Relación de equivalencia

relación reflexiva, simétrica y transitiva

En teoría de conjuntos y álgebra, la noción de relación de equivalencia sobre un conjunto permite establecer una relación entre los elementos del conjunto que comparten cierta característica o propiedad. Esto permite reagrupar dichos elementos en clases de equivalencia, es decir, «paquetes» de elementos similares. Esto posibilita la construcción de nuevos conjuntos «juntando» todos los elementos de una misma clase como un solo elemento que los representará y que define la noción de conjunto cociente.[1]

Relación homogéneaRelación reflexivaRelación no reflexivaConjunto preordenadoRelación de dependenciaConjunto parcialmente ordenadoRelación de equivalenciaOrden totalAcotadoOrden total acotado

Definición editar

Sea   un conjunto dado no vacío y   una relación binaria definida sobre  . Se dice que   es una relación de equivalencia si cumple las siguientes propiedades:

  • Reflexividad: Todo elemento de   está relacionado consigo mismo. Es decir,
 .
  • Simetría: Si un elemento de   está relacionado con otro, entonces ese otro elemento también se relaciona con el primero. Es decir,
 .
  • Transitividad: Si un elemento de   está relacionado con otro, y ese otro a su vez se relaciona con un tercero, entonces el primero estará relacionado también con este último. Es decir,
 .

Notación:

En aritmética modular la relación de equivalencia entre dos elementos   e   se denota   que se lee «   es equivalente a   módulo   ».
Una relación de equivalencia   sobre un cuerpo   puede denotarse con el par  .

Clase de equivalencia o relación de equivalencia editar

En lógica de clases y análisis matemático, la relación de equivalencia   define subconjuntos disjuntos en   llamados clases de equivalencia:

Dado un elemento  , el conjunto dado por todos los elementos relacionados con   definen la clase:

 

se le llama la clase de equivalencia asociada al elemento  .

Al elemento   se le llama representante de la clase.

Se llama orden al número de clases que genera una relación de equivalencia; si este es finito, se dice que la relación es de orden finito.

El concepto de clase de equivalencia tiene importancia en la ciencia, dado un conjunto de objetos o entidades abstractas (potencialmente infinitas), pueden establecerse relaciones de equivalencia sobre la base de algún criterio, las clases resultantes son los "tipos" en los que se puede clasificar toda la gama de objetos.[cita requerida]

Conjunto cociente editar

Al conjunto de todas las clases de equivalencia se denomina conjunto cociente y se denota como:

  o  

Partición editar

Una relación de equivalencia sobre un conjunto induce una partición del mismo, es decir, un conjunto en el que se ha definido una relación de equivalencia puede ser dividido en varios subconjuntos de elementos equivalentes entre sí y tales que la reunión de esos subconjuntos coincide con el conjunto entero. El siguiente teorema expresa en términos más formales esa misma idea:

Proposición: Una relación de equivalencia en el conjunto no vacío K determina una partición de este, y toda partición de K determina una relación de equivalencia en este.
Demostración
Dada una relación de equivalencia   en K:
Para ver que la intersección es vacía, supongamos que no lo es, es decir, dados [a] y [b] dos clases distintas y   entonces se tiene:
Por simetría  
Por transitividad   y  
Por tanto [a]=[b] que es una contradicción, por tanto, dos clases distintas no tienen elementos en común, así como todo elemento de K pertenece a una clase, queda bien definida una partición.

Dada una partición de K,  , podemos definir la siguiente clase de equivalencia:

Dados dos elementos a y b de K están relacionados si pertenecen al mismo conjunto  

La partición tiene como elementos las clases de equivalencia. Estas son disjuntas dos a dos y la unión de ellas es igual al conjunto K.

  • para cualesquiera dos   no relacionados tenemos:  ;
  • la unión de todos integra al total:  

Ejemplos editar

  • Sea N= {0,1,2, 3...}. Se define una relación de equivalencia en NxN, como sigue: (a;b)~ (c;d) si y solo si a+d = b +c. Esta es una relación de equivalencia en NxN y cada clase de equivalencia es un número entero. [(2;0)]= { (x;y)/ 2+y = 0 + x } a (2;0) se llama representante canónico y se denota, simplificadamente, 2.
  • La relación de congruencia módulo M en el conjunto de los números enteros (i. e.  ), donde se define:   si y solo si   es múltiplo de M.
Esta relación es de equivalencia porque:
  • Es reflexiva: a - a = 0, que es múltiplo de M.
  • Es simétrica: si a - b es múltiplo de M, entonces b - a = -(a - b) también es múltiplo de M.
  • Es transitiva: sean k y l números enteros tales que a - b = M k y b - c = M l. Entonces, a - c = (a - b) + (b - c) = M k + M l = M(k + l) y por tanto un múltiplo de M. En particular, si M = 2 tenemos la tradicional clasificación de los números enteros en pares e impares.
  • Sea H un subgrupo de un grupo G. Definiendo para elementos del grupo   si y solo si  , se tendrá la relación de equivalencia llamada congruencia módulo H.
  • Sean los números reales a y b, diremos que   si y solo si sus máximos enteros son iguales. La clase de equivalencia son los intervalos [n; n+1) donde n es un número entero. Así 3,56 y 3,875 son equivalentes pues tienen el mismo máximo entero = 3.

