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Álgebra Superior I: Relaciones de equivalencia y clases de equivalencia

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

4 respuestas

Introducción

Siguiendo la revisión de algunas relaciones de un conjunto en sí mismo, ahora vamos a hablar de un tipo especial de relaciones, que se llamarán de equivalencia. Este es un concepto que aparece frecuentemente en las matemáticas y es un tipo de relación que permite «agrupar» distintos elementos de un conjunto según alguna propiedad que tengan.

Relación de equivalencia

La relación que veremos en esta entrada es la de equivalencia. Para entender propiedades de este tipo de relaciones, consideremos al conjunto de todas las personas $X$ y la relación $\sim$ como:$$\sim = \{(x,y) \in X^2:x\text{ tiene el mismo cumpleaños que }y\}.$$ Y como es costumbre, escribiremos $x \sim y$ si $(x,y) \in \sim$. Esta relación será de equivalencia, y antes de definirla, vamos a hacer algunas observaciones de ella.

Observa que este tipo de relación nos permite «agrupar» a las personas según su cumpleaños, pues al haber $365$ días en el año, cada persona $x$ tendrá su cumpleaños en alguno de esos días. Nota que podríamos hablar de «el subconjunto» de $X$ formado de las personas las cuales cumplen años el $14$ de febrero, y esto lo haríamos con ayuda de la relación $\sim$, pues considerando alguna persona $x$ que cumpla años ese día, podríamos considerar a todas las personas $y$ tales que $x \sim y$. Y todas las personas que estén relacionadas con $x$, serán las que tienen su cumpleaños ese día. Retomaremos esta idea de las «agrupaciones» más adelante, lo importante ahora es que veas que este tipo de relaciones (aún no hemos dicho qué significa que sea de equivalencia o porqué esta es una relación de equivalencia) nos permiten «agrupar» elementos de un conjunto según los elementos que se relacionan entre sí.

Ahora, veamos algunas propiedades que tiene esta relación que la hará de equivalencia:

  • $\sim$ es reflexiva. Nota que toda persona $x$ cumple el mismo día años que la persona $x$. Esto es porque estamos hablando de la misma persona.
  • $\sim$ es simétrica. Considera dos personas $x,y$ relacionadas ($x \sim y$). Entonces es cierto que $x$ tiene el mismo cumpleaños que $y$. Pero también es cierto que $y$ tiene el mismo cumpleaños que $x$, de esta manera $y \sim x$.
  • $\sim$ es transitiva. Ahora supón que $x \sim y$ y que $y \sim z$. Entonces es cierto que $x$ y $y$ comparten cumpleaños, pero como $y \sim z$ entonces $z$ tiene el mismo cumpleaños que $y$ y esto solo puede significar que $x$ tiene el mismo cumpleaños que $z$, pues no puede suceder que $y$ tenga dos cumpleaños distintos.

Estas son las propiedades que decimos que cumple una relación de equivalencia.

Definición. Sea $X$ un conjuntos y $\sim$ una relación de $X$ en sí mismo. Diremos que $\sim$ es una relación de equivalencia si $\sim$ es reflexiva, simétrica y transitiva.

Este es un concepto que se aparecerá muchas veces en distintas áreas de las matemáticas, veamos a continuación algunos ejemplos de relaciones de equivalencia, no importa que ahora no sepas muy bien qué son estos conceptos, lo importante es que veas que aparecen en distintas áreas de las matemáticas:

  1. En $\mathbb{R}$, la relación $x \sim y \Leftrightarrow |x|=|y|$ es de equivalencia.
  2. Si $X=\{a,b,c\}$ y $\sim=\{(a,a),(b,b),(a,b),(b,a),(c,c)\}$, entonces $\sim$ es una relación de equivalencia.
  3. En el espacio de matrices reales $M_{2\times 2}(\mathbb{R})$, la siguiente es una relación de equivalencia: $A \sim B \Leftrightarrow \exists \lambda \in \mathbb{R}, \lambda \neq 0(A = \lambda B)$.
  4. En espacios topológicos, la relación $X \sim Y \Leftrightarrow X \text{ es homeomorfo a } Y$ es una relación de equivalencia.
  5. La congruencia entre triángulos, es una relación de equivalencia.
  6. Diremos que un número entero $x$ es congruente con $y$ módulo $n$ si el residuo de dividir $x$ entre $n$ es el mismo que el residuo de dividir $y$ entre $n$ y lo escribiremos como $x \equiv_n y$. $\equiv_n$ es una relación de equivalencia.

Algunos ejemplos de relaciones que no son de equivalencia:

  1. La relación «ser menor o igual» en números enteros $\leq$ no es de equivalencia.
  2. La relación «ser padre/madre de» no es una relación de equivalencia.
  3. Si $X=\{a,b,c\}$ y $\sim=\{(a,a),(a,b),(b,a),(c,c)\}$, entonces $\sim$ no es de equivalencia.

