін (моноид көбейтуі •), яғни x • y = x∧y ретінде анықталады. Бұл түсіндіруге сәйкес, кері сәйкестікті (ў = y) түсіндіруді және қалдықтар y  \ x және x /y шартты y → x (яғни ¬y ∨ x) түсіндіруді талап етеді. Қатынас алгебрасының бастапқы мысалы X жиынындағы R екілік қатынасын, X^( 2) жиынының кез келген R ⊆ X^( 2) ішкі жиыны ретінде қарастыруға байланысты, мұнда X^( 2) – X-тің декарт квадраты. X-тегі барлық екілік қатынастардан тұратын 2 X 2 жиыны – Буль алгебрасы. 2 X 2 жиыны 1=R • S = R ∧ S деп алып қатынас алгебрасына айналдырылса, жоғарыдағы (1) мысалға сәйкес, • композициясының стандартты түсіндірілуі 1=x(R • S )z = ∃y : xRy ∧ ySz түрінде болады. Яғни, реттелген жұп (x, z) R • S қатынасына жатады, егер X-те y болса, онда (x, y) ∈ R және (y, z) ∈ S. Бұл түсіндіру R \ S-ті барлық (y, z) жұптарынан тұратын ретінде анықтайды, мұнда барлық x ∈ X үшін, егер xRy болса, онда xSz. Дуалды түрде, S /R барлық (x, y) жұптарынан тұрады, мұнда X-тегі барлық z үшін, егер yRz болса, онда xSz. 1=ў = ¬(y\¬'I') тепе-теңдігі R-дың керісі R˘-дың барлық (y, x) жұптарынан тұратынын анықтайды, мұнда (x, y) ∈ R.
Бұл алдыңғы мысалдың маңызды жалпылауы болып табылады, мұнда E ⊆ X^( 2) – X жиынындағы кез келген эквиваленттік қатынас. Бұл жалпылау, өйткені X^( 2) өзі эквиваленттік қатынас, атап айтқанда барлық жұптардан тұратын толық қатынас. 1=E ≠ X^( 2) болған жағдайда (осы жағдайда ол X^( 2) қатынасын қамтымайды, ал жоғарғы элемент 1 орнына E болады), 2E, 2 X 2 жиынының субалгебрасы болмаса да, операциялардың сол анықтамаларын қолдану арқылы қатынас алгебрасына айналады. Оның маңыздылығы, белгілі бір жиын X-тегі E эквиваленттік қатынасы үшін 2E алгебрасының субалгебрасына изоморфты болатын кез келген қатынас алгебрасының анықтамасы болып табылады. Алдыңғы бөлімде осыған қатысты метаматематика туралы толығырақ айтылған. G тобы болсын. Онда қуат жиыны – топтың ішкі жиындық көбейтуімен берілген композициясы, керісі – топтың кері ішкі жиыны және сәйкестік – жеке элементті ішкі жиыны бар қатынас алгебрасы болып табылады. Осы гомоморфизмнің бейнесі – G тобындағы барлық оң инвариантты қатынастар жиыны.
Егер топтың қосындысы немесе көбейтуі композицияны, топтың керісі – керісін, топтың сәйкестігі – 'I'-ді түсіндірсе және егер R бір-бірге сәйкестік болса, яғни 1=R˘ • R = R • R˘ = 'I' болса, онда L да топ, сондай-ақ моноид болады. B4 және B7 топ теориясының белгілі теоремалары болады, сондықтан RA топ теориясының, сондай-ақ Буль алгебрасының тиісті кеңейтімі болады.
An important generalization of the previous example is the power set 2E where E ⊆ X^( 2) is any equivalence relation on the set X. This is a generalization because X^( 2) is itself an equivalence relation, namely the complete relation consisting of all pairs. While 2E is not a subalgebra of 2 X 2 when 1=E ≠ X^( 2) (since in that case it does not contain the relation X^( 2), the top element 1 being E instead of X^( 2)), it is nevertheless turned into a relation algebra using the same definitions of the operations. Its importance resides in the definition of a representable relation algebra as any relation algebra isomorphic to a subalgebra of the relation algebra 2E for some equivalence relation E on some set. The previous section says more about the relevant metamathematics. Let G be a group. Then the power set is a relation algebra with the obvious Boolean algebra operations, composition given by the product of group subsets, the converse by the inverse subset , and the identity by the singleton subset There is a relation algebra homomorphism embedding in which sends each subset to the relation The image of this homomorphism is the set of all right invariant relations on G.
If group sum or product interprets composition, group inverse interprets converse, group identity interprets 'I', and if R is a one to one correspondence, so that 1=R˘ • R = R • R˘ = 'I', then L is a group as well as a monoid. B4 B7 become well known theorems of group theory, so that RA becomes a proper extension of group theory as well as of Boolean algebra.
Тарихи ескертулер
Де Морган 1860 жылы RA-ны қалыптастырды, бірақ C. S. Пирс оны одан да әрі дамытып, оның философиялық қуатына қызығушылық танытты. Де Морган мен Пирстің еңбектері негізінен Эрнст Шрёдердің «Vorlesungen» атты еңбегінің 3-томында (1890–1905) берген кеңейтілген және түпкілікті түрінде танымал болды. «Principia Mathematica» Шрёдердің RA-сына көп сүйенді, бірақ оны белгілерді ойлап табушысы ретінде ғана мойындады. 1912 жылы Альвин Корселт кванторлардың төрт деңгейге дейін біріктірілген нақты бір формуланың RA-да баламасы жоқ екенін дәлелдеді. Бұл жайт RA-ға деген қызығушылықтың төмендеуіне әкелді, содан кейін Тарски (1941) оны зерттеп жаза бастады. Оның шәкірттері осы күнге дейін RA-ны дамытуда. Тарски 1970 жылдары Стивен Гиванттың көмегімен RA-ға қайта оралды; осы ынтымақтастықтың нәтижесінде Тарски мен Гиванттың (1987) монографиясы жарық көрді, ол осы тақырып бойынша толық анықтама болып табылады. RA тарихы туралы толық ақпарат алу үшін Маддукс (1991, 2006) еңбектерін қараңыз.