관계(Relations)

정의
관계의 폐쇄(closure)
참고문헌

정의

$\require{cancel}$

이진관계

binary relation

Let A and B be sets. A binary relation from A to B is a subset of A $\times$ B.

A 에서 B로의 이진관계는 $A \times B$ 의 부분집합이다.
A 에서 B로의 이진관계는 순서쌍의 집합 R 이다.
- (A의 원소, B의 원소)는 집합 R의 원소.
- $( a, b ) ∈ R$ 를 $a \ R \ b$ 로도 표기한다.
- $( a, b ) \notin R$ 는 $a \cancel{R} \ b$ 로도 표기한다.
이진관계는 두 집합의 원소들 사이의 관계를 표현한다.
- n 개 집합의 원소들 사이의 관계는 n항 관계(n-ary relations)라 한다.

하나의 집합에 대한 관계

Relations on a Set

A relation on a set A is a relation from A to A.

"집합 A에 대한 관계"는 A에서 A로의 관계를 말한다.
집합 A에 대한 관계는 $A \times A$ 의 부분집합이다.

반사 관계

reflexive relation

A relation R on a set A is called reflexive if $(a, a) ∈ R$ for every element $a ∈ A$ .

집합 A의 모든 원소 a 에 대해 $(a, a) ∈ R$ 인 관계.

반사적 관계를 행렬로 표현하면 다음과 같은 모양을 갖는다.

$\begin{bmatrix} 1 & & & & \\ & 1 & & & \\ & & 1 & & \\ & & & ... & \\ & & & & 1 \\ \end{bmatrix}$

한편 비반사적 관계(irreflexive relation)는 $(a, a) ∉ R$ 이고, 다음과 같은 모양을 갖는다.

$\begin{bmatrix} 0 & & & & \\ & 0 & & & \\ & & 0 & & \\ & & & ... & \\ & & & & 0 \\ \end{bmatrix}$

다음은 반사적 관계도 아니고 비반사적 관계도 아닌 경우이다. (각 원소의 자기 자신과의 관계에 0과 1이 섞여 있다)

$\begin{bmatrix} 0 & & & & \\ & 1 & & & \\ & & 0 & & \\ & & & ... & \\ & & & & 1 \\ \end{bmatrix}$

예제를 보자.

집합 $A = \{ 1,2,3,4 \}$ 에 대한 관계 $R_1 ~ R_6$ 중에서 반사적 관계에 해당되는 것들을 찾아보자.

$\begin{align} R_1 & = \{ \color{blue}{(1,1)},(1,2),(2,1),\color{blue}{(2,2)},(3,4),(4,1),\color{blue}{(4,4)} \} \\ R_2 & = \{ \color{blue}{(1,1)},(1,2),(2,1) \} \\ R_3 & = \{ \color{red}{(1,1)},(1,2),(1,4),(2,1),\color{red}{(2,2)}, \color{red}{(3,3)},(4,1), \color{red}{(4,4)} \} \\ R_4 & = \{ (2,1),(3,1),(3,2),(4,1),(4,2),(4,3) \} \\ R_5 & = \{ \color{red}{(1,1)},(1,2),(1,3),(1,4),\color{red}{(2,2)},(2,3),(2,4), \color{red}{(3,3)},(3,4),\color{red}{(4,4)} \} \\ R_6 & = \{ (3, 4) \} \\ \end{align}$

$R_3, R_5$ : $(1, 1), (2, 2), (3, 3), (4, 4)$ 가 모두 있으므로 반사적 관계이다.

$R_3 = \begin{bmatrix} \color{red}1 & 1 & 0 & 1 \\ 1 & \color{red}1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \color{red}1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & \color{red}1 \\ \end{bmatrix}$

$R_5 = \begin{bmatrix} \color{red}1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & \color{red}1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & \color{red}1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & \color{red}1 \\ \end{bmatrix}$

한편 방향성 그래프로 그리면 반사 관계를 쉽게 이해할 수 있다.

반사적 관계는 다음과 같이 각 원소가 자신에게 돌아간다.

대칭, 반대칭 관계

symmetric, antisymmetric

A relation R on a set A is called symmetric if $(b,a) ∈ R$ whenever $(a,b) ∈ R$ , for all $a,b ∈ A$ .
A relation R on a set A such that for all $a, b ∈ A$ , if $(a, b) ∈ R$ and $(b, a) ∈ R$ , then $a = b$ is called antisymmetric.

집합 A에 대한 관계 R이 있다고 하자.
집합 A의 원소 a, b에 대해,
- $(a, b) ∈ R$ 일 때, $(b, a) ∈ R$ 인 관계를 대칭(symmetric) 관계라 한다.
- $(a, b) ∈ R$ 일 때, $(b, a) ∈ R$ 이고, $a = b$ 인 관계를 반대칭(antisymmetric) 관계라 한다.