Clases de equivalencia

Volvamos al ejemplo de la relación $\sim$ «tener el mismo cumpleaños». Ahora veremos porqué desde el principio hemos dicho que las relaciones de equivalencias nos ayudan a «agrupar» elementos de un conjunto de acuerdo a los elementos que se relacionan con él. Considera de nuevo el ejemplo de las personas que cumplen años el $14$ de febrero. La relación $\sim$ nos ayuda a encontrar a todas las personas que cumplen años ese día. Pues solo tendríamos que considerar una persona que cumpla años ese día y enseguida encontrar todas las personas que se relacionan con esta persona. Claramente este grupo, será distinto al grupo de personas que cumple años el $17$ de Junio, y a su vez estos do serán distintos al grupo de personas que cumplen el $10$ de Enero. En total podríamos «partir» el conjunto de personas $X$ en $365$ grupos de acuerdo al día en que cumplen años.

Si partimos de una persona $x$, entonces podemos considerar el conjunto $$[x]_{\sim}=\{y \in X: x \sim y\}.$$ Este conjunto representa a todas las personas que tienen el mismo cumpleaños que $x$, y recordando lo que dijimos en el párrafo anterior, si $x$ cumple el $14$ de febrero, entonces $[x]_{\sim}$ es el conjunto de personas que cumplen años ese día. Pues con esto en mente, hemos llegado al siguiente concepto: clase de equivalencia.

Definición. Sea $\sim$ una relación de equivalencia en $X$ y $x \in X$. La clase de equivalencia de $x$ es: $$[x]_{\sim}=\{y \in X: x \sim y\}.$$

Algunas veces cuando estemos hablando de una relación de equivalencia $\sim$ y no haya ambigüedad en qué relación de equivalencia estemos hablando, es común únicamente escribir $[x]$ para la clase de equivalencia del elemento $x$ en lugar de escribir $[x]_\sim$.

Veamos a continuación algunas propiedades que tienen estas clases de equivalencia que nos permiten asegurar que «parten» un conjunto agrupando sus elementos en distintos subconjuntos.

Proposición. Sea $\sim$ una relación de equivalencia en $X$ y $x,y \in X$. Son equivalentes:

  1. $x \sim y$
  2. $[x]=[y]$
  3. $[x] \cap [y] \neq \emptyset$

Demostración.

$(1) \Rightarrow (2)$ Para demostrar la igualdad entre conjuntos, demostraremos que cada clase equivalencia está contenida en la otra.

$\subset )$ Sea $w \in [x]$. Por definición del conjunto, $w \sim x$ y por hipótesis, $x \sim y$. Ahora, como $\sim$ es de equivalencia, entonces $w \sim y$. De esta forma, $w \in [y]$.

$\supset )$ De manera análoga a la contención anterior, si $w \in [y]$ entonces $w \sim y \land w \sim x$ de manera que $w \in [x]$.

$(2) \Rightarrow (3)$. Notemos que si $[x]=[y]$ entonces $[x] \cap [y]=[x]$ y $x \in [x]$, de esta manera, la intersección no es vacía.

$(3) \Rightarrow (1)$. Como $[x] \cap [y] \neq \emptyset$ entonces existe un elemento $w \in [x] \cap [y]$. De esta forma $x \sim w \land y \sim w$. Como $\sim$ es una relación de equivalencia, entonces $x \sim y$.

$\square$

Corolario. Sea $\sim$ una relación de equivalencia en $X$ y $x,y \in X$. Entonces $[x]=[y] \lor [x] \cap [y] = \emptyset.$

Demostración. Sean $x,y$ dos elementos de $X$. Entonces tenemos dos casos para $x,y$.

Caso 1) $x \sim y$. En este caso, por la proposición anterior, $[x]=[y]$.

Caso 2) $x \not \sim y$. Notemos que en este caso $[x]\cap [y]= \emptyset$, pues si no fuera cierto, la intersección no sería vacía y por la proposición anterior, esto significaría que $x \sim y$, contradiciendo la hipótesis de este caso.

$\square$

Particiones

El siguiente concepto nos permite hablar de «partir» un conjunto en distintos subconjuntos. En términos simples, una partición será una forma de dividir un conjunto en subconjuntos que no comparten elementos en común entre sí. Por ejemplo, considera a los números enteros. Podemos dividir el conjunto en dos particiones: el de los número pares y el de los impares. Denotemos al conjunto de los números pares como $P$ y al de los impares como $I$ entonces:

  • $P \cap I=\emptyset$
  • $P \cup I = \mathbb{Z}$

Entonces podemos observar algunos puntos para definir qué es una partición:

  • Cada uno de los subconjuntos que forman la partición son no vacíos. Nota que tanto $P$ como $I$ tienen al menos un elemento.
  • La intersección entre cada una de los subconjuntos de la partición es vacía. Esto significa que las particiones no comparten elementos, en el ejemplo, es claro que ningún número par es impar y viceversa.
  • La unión de los subconjuntos de la partición forman de nuevo el conjunto. Esto significa que todo elemento del conjunto pertenece a una única partición, en nuestro ejemplo esto significa que cualquier número entero es impar o es par, no ambos al mismo tiempo.

