高等代数 · 课程学习笔记

第 51 讲 · 三十三:等价关系推出划分

From Equivalence Relation to Partition of a Set
音频时长 45:00 进度 51 / 151 讲 核心概念:等价类 · 代表元 · 划分 · 模 m 剩余类
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◎学习目标

1等价类的定义与基本性质 ⏱ 02:35

从熟悉的星期例子出发:整数集 \(\mathbb{Z}\) 上的模 \(7\) 同余关系将整数分成七个剩余类,恰好对应星期日、星期一……星期六,构成 \(\mathbb{Z}\) 的一个划分。⏱ 00:20

定义 · 等价类 设 \(\mathcal{R}\) 是集合 \(S\) 上的一个等价关系(满足自反性、对称性、传递性)。对任意给定元素 \(A \in S\),定义
\[ \overline{A} = \{\, X \in S \mid X\ \mathcal{R}\ A \,\} \]
即所有与 \(A\) 有 \(\mathcal{R}\)-关系的 \(S\) 中元素构成的子集,称为 \(A\) 的等价类(equivalence class),\(A\) 称为该等价类的代表元。⏱ 05:23
性质 1 · 元素属于其等价类 对任意 \(A \in S\),有 \(A \in \overline{A}\)。
证明:由等价关系的自反性,\(A\ \mathcal{R}\ A\) 成立,根据等价类的定义,立即得到 \(A \in \overline{A}\)。⏱ 06:28
推论:每个等价类 \(\overline{A} \neq \varnothing\)(非空),因为至少包含代表元 \(A\) 本身。
实例对照 在模 \(7\) 同余关系中,\(\overline{0} = \{\, k \cdot 7 \mid k \in \mathbb{Z}\,\}\)(星期日),\(\overline{1} = \{\, 7k+1 \mid k \in \mathbb{Z}\,\}\)(星期一),…,\(\overline{6} = \{\, 7k+6 \mid k \in \mathbb{Z}\,\}\)(星期六)。这七个剩余类就是 \(\mathbb{Z}\) 的一个划分。⏱ 00:29

2等价类相等的判别条件 ⏱ 09:42

研究两个等价类何时相等,这是证明"不相等等价类交集为空"的关键工具。

性质 2 · 等价类相等的充要条件 设 \(\mathcal{R}\) 是 \(S\) 上的等价关系,\(A, B \in S\)。则
\[ \overline{A} = \overline{B} \quad \Longleftrightarrow \quad A\ \mathcal{R}\ B. \]
性质 2 的完整证明

必要性(\(\Rightarrow\)):假设 \(\overline{A} = \overline{B}\)。由性质 1 知 \(A \in \overline{A}\),故 \(A \in \overline{B}\)。再由等价类的定义,\(A \in \overline{B}\) 当且仅当 \(A\ \mathcal{R}\ B\)。必要性得证。⏱ 10:08

充分性(\(\Leftarrow\)):假设 \(A\ \mathcal{R}\ B\),需证 \(\overline{A} = \overline{B}\)。按高中所学,证明两集合相等只需证互相包含。⏱ 11:42

第一步:证 \(\overline{A} \subseteq \overline{B}\)。任取 \(C \in \overline{A}\),则 \(C\ \mathcal{R}\ A\)(等价类定义)。又已知 \(A\ \mathcal{R}\ B\)。由等价关系的传递性,得 \(C\ \mathcal{R}\ B\),从而 \(C \in \overline{B}\)。故 \(\overline{A} \subseteq \overline{B}\)。

第二步:证 \(\overline{B} \subseteq \overline{A}\)。由 \(A\ \mathcal{R}\ B\) 及等价关系的对称性,得 \(B\ \mathcal{R}\ A\)。这与第一步完全对称——将第一步中 \(A\) 与 \(B\) 的角色互换,立即可得 \(\overline{B} \subseteq \overline{A}\)。⏱ 14:04

结论:\(\overline{A} \subseteq \overline{B}\) 且 \(\overline{B} \subseteq \overline{A}\),故 \(\overline{A} = \overline{B}\)。充分性得证。

不可思议的结论两个等价类 \(\overline{A}\) 和 \(\overline{B}\) 要相等,只需要它们的代表元 \(A\) 和 \(B\) 有关系即可!代表元一旦有关系,两个等价类就"一模一样"。这是等价关系结构之美的体现。⏱ 15:30
重要提醒 等价类的代表元不唯一:若 \(\overline{A} = \overline{B}\),则 \(A\) 和 \(B\) 都可以作为这个等价类的代表元。这正是后续定义商空间运算时需要验证"良定性"的根本原因。⏱ 16:02

3不相等等价类的交集为空 ⏱ 15:54

这是证明"等价类构成划分"的第二条关键性质,需要用到反证法。

性质 3 · 不相等等价类交集为空 设 \(\mathcal{R}\) 是 \(S\) 上的等价关系,\(A, B \in S\)。若 \(\overline{A} \neq \overline{B}\),则
\[ \overline{A} \cap \overline{B} = \varnothing. \]
性质 3 的证明(反证法)

