Ordens parciais e diagramas de Hasse

Comparabilidade, ordens estritas, coberturas, minimais, extremos e ordens em produtos.

TLDR

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Ordenar não exige comparar todos os pares. Na divisibilidade, 2 está abaixo de 6 porque 2∣62\mid6, mas nem 2∣32\mid3 nem 3∣23\mid2. Uma ordem parcial conserva esses pares incomparáveis. Assumimos transitividade e quantificadores das lições de relações.

Ordens parciais

Uma ordem parcial é uma relação reflexiva, antissimétrica e transitiva. O par (A,⪯)(A,\preceq) chama-se conjunto parcialmente ordenado, ou poset.

São exemplos (Z,≤)(\mathbb Z,\le), (N+,∣)(\mathbb N^+,\mid) e (P(X),⊆)(\mathcal P(X),\subseteq). A restrição aos inteiros positivos no exemplo de divisibilidade importa: em Z\mathbb Z, 2∣−22\mid-2 e −2∣2-2\mid2, mas 2≠−22\ne-2, o que viola antissimetria.

Dois elementos a,ba,b são comparáveis se a⪯ba\preceq b ou b⪯ab\preceq a. Uma ordem é total se todos os pares são comparáveis. ≤\le nos inteiros é total; inclusão entre subconjuntos não é total em geral, pois {x}\{x\} e {y}\{y\} podem ser incomparáveis.

Não confundas ordem total com relação total. Uma relação total associa cada origem a pelo menos um destino. Uma ordem total compara todos os pares. Uma ordem parcial reflexiva já é uma relação total, mas pode não ser uma ordem total.

Ordens estritas e boa ordenação

Uma ordem estrita é irreflexiva e transitiva. É também antissimétrica: se a≺ba\prec b e b≺ab\prec a, transitividade daria a≺aa\prec a, contrariando irreflexividade. A definição da cadeira enumera as três propriedades; a antissimetria é redundante nesse caso.

De uma ordem parcial obtemos a≺ba\prec b se a⪯ba\preceq b e a≠ba\ne b. No sentido inverso, acrescentamos a identidade à ordem estrita. << nos inteiros é uma ordem estrita total.

Uma boa ordem é uma ordem total em que todo o subconjunto não vazio tem mínimo. (N,≤)(\mathbb N,\le) é bem ordenado; (Z,≤)(\mathbb Z,\le) não é, pois o próprio Z\mathbb Z não tem mínimo. Ter um mínimo no conjunto inteiro não chega: [0,1][0,1] tem mínimo, mas o subconjunto (0,1](0,1] não tem.

Diagramas de Hasse e elementos especiais

Num diagrama de Hasse de uma ordem finita:

  1. Retiramos os laços, que a reflexividade já garante.
  2. Retiramos as ligações obtidas por transitividade.
  3. Colocamos os menores por baixo dos maiores e desenhamos as ligações sem pontas de seta.

Uma ligação de aa a bb significa que bb cobre aa: a≺ba\prec b sem nenhum elemento estritamente entre eles. Para os divisores positivos de 12, ordenados por divisibilidade:

1∣121\mid12, apesar de não haver ligação direta entre 1 e 12. Há um percurso sempre a subir. Uma linha que desce e depois sobe não prova comparabilidade.

Um elemento é minimal se não tem nenhum elemento distinto abaixo dele. É mínimo se está abaixo de todos. Um elemento é maximal se não tem nenhum elemento distinto acima; é máximo se está acima de todos.

Nos divisores de 12, 1 é mínimo e 12 é máximo. Se restringirmos a A={2,3,4,6}A=\{2,3,4,6\}, os minimais são 2 e 3 e os maximais são 4 e 6. Não há mínimo nem máximo. Repara que 2 não está abaixo de 3 e 6 não está acima de 4.

Um mínimo ou máximo, quando existe, é único pela antissimetria. Uma ordem finita não vazia tem pelo menos um minimal e um maximal, mas pode ter vários. Numa ordem total, um minimal é necessariamente mínimo, porque é comparável com todos os outros.

Restrição e novas coberturas

Para restringir a ordem a um subconjunto, conservamos todas as comparações entre os elementos que ficam e recalculamos as coberturas. Apagar vértices e as linhas incidentes do desenho pode perder comparações.