Estas son las tres propiedades que pediremos para definir una partición.

Definición. Sea $X$ un conjunto y $F = \{X_i\}_{i \in \mathcal{F}}$ una colección de subconjuntos, entonces diremos que $F$ es una partición de $X$ si:

  • Para cada $X_i \in F, X_i \neq \emptyset$.
  • Para $X_i,X_j \in F$ dos subconjuntos distintos, $X_i \cap X_j = \emptyset$.
  • $\bigcup F = X$

Resulta que esta definición no es al azar, pues cada relación de equivalencia induce una partición.

Proposición. Sea $\sim$ una relación de equivalencia sobre un conjunto $X$. Entonces las distintas clases de equivalencia forman una partición.

Demostración. Denotemos a $P$ como el conjunto de todas las clases de equivalencia de $X$, es decir $$P = \{[x]: x \in X\}$$. Ahora demostraremos que $P$ es una partición. Para ello, notemos que:

  1. Cada elemento de la partición $P$ es distinta al vacío. Observemos que si $[x] \in P$ entonces existe al menos un elemento en esa clase de equivalencia, de manera explícita, $x \in [x]$.
  2. Si $[x], [y] \in P$ son dos clases distintas, entonces $[x] \cap [y]$ es vacía. Este punto sale directamente del corolario demostrado anteriormente, pues $[x]=[y]$ o $[x] \cap [y]=\emptyset$.
  3. $\bigcup P = X$. De manera clara sucede que $\bigcup P \subset X$, pues cada elemento de $P$ es un subconjunto de $X$, y la unión de subconjuntos de un conjunto siempre está contenida en el conjunto. Para demostrar que $X \subset \bigcup P$, notemos que si $x \in X$, entonces $x \in [x]$ y $[x] \in P$, de esta manera, $x \in \bigcup P$.

De esta manera, $P$ es una partición.

$\square$

Este concepto de relaciones de equivalencia aparece muy seguido en distintas ramas de las matemáticas, será importante conforme avances en tu carrera del área matemática, pues muchas veces será útil ver que algunas relaciones son de equivalencias de manera en que sabremos que son particiones y podremos ver el conjunto en sus distintas partes de acuerdo a la relación.

Más adelante…

En la siguiente entrada volveremos a hablar de relaciones entre conjuntos que en un inicio, no deben ser el mismo. Y el siguiente tipo de relación será fundamental, pues es el concepto de función entre dos conjuntos. No solo aparecerá aquí, sino que es una base para hablar en otras materias como en cálculo, geometría, entre otras.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Demuestra que la relación «ser igual a» $=$ en $\mathbb{Z}^2$ es una relación de equivalencia.
  2. Demuestre que la relación «ser menor o igual» en números enteros no es una relación de equivalencia.
  3. Demuestra que cualquier orden parcial no es una relación de equivalencia.
  4. Demuestra que si $x \in [y]_{\sim} \Leftrightarrow [x]_{\sim}=[y]_{\sim}$.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Álgebra Superior I: Tipos de relaciones en conjuntos

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

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Introducción

Hemos hablado ya de relaciones entre conjuntos, sobre imagen, dominio y composición. Ahora vamos a ver algunas relaciones especiales entre conjuntos, que son la inyectividad, la suprayectividad y relaciones de un conjunto en sí mismo.

Inyectividad de una relación

Las ideas de los dos tipos de relación que vamos a exponer son inyectividad y suprayactividad. La inyectividad es una idea que nos va a hablar de cómo podemos relacionar un elemento de la imagen de una relación con un elemento del dominio. En pocas palabras lo que nos dirá la inyectividad es: Una relación inyectiva es aquella en la que los distintos elementos del dominio van a elementos de la imagen distintos. Veamos esto con calma con un ejemplo.

Supongamos que a nosotros nos interesa recuperar los elementos del dominio con los de la imagen, es decir, quisiéramos ver para cada pareja $y$ de la imagen, de qué $x$ proviene. En el caso de que haya dos relaciones distintas $(x,y),(z,y)$ nos causaría conflicto, pues podríamos decir que $y$ «viene» de dos distintos elementos del dominio.

Una relación inyectiva es aquella en donde para cada elemento de la imagen, existe un único elemento del dominio que se relaciona con esta. Es decir, una relación inyectiva $R$ será aquella en donde para cada $y \in Im(R)$, solo existe un elemento $x \in Dom(R)$ tal que $(x,y) \in R$. Otra forma de verlo es con la siguiente definición:

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$. Diremos que $R$ es inyectiva si $$\forall y \in Im(R) (\exists ! x \in X:(x,y) \in R)$$

Observa ahora que esto significa que si $R$ es una relación inyectiva y dos parejas $(x,y),(z,y)$ pertenecen a la relación $R$, entonces no les queda de otra que ser la misma pareja, esto implica que $x=z$.

