1 同値関係
定義 1.1.Aを集合とする。直積A×Aの部分集合Rを、A上の二項関係 (binary relation) という。(a,b)∈RであることをaRbとも書き、この書き方を中置記法という。二項関係を∼のような記号で表す場合も同じであり、(a,b)∈∼であることをa∼bと書く。
例 1.2.
- A={1,2,3}とし、R={(1,1),(1,2),(2,3)}とおく。R⊆A×Aであるから、RはA上の二項関係であり、1R2かつ2R3である。
- 対角集合ΔA={(a,a)∣a∈A}はA上の二項関係であり、aΔAbであることとa=bであることは同値である。直積A×A自身もA上の二項関係である。
- {(a,b)∈Z×Z∣a≤b}はZ上の二項関係であり、その中置記法が通常の不等号である。
定義 1.3.Aを集合とし、RをA上の二項関係とする。Rが次の三条件を満たすとき、RをA上の同値関係 (equivalence relation) という。
- 任意のa∈Aに対してaRaである。
- 任意のa,b∈Aに対して、aRbならばbRaである。
- 任意のa,b,c∈Aに対して、aRbかつbRcならばaRcである。
条件 (a)を反射律 (reflexive law)、条件 (b)を対称律 (symmetric law)、条件 (c)を推移律 (transitive law) という。同値関係は∼、≈または≡のような記号で表すことが多い。
例 1.4.
- 対角集合ΔAはA上の同値関係であり、直積A×AもA上の同値関係である。前者はAの元を一つも同一視せず、後者はAのすべての元を同一視する。
- nを正の整数とし、Z上の二項関係≡を、a≡bがa−bがnの倍数であることによって定める。a−a=0から反射律が、b−a=−(a−b)から対称律が、a−c=(a−b)+(b−c)から推移律が従うので、≡はZ上の同値関係である。
- f:X→Yを写像とし、X上の二項関係∼fを、a∼fbがf(a)=f(b)であることによって定める。この∼fが同値関係であることは問題 5.1で問う。
- Z=0=Z∖{0}とおき、Z×Z=0上の二項関係∼を、(a,b)∼(c,d)がad=bcであることによって定める。反射律と対称律は積の可換性から従う。ad=bcかつcf=deとするとadf=bcf=bdeであり、d=0と整数の消去律からaf=beを得るので、推移律も成り立つ。
例 1.5. 三条件のどの一つも、残りの二つからは従わない。A={1,2,3}とし、次の三つの二項関係を考える。
R1={(1,1),(2,2)}は対称律を満たす。R1の二元はいずれも成分を入れ替えて自分自身になるからである。推移律も満たす。(a,b),(b,c)∈R1となる組は((1,1),(1,1))と((2,2),(2,2))に限り、いずれの場合も(a,c)∈R1だからである。しかし(3,3)∈/R1であるから、R1は反射律を満たさない。
R2={(1,1),(2,2),(3,3),(1,2)}は対角集合を含むので反射律を満たす。推移律について、(a,b),(b,c)∈R2となる組は((1,1),(1,1))、((1,1),(1,2))、((1,2),(2,2))、((2,2),(2,2))、((3,3),(3,3))の五つであり、対応する(a,c)はそれぞれ(1,1)、(1,2)、(1,2)、(2,2)、(3,3)で、すべてR2に属する。しかし(1,2)∈R2かつ(2,1)∈/R2であるから、R2は対称律を満たさない。
R3={(1,1),(2,2),(3,3),(1,2),(2,1),(2,3),(3,2)}は対角集合を含むので反射律を満たす。対角線上にない四元は(1,2)と(2,1)、(2,3)と(3,2)という二組に分かれ、各組は入れ替えで移り合うので、R3は対称律を満たす。しかし(1,2)∈R3かつ(2,3)∈R3である一方(1,3)∈/R3であるから、R3は推移律を満たさない。