Nos divisores de 12, 2∣122\mid12 aparece pelos percursos 2,4,122,4,12 e 2,6,122,6,12. Ao restringir a {2,3,12}\{2,3,12\}, retiramos 4 e 6, mas 2∣122\mid12 continua a valer. As novas coberturas são 2−122-12 e 3−123-12. Os minimais são 2 e 3; nenhum é mínimo porque são incomparáveis. A altura de dois vértices no papel, por si só, não decide a comparação.

Minorantes e majorantes

Para S⊆AS\subseteq A, um minorante está abaixo de todos os elementos de SS; um majorante está acima de todos. Estes elementos têm de pertencer a AA, mas não necessariamente a SS.

O ínfimo é o maior minorante. O supremo é o menor majorante. Nos divisores de 12, para S={4,6}S=\{4,6\}, os minorantes são 1 e 2 e o ínfimo é 2. O único majorante é 12, que é o supremo.

Se mudarmos o conjunto ordenado para {3,4,6,12}\{3,4,6,12\}, o mesmo subconjunto {4,6}\{4,6\} deixa de ter minorantes. O mdc 2 não pertence ao conjunto, por isso não pode ser o seu ínfimo: o conjunto ambiente faz parte da pergunta.

Ordem lexicográfica e ordem por componentes

Em pares, a ordem lexicográfica compara primeiro a primeira componente. Só compara a segunda quando as primeiras são iguais:

(a,b)⪯lex(c,d)⟺a≺c∨(a=c∧b⪯d).(a,b)\preceq_{\mathrm{lex}}(c,d) \Longleftrightarrow a\prec c\lor(a=c\land b\preceq d).

Nas ordens habituais dos naturais, (1,100)≺lex(2,0)(1,100)\prec_{\mathrm{lex}}(2,0). Se os fatores são totalmente ordenados, o produto lexicográfico também é totalmente ordenado.

A ordem por componentes exige ambas as comparações:

(a,b)⪯prod(c,d)⟺a⪯c∧b⪯d.(a,b)\preceq_{\mathrm{prod}}(c,d) \Longleftrightarrow a\preceq c\land b\preceq d.

Nesta ordem, (1,100)(1,100) e (2,0)(2,0) são incomparáveis. Não troques as duas definições ao provar propriedades de uma relação em A×BA\times B.

Provar uma ordem num produto

Se ⪯\preceq é uma ordem parcial em AA e ≺\prec uma ordem estrita em BB, define:

(a,b)T(c,d)⟺a⪯c∧d≺b.(a,b)T(c,d)\Longleftrightarrow a\preceq c\land d\prec b.

TT é irreflexiva porque b⊀bb\not\prec b. Se (a,b)T(c,d)(a,b)T(c,d) e (c,d)T(e,f)(c,d)T(e,f), temos a⪯c⪯ea\preceq c\preceq e e f≺d≺bf\prec d\prec b. Pelas transitividades, a⪯ea\preceq e e f≺bf\prec b, logo (a,b)T(e,f)(a,b)T(e,f). Portanto, TT é uma ordem estrita. A inversão na segunda componente não estraga transitividade; só muda o sentido em que a encadeamos.

Quando uma relação é função

Uma ordem também é uma relação, mas normalmente não é uma função. Em {1,2,3}\{1,2,3\} com ≤\le, o elemento 1 relaciona-se com 1, 2 e 3. Uma função tem de escolher exatamente um destino por origem.

A identidade é ao mesmo tempo ordem parcial e função bijetiva. Por isso, “nenhuma ordem é função” também é falso. As condições de função e o papel do domínio e do contradomínio estão na página seguinte.

Exercícios

Elementos especiais na divisibilidade

Ordena A={2,3,4,6,12}A=\{2,3,4,6,12\} por divisibilidade. Indica minimais, maximais, mínimo e máximo. Calcula, se existir, o ínfimo de {4,6}\{4,6\} em AA.

Pista

2 e 3 não têm elementos distintos abaixo deles em AA.

Mais uma pista

2 divide 4 e 6; 3 não divide 4. Para ser mínimo, seria preciso dividir também o outro minimal.

