Обобщением понятия равенства является отношение эквивалентности.

Определение . Бинарное отношение R на множестве A называется отношением эквивалентности, если оно рефлексивно, симметрично и транзитивно.

Отношение эквивалентности разбивает множество A на непересекающиеся подмножества, называемые классами эквивалентности. Если в качестве A рассмотреть множество людей, проживающих в домах некоторого города, то отношение проживания в одном доме будет отношением эквивалентности. Более математическим примером является отношение сравнения по модулю n в множестве целых чисел Z : , если делится на n . При этом Z разбивается на классы , характеризуемые остатками от деления на n . Более общим примером является эквивалентность элементов группы G по подгруппе H : если . Классами эквивалентности здесь являются правые смежные классы по подгруппе H .

которых может быть отрицательной величиной, например, труд. Но потребление труда потребителем не может превосходить естественно определенной величины - 24 часа.

Свойство «продолжаемости вверх» означает, что, потенциально, потребителю доступно неограниченное количество блага. Конечно, этого свойства хотелось бы избежать, и во многих современных работах, например, по общему равновесию, оно отсутствует, но ряд основных классических результатов теории потребителя значительно проще формулируется и получается в случае его выполнения. Действительно, при отсутствии этого свойства мы уже, например, не можем быть уверены о том, что потребитель израсходует весь получаемый им доход (т. е. что выбор потребителя принадлежит бюджетной линии).

Наконец, поясним значение свойства выпуклости. Выпуклость множества X - не такое безобидное и естественное предположение, как может показаться на первый взгляд. Существует достаточное число содержательных экономических вопросов, при изучении которых данное предположение неприемлемо. Например, некоторые из рассматриваемых благ могут потребляться исключительно в дискретных количествах. Подобная ситуация значительно усложняет дело и требует более тонких рассуждений, на которых мы не останавливаемся.

Свойство 0 X имеет достаточно прозрачный смысл, оно фактически означает, что потребитель потенциально может ничего не потреблять. Такая ситуация не означает что это будет его выбором, но мы признаем за ним такую возможность. Иногда бывает удобно предполагать, что множество допустимых альтернатив представляет собой неотрицательный ортант Rl + , т. е. X = Rl + . В дальнейшем, в каждом конкретном случае, будет либо указано, либо ясно из контекста, какой из вышеприведенных случаев имеется в виду8 .

Как мы уже говорили выше, в основе поведения потребителя лежат его предпочтения, в соответствии с которыми он осуществляет выбор между доступными ему наборами из множества допустимых альтернатив. Естественным языком для обсуждения концепции предпочтений является теория бинарных отношений, краткое описание которой дается в следующем параграфе.

2.2 Бинарные отношения и их свойства

Чтобы мотивировать и пояснить понятие бинарного отношения, рассмотрим известную детскую игру «камень-ножницы-бумага». Предполагается, что: камень побеждает ножницы (тупит), ножницы побеждают бумагу (режут), бумага побеждает камень (оборачивает), в остальных случаях (например, камень - камень) - боевая ничья. Будем говорить, что x находится в отношении R к y и писать x R y, в случае, если x побеждает y, где x и y принадлежат множеству {камень, ножницы, бумага}. Естественно отождествить отношение R с множеством, элементами которого являются упорядоченные пары9 hкамень, ножницыi, hножницы, бумагаi, hбумага, каменьi и только они. Отметим, что так определенное отношение (множество) R, очевидно, является подмножеством множества, состоящего из всевозможных упорядоченных пар, где каждый элемент пробегает множество {камень, ножницы, бумага}.

Этот простой пример приводит нас к следующему определению бинарного отношения.

Определение 1:

Пусть X - произвольное непустое множество. Декартовым квадратом множества X назовем множество, обозначаемое X × X , элементами которого являются всевозможные упорядоченные пары hx, yi, где x, y пробегают все множество X . Под бинарным отношением R, заданным на множестве X , будем понимать, некоторое подмножество декартова квадрата X × X , т. е. формально R X × X .

8 Более подробное обсуждение понятия блага и множества допустимых альтернатив см. в книге Э. Маленво:

Лекции по микроэкономическому анализу, М.: Наука, 1985, гл. 1, § 3 и гл. 2, § 4.

