Kurs:Topologische Invertierbarkeitskriterien/B-Regularität/Von Äquivalenzklassen zum Ideal
Einleitung
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Zielsetzung
Diese Lernressource hat das Ziel, den Zusammenhang von Äquivalenzklassen bis hin zum Ideal zu behandeln. Die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den damit zusammenhängenden Aspekten führen dann zu eine Quotientenraum bzgl. eines Ideals , der dann die Algebraerweiterung bildet, in der ein invertierbar ist.
Einführung
Unter einer Äquivalenzrelation versteht man in der Mathematik eine zweistellige Relation, die reflexiv, symmetrisch und transitiv ist. Äquivalenzrelationen sind für die Mathematik und für die Logik von großer Bedeutung. Eine Äquivalenzrelation teilt eine Menge restlos in disjunkte (elementfremde) Untermengen, Äquivalenzklassen genannt. Die Klassenbildung mit Hilfe des Äquivalenzbegriffes zerlegt den Polynomraum in Mengen, die dann die Elemente der Algebraerweiterung bilden.
Äquivalenz
In der Mathematik werden Objekte, die sich in einem bestimmten Zusammenhang gleichen, als gleichwertig bzw. äquivalent angesehen. Auf Polynomraum werden dabei zwei Polynome als äquivalent angesehen, wenn die Differenz also ein Element eines Ideals ist.
Äquivalenz als spezielle Relation
Ein solcher Zusammenhang lässt sich für alle Elemente einer nichtleeren Menge stets durch eine Relation darstellen, indem man genau dann zwei Elemente als zueinander „äquivalent“ bezeichnet und diese Beziehung durch symbolisiert, wenn das Paar also ein Element der Relation ist. Diese Relation wird zu einer Äquivalenzrelation, wenn 3 Eigenschaften erfüllt sind.
Definition - Äquivalenzrelation
Eine Relation auf einer nichtleeren Menge heißt Äquivalenzrelation, wenn diese die folgenden drei Eigenschaften erfüllt:
- (Refexivität) Jedes Objekt ist zu sich selbst äquivalent.
- (Symmetrie) Wenn äquivalent zu ist, dann ist auch äquivalent zu .
- (Transitivität) Wenn äquivalent zu und äquivalent zu ist, dann ist auch äquivalent zu .
Äquivalenzrelation

Eine Äquivalenzrelation auf einer Menge ist eine zweistellige Relation , die folgende Bedingungen erfüllt:
- Reflexivität
- für alle .
- Symmetrie
- für alle .
- Transitivität
- und für alle .
Schreibweise
Wie bei zweistelligen Relationen üblich, schreibt man statt auch einfacher , dann nehmen diese Eigenschaften die oben genannte Form an.
Polynomalgebra - Relation
Die Polynome stehen in Relation , wenn gilt . Dabei ist ein Ideal bzw. das abgeschlossene Hauptideal bzgl. und mit die gesuchte Algebraerweiterung.
Beispiel
- Gleichheit von Brüchen ist eine Äquivalenzrelation , Dabei gibt es unterschiedliche Zahldarstellungen, die die gleiche Zahl darstellen.
- Den gleichen Anfangsbuchstaben beim Nachnamen zu haben, fasst Namen zu einer Äquivalenzklasse zusammen, die den gleichen Anfangsbuchstaben besitzen (hilfreich bei alphabetischen Ordnungsprinzipien in Telefonbüchern und Nachschlagewerken).
- Bei Restklassen werden ganze Zahlen zu einer Äquivalenzklasse zusammengefasst, wenn diese bei Division den gleichen Rest lassen.
Terminologie
Das geordnete Paar nennt man in diesem Fall auch Setoid oder E-set (englische Bezeichnung: extensional set, auch Bishop set).[1]
Äquivalenzklassen

Ist eine Äquivalenzrelation auf einer Menge (Klasse) , so nennt man die Teilmenge (bzw. Teilklasse)
- ,
aller zu äquivalenten Elemente, die -Äquivalenzklasse von .
Ist aus dem Kontext klar, dass Äquivalenzklassen bezüglich gebildet werden, lässt man den Zusatz weg:
- ,
andere Schreibweisen sind
- sowie .
Repräsentantensysteme
Vorlage:Anker Elemente einer Äquivalenzklasse werden ihre Vertreter oder Repräsentanten genannt. Jedes Element von ist in genau einer Äquivalenzklasse enthalten. Die Äquivalenzklassen zu je zwei Elementen sind entweder gleich oder disjunkt. Ersteres genau dann, wenn die Elemente äquivalent sind:
- .