Proposición. Sea $R$ una relación entre dos conjuntos $X$ y $Y$. Entonces son equivalentes:

  1. $R$ es una relación inyectiva.
  2. Si $(x,y) \in R$ y $(w,y) \in R$ entonces $x=w$.

Demostración.

$1) \Rightarrow 2)$. Consideremos $(x,y) \in R$ y $(w,y) \in R$. Lo que queremos demostrar es que $x=w$, para ello notemos que $R$ es inyectiva, lo que quiere decir que existe una única pareja $(x,y) \in R$. Esto quiere decir que $(x,y)=(w,y)$ y esto solo sucede si $y=y$ y $x=w$. Siendo la segunda igualdad la buscada.

$2) \Rightarrow 1)$. Ahora supongamos que si $(x’,y’) \in R$ y $(w’,y’) \in R$ entonces $x’=w’$. Y supongamos que $y$ es un elemento de la imagen de $R$. Demostremos ahora que existe un único elemento $x$ tal que $(x,y) \in R$. Para ello mostraremos que existe al menos un elemento $x$ tal que $(x,y)$ y cualquier otro elemento $w$ no cumple tal propiedad. Para demostrar lo primero, notemos que $y$ es un elemento del contradominio, lo que quiere decir que existe al menos un elemento $x \in X$ tal que $(x,y) \in R$. Y finalmente para demostrar que $x$ es único, supongamos existe un elemento $w \in X$ distinto a $x$ tal que $(w,y) \in R$. Pero por hipótesis, si pasa esto entonces $x=w$, lo cual es una contradicción pues hemos dicho que $x$ es distinto a $w$. De esta manera, $x$ sí es único.

$\square$

También es análogo pensar que si una relación $R$ es inyectiva, entonces para cada elemento de la imagen $y$, sucede que $Im^{-1}[\{y\}]$ tiene un único elemento, pues la definición nos dice que solo existe un elemento $x$ del dominio que se relaciona con $y$.

Ahora observa por ejemplo a los conjuntos de animales $X$ y el tipo de animales $Y$. Podríamos decir que en tipos de animales, tenemos aquellos que viven en la tierra (terrestres) y los que viven en el agua (acuáticos). Entonces una parte de la relación $R$ que relaciona el animal con el hábitat que tiene, se vería de la siguiente manera:

Ahora, si nos preguntamos, cuáles son los animales terrestres, deberíamos observar que al menos los animales terrestres son los perros, gatos, camellos, etc. Una relación que no es inyectiva, no nos regresa un único elemento, sino que un subconjunto del dominio de más de un elemento. Así que esta relación no es inyectiva.

Por otro lado, una relación que sí es inyectiva entre los conjuntos $X=\{a,b,c,d,e,f\}$ y $\mathbb{Z}$ es la relación $R$:

$$R=\{(a,y): y \in Z\} $$

Es inyectiva pues los elementos de esta relación se ven como: $R=\{\dots,(a,-1),(a,0),(a,1),(a,2),\dots\}$ Y si agarramos cualquier número en la imagen de la relación, solo vendrá de un elemento, el elemento $a$.

Otros ejemplos de relaciones inyectivas son:

$R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2:x=y\}$
$R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2:x=2y\}$
$R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2:(0,y) \text{ si }y\text{ es par,}(1,y)\text{ en otro caso}\}$

Relaciones suprayectivas

Otro concepto que será interesante es el de la suprayactividad. Este en términos simples nos dice que una relación $R$ es suprayectiva entre dos conjuntos $X,Y$ si cada elemento de $Y$ se relaciona con algún elemento de $X$. Es así como la siguiente definición nos lo menciona:

Definción. Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$. Diremos que $R$ es suprayectiva si $Im[Y]=Y$.

Una forma alterna de verlo es como en la siguiente proposición nos lo demuestra, siendo que siempre podremos encontrar una pareja para cada elemento $y$ de $Y$:

Proposición. Una relación $R$ es suprayectiva si y solo si $\forall y\in Y(\exists x \in X:(x,y) \in Y)$

Demostración Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$

$\Rightarrow$] Por hipótesis, $R$ es suprayectiva. Para demostrar que $\forall y\in Y(\exists x \in X:(x,y) \in Y)$ consideraremos un elemento $y \in Y$ arbitrario y demostraremos que existe algún elemento $x \in X$ tal que $(x,y)$ sea un elemento de la relación.
Como hipótesis, sabemos que la imagen de $R$ es igual a $Y$, esto quiere decir que:$$Y=Im(R)=\{y \in Y: \exists x \in X \text{ tal que }(x,y)\in R\}.$$ De esta manera, $$y \in \{y \in Y: \exists x \in X \text{ tal que }(x,y)\in R\}.$$ De manera que $\exists x \in X \text{ tal que }(x,y)\in R$. Por lo tanto, $\forall y\in Y(\exists x \in X:(x,y) \in Y)$

$\Leftarrow$]. Ahora supongamos por hipótesis que para cada elemento $y \in Y$, existe un elemento $x \in X$ tal que $(x,y) \in R$. Ahora, demostremos que $R$ es suprayectiva, es decir $Im(R)=Y$. Para esto, tendremos que demostrar que $Y$ está contenido en $Im(R)$ y viceversa. Pero nota que $Im(R)$ siempre es un subconjunto de $Y$ (pues por definición, sus elementos son elementos de $Y$). Así que bastará demostrar que $Y \subset Im[R]$. Para ello, considera un elemento $y \in Y$. Por hipótesis, para aquel elemento, existirá $x \in X$ tal que $(x,y) \in R$. Pero esto significa que $y \in Im[Y]$. Así, $Y \subset Im[R]$.