9 Выражение «упорядоченная пара» означает, что пары ha, bi и hb, ai считаются различными.

Другими словами бинарное отношение - это некоторое множество упорядоченных пар hx, yi, где x и y - элементы множества X . Понятие бинарного отношения имеет достаточно простую графическую иллюстрацию (см. Рис. 2.1 ).

Рис. 2.1. Бинарное отношение R, заданное на множестве X

При рассмотрении бинарных отношений в случае, когда пара hx, yi принадлежит множеству R, вместо hx, yi R обычно пишут x R y и говорят, что x находится в отношении R к y.

Определим теперь некоторые свойства бинарных отношений, которые мы в дальнейшем будем использовать при рассмотрении предпочтений 10 .

Определение 2:

Бинарное отношение R называется

рефлексивным , если x X выполнено x R x

иррефлексивным 11 , если x R x не выполняется ни при каком x X (т. е. x X(x R x));

симметричным , если x, y X из x R y следует y R x;

Асимметричным , если x, y X из x R y следует, что y R x неверно;

Транзитивным , если x, y, z X выполнено

(x R y и y R z) x R z;

отрицательно транзитивным , если x, y, z X выполнено

((x R y) и(y R z))(x R z);

Полным , если x, y X выполнено либо x R y, либо y R x, либо и то и другое.

Проиллюстрируем эти свойства бинарных отношений на примерах.

11 Часто это свойство также называют нерефлексивностью, но такая терминология приводит к парадоксальным выражениям. Например, «бинарное отношение не является ни рефлексивным, ни нерефлексивным». Чтобы избежать этой игры слов, мы и используем термин «иррефлексивность».

Пусть X - множество студентов, учащихся в этом учебном году в Новосибирском Государственном Университете, R - отношение «выше ростом, чем» заданное на X . Посмотрим, каким из указанных выше свойств удовлетворяет данное бинарное отношение.

Очевидно, что какого бы мы студента ни взяли, его рост не может быть больше его же роста, т. е., например, 175 не может быть больше 175. Таким образом, это отношение является иррефлексивным и не удовлетворяет свойству рефлексивности.

Это отношение также является асимметричным и не является симметричным. Действительно, пусть h(a) - рост некоторого студента a, а h(b) - рост студента b, и a R b, т. е. студент a имеет больший рост, чем b (h(a) > h(b)). Тогда вполне понятно, что неверно (h(b) > h(a)), что и означает, что неверно b R a. Таким образом, с учетом произвольности выбора a и b получили желаемое.

Проверим теперь, что данное отношение является транзитивным. Из множества X возьмем трех произвольных студентов a, b, c, чей рост составляет h(a), h(b) и h(c) соответственно, причем выполнено следующее: h(a) > h(b) и h(b) > h(c). Очевидно, что по свойству сравнения действительных чисел мы имеем, что h(a) > h(c). Это в точности означает, что a R c и мы, таким образом, показали транзитивность R.

Выполнение свойства отрицательной транзитивности мы проверим чуть позже, а сейчас перейдем к проверке свойства полноты. Как несложно понять, данное отношение не является полным, если среди студентов есть хотя бы двое с одинаковым ростом. В этом случае ни один из этих двух студентов не будет выше другого и, таким образом, мы имеем нарушение полноты. Если же среди нашего множества X нет ни одной пары студентов с одинаковым ростом, то введенное на X отношение «выше ростом, чем» обладает свойством полноты. 4

Пусть на множестве X = R2 + задано отношение R по правилу (x1 , x2 ) R (y1 , y2 ) x1 + y2 > y1 + x2 . Перед тем как отвечать на вопрос о том, каким свойствам удовлетворяет данное бинарное отношение, заметим, что x1 + y2 > y1 + x2 x1 − x2 > y1 − y2 , т. е. (x1 , x2 ) R (y1 , y2 ) x1 − x2 > y1 − y2 . Как несложно догадаться, данное бинарное отношение удовлетворяет тем же свойствам, что и отношение > на действительной прямой, т. е. полнота, транзитивность, рефлексивность. (Проверьте самостоятельно выполнение/невыполнение усло-

Замечание: При проверке указанных выше свойств предпочтений следует быть осторожным и не делать поспешных выводов. В частности, если окажется, что отношение не является рефлексивным, то из этого, вообще говоря, не следует, что отношение является иррефлексивным. Та же ситуация возникает при рассмотрении связки свойств симметричность/асимметричность.