2 同値類と商集合
定義 2.1.Xを集合とし、∼をX上の同値関係とする。x∈Xに対して
[x]={y∈X∣y∼x}とおき、これをxの同値類 (equivalence class) という。[x]は分出公理スキーマによりXの部分集合として存在し、反射律によりx∈[x]であるから、同値類はXの空でない部分集合である。xを、同値類[x]の代表元 (representative) という。
各同値類はXの冪集合の元であるから、冪集合の規則と分出公理スキーマにより
X/∼={[x]∣x∈X}はXの冪集合の部分集合として存在する。この集合を、Xの∼による商集合 (quotient set) という。商集合の元はXの空でない部分集合であるから、C∈X/∼に対してCに属するXの元をとることができ、その元はCの代表元である。
π(x)=[x]によって写像π:X→X/∼を定める。商集合の元は[x]の形のものに限るから、πは全射である。このπを、∼による標準全射 (canonical surjection) という。x∼yであることとπ(x)=π(y)であることが同値であることは補題 2.2が与える。
複数の同値関係を同時に扱う場合には、[x]∼のように関係を下付きで添える。
補題 2.2.Xを集合、∼をX上の同値関係とし、a,b∈Xとする。次が成り立つ。
- a∈[b]であることとa∼bであることは同値である。
- [a]=[b]であるための必要十分条件は、a∼bであることである。
- [a]∩[b]=∅ならば[a]=[b]である。したがって、相異なる二つの同値類は互いに素である。
証明.(1)同値類の定義により、a∈[b]であることはa∼bであることにほかならない。
(2)必要性を示す。[a]=[b]とする。反射律によりa∈[a]であるからa∈[b]であり、(1)によりa∼bである。十分性を示す。a∼bとする。y∈[a]をとるとy∼aであり、推移律によりy∼bであるからy∈[b]である。よって[a]⊆[b]である。対称律によりb∼aであるから、同じ議論により[b]⊆[a]である。外延性により[a]=[b]である。
(3)c∈[a]∩[b]をとる。(1)によりc∼aかつc∼bである。対称律によりa∼cであり、推移律によりa∼bであるから、(2)により[a]=[b]である。したがって、[a]=[b]である二つの同値類については[a]∩[b]=∅である。▨
例 2.3.
- Z上の同値関係≡を、a≡bがa−bが3の倍数であることによって定める。[0]は3の倍数全体、[1]は3で割った余りが1である整数全体、[2]は余りが2である整数全体であり、任意の整数はこの三つのいずれか一つに属する。したがって商集合Z/≡は三つの元[0]、[1]、[2]からなる。[3]=[0]であるように、同じ同値類は複数の代表元をもつ。
- ΔXによる商集合は{{x}∣x∈X}であり、標準全射x↦{x}は全単射である。X×Xによる商集合は、Xが空でないならば一元集合{X}である。
- X=∅のとき、X上の同値関係は∅に限り、商集合も∅である。標準全射は空写像である。
3 同値関係と分割の対応
定義 3.1.Aを集合とし、Pを、Aの部分集合を元とする集合とする。Pが次の三条件を満たすとき、PをAの分割 (partition) という。
- 任意のP∈Pに対してP=∅である。
- P,Q∈PかつP=QならばP∩Q=∅である。
- ⋃P∈PP=Aである。
分割Pの元を、Pのブロック (block) という。
命題 3.2.Aを集合、PをAの分割とする。任意のa∈Aに対して、a∈Pを満たすP∈Pがただ一つ存在する。また、P,Q∈PがP∩Q=∅を満たすならばP=Qである。