$\square$

Un ejemplo de una función suprayectiva sobre los conjuntos $X = \{1,2,3\}, Y=\{0\}$ es la relación $R=\{(1,0),(3,0)\}$. Esto puesto que hay solo un elemento en el conjunto $Y$ y hay al menos una relación para cada elemento del conjunto $Y$. Esto quiere decir que «cubrimos» a todo el contradominio. Otros ejemplos de funciones suprayectivas son:
$R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2:x=y\}$
$R = \{(x,y) \in \mathbb{Z} \times \{0,1,2,3,4\} : x =1 \land y \in \{0,1,2,3,4\}\}$
Si $R$ es una relación entre dos conjuntos, $X,Y$, la relación $R=X \times Y$ es suprayectiva.

Relaciones de un conjunto en sí mismo

Hemos estado hablando ya de un conjunto muy particular, $\mathbb{Z}^2$ que lo definimos como $\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}$, es decir de relaciones en el conjunto de los números enteros en sí mismo. Este tipo de relaciones, como ya lo hemos mencionado, se les acostumbra a poner un subíndice $^2$ para indicar que estamos hablando del producto cartesiano de un conjunto sobre él mismo. Por ejemplo si $X$ es un conjunto, entonces $X^2=X \times X$. Vamos a concentrarnos ahora en algunas relaciones especiales de un conjunto en sí mismo.

La primera relación que veremos será la reflexividad, y esto se da cuando un elemento está relacionado consigo mismo. Por ejemplo, en $\mathbb{Z}^2$, la relación cuyos elementos son de la forma $(x,x)$ siempre será reflexiva, pues cada elemento $x$ está relacionado consigo mismo.

La segunda relación se llama la simetría, que nos indica que para cada pareja $(x,y)$ de la relación, sucederá que igual $(y,x)$ estará en la relación. Si te das cuenta, algo que nos dice esta relación es que el orden «no importa», pues da igual cuál elemento escribamos del lado izquierdo y del lado derecho, pues su homónimo simétrico estará igual en la relación.

La tercera es un concepto similar al segundo pero en su antónimo. Diremos que una relación es antisimétrica si para cada pareja que tengamos en la relación $(x,y) \in R$, no sucederá que $(y,x) \in R$ a menos que $x=y$. Piensa por ejemplo para esto, en la relación «ser menor o igual a un número» $\leq$. Sucede que $1 \leq 2$ pero no que $2 \leq 1$.

Finalmente, la cuarta propiedad es llamada la transitividad. Esto lo que nos indica es que la composición de la relación también es parte de la relación. En otras palabras, si $(x,y),(y,z) \in R$ entonces $(x,z) \in R$. Para pensar en un ejemplo, piensa en la igualdad entre números, si $1+1=2$ y $2=4-2$, entonces $1+1=4-2$.

Anotaremos este tipo de relaciones como una definición

Definición. Sea $R$ una relación de un conjunto $X$ en sí mismo. Diremos que:

  • $R$ es reflexiva si $\forall x \in X,(x,x) \in R$
  • $R$ es simétrica si $\forall x \in X \forall y \in X\big( (x,y) \in R \Rightarrow (y,x) \in R \big)$
  • $R$ es antisimétrica si $\forall x \in X \forall y \in X\big( ((x,y) \in R \land (y,x) \in R) \Rightarrow (x=y) \big)$
  • $R$ es transitiva si $\forall x \in X \forall y \in X \forall z \in Z \big( ((x,y) \in R \land (y,z) \in R ) \Rightarrow (x,z) \in R \big)$

Más adelante…

En la siguiente entrada entraremos a los ordenes parciales, los cuales son relaciones de un conjunto sobre sí mismo que cumplen algunas de las clases especiales de relaciones que hemos revisado en esta entrada. De hecho quizá ya tengas una idea intuitiva de qué es un orden, concepto que ampliaremos más en lo que sigue.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$.Demuestra que son equivalentes:
    1. $R$ es inyectiva
    2. $\forall y \forall x \big(((x,y)\in R \land (z,y) \in R) \Rightarrow x=z\big)$
    3. $\forall y \in Im(R) \big( Im^{-1}[\{y\}] \text{ tiene un solo elemento}\big)$
  2. Demuestra que las siguientes relaciones son inyectivas:
    • $R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2:x=y\}$
    • $R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2:x=2y\}$
    • $R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2:(0,y) \text{ si }y\text{ es par,}(1,y)\text{ en otro caso}\}$
  3. Sea la relación $R$ sobre el conjunto $X$ de los seres humanos dada por: $$R=\{(x,y) \in X^2:x \text{ tiene el mismo cumpleaños que }y\}.$$ Demuestra que $R$ es una relación reflexiva, simétrica y transitiva.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»