Эти определения также легко проиллюстрировать графически в духе Рис. 2.1 . Так, например, рефлексивность означает, что вся диагональ декартова квадрата X ×X принадлежит R. Свойство симметричности означает, что множество R симметрично относительно диагонали декартова квадрата. Полнота означает, что если мы «согнем по диагонали» декартов квадрат, то в итоге получим треугольник без выколотых точек.

Выше мы ввели и обсудили ряд часто встречающихся свойств бинарных отношений. Теперь рассмотрим взаимосвязь между этими свойствами.

Теорема 1:

Каждое асимметричное бинарное отношение является иррефлексивным.

Каждое полное бинарное отношение является рефлексивным.

Каждое иррефлексивное и транзитивное бинарное отношение является асимметричным.

Отношение R является отрицательно транзитивным тогда и только тогда, когда

x, y, z X из x R y следует x R z или z R y.

Доказательство: Доказательство свойств тривиально. С целью демонстрации техники доказательства мы докажем только третий пункт теоремы.

Предположим противное, т. е. пусть отношение R иррефлексивно, транзитивно, но не является асимметричным. Тогда найдется пара x, y X такая, что x R y и y R x. Так как отношение R транзитивно, то из x R y и y R x следует x R x. Получили противоречие с иррефлексивностью.

Пример 3 (продолжение Примера 1 ):

Нам осталось проверить свойство отрицательной транзитивности. Для его проверки воспользуемся представлением этого свойства из только что доказанного утверждения. Для этого из множества X возьмем трех произвольных студентов a, b, c, чей рост составляет h(a), h(b) и h(c) соответственно, причем выполнено h(a) > h(b). Очевидно, что каким бы ни был h(c), должно быть выполнено хотя бы одно из неравенств h(a) > h(c) или h(c) > h(b). Таким образом, видим, что для данного отношения R выполнено свойство отрицательной транзитив-

Теперь, вооружившись понятием бинарного отношения, мы можем перейти к обсуждению неоклассического подхода к моделированию предпочтений и выбора.

2.2.1 Задачи

/ 1. Предположим, условно, что существует всего два города, в каждом из которых продаются по три товара. Какова размерность пространства благ, исходя из определения блага по Дебре?

/ 2. Пусть X - множество всех ныне живущих людей на планете Земля. Проверьте выполнение следующих свойств:

полнота,

рефлексивность,

симметричность,

транзитивность,

отрицательная транзитивность

для следующих бинарных отношений, заданных на X:

(a) «является потомком»;

(b) «является внуком»;

(c) «является родителем такого же числа детей, что и»;

(d) «состоит в браке с» (допуская полигамию);

(e) «состоит в браке с» (предполагая моногамные отношения);

(f) «состоит в родстве с»;

(g) «хотя бы раз в жизни думал о».

/ 3. Пусть X - множество населенных пунктов на планете Земля. Какими свойствами обладают следующие отношения:

(a) «расположен восточнее» (в случае, если Земля круглая);

(b) «расположен восточнее» (в случае если, Земля плоская и стоит на черепахах);

(c) «имеет ту же численность, что и. . . »;

(d) «имеет то же число безработных, что и. . . »?

Свойства отношений:

1) рефлексивность;

2)симметричность;

3)транзитивность.

4)связанность.

Отношение R на множестве Х называется рефлексивным, если о каждом элементе множества Х можно сказать, что он находится в отношении R с самим собой: х Rх. Если отношение рефлексивно, то в каждой вершине графа имеется петля. И обратно, граф, каждая вершина которого содержит петлю, представляет собой граф рефлексивного отношения.

Примерами рефлексивных отношений являются и отношение «кратно» на множестве натуральных чисел (каждое число кратно самому себе), и отношение подобия треугольников (каждый треугольник подобен самому себе), и отношение «равенства» (каждое число равно самому себе) и др.

Существуют отношения, не обладающие свойством рефлексивности, например, отношение перпендикулярности отрезков: ab, ba (нет ни одного отрезка, о котором можно сказать, что он перпендикулярен самому себе). Поэтому на графе данного отношения нет ни одной петли.