已知:\(\overline{A} \neq \overline{B}\)。要证:\(\overline{A} \cap \overline{B} = \varnothing\)。

反设:\(\overline{A} \cap \overline{B} \neq \varnothing\)。则存在元素 \(C\) 使得 \(C \in \overline{A}\) 且 \(C \in \overline{B}\)。⏱ 16:05

由 \(C \in \overline{A}\) 及等价类定义,得 \(C\ \mathcal{R}\ A\);再由对称性,得 \(A\ \mathcal{R}\ C\)。

由 \(C \in \overline{B}\) 得 \(C\ \mathcal{R}\ B\)。

由 传递性(\(A\ \mathcal{R}\ C\) 且 \(C\ \mathcal{R}\ B\)),推出 \(A\ \mathcal{R}\ B\)。⏱ 17:28

由 性质 2(\(A\ \mathcal{R}\ B \Rightarrow \overline{A} = \overline{B}\)),得 \(\overline{A} = \overline{B}\)。⏱ 17:38

但这与已知条件 \(\overline{A} \neq \overline{B}\) 矛盾!故反设不成立,即 \(\overline{A} \cap \overline{B} = \varnothing\)。证毕。

证明技巧总结本证明综合运用了等价关系的三条性质(自反、对称、传递)以及性质 2,是典型的"反证法 + 等价关系性质链"的证明范式。
核心结论 等价类是 \(S\) 中特殊的子集,虽然一般两个子集可以相交,但不同的等价类必然不相交。这是等价关系赋予集合的强结构性,高中两子集的关系理论中不会涉及这一深度。⏱ 09:16

4等价关系推出划分的定理 ⏱ 19:16

现在把前面所有性质组合起来,证明本集的核心定理。

定理 · 等价关系推出划分 设 \(\mathcal{R}\) 是集合 \(S\) 上的一个等价关系。记
\[ \mathcal{P} = \{\, \overline{A} \mid A \in S \,\} \]
为 \(S\) 上所有等价类组成的集合,则 \(\mathcal{P}\) 是 \(S\) 的一个划分,即满足:
  1. 覆盖性:\(\displaystyle\bigcup_{\overline{A} \in \mathcal{P}} \overline{A} = S\);
  2. 互不相交:对任意 \(\overline{A}, \overline{B} \in \mathcal{P}\),若 \(\overline{A} \neq \overline{B}\),则 \(\overline{A} \cap \overline{B} = \varnothing\)。
定理的完整证明

证明覆盖性(条件 1):

首先,对每个 \(A \in S\),\(\overline{A}\) 是 \(S\) 的子集,故所有等价类的并集显然是 \(S\) 的子集。

反过来,任取 \(B \in S\),由性质 1(\(B \in \overline{B}\)),知 \(B\) 属于某个等价类(即 \(\overline{B}\) 本身),因此 \(B\) 属于所有等价类的并集。⏱ 22:44

故 \(S \subseteq \bigcup_{\overline{A} \in \mathcal{P}} \overline{A}\),结合反向包含,得/bigcup = S\)。覆盖性得证。

证明互不相交(条件 2):

直接由性质 3:若 \(\overline{A} \neq \overline{B}\),则 \(\overline{A} \cap \overline{B} = \varnothing\)。⏱ 23:42

两条划分条件全部满足,定理得证。

无限并集的说明当 \(S\) 为无限集时,"所有等价类的并集"涉及无限多个子集的并。其定义与有限情形一致:\(x\) 属于这些等价类的并,当且仅当存在某个 \(A \in S\) 使得 \(x \in \overline{A}\)。此处不再赘述。⏱ 20:49
重大结论 天底下任何集合 \(S\),只要在上面建立一个等价关系,那么所有等价类组成的集合就给出 \(S\) 的一个划分。这是一条统一的、普适的构造划分的方法。⏱ 24:21

5模 \(m\) 剩余类:整数集的划分实例 ⏱ 00:04

回到本课开头的例子。在整数集 \(\mathbb{Z}\) 上,模 \(m\) 同余关系 \(\equiv_m\) 是最经典的等价关系。

\[ a \equiv_m b \quad \Longleftrightarrow \quad m \mid (a - b). \]

它满足自反性(\(a \equiv_m a\))、对称性(\(a \equiv_m b \Rightarrow b \equiv_m a\))、传递性(\(a \equiv_m b\) 且 \(b \equiv_m c \Rightarrow a \equiv_m c\)),故为等价关系。⏱ 00:15

其等价类(剩余类)为:

\[ \overline{0} = \{\, mk \mid k \in \mathbb{Z}\,\},\quad \overline{1} = \{\, mk + 1 \mid k \in \mathbb{Z}\,\},\quad \ldots,\quad \overline{m-1} = \{\, mk + (m-1) \mid k \in \mathbb{Z}\,\}. \]