Álgebra Superior I: Relaciones en conjuntos: dominio, codominio y composición

Por Guillermo Oswaldo Cota Martínez

2 respuestas

Introducción

Habiendo hablado del producto cartesiano, ya tenemos los ingredientes para irnos acercando a la definición de función, pero antes de hablar de ellas, tenemos que hablar de relaciones y de algunos de sus conceptos. En esta entrada introduciremos el concepto de relación, dominio, codominio y composición entre relaciones.

Relaciones

Cuando estamos hablando de el producto cartesiano, estamos juntando las parejas posibles de elementos entre dos conjuntos. Pero quizá no nos interesen todas las parejas posibles, quizá a veces solo nos interesaría hablar de algún subconjunto de estas parejas. Por ejemplo, si tenemos los conjuntos de zapatos izquierdos y derechos denotados por $I,D$ entonces no siempre nos interesan todas las parejas posibles de zapatos, quizá solo nos interese combinar cada zapato izquierda con su par correspondiente. Para dar un ejemplo, imagina que hay tres zapatos $A,B,C$ y los conjuntos $I$ y $D$ contienen tres zapatos de cada uno de los zapatos que hay:

$I = \{A_I,B_I,C_I\} $

$D = \{A_D,B_D,C_D\} $

Si quisieramos unir cada zapato con su par, nos podemos fijar en su producto cartesiano $I \times D$, sin embargo hay elementos que sí nos van a interesar y otros que no. Por ejemplo, la pareja $(I_A,D_A)$ sí nos interesa, pues es el zapato izquierdo y derecho del zapato $A$. Por otro lado, la pareja $(I_A,D_C)$ no nos interesa, pues estamos juntando dos zapatos pero de modelos distintos. En particular, el subconjunto de $I \times D$ que describe a los tres zapatos es: $$R = \{(I_A,D_A),(I_B,D_B),(I_C,D_C)\}.$$ Este conjunto es una relación entre los conjuntos $I$ y $D$. Como podrás notar, $R \subset I \times D$, y para la definición de relación, basta con que el conjunto esté contenido en el producto cartesiano para que cumpla la definicón.

Definición. Sean $X$ y $Y$ dos conjuntos, una relación entre los conjuntos $X$ y $Y$ es un subconjunto $R$ del producto cartesiano $X \times Y$: $$R \subset X \times Y $$

Definición. Si $R$ es una relación de $X$ en $Y$, diremos que $x$ está relacionado con $y$ bajo la relación $R$ si la pareja $(x,y) \in X \times Y$ y $(x,y) \in R$.

Con esta última definición, podemos notar que el zapato izquierdo $A$ ($I_A$) está relacionado con el zapato derecho $A$ ($D_A$) bajo la relación $R$, pues la pareja $(I_A,D_A)$ pertenece a la relación $R$.

En nuestro ejemplo anterior, mostramos una relación entre $I$ y $D$. Otros ejemplos de relaciones entre $I$ y $D$ son los siguientes:

$\{(I_B,D_A),(I_C,D_B),(I_C,D_A)\},$
$\{(I_C,D_B)\}$
$\{(I_A,D_A),(I_C,D_B)\}$
$\emptyset$
$I \times D$

Dominio y codominio de relaciones

Vamos ahora a trabajar con el conjunto de los números enteros $\mathbb{Z}$. Y trabajaremos con el producto cartesiano $\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}$. Llamemos a este producto cartesiano $\mathbb{Z}^2$ que es la forma en que comúnmente se le denota al producto cartesiano entre el mismo conjunto (en este caso $\mathbb{Z}$) en la literatura.

Ahora, consideremos la siguiente relación entre los conjuntos: $$R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: (x \text{ es múltiplo de 3} )\land (y = 2x) \} $$

Y notemos que algunos ejemplos de elementos de esta relación son: $\{ (3,6),(0,0),(-3,-6),(3^{10},2*3^{10}) ,(-300,-600)\} \subset R$. Gráficamente, podemos ver la relación en la siguiente imagen:

Del lado izquierdo corresponden los elementos $x$ de las parejas $(x,y) \in R$ y del lado derecho los elementos $y$. Notemos que del lado izquierdo (los elementos $x$), no consideramos todos los elementos. Por ejemplo, los números $\{-5,-4,-2,-1,1,2,4,5\}$ no forman ninguna pareja, pues en la definición de nuestro conjunto, solo estamos considerando los múltiplos de $3$ del lado izquierdo de la relación. A estos números que sí forman parejas del lado izquierdo, les llamamos dominio.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$. El dominio de la relación $R$ es $$Dom(R) = \{x \in X: \exists y \in Y \text{ tal que } (x,y) \in R\}$$

Notemos que siempre pasará que $Dom(R)\subset X$, otra definición que no hay que confundir con la de dominio es la de contradominio, al que nos referimos como el conjunto $Y$.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$. El contradominio de $R$ es el conjunto $Y$.