証明.a∈Aをとる。定義 3.1 条件 (c)によりa∈⋃P∈PPであるから、a∈Pを満たすP∈Pが存在する。P,Q∈PがP∩Q=∅を満たすとすると、定義 3.1 条件 (b)の対偶によりP=Qである。とくにa∈Pかつa∈Qを満たすP,Q∈Pに対してはa∈P∩QであるからP=Qであり、aを含むブロックは一つに限る。▨
定理 3.3.Aを集合とする。A上の同値関係の全体をEq(A)、Aの分割の全体をPart(A)と書く。Eq(A)はA×Aの冪集合の部分集合として、Part(A)はAの冪集合の冪集合の部分集合として、冪集合の規則と分出公理スキーマにより存在する。R∈Eq(A)に対するaの同値類を[a]Rと書き、A/R={[a]R∣a∈A}とおく。P∈Part(A)に対して
RP={(a,b)∈A×A∣a∈P かつ b∈P を満たす P∈P が存在する}とおく。次が成り立つ。
- 任意のR∈Eq(A)に対して、同値類の全体A/RはAの分割である。すなわちA/R∈Part(A)である。
- 任意のP∈Part(A)に対して、RPはA上の同値関係である。すなわちRP∈Eq(A)である。
- 二つの対応は互いに逆である。すなわち、任意のR∈Eq(A)に対してA×Aの部分集合としてRA/R=Rが成り立ち、任意のP∈Part(A)に対してAの部分集合を元とする集合としてA/RP=Pが成り立つ。
- R↦A/RはEq(A)からPart(A)への全単射であり、その逆写像はP↦RPである。
証明.(1)A/Rの元は同値類であり、同値類はAの部分集合であるから、A/RはAの部分集合を元とする集合である。同値類は空でないので定義 3.1 条件 (a)が成り立つ。相異なる二つの同値類は補題 2.2 (3)により互いに素であるから定義 3.1 条件 (b)が成り立つ。各同値類はAの部分集合であるから⋃C∈A/RC⊆Aであり、任意のa∈Aに対してa∈[a]R∈A/RであるからA⊆⋃C∈A/RCである。外延性により定義 3.1 条件 (c)が成り立つ。
(2)a∈Aをとると、命題 3.2によりa∈Pを満たすP∈Pが存在するので(a,a)∈RPであり、反射律が成り立つ。RPの定義条件はaとbについて対称であるから、対称律が成り立つ。(a,b)∈RPかつ(b,c)∈RPとすると、a,b∈Pを満たすP∈Pとb,c∈Qを満たすQ∈Pが存在する。b∈P∩Qであるから命題 3.2によりP=Qであり、a,c∈Pであるから(a,c)∈RPである。よって推移律が成り立つ。
(3)R∈Eq(A)をとる。(a,b)∈RA/Rとすると、a,b∈Cを満たすC∈A/Rが存在する。C=[c]Rを満たすc∈Aをとると補題 2.2 (1)によりaRcかつbRcであり、対称律と推移律によりaRbである。逆にaRbとすると、反射律によりa∈[a]Rであり、対称律によりbRaであるからb∈[a]Rである。[a]R∈A/Rであるから(a,b)∈RA/Rである。外延性によりRA/R=Rである。
P∈Part(A)をとる。a∈Aに対して、命題 3.2によりaを含む唯一のブロックをPa∈Pと書く。b∈[a]RPであることは(b,a)∈RPであること、すなわちa∈Pかつb∈Pを満たすP∈Pが存在することであり、aを含むブロックはPaに限るので、これはb∈Paであることと同値である。外延性により[a]RP=Paである。したがってA/RP={Pa∣a∈A}であり、各PaはPの元であるからA/RP⊆Pである。逆にP∈Pをとると、定義 3.1 条件 (a)によりa∈Pを満たすaが存在し、aを含むブロックの一意性からP=Pa=[a]RP∈A/RPである。外延性によりA/RP=Pである。
(4)(1)によりR↦A/RはEq(A)からPart(A)への写像であり、(2)によりP↦RPはPart(A)からEq(A)への写像である。(3)により、この二つの写像は両方向の合成がそれぞれの恒等写像に等しい。よってR↦A/Rは全単射であり、その逆写像がP↦RPである。▨
例 3.4.