这 \(m\) 个剩余类构成 \(\mathbb{Z}\) 的一个划分,正如星期例子的抽象推广:⏱ 00:29

剩余类模 \(m\) 同余类对应的"星期"
\(\overline{0}\)\(mk,\ k \in \mathbb{Z}\)星期日
\(\overline{1}\)\(mk+1,\ k \in \mathbb{Z}\)星期一
\(\vdots\)\(\vdots\)\(\vdots\)
\(\overline{m-1}\)\(mk+(m-1),\ k \in \mathbb{Z}\)星期六
老师的教学风格 丘老师强调"从具体例子出发理解抽象概念":先用星期的具体例子建立直观,再抽象出等价类和划分的通用理论。⏱ 02:28

★重点回顾

1
等价类的定义:\(\overline{A} = \{X \in S \mid X\ \mathcal{R}\ A\}\)。由自反性,\(A \in \overline{A}\),每个等价类非空。
2
等价类相等的充要条件:\(\overline{A} = \overline{B} \iff A\ \mathcal{R}\ B\)。证明用互相包含,传递性用于 \(\overline{A} \subseteq \overline{B}\),对称性+传递性用于反向包含。
3
不同等价类必不相交:\(\overline{A} \neq \overline{B} \Rightarrow \overline{A} \cap \overline{B} = \varnothing\)。证明用反证法:若有公共元素则推出代表元有关系,进而等价类相等,矛盾。
4
核心定理:\(S\) 上任意等价关系的所有等价类组成 \(S\) 的一个划分。划分两条:并集为 \(S\)(覆盖性);不同类交集为空(互不相交)。
5
模 \(m\) 剩余类:\(\mathbb{Z}\) 上模 \(m\) 同余关系的等价类 \(\overline{0}, \overline{1}, \ldots, \overline{m-1}\) 构成 \(\mathbb{Z}\) 的一个划分,是理论的典型实例。
6
代表元不唯一:\(\overline{A} = \overline{B}\) 时,\(A\) 和 \(B\) 都是同一等价类的代表元。这是商结构理论中"良定性"问题的根源。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆"元素属于等价类"与"等价类等于等价类":\(C \in \overline{A}\) 表示 \(C\ \mathcal{R}\ A\);\(\overline{C} = \overline{A}\) 是集合相等,由性质 2,两者等价。两者密切关联但层次不同。
  2. 忽略代表元不唯一性:认为 \(\overline{A}\) 只"属于" \(A\)。实际上,\(\overline{A}\) 中任一元素 \(B\)(满足 \(B\ \mathcal{R}\ A\))都可以作为代表元,且 \(\overline{B} = \overline{A}\)。
  3. 证明两集合相等方法不当:高等代数中频繁出现集合相等的证明(如性质 2),标准方法是"互相包含",而非直接元素比较。
  4. 忽视无限并集的定义:当 \(S\) 为无限集时,"所有等价类的并"是无限并集,其定义与有限并集相同:\(x\) 属于无限并当且仅当 \(x\) 属于某个成员集。
  5. 将"等价类"与"子集"混为一谈:等价类是特殊的子集(具有等价关系决定的结构),并非任意子集都能作为等价类出现。

✎自测与作业

  1. (基础)设 \(S = \{a, b, c, d\}\),\(\mathcal{R} = \{(a,a),(b,b),(c,c),(d,d),(a,b),(b,a),(c,d),(d,c)\}\)。验证 \(\mathcal{R}\) 是 \(S\) 上的等价关系,并写出所有等价类,验证它们构成 \(S\) 的一个划分。
  2. (证明)设 \(\mathcal{R}\) 是 \(S\) 上的等价关系。证明:对任意 \(A, B \in S\),若 \(\overline{A} \cap \overline{B} \neq \varnothing\),则 \(\overline{A} = \overline{B}\)。(这是性质 3 的逆否命题,换个角度理解。)
  3. (计算)在 \(\mathbb{Z}\) 上考虑模 \(5\) 同余关系。写出所有剩余类 \(\overline{0}, \overline{1}, \overline{2}, \overline{3}, \overline{4}\),并验证:(a)它们的并集为 \(\mathbb{Z}\);(b)任意两个不同的剩余类交集为空。
  4. (深入)设 \(S\) 是非空集合,定义关系 \(\Delta\):对任意 \(x, y \in S\),\(x\ \Delta\ y\) 当且仅当 \(x = y\)。(\(\Delta\) 称为相等关系。)证明 \(\Delta\) 是 \(S\) 上的等价关系,并描述其等价类及由此得到的划分。
  5. (思考)设 \(S\) 是所有平面上直线的集合。定义关系:两条直线平行(或重合)时为有关系。验证这是等价关系,并描述其等价类与划分。这条划分有什么几何意义?
  6. (拓展)证明:若 \(\overline{A} = \overline{B}\),则对任意 \(C \in \overline{A}\),也有 \(\overline{C} = \overline{A}\)。(这说明等价类中任一元素都可以充当代表元。)
下一集预告 第 P52 集 · 三十四:划分推出等价关系、有限维线性空间结构——探索等价关系与划分的双向对应,并将同构关系应用于线性空间的分类。