En nuestro ejemplo anterior, $$Dom(R)=\{x \in X: x \text{ es múltiplo de 3}\}$$.

Esto es cierto, pues las parejas de la relación $R$ son aquellas parejas de la forma $(3n,6n)$, pues pedimos que del lado izquierdo estén los múltiplos de $3$ (todo múltiplo de $3$ puede escribirse como algún número entero $n$ multiplicado por $3$), y del lado izquierdo el doble del número que escribimos del otro lado (si del lado izquierdo está $3n$ entonces del derecho estará $2*3n=6n$). Así que el dominio son aquellos números que forman alguna pareja, es decir, los múltiplos de $3$.

Por otro lado, el contradominio es $\mathbb{Z}$. Ahora, podemos preguntarnos en un concepto análogo a la idea de los elementos $y$ para los cuales existe un elemento $x$ de forma que $(x,y)$ pertenezca a la relación, para eso, podemos observar que los únicos elementos de $Z$ que pertenecen a alguna pareja del lado derecho son $\{\dots,-12,-6,0,6,12,\dots\}$, es decir, los múltiplos de $6$, de manera que podríamos hablar de que este conjunto es la imagen de la relación $R$.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos y $R$ una relación de $X$ en $Y$. La imagen de $R$ es: $$Im(R) = \{y \in Y: \exists x \in X \text{ tal que } (x,y) \in R\}$$

Imagen Directa e Imagen Inversa

Ahora, tomemos a los conjuntos $A=\{0,2,3,5,7,8,9\}$ y $B=\{-6,-1,2,3,4,6,7,12,21\}$ veamos que $A \times B \subset \mathbb{Z}^2$ pues ambos son subconjuntos de números enteros. El siguiente concepto que vamos a presentar, va a ser la imagen directa e inversa. Para esto, consideremos nuevamente nuestra relación $R$ de la sección anterior. Veamos que los elementos de $A$ que pertenecen al dominio de $R$ son $\{0,3,6,9\}$ esto pues $\{(0,0),(3,6),(6,12),(9,18)\} \subset R$. Definamos la imagen directa de $A$ como los elementos en la imagen de $R$ con la restricción de que únicamente consideremos elementos de $A$ del lado izquierdo.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos, $A \subset X$ y $R$ una relación de $X$ en $Y$. La imagen directa de $A$ es el conjunto: $$Im[A]=\{y \in Y: \exists x \in A \text{ tal que }(x,y) \in R\}$$

Compara esta definición con la definición de imagen, lo único que estamos cambiando es el conjunto al que pertencen las $x$.

De manera similar, tenemos un concepto similar para $B$, en donde restringiremos ahora el dominio. Para esto, nota que las parejas de $R$ que tienen su imagen en $B$ son $\{(-6,-3),(3,6),(6,12)\}$. Y el concepto de imagen inversa, serán aquellos elementos del dominio de $R$ los cuales están relacionados con algún elemento de $B$.

Definición. Sean $X,Y$ dos conjuntos, $B\subset Y$ y $R$ una relación de $X$ en $Y$. La imagen inversa de $B$ es el conjunto: $$Im^{-1}[B]=\{y \in Y: \exists x \in A \text{ tal que }(x,y) \in R\}$$

De esta, manera:

$$Im[A]=\{0,6,12,18\},$$ $$ Im^{-1}[B]=\{-6,3,6\}.$$

A continuación, vamos a introducir una última definición de esta entrada, que da la idea intuitiva de juntar distintas relaciones.

Composición de funciones

Ahora, veremos la siguiente relación entre el conjunto de zapatos izquierdos $I$ y conjunto de zapatos derechos $D$:

$$R = \{(x,y) \in I \times D: x \text{ es del mismo color que }y\} $$

Y la relación entre zapatos derechos y el conjunto $P$ de pantalones:

$$ T = \{(x,y) \in D \times P:x \text{ es del mismo color que }y\} $$

Estas relaciones solo nos están juntando colores de prendas, la primera nos junta zapatos del mismo color y la tercera relaciones el color de los zapatos derechos con el del pantalón.

Así que por si ejemplol tuvieramos los colores rojo, amarillo y azul entre zapatos izquierdos, derechos y pantalones, entonces la primera relación tendría al zapato izquierdo rojo $I_R$, el zapato derecho rojo $D_R$ y el pantalón rojo $P_R$, de manera que $(I_R,D_R) \in R \land (D_R,P_R) \in T$. ¿Podemos establecer la conexión entre los zapatos izquierdos y los pantalones? Pues con esta pareja, resulta que de alguna manera el zapato $D_R$ une a los dos elementos mediante dos relaciones distintas. La primera relación tiene como contradominio el conjunto $D$ mientras que la segunda lo tiene como dominio.

