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定义Definition

偏序

Partial order · Partially ordered set

满足自反、反对称和传递性的关系。

形式陈述 ​

设 P 为集合。其上的二元关系 ≤ 若满足

x≤x(自反),x≤y 且 y≤x⇒x=y(反对称),x≤y 且 y≤z⇒x≤z(传递),

就称为偏序,(P,≤) 称为偏序集。反对称并不是“不能双向成立”,而是说两个不同对象不能同时位于对方之前;同一个对象当然满足 x≤x。

若 x≤y 或 y≤x,称 x,y 可比;若两者都不成立,称不可比。偏序允许不可比元素,另要求任意两个元素可比便得到全序。

与 ≤ 对应的严格关系定义为 x<y⟺x≤y 且 x≠y。它具有非自反性与传递性。反过来,任何非自反且传递的关系 < 都能通过 x≤y⟺(x<y 或 x=y) 给出偏序;两种写法只是在是否包含相等方面采用不同约定。

直觉

偏序表达的是“某些对象之间有先后或包含关系”,而不是“每两个对象都必须排出高低”。对软件构建,依赖项必须先完成,但两个互不依赖的模块可以任选顺序;对集合,{a}⊆{a,b},而 {a} 与 {b} 谁也不包含谁。

这些不可比并不是我们尚未查明一个隐藏的大小关系,而是模型本身没有要求两者排序。把偏序扩展成执行用的线性顺序可以方便调度,但扩展后额外决定的先后不应被反过来当作原始依赖。

有限偏序常用 Hasse 图表示:当 x<y,且没有 z 严格夹在两者之间时,画一条从较低的 x 连到较高的 y 的边,称 y 覆盖 x。图中省去自反关系和可由传递性恢复的边,因此每条边只表示一步不可再分的上升。

向上表示包含,边只保留覆盖关系
例子与边界

同一“排在前面”可以来自不同含义 ​

幂集 P(S) 上的包含关系是偏序:每个集合包含自己,互相包含则相等,包含还具有传递性。正整数上的整除关系 a∣b 也是偏序:例如 2∣6,但 2,3 不可比。它表达因子关系,不等同于通常的数值大小。

若把整除关系放到所有整数上,反对称就失效了:2∣−2 且 −2∣2,但 2≠−2。去除这一歧义的一种方式是回到正整数,另一种是把互相整除的整数识别为同一等价类。能否称为偏序,要连同论域一起检查。

不可比也不具有传递性。取 A={1}、B={2}、C={1,3},则 A 与 B 不可比,B 与 C 不可比,但 A⊊C。因此不可比不能直接拿来当作把对象分组的等价关系。

最大元与极大元的量词不同 ​

对 S⊆P,最大元 m∈S 要满足每个 s∈S 都有 s≤m;极大元 m∈S 只要求不存在 s∈S 使 m<s。前者位于所有元素之上,后者只保证无法在 S 内继续向上走。

在整除偏序的子集 S={2,3,6,10} 中,6 和 10 都是极大元,但没有最大元:两者互不整除。每个最大元都是极大元,并且最大元若存在只能有一个;非空有限偏序一定有极大元,却未必有最大元。

从任一元素出发,只要还不是极大元,就选一个严格更大的元素;传递性保证途中不重复,有限性保证必须停下。无限偏序不能沿用这个停止理由,自然数的通常次序就可以一直上升。极小元与最小元是完全对偶的概念。

上界则不要求属于 S。在正整数整除偏序中,S={6,10} 的上界是共同倍数,最小上界为 30,但 30∉S。因此“最小上界”也不能直接替换成“最大元”。

预序、可达性与压缩 ​

若关系只满足自反与传递,就称为预序。令 x∼y 当且仅当 x≤y 且 y≤x,可以证明 ∼ 是等价关系;将等价元素组成商集后,定义 [x]⪯[y]⟺x≤y,便得到良定义的偏序。商掉的正是违反反对称性的双向可达部分。

有向图中的可达关系(允许长度 0 的路径)就是预序。存在有向环时,不同顶点可以互相到达;把每个强连通分量缩成一个点,分量之间的可达关系便成为偏序。对于 DAG,原顶点上的可达关系已经满足反对称性,无须这一步压缩。

覆盖关系的 Hasse 图主要适用于有限偏序,不能无条件推广成所有偏序的完整表示。在 Q 的通常序中,任意 x<y 之间都有 (x+y)/2,所以没有覆盖边;显然不能从一张无边图恢复全部大小关系。

推论与应用

链与反链描述两种不同的组织方式 ​

链是任意两元素都可比的子集,反链是任意两不同元素都不可比的子集。对任务依赖而言,链反映必须依次经过的步骤,反链反映没有相互先后约束的一组任务;实际能否并行还取决于机器数量等资源,并非只由不可比性决定。

有限偏序可以通过不断取一个极小元、输出并删除它,得到与原偏序相容的线性排列,即线性扩张。对应到 DAG,就是拓扑排序。一次具体执行顺序增加了可比关系,却没有改变原模型中哪些步骤真正依赖哪些步骤。

结构保持、极值存在与格 ​

映射 f:P→Q 若满足 x≤y⇒f(x)≤f(y),称为保序映射。它保留已有比较,但未必反映比较:常值映射保序,却把很多不同元素压成一个值。

如果任意两个元素都有最小上界和最大下界,就得到格;在幂集偏序中,它们分别是并集与交集。无限偏序的极大元存在问题则需要额外条件,Zorn 引理给出“每条链有上界”时存在极大元的原则,不能把有限情形中不断向上走终会停止的理由直接搬到无限情形。

在并发系统中,happens-before 通常以严格偏序表达因果先后。日志中的一个全序时间线可能只是其中一个线性化排列;它额外排定的不可比事件,不应自动解释成因果关系。

良拟序不要求反对称,但要求每条无限序列中出现顺向可比对。它既排除无限严格下降链,也排除无限反链,因此比单纯良基性更强;其向上闭集有限基性质,是把无限状态集合压缩成有限阈值清单的关键。

标号偏序分拆把反序整数赋值按唯一线性扩张分组,并用扩张的下降位置之和给出生成函数分子。若每个值只允许取 1,…,m,序多项式分别计数弱保序与严格保序映射,证明 ΩP∘(m)=(−1)|P|ΩP(−m);不可比元素在严格版本中仍能同值,不能把它误读成全部值互异。

参考资料
  • Eric Lehman、F. Thomson Leighton、Albert R. Meyer,Mathematics for Computer Science,MIT 开放教材与分章材料,有向图与偏序相关章节:DAG、链、反链与拓扑排序。
  • B. A. Davey、H. A. Priestley,Introduction to Lattices and Order,第 1–2 章:偏序、Hasse 图、极值与格。
  • Emily Riehl,Category Theory in Context,§1.1:把预序视为每对对象间至多一个态射的范畴。
关系图谱177 个相邻概念 · 3 类关系

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