Не обладает свойством рефлексивности и отношение «длиннее» для отрезков, «больше на 2» для натуральных чисел и др.

Отношение R на множестве Х называется антирефлексивным , если для любого элемента из множества Х всегда ложно х Rх: .

Существуют отношения, не являющиеся ни рефлексивными, ни антирефлексивными. Примером такого отношения может служить отношение «точка х симметрична точке у относительно прямой l », заданное на множестве точек плоскости. Действительно, все точки прямой l симметричны сами себе, а точки, не лежащие на прямой l, себе не симметричны.

Отношение R на множестве Х называется симметричным , если выполняется условие: из того, что элемент х находится в отношении с элементом y , следует, что и элемент y находится в отношении R с элементом х: xRyyRx .

Граф симметричного отношения обладает следующей особенностью: вместе с каждой стрелкой, идущей от х к y , граф содержит стрелку, идущую от y к х (рис. 35).

Примерами симметричных отношений могут быть следующие: отношение «параллельности» отрезков, отношение «перпендикулярности» отрезков, отношение «равенства» отрезков, отношение подобия треугольников, отношение «равенства» дробей и др.

Существуют отношения, которые не обладают свойством симметричности.

Действительно, если отрезок х длиннее отрезка у , то отрезок у не может быть длиннее отрезка х . Граф этого отношения обладает особенностью: стрелка, соединяющая вершины, направлена только в одну сторону.

Отношение R называют антисимметричным , если для любых элементов х и y из истинности xRy следует ложность yRx: : xRyyRx.

Кроме отношения «длиннее» на множестве отрезков существуют и другие антисимметричные отношения. Например, отношение «больше» для чисел (если х больше у , то у не может быть больше х ), отношение «больше на» и др.

Существуют отношения, которые не обладают ни свойством симметричности, ни свойством антисимметричности.

Отношение R на множестве Х называют транзитивным, если из того, что элемент х находится в отношении R с элементом y, а элемент y находится в отношении R с элементом z , следует, что элемент х находится в отношении R с элементом z : xRy и yRz xRz.

Граф транзитивного отношения с каждой парой стрелок, идущих от х к y и от y к z , содержит стрелку, идущую от х к z.

Свойством транзитивности обладает и отношение «длиннее» на множестве отрезков: если отрезок а длиннее отрезка b , отрезок b длиннее отрезка с , то отрезок а длиннее отрезка с. Отношение «равенства» на множестве отрезков также обладает свойством транзитивности: (а= b, b=с)(а=с).

Существуют отношения, которые не обладают свойством транзитивности. Таким отношением является, например, отношение перпендикулярности: если отрезок а перпендикулярен отрезку b , а отрезок b перпендикулярен отрезку с , то отрезки а и с не перпендикулярны!

Существует еще одно свойство отношений, которое называется свойством связанности, а отношение, обладающее им, называют связанным.

Отношение R на множестве Х называется связанным, если для любых элементов х и y из данного множества выполняется условие: если х и y различны, то либо х находится в отношении R с элементом y , либо элемент y находится в отношении R с элементом х . С помощью символов это можно записать так: xy xRy или yRx.

Например, свойством связанности обладает отношение «больше» для натуральных чисел: для любых различных чисел х и y можно утверждать, либо x>y , либо y>x.

На графе связанного отношения любые две вершины соединены стрелкой. Справедливо и обратное утверждение.

Существуют отношения, которые не обладают свойством связанности. Таким отношением, например, является отношение делимости на множестве натуральных чисел: можно назвать такие числа х и y , что ни число х не является делителем числа y , ни число y не является делителем числа х (числа 17 и 11 , 3 и 10 и т.д.).

Рассмотрим несколько примеров. На множестве Х={1, 2, 4, 8, 12} задано отношение «число х кратно числу y ». Построим граф данного отношения и сформулируем его свойства.

Про отношение равенства дробей говорят, оно является отношением эквивалентности.

Отношение R на множестве Х называется отношением эквивалентности, если оно одновременно обладает свойством рефлексивности, симметричности и транзитивности.

Примерами отношений эквивалентности могут служить: отношения равенства геометрических фигур, отношение параллельности прямых (при условии, что совпадающие прямые считаются параллельными).