- A={1,2,3}の分割は{{1,2,3}}、{{1},{2,3}}、{{2},{1,3}}、{{3},{1,2}}、{{1},{2},{3}}の五つである。ブロックが一つのものが一つ、二つのものが三つ、三つのものが一つだからである。定理 3.3により、A上の同値関係もちょうど五つである。
- 例 2.3の3を法とする合同関係に対応するZの分割は{[0],[1],[2]}であり、三つのブロックは3で割った余りによる整数の類別を与える。
- 空集合の分割はただ一つであり、それはブロックを一つももたない集合∅である。P=∅に対して、定義 3.1 条件 (a)と定義 3.1 条件 (b)はPの元についての全称文であるから空虚に成り立ち、定義 3.1 条件 (c)は、空族の合併が空集合であることにより⋃P∈∅P=∅が台集合∅に一致するという等式として成り立つ。この分割は∅上の唯一の同値関係∅に対応する。
4 商集合への降下
定理 4.1.Xを集合、∼をX上の同値関係、π:X→X/∼を標準全射とする。Zを任意の集合とし、u:X→Zを写像とする。次が成り立つ。
- x∼x′を満たす任意のx,x′∈Xに対してu(x)=u(x′)が成り立つならば、u∘π=uを満たす写像u:X/∼→Zがただ一つ存在する。このuはu([x])=u(x)によって与えられる。
- 逆に、u∘π=uを満たす写像u:X/∼→Zが存在するならば、x∼x′を満たす任意のx,x′∈Xに対してu(x)=u(x′)が成り立つ。
したがって、uが商集合X/∼上の写像へ降下するための必要十分条件は、uが同値類の上で定数であることである。
証明.(1)C∈X/∼をとる。商集合の定義によりC=[x]を満たすx∈Xが存在する。C=[x′]を満たすx′∈Xに対しては、補題 2.2 (2)によりx∼x′であるから、仮定によりu(x)=u(x′)である。よって
Γ={(C,z)∈(X/∼)×Z∣C=[x] かつ z=u(x) を満たす x∈X が存在する}は、X/∼の各元Cに対してちょうど一つのz∈Zを含む。定義域をX/∼、終域をZ、グラフをΓとする写像をuと書くと、u([x])=u(x)である。π(x)=[x]であるから、任意のx∈Xに対して(u∘π)(x)=u(x)であり、写像の外延性(§E1.1 命題 1.3 (1))によりu∘π=uである。
写像w:X/∼→Zもw∘π=uを満たすとする。C∈X/∼に対してC=π(x)を満たすx∈Xをとると
w(C)=(w∘π)(x)=u(x)=(u∘π)(x)=u(C)である。二つの写像は定義域も終域も一致するので、写像の外延性によりw=uである。
(2)x∼x′とする。補題 2.2 (2)により[x]=[x′]であるからπ(x)=π(x′)であり、
u(x)=(u∘π)(x)=u(π(x))=u(π(x′))=(u∘π)(x′)=u(x′)である。▨
例 4.2.Z上の同値関係≡を、a≡bがa−bが3の倍数であることによって定め、標準全射をπ:Z→Z/≡と書く。
写像u:Z→{0,1,2}を、u(n)がnを3で割った余りであることによって定める。m≡nならばmとnの余りは等しいのでu(m)=u(n)であり、定理 4.1 (1)によりu∘π=uを満たす写像u:Z/≡→{0,1,2}がただ一つ存在する。uは全射であるからuも全射である。またu([m])=u([n])ならばu(m)=u(n)であり、余りが等しい二つの整数の差は3の倍数であるからm≡nであり、補題 2.2 (2)により[m]=[n]である。よってuは全単射である。
これに対して、恒等写像v:Z→Zは商集合へ降下しない。0≡3である一方v(0)=0=3=v(3)であるから、定理 4.1 (2)の対偶により、v∘π=vを満たす写像v:Z/≡→Zは存在しない。
命題 4.3.XとYを集合、∼XをX上の同値関係、∼YをY上の同値関係とする。X×Y上の二項関係∼X×Yを、(x,y)∼X×Y(x′,y′)がx∼Xx′かつy∼Yy′であることによって定める。X、YおよびX×Yにおける同値類をいずれも角括弧で書く。次が成り立つ。
- ∼X×YはX×Y上の同値関係である。これを∼Xと∼Yの積の同値関係という。
- θ([(x,y)])=([x],[y])を任意のx∈Xと任意のy∈Yに対して満たす写像θ:(X×Y)/∼X×Y→(X/∼X)×(Y/∼Y)がただ一つ存在し、θは全単射である。
証明.(1)任意の(x,y)∈X×Yに対してx∼Xxかつy∼Yyであるから、反射律が成り立つ。∼X×Yの定義条件は二つの成分についての条件の連言であるから、∼Xと∼Yの対称律を成分ごとに用いて対称律が、推移律を成分ごとに用いて推移律が従う。
(2)写像p:X×Y→(X/∼X)×(Y/∼Y)をp(x,y)=([x],[y])によって定める。(x,y)∼X×Y(x′,y′)とするとx∼Xx′かつy∼Yy′であり、補題 2.2 (2)により[x]=[x′]かつ[y]=[y′]であるから、p(x,y)=p(x′,y′)である。∼X×Yによる標準全射は(x,y)↦[(x,y)]であるから、定理 4.1 (1)により、θ([(x,y)])=p(x,y)を任意の(x,y)∈X×Yに対して満たす写像θがただ一つ存在する。