Eine Teilmenge nennt man ein (vollständiges) Vertreter- oder Repräsentantensystem von , wenn es für jede Äquivalenzklasse genau ein gibt mit .
Quotientenmenge und Partition
Vorlage:Anker Die Faktor- oder Quotientenmenge einer Äquivalenzrelation auf der Menge ist die Menge aller Äquivalenzklassen:
- .
Sie bildet eine Zerlegung oder Partition von .
Ist umgekehrt eine Partition von , dann ist durch
eine Äquivalenzrelation gegeben.
Mächtigkeit
Die Mächtigkeit (Kardinalität) wird manchmal auch als der Index der Äquivalenzrelation bezeichnet. Ein Spezialfall ist der Index einer Untergruppe.
Quotientenabbildung
Die surjektive Funktion
- ,
die jedem Element seine Äquivalenzklasse zuordnet, heißt kanonische Abbildung oder Quotientenabbildung.
Bemerkung - Quotientenabbildung
Diese Abbildung ist nur dann injektiv, wenn es sich bei der Äquivalenzrelation auf um die Identitätsrelation handelt.
Homomorphismen
Homomorphismen als strukturerhaltende Abbildungen findet man z.B. bei
- Gruppenhomomorphismen,
- Vektorraumhomomorphismen (Lineare Abbildungen)
- Algebrahomomorphismen (Vektorräume mit eine Multiplikation als innere Verknüpfung)
liefern als Eigenschaften die Verträglichkeit mit den Verknüpfungen auf dem Grundraum.
Gruppenhomomorphismus
Gegeben seien zwei Gruppen und Eine Funktion heißt Gruppenhomomorphismus, wenn für alle Elemente gilt:
Vektorraumhomomorphismus - Lineare Abbildung
Gegeben seien zwei Vektorräume und . Eine Funktion heißt Vektorraumhomomorphismus oder linear, wenn für alle Elemente und gilt:
- und
Dabei wurden hier die innere additive Verknüpfung und äußere Verknüpfung einmal indiziert, um deutlich zu machen, dass es sich um unterschiedliche Verknüpfungen handelt. Diese Unterscheidung wird in der Regel vernachlässigt.
Algebrahomomorphismus
Gegeben seien zwei Algebren und . Eine Funktion heißt Algebrahomomorphismus, wenn für alle Elemente und gilt:
- und
Dabei wurden die multiplikative innere Verknüpfungen bzw. zur Unterscheidung mit der Multiplikation mit Skalaren bzw. unterschiedlich bezeichnet. Diese Unterscheidung wird in der Regel vernachlässigt und wurde nur hier zur Darstellung der Strukturerhaltung verwendet.
Beispiele
Nutztiere in einem landwirtschaftlichen Betrieb
Ein anschauliches Beispiel aus der Landwirtschaft soll die eingeführten Begriffe verdeutlichen. Betrachtet wird eine Menge von Nutztieren in einem landwirtschaftlichen Betrieb. Wir definieren die folgende zweistellige Relation auf :
- Für je zwei Nutztiere und aus soll genau dann gelten, wenn und Tiere derselben Art sind.
Für die Kuh und den Ochsen gilt immer . Für das Huhn dagegen gilt dies aber nicht: . Die Relation erfüllt die drei Forderungen für Äquivalenzrelationen:
- Reflexivität
- Jedes Tier ist von derselben Art wie es selbst (im Sinne von: Jedes Tier gehört einer Art an).
- Symmetrie
- Ist ein Tier von derselben Art wie ein zweites, dann ist das zweite auch von derselben Art wie das erste.
- Transitivität
- Wenn und Tiere derselben Art sind und ebenso und von derselben Art sind, dann sind auch und von derselben Art (nämlich von der Art, zu der dann jedes der drei Tiere gehört).
Eine Äquivalenzklasse besteht hier aus den Tieren einer Art. Die Rinder bilden eine und die Hühner eine andere Äquivalenzklasse. Die Quotientenmenge ist die Menge der Tierarten des landwirtschaftlichen Betriebes.
Ähnlichkeit und Kongruenz geometrischer Figuren
Zwei geometrische Figuren und in der euklidischen Ebene sind genau dann einander ähnlich, wenn sie durch eine Ähnlichkeitsabbildung ineinander überführt werden können. Durch die Ähnlichkeit ist eine Äquivalenzrelation
- und sind einander ähnlich
auf der Menge aller Figuren der Ebene gegeben.