Solução

Os minimais são 2 e 3. O único maximal é 12, e é máximo porque todos os elementos o dividem. Não há mínimo, pois 2 e 3 são incomparáveis e nenhum elemento de AA divide ambos. O único minorante de {4,6}\{4,6\} em AA é 2, logo o ínfimo é 2.

Confere a tua resposta:

  • Distingui minimais de mínimo.
  • Identifiquei 12 como único maximal e máximo.
  • Procurei minorantes dentro de A.

Erros frequentes

O inteiro 1 não pertence ao conjunto ordenado. Não pode ser o seu mínimo nem um dos seus minorantes.

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Lexicográfica ou por componentes

Em N2\mathbb N^2, compara (1,7)(1,7) e (2,3)(2,3) na ordem lexicográfica e na ordem por componentes, usando ≤\le em cada fator.

A tua resposta

Pista

A lexicográfica só consulta a segunda componente quando as primeiras são iguais.

Mais uma pista

Para a ordem por componentes, testa as duas direções separadamente.

Solução

(1,7)≺lex(2,3)(1,7)\prec_{\rm lex}(2,3) porque 1<21<2. Por componentes, a primeira direção falha em 7≤37\le3 e a direção inversa falha em 2≤12\le1. Portanto são incomparáveis nessa ordem.

  • O primeiro par é menor na lexicográfica; são incomparáveis por componentes.. 1 < 2 decide a lexicográfica, mas 7 > 3 impede a comparação por componentes.
  • O primeiro par é menor nas duas ordens.. A ordem por componentes exige também 7 ≤ 3.
  • O segundo par é menor por componentes.. Exigiria 2 ≤ 1, que é falso.

Erros frequentes

Não somes as componentes. Nenhuma das duas ordens foi definida pela soma.

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Boa ordenação de um conjunto infinito

Na ordem usual, {0}∪{1/n:n∈N+}\{0\}\cup\{1/n:n\in\mathbb N^+\} tem mínimo. É bem ordenado?

Pista

Boa ordenação exige mínimo em todos os subconjuntos não vazios.

Mais uma pista

Retira o 0 e observa a sequência 1,1/2,1/3,…1,1/2,1/3,\ldots.

Solução

Não. O conjunto inteiro tem mínimo 0, mas S={1/n:n≥1}S=\{1/n:n\ge1\} não tem mínimo. Para qualquer 1/n∈S1/n\in S, também 1/(n+1)∈S1/(n+1)\in S e este é menor. Ter ínfimo 0 não dá mínimo a SS, pois 0∉S0\notin S.

Confere a tua resposta:

  • Identifiquei o mínimo do conjunto inteiro.
  • Escolhi um subconjunto não vazio sem mínimo.
  • Usei 1/(n+1) para refutar qualquer candidato.

Erros frequentes

Confundir ínfimo com mínimo esconderia precisamente o contraexemplo.

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Restrição que cria novas coberturas

Desenha o Hasse da divisibilidade nos divisores positivos de 12. Restringe a ordem a B={2,3,12}B=\{2,3,12\} e desenha o novo Hasse. Basta apagar 1, 4 e 6 do primeiro desenho? Identifica as coberturas novas, os minimais e o mínimo, se existir.

Pista

A relação restrita conserva pares entre elementos de B. O Hasse representa coberturas, que dependem de haver elementos intermédios em B.

Solução

No Hasse original, as coberturas são 1−2,1−3,2−4,2−6,3−6,4−12,6−121-2,1-3,2-4,2-6,3-6,4-12,6-12. No novo, são 2−122-12 e 3−123-12.

Só apagar vértices e linhas deixaria 2, 3 e 12 sem ligações, o que perderia duas comparações válidas. Como 4 e 6 saíram, já não há elemento de BB estritamente entre 2 e 12, nem entre 3 e 12; por isso surgem as novas coberturas. Os minimais são 2 e 3. Não há mínimo, porque nenhum dos dois divide o outro. 12 é máximo.

Confere a tua resposta:

  • Preservei 2 | 12 e 3 | 12 na restrição.
  • Recalculei as coberturas após retirar os elementos intermédios.
  • Distingui os dois minimais da ausência de mínimo.
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