행렬로 나타내면 쉽게 이해할 수 있다.

대칭관계: $M_r = [m_{ij}]$ 에서 $m_{ij} = m_{ji}$ 이면 대칭관계.
반대칭관계: $M_r = [m_{ij}]$ 에서 $i \ne j$ 일 때, $m_{ij} = 0$ 또는 $m_{ji} = 0$ 이면 반대칭 관계.

방향성 그래프로 대칭 관계를 그려보면 양쪽 방향을 가리키는 화살표로 이해할 수 있다.

만약 화살표가 한쪽 방향만 가리킨다면 대칭 관계가 아니다.

주의1. 관계에 있어 대칭과 반대칭은 반대 의미가 아니다

$R=\{(1,1),(2,2),(3,3),(4,4)\}$ 같은 경우는 대칭이면서 반대칭이다.

$R = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix}$

주의2. 반대칭(antisymmetric)과 비대칭(asymmetric)은 다르다

대칭의 반대는 반대칭이 아니라 비대칭이다.
비대칭은 $∀a, b ∈ a R b \Rightarrow ¬ (b R a)$ .

대칭과 반대칭 예제

다음 관계들에서 대칭과 반대칭 관계를 찾아보자.

$\begin{align} R_1 & = \{ (1,1),(1,2),(2,1),(2,2),(3,4),(4,1),(4,4) \} \\ R_2 & = \{ (1,1),(1,2),(2,1) \} \\ R_3 & = \{ (1,1),(1,2),(1,4),(2,1),(2,2), (3,3),(4,1), (4,4) \} \\ R_4 & = \{ (2,1),(3,1),(3,2),(4,1),(4,2),(4,3) \} \\ R_5 & = \{ (1,1),(1,2),(1,3),(1,4),(2,2),(2,3),(2,4), (3,3),(3,4),(4,4) \} \\ R_6 & = \{ (3, 4) \} \\ \end{align}$

대칭: $R_2, R_3$
반대칭: $R_4,R_5,R_6$

대칭 반대칭은 해당되는 곳에 1을 표시한 행렬로 그려보면 이해가 쉽다.

대칭은 $M_r = [m_{ij}]$ 에서 $m_{ij} = m_{ji}$ 이다.

$R_2 = \begin{bmatrix} 1 & \color{red}1 & 0 & 0 \\ \color{red}1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix}$

$R_3 = \begin{bmatrix} 1 & \color{red} 1 & 0 & \color{red}1 \\ \color{red}1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ \color{red}1 & 0 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix}$

반대칭관계는 $M_r = [m_{ij}]$ 에서 $i \ne j$ 일 때, $m_{ij} = 0$ 또는 $m_{ji} = 0$ 이다.

$R_4 = \begin{bmatrix} \color{red}0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & \color{red} 0 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & \color{red} 0 & 0 \\ 1 & 1 & 1 & \color{red} 0 \\ \end{bmatrix}$

$R_5 = \begin{bmatrix} \color{red}1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & \color{red}1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & \color{red}1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & \color{red}1 \\ \end{bmatrix}$

$R_6 = \begin{bmatrix} \color{red}0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \color{red}0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & \color{red}0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & \color{red}0 \\ \end{bmatrix}$

그러면 $R_1$ 은 왜 대칭도 반대칭도 아닌가?

$(3,4) ∈ R$ 인데, $(4,3) ∉ R$ 이므로 대칭이 아니다.
$(1,2) ∈ R$ 이고, $(2,1) ∈ R$ 이므로 반대칭이 아니다. 적어도 둘 중 하나는 0 이어야 한다.

$R_1 = \begin{bmatrix} 1 & \color{red}1 & 0 & 0 \\ \color{red}1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \color{red}1 \\ 1 & 0 & \color{red}0 & 1 \\ \end{bmatrix}$

전이적 관계

transitive
추이적 관계라고도 한다.

A relation R on a set A is called transitive if whenever $(a,b) ∈ R$ and $(b,c) ∈ R$ , then $(a,c) ∈ R$ , for all $a,b,c ∈ A$ .

집합 A에 대한 관계 R이 모든 a,b,c∈A 에 대해…
- $(a,b) ∈ R$ 이고 $(b,c) ∈ R$ 일 때, $(a,c) ∈ R$ 이면 전이적 관계라 한다.

전이적 관계를 행렬로 나타내면 $M_r = [m_{ij}]$ 에서 $m_{ij} = 1, m_{jk} = 1$ 일 때, $m_{ik} = 1$ 인 행렬이다.

다음 관계들에서 전이적 관계를 찾아보자.

관계 $R_4, R_5, R_6$ 이 전이적이다.