Ejemplo simple editar

Sobre el conjunto  , la relación   es una relación de equivalencia. Los siguientes conjuntos son clases de equivalencia de esta relación:

 

El conjunto de todas las clases de equivalencia para   es   Este conjunto es una partición del conjunto   con respecto a  .

Relaciones de equivalencia editar

Las siguientes relaciones son todas relaciones de equivalencia:

  • "Es igual a" en el conjunto de los números. Por ejemplo,   es igual a  [2]
  • "Cumple años el mismo día que" en el conjunto de todas las personas.
  • "Es similar a" en el conjunto de todos los triángulos.
  • "Es congruente con" en el conjunto de todos los triángulos.
  • Dado un número natural  , "es congruente con", módulo".  " en los enteros.[2]
  • Dada una función  , "tiene la misma imagen bajo   que" sobre los elementos del dominio de  .  . Por ejemplo,   y   tienen la misma imagen bajo  , a saber,  .
  • "Tiene el mismo valor absoluto que" en el conjunto de los números reales
  • "Tiene el mismo coseno que" en el conjunto de todos los ángulos.

Conexiones con otras relaciones editar

  • Un orden parcial es una relación que es reflexiva, antisimétrica y transitiva.
  • Igualdad es a la vez una relación de equivalencia y un orden parcial. La igualdad es también la única relación sobre un conjunto que es reflexiva, simétrica y antisimétrica. En expresión algebraicas, las variables iguales pueden ser sustituidas unas por otras, una facilidad que no está disponible para las variables relacionadas con la equivalencia. Las clases de equivalencia de una relación de equivalencia pueden sustituirse entre sí, pero no los individuos dentro de una clase.
  • Un orden parcial estricto es irreflexivo, transitivo y asimétrica.
  • Una relación de equivalencia parcial es transitiva y simétrica. Tal relación es reflexiva si y sólo si es total, es decir, si para todo   existe algún  [proof 1]​ Por lo tanto, una relación de equivalencia puede definirse alternativamente como una relación simétrica, transitiva y total.
  • Una relación de equivalencia ternaria es un análogo ternario de la relación de equivalencia habitual (binaria).
  • Una relación reflexiva y simétrica es una relación de dependencia (si es finita), y una relación de tolerancia si es infinita.
  • Un preorden es reflexivo y transitivo.
  • Una relación de congruencia es una relación de equivalencia cuyo dominio   es también el conjunto subyacente de una estructura algebraica, y que respeta la estructura adicional. En general, las relaciones de congruencia desempeñan el papel de núcleos de homomorfismos, y se puede formar el cociente de una estructura por una relación de congruencia. En muchos casos importantes, las relaciones de congruencia tienen una representación alternativa como subestructuras de la estructura sobre la que están definidas (por ejemplo, las relaciones de congruencia sobre grupos corresponden al subgrupo normals).
  • Cualquier relación de equivalencia es la negación de una relación de separación, aunque la afirmación inversa sólo es válida en matemática clásica (en contraposición a las matemática constructiva), ya que es equivalente a la Principio del tercero excluido.
  • Cada relación que es a la vez reflexiva e izquierda (o derecha) euclidiana es también una relación de equivalencia.

Bien definido bajo una relación de equivalencia editar

Si   es una relación de equivalencia sobre   y   es una propiedad de elementos de   tal que siempre que     es verdadera si   es verdadera, entonces se dice que la propiedad   está bien definida o es una invariante de clase bajo la relación  

Un caso particular frecuente se da cuando   es una función de   a otro conjunto   si   implica   entonces   se dice que es un {em|morfismo}} para   una {em|clase invariante bajo}}   o simplemente invariante bajo <Esto ocurre, por ejemplo, en la teoría de caracteres de grupos finitos. Este último caso con la función   puede expresarse mediante un triángulo conmutativo. Véase también invariante. Algunos autores utilizan "compatible con  " o simplemente "respeta  " en lugar de "invariante bajo  ".

En términos más generales, una función puede asignar argumentos equivalentes (bajo una relación de equivalencia  ) a valores equivalentes (bajo una relación de equivalencia  ). Tal función se conoce como un morfismo de   a  

Clase de equivalencia, conjunto cociente, partición editar

Sean   elementos en  . Con base en esto, a continuación veamos algunas definiciones:

Clase de equivalencia editar

Un subconjunto Y de X tal que   se cumple para todo a y b en Y, y nunca para a en Y y b fuera de Y, se llama una clase de equivalencia de X por ~. Sea   la clase de equivalencia a la que pertenece a. Todos los elementos de X equivalentes entre sí son también elementos de la misma clase de equivalencia.

Conjunto cociente editar

El conjunto de todas las clases de equivalencia de X por ~, denotado   es el conjunto cociente de X por ~. Si X es un espacio topológico, existe una forma natural de transformar   en un espacio topológico; véase espacio cociente para los detalles.