θが単射であることを示す。θ([(x,y)])=θ([(x′,y′)])とすると[x]=[x′]かつ[y]=[y′]であり、補題 2.2 (2)によりx∼Xx′かつy∼Yy′であるから(x,y)∼X×Y(x′,y′)であり、ふたたび補題 2.2 (2)により[(x,y)]=[(x′,y′)]である。(X×Y)/∼X×Yの元は[(x,y)]の形のものに限るから、θは単射である。
θが全射であることを示す。(C,D)∈(X/∼X)×(Y/∼Y)をとると、商集合の定義によりC=[x]を満たすx∈XとD=[y]を満たすy∈Yが存在し、θ([(x,y)])=([x],[y])=(C,D)である。▨
命題 4.4.XとYを集合、∼XをX上の同値関係、∼YをY上の同値関係とする。Zを任意の集合とし、F:X×Y→Zを写像とする。Xにおける同値類とYにおける同値類をいずれも角括弧で書く。次の三条件は同値である。
- 任意のx,x′∈Xと任意のy,y′∈Yに対して、x∼Xx′かつy∼Yy′ならばF(x,y)=F(x′,y′)である。
- 任意のx∈Xと任意のy∈Yに対してF([x],[y])=F(x,y)を満たす写像F:(X/∼X)×(Y/∼Y)→Zが存在する。
- 任意のy∈Yとx∼Xx′を満たす任意のx,x′∈Xに対してF(x,y)=F(x′,y)であり、かつ任意のx∈Xとy∼Yy′を満たす任意のy,y′∈Yに対してF(x,y)=F(x,y′)である。
これらが成り立つとき、(2)の写像Fはただ一つである。
証明.(1)⇒(2)∼Xと∼Yの積の同値関係を∼X×Yと書き、命題 4.3 (2)の全単射をθと書く。(1)は、(x,y)∼X×Y(x′,y′)を満たす任意の(x,y),(x′,y′)∈X×Yに対してF(x,y)=F(x′,y′)であることにほかならない。よって定理 4.1 (1)により、F0([(x,y)])=F(x,y)を任意の(x,y)∈X×Yに対して満たす写像F0:(X×Y)/∼X×Y→Zがただ一つ存在する。θの逆写像θ−1(§E1.1 命題 3.8)を用いてF=F0∘θ−1とおく。θ([(x,y)])=([x],[y])であるからθ−1([x],[y])=[(x,y)]であり、
F([x],[y])=F0(θ−1([x],[y]))=F0([(x,y)])=F(x,y)である。
(2)⇒(3)Fを(2)の写像とし、y∈Yをとり、x∼Xx′を満たすx,x′∈Xをとる。補題 2.2 (2)により[x]=[x′]であるから
F(x,y)=F([x],[y])=F([x′],[y])=F(x′,y)である。第二変数についても、y∼Yy′から[y]=[y′]を得て同じ計算を行う。
(3)⇒(1)x∼Xx′かつy∼Yy′とする。(3)の前半をyについて適用するとF(x,y)=F(x′,y)であり、後半をx′について適用するとF(x′,y)=F(x′,y′)である。よってF(x,y)=F(x′,y′)である。
写像G:(X/∼X)×(Y/∼Y)→Zも(2)の等式を満たすとする。θは命題 4.3 (2)により全射であるから、(X/∼X)×(Y/∼Y)の任意の元は([x],[y])の形をもち、そこでのGとFの値はいずれもF(x,y)である。二つの写像は定義域も終域も一致するので、写像の外延性(§E1.1 命題 1.3 (1))によりG=Fである。▨
例 4.5.例 4.2の同値関係≡を用い、写像F:Z×Z→Z/≡をF(m,n)=[m+n]によって定める。m≡m′かつn≡n′ならば
(m+n)−(m′+n′)=(m−m′)+(n−n′)は3の倍数であるからF(m,n)=F(m′,n′)であり、命題 4.4 (1)が成り立つ。よってF([m],[n])=[m+n]を満たす写像F:(Z/≡)×(Z/≡)→Z/≡がただ一つ存在する。
命題 4.4 (3)が二つの変数の双方について要求していることは外せない。写像G:Z×Z→ZをG(m,n)=nによって定めると、任意のnとm≡m′を満たす任意のm,m′に対してG(m,n)=n=G(m′,n)であるから、第一変数についての要求は成り立つ。しかし0≡3である一方G(0,0)=0=3=G(0,3)であるから、第二変数についての要求は成り立たない。このGに対して命題 4.4 (2)の写像Gが存在するとすると0=G(0,0)=G([0],[0])=G([0],[3])=G(0,3)=3となるので、Gは存在しない。
5 演習
問題 5.1.f:X→Yを写像とし、X上の二項関係∼fを、a∼fbがf(a)=f(b)であることによって定める。∼fがX上の同値関係であることを証明せよ。また、f∘π=fを満たす写像f:X/∼f→Yがただ一つ存在し、このfが単射であることを証明せよ。さらに、fが全射であるならばfが全単射であることを証明せよ。
解答.