$R_4 = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ \color{red}1 & 1 & 0 & 0 \\ \color{red}1 & \color{red} 1 & 1 & 0 \\ \end{bmatrix}$

(a,b)∈R 이고 (b,c)∈R 인 관계는 모두 다음과 같다.
- $(3,2), (2,1)$ .
- $(4,2), (2,1)$ .
- $(4,3), (3,1)$ .
- $(4,3), (3,2)$ .

이 네 관계가 모두 전이적인지만 확인하면 된다.

$(3,1)$ : $(3,2), (2,1) ∈ R$ 이면서, $(3,1) ∈ R$ 을 만족.
$(4,1)$ : $(4,2), (2,1) ∈ R$ 이면서, $(4,1) ∈ R$ 을 만족.
$(4,1)$ : $(4,3), (3,1) ∈ R$ 이면서, $(4,1) ∈ R$ 을 만족.
$(4,2)$ : $(4,3), (3,2) ∈ R$ 이면서, $(4,2) ∈ R$ 을 만족.

그러므로 $R_4$ 는 전이적이다.

$R_5 = \begin{bmatrix} 1 & 1 & \color{red}1 & \color{red}1 \\ 0 & 1 & \color{red}1 & \color{red}1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix}$

(a,b)∈R 이고 (b,c)∈R 인 관계는 모두 다음과 같다.
- $(1,2), (2,3)$ .
- $(1,2), (2,4)$ .
- $(1,3), (3,4)$ .
- $(2,3), (3,4)$ .
- 당연한 관계
  - $(1,1), (1,1)$
  - $(2,2), (2,2)$ .
  - $(3,3), (3,3)$ .
  - $(4,4), (4,4)$ .

이 네 관계가 모두 전이적인지만 확인하면 된다.

$(1,3)$ : $(1,2), (2,3) ∈ R$ 이면서, $(1,3) ∈ R$ 을 만족.
$(1,4)$ : $(1,2), (2,4) ∈ R$ 이면서, $(1,4) ∈ R$ 을 만족.
$(1,4)$ : $(1,3), (3,4) ∈ R$ 이면서, $(2,3) ∈ R$ 을 만족.
$(2,4)$ : $(2,3), (3,4) ∈ R$ 이면서, $(2,4) ∈ R$ 을 만족.

그러므로 $R_5$ 는 전이적이다.

$R_6 = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix}$

$R_6$ 은 잘 모르겠는데, 책에서는 $R_6$ 이 전이적 관계라고 한다.
왜 그렇지? 전이 관계를 위반하는 것이 하나도 없는 것도 전이 관계로 보는 걸까?
- 황병연 교수님의 이산수학 수업을 보고 알게 되었다(링크된 동영상의 3:00 ~ 3:15) - 관계가 몇 개 없어서 추이관계가 안 되는 게 없다면 추이관계다.

전이 관계가 아니라는 $R_1, R_2, R_3$ 도 살펴보자.

$\begin{align} R_1 & = \{ (1,1),(1,2),(2,1),(2,2),(3,4),(4,1),(4,4) \} \\ R_2 & = \{ (1,1),(1,2),(2,1) \} \\ R_3 & = \{ (1,1),(1,2),(1,4),(2,1),(2,2), (3,3),(4,1), (4,4) \} \\ \end{align}$

R1의 경우 (3,4),(4,1)은 있는데 (3,1)이 없다.
- 따라서 $R_1$ 은 전이적 관계가 아니다.
R2의 경우 (2,1),(1,2)는 있는데 (2,2)가 없다.
- 따라서 $R_2$ 는 전이적 관계가 아니다.
R3의 경우 (4,1),(1,2)는 있는데 (4,2)가 없다.
- 따라서 $R_3$ 는 전이적 관계가 아니다.

관계 결합

combining relations

Let R be a relation from a set A to a set B and S a relation from B to a set C. The composite of R and S is the relation consisting of ordered pairs $(a, c)$ , where $a ∈ A$ , $c ∈ C$ , and for which there exists an element $b ∈ B$ such that $(a, b) ∈ R$ and $(b, c) ∈ S$ . We denote the composite of R and S by $S \circ R$ .

R을 집합 A에서 집합 B로의 관계라 하자.
S를 집합 B에서 집합 C로의 관계라 하자.
R과 S의 합성은 (a,c)로 구성되는 관계이다.
- $a ∈ A, c ∈ C$ 이고, $(a,b) ∈ R, (b,c) ∈ S$ 인 원소 $b ∈ B$ 가 존재한다.
R과 S의 합성을 $R \circ S$ 로 표기한다.

Let R be a relation on the set A. The powers $R^n, n = 1,2,3,...$ , are defined recursively by $R^1 =R$ and $R^{n+1} =R^n \circ R$ .

$R^{n+1} = R^n \circ R$ .

The relation R on a set A is transitive if and only if $R^n ⊆ R$ for $n = 1,2,3,...$ .