De la misma manera, podemos conectar el zapato izquierdo azul $I_A$ con algún pantalón de la siguiente manera:

  1. Notamos que $I_A$ está relacionado con el zapato derecho azul $D_A$ mediante la relación $R$.
  2. Observamos que a su vez el zapato $D_A$ está relacionado con el pantalón azul $P_A$ mediante $T$.

De esta manera, podemos encontrar alguna conexión del zapato $I_A$ al pantalón $P_A$ viendo que hay una relación entre $I_A$ con $D_A$ y de $D_A$ con $P_A$. Así que podríamos definir una relación entre los zapatos izquierdos y los pantalones a través de las relaciones $R$ y $T$. Definamos esta relación como $R \circ T$ de la siguiente manera:

$$T \circ R = \{(x,y) \in I \times P: \exists z \in D \text{ tal que }\big( (x,z) \in R \land (z,y) \in T\big) \} $$

Lo que queremos decir con esta expresión, es que los elementos de la relación $T \circ R$ son los elementos $(x,y)$ de tal forma que existe una forma de conectar $(x,y)$ mediante un elemento $z$ de tal forma que $x$ está relacionado con $y$ mediante la relación $T \circ R$ si existe un elemento $z$ que los conecta, es decir, si existe $z$ en $Im(R) \cap Dom(T)$ de tal forma que $(x,z) \in R$ y $(z,y) \in T$.

Definición. Sean $X,Z,Y$ tres conjuntos, $R$ una relación de $X$ en $Z$ y $T$ una relación de $Z$ en $Y$. La relación composición de $R$ con $T$ es la relación:
$$T \circ R = \{ (x,y) \in X \times Y: \exists z \in Z\big( (x,z) \in R \land (z,y) \in T\big)$$

Veamos ahora un ejemplo de nuevo con los número enteros. Considera la relación que ya habíamos visto anteriormente, dada por: $$R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: (x \text{ es múltiplo de 3} )\land (y = 2x) \} $$ Nota ahora, que como dijimos anteriormente, estos son las parejas de la forma $(3n,6n)$ de manera que otra forma de escribir el conjunto es $$R = \{(3n,6n): n \in \mathbb{Z} \} $$.

Ahora considera la siguiente relación $T$:$$T = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: x = y+1\}$$

Algunos elementos de esta relación son: $\{(3,2),(7,6),(1,0),(-9,-10)\}$. Gráficamente se ve de la siguiente manera:

Y si te das cuenta, únicamente son los números de la forma $(n+1,n)$. Por lo que podríamos escribir esta relación como $$T = \{(n+1,n): n \in \mathbb{Z} \} $$.

Ahora veamos cómo se ve la composición $T \circ R$. Para ello, tomemos un elemento de la relación $R$. Por ejemplo, $(3,6) \in R$. Ahora notemos que de igual forma, $(6,5)$ pertenece a la relación $T$. De manera que $(3,5) \in T \circ R$. En general, un elemento de la relación $R$ se escribe como $(3n,6n)$, y un elemento de la relación $T$, como dijimos al principio del párrafo, es de la forma $(n+1,n)$ o lo que es lo mismo, $(n,n-1)$. Y enseguida nota que si tomamos un número entero $n$, entonces $(3n,6n) \in R$ y $(6n,6n-1) \in T$. De esta manera, podemos escribir a la composición de $R$ con $T$ como el conjunto: $$ T \circ R = \{(3n,6n-1): n \in \mathbb{Z}\}$$

Más adelante…

En la siguiente entrada seguiremos hablando de las relaciones entre conjuntos y veremos algunos tipos de relaciones especiales que tendrán algunas propiedades interesantes. También hablaremos un poco más de relaciones de un conjunto en sí mismo, este tipo de relaciones ya las hemos visto, sin embargo, veremos más propiedades que pueden cumplir estas. Esto nos servirá para hablar después de órdenes entre conjuntos.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Sea $$R=\{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: x+y=0\}$$ y la relación$$T=\{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: x-y=0\}.$$Encuentra:
    • $Dom(R)$
    • $Im(R)$
    • Escribe todos los elementos de $T \circ R$
    • Encuentra $Im[\{1,2,3,4,5\}]$ sobre la relación $R$
    • Encuentra $Im^{-1}[\{-1,-2,-3,-4,-5\}]$ sobre la relación $T$
  2. Demuestra que si $R = \{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: (x \text{ es múltiplo de 3} )\land (y = 2x) \} $, entonces $$R = \{(3n,6n): n \in \mathbb{Z} \} $$
  3. La recta $\mathcal{L}$ con pendiente $m$ e intersección $b$ con el eje $y$ en los números enteros es el conjunto: $$\mathcal{L}=\{(x,y) \in \mathbb{Z}^2: mx+b=y\} $$ Encuentra $\mathcal{L_1}\cap \mathcal{L_2}$ donde $\mathcal{L_1}$ es la recta con $m=1,b=0$ y $\mathcal{L_2}$ es la recta con $m=-1,b=2$.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE109323 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 3»