Proyección editar

La proyección de   es la función   definida por   que mapea elementos de   en sus respectivas clases de equivalencia por  

Teorema sobre proyecciones:[3]​ Sea la función   y sea tal que si   entonces   Entonces existe una única función   tal que   Si   es una función sobreyectiva y   entonces   es una biyección.

Núcleo de equivalencia editar

El núcleo de equivalencia de una función   es la relación de equivalencia ~ definida por   El núcleo de equivalencia de una inyección es la relación de identidad.

Partición editar

Una partición de X es un conjunto P de subconjuntos no vacíos de X, tal que cada elemento de X es un elemento de un único elemento de P. Cada elemento de P es una celda de la partición. Además, los elementos de P son disjuntos por pares y su unión es X.

Teorema fundamental de las relaciones de equivalencia editar

Un resultado clave vincula las relaciones de equivalencia y las particiones:[4][5][6]

  • Una relación de equivalencia ~ sobre un conjunto X divide a X.
  • A la inversa, correspondiente a cualquier partición de X, existe una relación de equivalencia ~ sobre X.

En ambos casos, las celdas de la partición de X son las clases de equivalencia de X por ~. Dado que cada elemento de X pertenece a una celda única de cualquier partición de X, y dado que cada celda de la partición es idéntica a una clase de equivalencia de X por ~, cada elemento de ' 'X pertenece a una clase de equivalencia única de X por ~. Así, hay una biyección natural entre el conjunto de todas las relaciones de equivalencia en X y el conjunto de todas las particiones de X.

Comparando relaciones de equivalencia editar

Si   y   son dos relaciones de equivalencia en el mismo conjunto  , y   implica que   para todos   entonces   se dice que es una relación más gruesa que  , y   es una relación más fina que  . Equivalentemente,

  •   es más fino que   si cada clase de equivalencia de   es un subconjunto de una clase de equivalencia de  , y por lo tanto cada clase de equivalencia de   es una unión de clases de equivalencia de  .
  •   es más fino que   si la partición creada por   es un refinamiento de la partición creada por  .

La relación de equivalencia de igualdad es la relación de equivalencia más fina de cualquier conjunto, mientras que la relación universal, que relaciona todos los pares de elementos, es la más tosca.

La relación "  es más fino que  " sobre la colección de todas las relaciones de equivalencia en un conjunto fijo es en sí misma una relación de orden parcial, lo que hace que la colección sea una red geométrica.[7]

Véase también editar

Notas editar

  1. Si: Dada     se cumple usando la totalidad, entonces   por simetría, por lo tanto   por transitividad. — Sólo si: Dado   elegir   entonces   por reflexividad.

Referencias editar

  1. Frank Ayres. «Álgebra Moderna», libros Mc Graw-Hill, Bogotá, Colombia.
  2. a b «7.3: Equivalence Classes». Mathematics LibreTexts (en inglés). 20 de septiembre de 2017. Consultado el 30 de agosto de 2020. 
  3. Garrett Birkhoff y Saunders Mac Lane, 1999 (1967). Álgebra, 3ª ed. p. 35, Th. 19. Chelsea.
  4. Wallace, D. A. R., 1998. Groups, Rings and Fields. p. 31, Th. 8. Springer-Verlag.
  5. Dummit, D. S., and Foote, R. M., 2004. Abstract Algebra, 3rd ed. p. 3, Prop. 2. John Wiley & Sons.
  6. Karel Hrbacek & Thomas Jech (1999) Introduction to Set Theory, 3rd edition, pages 29–32, Marcel Dekker
  7. Birkhoff, Garrett (1995), Lattice Theory, Colloquium Publications 25 (3rd edición), American Mathematical Society, ISBN 9780821810255 .. Sect. IV.9, Theorem 12, page 95

Bibliografía editar

  • Weisstein, Eric W. «Relación de equivalencia». En Weisstein, Eric W, ed. MathWorld (en inglés). Wolfram Research. 
  • Brown, Ronald, 2006. Topology and Groupoids. Booksurge LLC. ISBN 1-4196-2722-8.
  • Castellani, E., 2003, "Symmetry and equivalence" in Brading, Katherine, and E. Castellani, eds., Symmetries in Physics: Philosophical Reflections. Cambridge Univ. Press: 422–433.
  • Robert Dilworth and Crawley, Peter, 1973. Algebraic Theory of Lattices. Prentice Hall. Chpt. 12 discusses how equivalence relations arise in lattice theory.
  • Higgins, P.J., 1971. Categories and groupoids. Van Nostrand. Downloadable since 2005 as a TAC Reprint.
  • James R.Munkres,Topología, (2002),Prentice Hall.
  • John Randolph Lucas, 1973. A Treatise on Time and Space. London: Methuen. Section 31.
  • Rosen, Joseph (2008) Symmetry Rules: How Science and Nature are Founded on Symmetry. Springer-Verlag. Mostly chapters. 9,10.
  • Raymond Wilder (1965) Introduction to the Foundations of Mathematics 2nd edition, Chapter 2-8: Axioms defining equivalence, pp 48–50, John Wiley & Sons.