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集合划分

Set partition

把集合表示为两两不交非空块且其并为全体的块族。

条目类型
定义

形式陈述

集合 X 的划分是一个块族 P,其中每个块都是 X 的非空子集,不同块两两不交,且所有块的并为 X。当 X= 时约定唯一划分为 P=;当 X 时,划分族本身必非空。每个等价关系 的等价类构成划分;反之,给定划分,令两个元素同属一块即可得到等价关系。这给出划分与等价关系的一一对应。划分间可按细化排序:PQP 的每块包含于 Q 的某块。

直觉

集合划分把每个元素分配到恰好一个非空块,块之间无顺序、块内也无顺序。它与等价关系完全对应:同块表示等价,反之每个等价类构成一个块。块有标签时问题会改变,因为交换两个标签会产生不同函数,却不产生不同无标签划分。

例子与边界

集合划分保留底集元素的身份,只忘记各块顺序;整数分拆只记录块大小之和,不记录哪些元素落入哪一块。把每个集合划分映成块大小会丢失大量信息,因此两者不是同一个计数对象。

整数按模 3 同余分成三个剩余类。{{1,2},{3}}{1,2,3} 的划分;允许空块或让元素同时出现在两块都违反定义。单块划分最粗,所有单元素块的划分最细。集合覆盖不要求不交,因此不一定是划分。聚类输出常被视为划分,但软聚类允许重叠或概率成员资格,已超出该定义。

集合 {1,2,3} 有五个划分:一个三元素块划分、三个“二加一”划分,以及一个由三个单点块组成的划分。划分 {{1,2},{3}} 与交换块书写次序是同一个对象。若允许空块,则“恰分成 k 块”的计数会失真;标准划分只列实际出现的非空等价类。

推论与应用

等价关系与划分一一对应,第二类 Stirling 数计数固定块数的划分。所有划分按细化关系组成,聚类、商集、并查集维护的连通分量都可用这一语言。若块带有顺序或标签,应转用满射计数或多项式系数,而不是直接套 Stirling 数。

参考资料
  • Eric Lehman, F. Thomson Leighton, and Albert R. Meyer, Mathematics for Computer Science, rev. 2018,Parts I–V。
  • Kenneth H. Rosen, Discrete Mathematics and Its Applications, 8th ed., McGraw-Hill, 2019,Chs. 1–8。
关系图谱7 个相邻概念 · 3 类关系

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