В рассмотренном выше отношении «равенства дробей», множество Х разбилось на три подмножества: {; ; }, {; }, {}. Эти подмножества не пересекаются, а их объединение совпадает с множеством Х , т.е. имеем разбиение множества на классы.

Итак, если на множестве Х задано отношение эквивалентности, то оно порождает разбиение этого множества на попарно непересекающиеся подмножества - классы эквивалентности.

Так, мы установили, что отношению равенства на множестве
Х ={ ;; ; ; ; } соответствует разбиение этого множества на классы эквивалентности, каждый из которых состоит из равных между собой дробей.

Принцип разбиения множества на классы при помощи некоторого отношения эквивалентности является важным принципом математики. Почему?

Во-первых, эквивалентный - это значит равносильный, взаимозаменяемый. Поэтому элементы одного класса эквивалентности взаимозаменяемы. Так, дроби, оказавшиеся в одном классе эквивалентности {; ; }, неразличимы с точки зрения отношения равенства, и дробь может быть заменена другой, например . И эта замена не изменит результата вычислений.

Во-вторых, поскольку в классе эквивалентности оказываются элементы, неразличимые с точки зрения некоторого отношения, то считают, что класс эквивалентности определяется любым своим представителем, т.е. произвольным элементом класса. Так, любой класс равных дробей можно задать, указав любую дробь, принадлежащую этому классу. класса эквивалентности по одному представителю позволяет вместо всех элементов множества изучать совокупность представителей из классов эквивалентности. Например, отношение эквивалентности «иметь одинаковое число вершин», заданное на множестве многоугольников, порождает разбиение этого множества на классы треугольников, четырехугольников, пятиугольников и т.д. свойства, присущие некоторому классу, рассматриваются на одном его представителе.

В-третьих, разбиение множества на классы с помощью отношения эквивалентности используется для введения новых понятий. Например, понятие «пучок прямых» можно определить как то общее, что имеют параллельные прямые между собой.

Другим важным видом отношений являются отношения порядка. Рассмотрим задачу.На множестве Х ={3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 } задано отношение «иметь один и тот же остаток при делении на 3 ». Это отношение порождает разбиение множества Х на классы: в один попадут все числа, при делении которых на 3 получается в остатке 0 (это числа 3, 6, 9 ). Во второй - числа, при делении которых на 3 в остатке получается 1 (это числа 4, 7, 10 ). В третий попадут все числа, при делении которых на 3 в остатке получается 2 (это числа 5, 8 ). Действительно, полученные множества не пересекаются и их объединение совпадает с множеством Х . Следовательно, отношение «иметь один и тот же остаток при делении на 3 », заданное на множестве Х , является отношением эквивалентности.

Возьмем еще пример: множество учащихся класса можно упорядочить по росту или возрасту. Заметим, что это отношение обладает свойствами антисимметричности и транзитивности. Или всем известен порядок следования букв в алфавите. Его обеспечивает отношение «следует».

Отношение R на множестве Х называется отношением строгого порядка , если оно одновременно обладает свойствами антисимметричности и транзитивности. Например, отношение «х< y ».

Если же отношение обладает свойствами рефлексивности, антисимметричности и транзитивности, то такое оно будет являться отношением нестрогого порядка . Например, отношение «х y ».

Примерами отношения порядка могут служить: отношение «меньше» на множестве натуральных чисел, отношение «короче» на множестве отрезков. Если отношение порядка обладает еще и свойством связанности, то говорят, что оно является отношением линейного порядка . Например, отношение «меньше» на множестве натуральных чисел.

Множество Х называется упорядоченным, если на нем задано отношение порядка.

Например, множество Х= {2, 8, 12, 32 } можно упорядочить при помощи отношения «меньше» (рис. 41), а можно это сделать при помощи отношения «кратно» (рис. 42). Но, являясь отношением порядка, отношения «меньше» и «кратно» упорядочивают множество натуральных чисел по-разному. Отношение «меньше» позволяет сравнивать два любых числа из множества Х , а отношение «кратно» таким свойством не обладает. Так, пара чисел 8 и 12 отношением «кратно» не связана: нельзя сказать, что 8 кратно 12 либо 12 кратно 8.

Не следует думать, что все отношения делятся на отношения эквивалентности и отношения порядка. Существует огромное число отношений, не являющихся ни отношениями эквивалентности, ни отношениями порядка.