집합 A에 대한 관계 R 이 전이적이라면, 자연수 n에 대하여 $R^n ⊆ R$ 이다.

관계의 폐쇄(closure)

A path from a to b in the directed graph G is a sequence of edges $(x_0,x_1), (x_1,x_2), (x_2,x_3),...,(x_{n−1},x_n)$ in G, where n is a nonnegative integer, and $x_0 = a$ and $x_n = b$ , that is, a sequence of edges where the terminal vertex of an edge is the same as the initial vertex in the next edge in the path. This path is denoted by $x_0, x_1, x_2, ... , x_{n−1}, x_n$ and has length n. We view the empty set of edges as a path of length zero from a to a. A path of length $n ≥ 1$ that begins and ends at the same vertex is called a circuit or cycle.

방향성 그래프 G 에서 "a 에서 b 로의 경로"는 G의 모서리들의 순서쌍의 시퀀스로 표현한다.
길이가 1 이상이고 한 정점에서 시작해서 시작한 정점에서 끝나는 경로를 회로(circuit) 또는 사이클(cycle)이라 부른다.

Let R be a relation on a set A. There is a path of length n, where n is a positive integer, from a to b if and only if $(a, b) ∈ R$ n.

길이가 n인 a 에서 b 로의 경로가 있다는 것과 $(a,b) ∈ R^n$ 은 똑같은 표현이다.

Let R be a relation on a set A. The connectivity relation $R^∗$ consists of the pairs $(a, b)$ such that there is a path of length at least one from a to b in R.

$R^n$ 은 a 에서 b 로의 길이 n 의 경로가 있는 쌍 $(a, b)$ 로 구성된다.
연결관계(connectivity relation) R∗
- R의 원소들 중 길이가 적어도 1 이상인 a 에서 b 로의 경로 순서쌍 $(a, b)$ 로 구성된다.
- $R^*$ 는 모든 집합 $R^n$ 의 합집합이다.

$R^* = \bigcup^{\infty}_{n=1} R^n$

The transitive closure of a relation R equals the connectivity relation $R^∗$ .

관계 $R^*$ 의 전이폐쇄(transitive closure)는 연결관계 $R^*$ 과 같다.

Let $M_R$ be the zero–one matrix of the relation R on a set with n elements. Then the zero–one matrix of the transitive closure $R^∗$ is
$M_{R^∗} = M_{R} ∨ M_{R}^{[2]} ∨ M_{R}^{[3]} ∨ ... ∨ M_{R}^{[n]}$

예제를 풀어보자. 다음 관계 R의 전이폐쇄를 의미하는 0-1 행렬을 구하라.

$M_R = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 0 \\ \end{bmatrix}$

이걸 풀기 위해 먼저 $M_R^{[2]}$ 를 구하자.

길이가 2인 a에서 b로 가는 경로가 존재하는가?

a	b	존재	증거
1	1	1	$(1,1), (1,1)$ / $(1,3), (3,1)$
1	2	1	$(1,3), (3,2)$
1	3	1	$(1,1), (1,3)$
2	1	0
2	2	1	$(2,2), (2,2)$
2	3	0
3	1	1	$(3,1), (1,1)$
3	2	1	$(3,2), (2,2)$
3	3	1	$(3,1), (1,3)$

위의 표를 참고하면 다음과 같이 행렬을 그릴 수 있다.

$M_R^{[2]} = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \\ \end{bmatrix}$

이번엔 $M_R^{[3]}$ 을 구하자.

길이가 3인 a에서 b로 가는 경로가 존재하는가?

a	b	존재	증거
1	1	1	$(1,1), (1,1), (1,1)$
1	2	1	$(1,1), (1,3), (3,2)$
1	3	1	$(1,1), (1,1), (1,3)$
2	1	0
2	2	1	$(2,2), (2,2), (2,2)$
2	3	0
3	1	1	$(3,1), (1,3), (1,1)$
3	2	1	$(3,2), (2,2), (2,2)$
3	3	1	$(3,1), (1,1), (1,3)$

위의 표를 참고하면 다음과 같이 행렬을 그릴 수 있다.

$M_R^{[3]} = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \\ \end{bmatrix}$

잘 살펴보면 $M_R^{[2]}$ 과 $M_R^{[3]}$ 가 똑같으므로 계속 순환할 것임을 알 수 있다.

따라서

$M_{R^∗} = M_{R} ∨ M_{R}^{[2]} ∨ M_{R}^{[3]} ∨ ... ∨ M_{R}^{[n]}$

$M_{R^∗} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 0 \\ \end{bmatrix} ∨ \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \\ \end{bmatrix} ∨ \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \\ \end{bmatrix}$

참고문헌

Rosen의 이산수학 / Kenneth H. Rosen 저 / 공은배 등 저 / 한국맥그로힐(McGraw-Hill KOREA) / 2017년 01월 06일