任意のa∈Xに対してf(a)=f(a)であるからa∼faである。f(a)=f(b)ならばf(b)=f(a)であるから、a∼fbはb∼faを導く。f(a)=f(b)かつf(b)=f(c)ならばf(a)=f(c)であるから、a∼fbかつb∼fcはa∼fcを導く。よって∼fはX上の同値関係である。
a∼fbならばf(a)=f(b)であるから、定理 4.1 (1)によりf∘π=fを満たす写像f:X/∼f→Yがただ一つ存在し、f([a])=f(a)である。f([a])=f([b])とするとf(a)=f(b)であるからa∼fbであり、補題 2.2 (2)により[a]=[b]である。よってfは単射である。
fが全射であるとする。y∈Yをとるとf(x)=yを満たすx∈Xが存在し、f([x])=f(x)=yである。よってfは全射であり、単射性とあわせて全単射である。▨
問題 5.2.Aを集合とし、(Rλ)λ∈ΛをA上の同値関係からなる空でない族とする。共通部分⋂λ∈ΛRλがA上の同値関係であることを証明せよ。また、二つの同値関係の和集合が同値関係になるとは限らないことを、A={1,2,3}上の反例によって示せ。
解答.
S=⋂λ∈ΛRλとおく。各RλはA×Aの部分集合であり、Λは空でないので、SはA×Aの部分集合、すなわちA上の二項関係である。a∈Aをとると、各λに対して(a,a)∈Rλであるから(a,a)∈Sである。(a,b)∈Sとすると、各λに対して(a,b)∈Rλであり、Rλの対称律により(b,a)∈Rλであるから(b,a)∈Sである。(a,b)∈Sかつ(b,c)∈Sとすると、各λに対して(a,b),(b,c)∈Rλであり、Rλの推移律により(a,c)∈Rλであるから(a,c)∈Sである。よってSは同値関係である。
A={1,2,3}とし
R={(1,1),(2,2),(3,3),(1,2),(2,1)},S={(1,1),(2,2),(3,3),(2,3),(3,2)}とおく。Rは対角集合を含み、対角線上にない二元(1,2)と(2,1)が入れ替えで移り合い、(a,b),(b,c)∈Rとなる組から得られる(a,c)はいずれもRに属するので、Rは同値関係である。Sについても、1と3の役割を入れ替えた同じ確認が成り立つ。しかし(1,2)∈R∪Sかつ(2,3)∈R∪Sである一方(1,3)∈/R∪Sであるから、R∪Sは推移律を満たさず、同値関係ではない。▨
問題 5.3.R2上の二項関係∼を、(x,y)∼(x′,y′)がx2+y2=x′2+y′2であることによって定める。∼が同値関係であることを証明し、r([(x,y)])=x2+y2を満たす写像r:R2/∼→R≥0がただ一つ存在して全単射であることを証明せよ。また、∼に対応するR2の分割のブロックを記述せよ。
解答.
写像r:R2→R≥0をr(x,y)=x2+y2によって定めると、∼はrの値が等しいことによって定まる関係であるから、問題 5.1により∼はR2上の同値関係であり、r∘π=rを満たす写像r:R2/∼→R≥0がただ一つ存在して単射である。t∈R≥0に対してr(t,0)=tであるからrは全射であり、したがってrは全単射である。
定理 3.3により、対応する分割のブロックは同値類である。t>0に対する同値類は原点を中心とする半径tの円周であり、t=0に対する同値類は一点集合{(0,0)}である。▨