Darüber hinaus sind und genau dann kongruent, wenn sie durch eine Kongruenzabbildung, also eine längentreue Ähnlichkeitsabbildung, ineinander überführt werden können. Auch durch
- und sind kongruent
ist eine Äquivalenzrelation auf gegeben.
Partition einer endlichen Zahlenmenge
Wir definieren zunächst sechs Mengen von natürlichen Zahlen von 1 bis 23:
- ,
- ,
- ,
- ,
- ,
- .
Sie haben die Eigenschaft, dass jede Zahl aus dem Bereich von 1 bis 23 in genau einer der sechs Mengen vorkommt, die damit eine Zerlegung oder Partition der Menge bilden. Wie jede Partition von sind sie die Äquivalenzklassen einer Äquivalenzrelation auf , nämlich
- .
Die Mengen wurden durch Würfeln ermittelt, also willkürlich aus den rund 44 Billiarden[2] Partitionen – und damit ebenso vielen Äquivalenzrelationen – dieser 23-elementigen Menge ausgewählt. Äquivalente Zahlen nach dieser Relation weisen keine einfach beschreibbaren Gemeinsamkeiten auf.
- Äquivalenzklasse eines Elementes ist diejenige Menge , die enthält.
- Die Quotientenmenge ist die sechselementige Menge .
Rationale Zahlen
Es sei die Menge der Paare ganzer Zahlen, deren zweiter Eintrag von Null verschieden ist. Für zwei Paare soll folgende Äquivalenz gelten:
- .
- Die Äquivalenzklasse des Paares ist dann der Bruch oder (totale) Quotient .
- Mit der Quotientenmenge erhält man gerade die Menge der rationalen Zahlen .
Kommensurabilität reeller Zahlen
Zwei reelle Zahlen und heißen kommensurabel, wenn sie ganzzahlige Vielfache einer geeigneten dritten reellen Zahl sind. Kommensurabilität ist eine Äquivalenzrelation, wenn man die Null gesondert betrachtet:
mit als der multiplikativen Gruppe von .
- Äquivalenzklasse einer reellen Zahl ist die Menge der mit kommensurablen Zahlen, die für abzählbar unendlich ist.
- Die Quotientenmenge ist überabzählbar. Anders als bei anderen ähnlich einfachen Äquivalenzrelationen bietet sich hier jedoch kein Repräsentantensystem an.
- Die Multiplikation ist mit verträglich, denn ist und , dann folgt z. B. aus
- Die reelle Addition ist jedoch nicht mit verträglich, denn z. B. ist , aber also
Topologische Äquivalenz von Metriken
sei ein metrischer Raum und
- offen in
die zu gehörende Topologie. Ist eine weitere Metrik auf und deren zugehörige Topologie, dann heißen und topologisch äquivalent, wenn und übereinstimmen:
- .
Erzeugung von Äquivalenzrelationen
Eine Äquivalenzrelation explizit zu beschreiben ist manchmal nicht einfach. Oft möchte man eine Äquivalenzrelation konstruieren, die gewisse vorgegebene Elemente miteinander identifiziert und zugleich gewisse Eigenschaften erhält, beispielsweise eine Kongruenzrelation ist (siehe unten).
Sei eine beliebige Relation auf der Menge . Als Äquivalenzhülle von bezeichnet man die kleinste Äquivalenzrelation, die als Teilrelation enthält, in Zeichen:
- ist Äquivalenzrelation auf mit [3]
Es gilt: Die Äquivalenzhülle ist die reflexiv-transitive Hülle der symmetrischen Hülle, formal:
- .
Dabei bezeichnet die symmetrische Hülle,[4] die konverse (inverse) Relation und Potenzen von Relationen werden vermöge Verkettung gebildet.
Spezielle Äquivalenzen
Gleichmächtigkeit von Mengen
Zwei beliebige Mengen und sind gleichmächtig genau dann, wenn es eine Bijektion gibt. Durch die Festlegung
- und sind gleichmächtig
ist eine Äquivalenz auf der Klasse aller Mengen gegeben.
Isomorphie von Strukturen
Strukturen und nennt man isomorph genau dann, wenn es eine strukturverträgliche Bijektion gibt, für die auch strukturverträglich ist. Die Isomorphie von Strukturen ist eine Äquivalenz
- und sind isomorph.
