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定义Definition

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。

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,不同块的交为空集,且所有块的并为 X;交与并采用集合运算。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:P⪯Q 若 P 的每块包含于 Q 的某块。

直觉

划分要求每个元素恰好落入一个块:覆盖保证没有遗漏,不交保证没有重复归属,非空保证没有虚设的块。块与块之间没有先后次序,块内部也没有次序,但底集元素的身份仍保留。

把每个元素送到它所在的块,得到从底集到块族的满射;同一个块恰好是这个映射的一条纤维。反过来,任意函数的非空纤维都会划分其定义域。这使抽象定义变成了“根据某个分类结果归组”的具体操作。

例子与边界

同样的块大小,不同的划分 ​

{1,2,3} 的五个划分是

{{1,2,3}},{{1,2},{3}},{{1,3},{2}},{{2,3},{1}},{{1},{2},{3}}.

中间三个都具有大小分布 2+1,却有不同的成员组合。整数分拆只保留大小,因此把这三个对象映到同一结果。交换块的书写次序不改变划分;交换底集中的元素则可能改变它。

整数按模 3 分类给出一个无限底集的三块划分。另一方面,{{1,2},{2,3}} 覆盖底集,却因元素 2 重复归属而不是划分;{{1},{2}} 又遗漏了 3。软聚类和重叠社群可以有用,但不满足这里的严格定义。

空集的唯一划分是空块族 ∅,不是 {∅},因为后者含有一个不允许的空块。这个约定使空集分成零块的计数为 1。

细化如何比较分类 ​

在 {1,2,3,4} 上,{{1},{2},{3,4}} 细于 {{1,2},{3,4}},因为前者每块都装在后者的一个块中。细化只能拆块,不能把不同旧块的元素重新拼成跨块的新组。因而 {{1,3},{2,4}} 与后一个划分互不可比,块数相同并不意味着同一划分。

需要同时保留块的先后次序时,有序划分精化把每个旧块原位分成与指定集合的交和余部,空块省略,不把不同旧块的选中元素重新拼组。元素归属指针与双向链让一次操作只按给定列表和触及块收费;这维护的是带顺序的算法状态,不改变本页无序块族的定义。

推论与应用

给定划分,定义“处于同一块”为等价关系;再取该关系的等价类,会恢复原来的每个块。反过来也成立,所以这里的等价关系是在同一底集上、通过互逆构造建立的一一对应。

第二类 Stirling 数 S(n,k) 计数 n 元集分为 k 个非空无标签块。若给块分别标上 1,…,k,每个划分恰有 k! 种标法,得到满射计数 k!S(n,k);若还固定每块容量,则使用多项式系数。

细化关系使全部划分组成格。共同细化可取两种划分的所有非空块交;共同粗化则把必须同组的关系沿传递性连起来。并查集合并操作实现的正是逐步合并等价类,而不会维护块内部顺序。

参考资料
  • Richard Hammack, Book of Proof, 3rd ed., 2018(作者2025修订PDF),§11.4 “Equivalence Classes and Partitions”。
  • Oscar Levin, More Discrete Mathematics, 开放在线版(访问于2026),§3.1 Counting Partitions。
关系图谱16 个相邻概念 · 3 类关系

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