Kongruenzrelation
Vorlage:Hauptartikel Eine Äquivalenzrelation auf einer Menge hat nicht notwendigerweise etwas mit der Struktur zu tun, die darauf definiert ist. Von besonderem Interesse sind jedoch solche Äquivalenzrelationen , deren Quotientenabbildung
mit der Struktur auf verträglich bzw. ein Homomorphismus ist, weil dann die von erzeugte Struktur auf der Quotientenmenge von der gleichen Art ist wie die von . Eine solche Äquivalenzrelation nennt man eine Kongruenzrelation auf der strukturierten Menge .
Insbesondere sind dann auch alle zur Struktur gehörenden Funktionen mit verträglich.
Verallgemeinerungen
Partielle Äquivalenzrelation
Eine zweistellige Relation auf einer Menge nennt man beschränkte oder partielle Äquivalenzrelation, wenn sie symmetrisch und transitiv ist.
Jede partielle Äquivalenzrelation auf einer Menge ist auf der Untermenge
eine totale Äquivalenzrelation. Die durch die Äquivalenzklassen definierte Zerlegung von heißt auch partielle Zerlegung von .
Eine partielle Äquivalenzrelation kann auf verschiedene Weise zu einer (totalen) Äquivalenzrelation fortgesetzt werden:
- Jedes bildet eine eigene Äquivalenzklasse :
- Alle bilden eine einzige Äquivalenzklasse :
Das Ergebnis ist jeweils eine totale Zerlegung von .
Jede partielle Funktion nach einer beliebigen anderen Menge erzeugt eine partielle Äquivalenzrelation
- für alle .
Umgekehrt liefert eine partielle Äquivalenzrelation auf stets eine surjektive partielle Quotientenabbildung
- für alle .
Quasiordnung
Vorlage:Hauptartikel Eine zweistellige Relation auf einer Menge heißt Prä- oder Quasiordnung, wenn sie reflexiv und transitiv ist.
Eine Relation auf ist genau dann eine Quasiordnung, wenn für alle gilt:
- .
Durch jede Quasiordnung auf ist eine Äquivalenzrelation auf gegeben durch die Festlegung
- und .
Zwei Elemente sind also äquivalent, wenn sie gegenseitig vergleichbar sind.
Toleranzrelation
Eine zweistellige reflexive und symmetrische Relation wird Verträglichkeits-[5] oder Toleranzrelation[6] genannt (im endlichen Fall auch Abhängigkeitsrelation). Da eine Toleranzrelation nicht transitiv sein muss, ist Toleranz eine schwächere Forderung als Äquivalenz. Sie spielt eine Rolle in der Biomathematik und der Modelltheorie, in der Fuzzylogik wird sie zudem noch weiter verallgemeinert.[7]
Bezeichne eine Toleranzrelation auf der Menge (oder Klasse) . Eine Teilmenge (oder -klasse) heißt Verträglichkeits- oder Toleranzpräklasse, falls alle miteinander tolerant sind:[6]
- .
Eine maximale Präklasse ,[6] also wenn jedes mit mindestens einem nicht tolerant ist, nennt man wiederum eine Verträglichkeits- bzw. Toleranzklasse.
Die Menge der Toleranzklassen[8] einer Toleranzrelation auf der Menge ist eine Überdeckung von .
Weitere Äquivalenzbegriffe
Literatur
- Vorlage:Literatur
- Vorlage:Literatur
- Vorlage:Literatur
- Vorlage:Literatur
- Vorlage:Literatur
- Vorlage:Literatur
- Vorlage:Literatur
- Vorlage:Literatur
Weblinks
Vorlage:Commonscat Vorlage:Wikiversity Vorlage:Wikibooks
Aufgaben für Studierende
Quellennachweise
- ↑ Vorlage:Literatur
- ↑ Vorlage:OEIS
- ↑ Vorlage:Literatur
- ↑ Notation wie in Symmetric Closure, auf: ProofWiki vom 12. September 2016
- ↑ Man unterscheide den Begriff der mit Relationen verträglichen Abbildung: Homomorphismus als strukturverträgliche Abbildung.
- ↑ 6,0 6,1 6,2 Vorlage:Literatur
- ↑ Vorlage:Literatur
- ↑ Diese lassen sich bei jeder symmetrischen Relation (= partielle Toleranzrelation) bilden.
Siehe auch
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