好的,我们来聊聊如何在离散数学里画哈斯图。这玩意儿虽然听起来有点技术范儿,但其实挺有意思的,就像是把一堆东西按照某种规则排个序,然后用图来表示它们之间的关系。
你可能之前接触过偏序集、全序集这些概念,哈斯图就是一种用来可视化偏序集的强大工具。简单来说,一个偏序集就是一堆元素,其中一些元素之间有“小于等于”这样的关系,而且这个关系得满足一些基本条件:
自反性: 任何元素都“小于等于”它自己。
反对称性: 如果 a“小于等于”b,并且 b“小于等于”a,那么 a 和 b 就是同一个东西。
传递性: 如果 a“小于等于”b,并且 b“小于等于”c,那么 a 也“小于等于”c。
比如,数字的“小于等于”关系就是一个典型的偏序关系。或者集合的“子集”关系也是。
为什么要画哈斯图?
想象一下你有一堆东西,比如一套文件,它们之间有“包含”或者“依赖”的关系。要是数量不多,你大概能脑子里过一遍。但要是数量多了,或者关系复杂了,光靠脑子就容易乱了。
哈斯图就像是给你一个清晰的“关系地图”,让你一眼就能看清楚:
哪些元素是“最小的”(没有比它更小的了)?
哪些元素是“最大的”(没有比它更大的了)?
元素之间是怎么一层层关联起来的?
是否存在“直接联系”(比如a“小于等于”b,而且中间没有其他元素c,使得a“小于等于”c且c“小于等于”b)?
画哈斯图的几个关键步骤
别被“哈斯图”这名字吓到,其实我们画的时候会遵循几个简单的规则,让它既美观又信息量满满。
第一步:识别偏序集中的元素和关系
这是最基础也是最重要的一步。你得明确你的偏序集里包含哪些元素,以及它们之间的偏序关系是什么。
例子: 假设我们有一个集合 $S = {a, b, c, d, e}$,它们之间的偏序关系“$le$”定义如下:
$a le a, b le b, c le c, d le d, e le e$ (自反性)
$a le b, a le c, b le d, c le d, d le e$ (这里省略了很多其他满足传递性的关系,比如 $a le d$ 就是由 $a le b$ 和 $b le d$ 推导出来的)。
第二步:绘制所有关系(初步阶段,非最终哈斯图)
如果我们一开始就把所有“$le$”关系都画出来,可能会比较混乱。通常我们会画出那些“直接”的关系,也就是“覆盖关系”。
覆盖关系是什么意思呢?如果 $a le b$,并且在 $a$ 和 $b$ 之间,不存在任何第三个元素 $x$,使得 $a le x le b$,那么我们就说 $b$ 覆盖 $a$。简单来说,就是 $a$ 和 $b$ 之间没有“中间商”。
回到例子:
$a le b$,而且没有中间元素,所以 $b$ 覆盖 $a$。
$a le c$,而且没有中间元素,所以 $c$ 覆盖 $a$。
$b le d$,而且 $a le b le d$,但 $a
e b
e d$,所以我们得看 $b$ 和 $d$ 之间有没有别的元素。如果 $a le b$ 且 $b le d$,并且不存在 $x$ 使 $b le x le d$,那么 $d$ 覆盖 $b$。在这个例子中,我们假定 $d$ 覆盖 $b$(即没有其他元素在 $b$ 和 $d$ 之间)。
$c le d$,同理,假定 $d$ 覆盖 $c$。
$d le e$,假定 $e$ 覆盖 $d$。
所以,我们初步可以画出覆盖关系:
$a o b$
$a o c$
$b o d$
$c o d$
$d o e$
(这里的箭头表示“覆盖关系”)
第三步:应用哈斯图的绘图规则
现在我们要把这些初步画好的关系变成标准的哈斯图。这需要遵循几个约定俗成的规则,目的是让图变得更清晰:
1. 点代表元素: 偏序集中的每个元素用一个点(或圆圈)来表示。
2. 向上箭头表示覆盖关系: 如果元素 $y$ 覆盖元素 $x$,那么我们画一个从 $x$ 到 $y$ 的箭头。
3. 省略自反和传递的箭头:
省略自反: $x le x$ 这个关系不需要画箭头,因为每个点都默认与自身有关系。
省略传递: 如果有 $x o y$ 和 $y o z$ 的箭头,而且存在 $x o z$ 的覆盖关系(也就是 $z$ 覆盖 $x$),那么我们 不画 $x o z$ 的箭头。哈斯图只保留“直接的”覆盖关系。实际上,由于我们上面画的是覆盖关系,所以这个规则基本已经隐式满足了。
4. 省略箭头符号本身: 这是哈斯图最显著的特征之一!箭头本身被省略掉了。我们通过元素的位置来表示方向。
5. 元素位置的约定: 如果元素 $y$ 覆盖元素 $x$,那么 $y$ 必须画在 $x$ 的正上方。这意味着,对于任何 $x$ 和 $y$ 满足 $x le y$,如果 $y$ 在 $x$ 的上方,那么就有一条看不见的线连接它们。
关键: 这种“谁在上谁在下”的规则非常重要。它直接取代了箭头。如果 $y$ 在 $x$ 的上方,就意味着 $x le y$。
第四步:优化布局,避免交叉
这是让哈斯图“好看”的关键。我们要调整元素的位置,让连接线尽量少交叉,并且整体看起来有层次感。
顶端是“极大元”,底端是“极小元”: 通常,没有元素比它“更大”的元素(极大元)会画在图的顶部,而没有元素比它“更小”的元素(极小元)会画在图的底部。
同一层级的元素可以左右排列: 如果有多个元素处于同一“层级”(即它们之间的关系只依赖于它们和上下级元素,而不是直接存在横向的覆盖关系),可以把它们并排放置。
回到例子,应用规则:
元素 $a$ 是极小元(没有元素比它小),所以它会画在最下面。
元素 $e$ 是极大元(没有元素比它大),所以它会画在最上面。
$b$ 和 $c$ 都覆盖 $a$,并且都被 $d$ 覆盖。这说明 $b$ 和 $c$ 处于同一“层级”。
$d$ 覆盖了 $b$ 和 $c$,并且被 $e$ 覆盖,所以 $d$ 在 $b$ 和 $c$ 的上面,在 $e$ 的下面。
画法演示:
我们先画出最底部的极小元:
```
a
```
接着,把覆盖 $a$ 的元素画在 $a$ 的上方。这里是 $b$ 和 $c$。它们之间没有直接的偏序关系,所以可以并列放。
```
b c
| /
a
```
现在,我们要把覆盖 $b$ 和 $c$ 的元素 $d$ 画在它们上方。因为 $d$ 同时覆盖 $b$ 和 $c$,所以我们会画出从 $b$ 和 $c$ 指向 $d$ 的“无形”线(意思是 $d$ 在 $b$ 和 $c$ 的上方)。
```
d
/
b c
| /
a
```
最后,把覆盖 $d$ 的元素 $e$ 画在 $d$ 的上方。
```
e
|
d
/
b c
| /
a
```
最终的哈斯图就是这样,省略了所有箭头,依靠位置来表示关系:
```
e
d
b c
a
```
(请想象一下,这里 $e$ 在 $d$ 的正上方, $d$ 在 $b$ 和 $c$ 的正上方, $b$ 和 $c$ 在 $a$ 的正上方。它们之间有隐含的连接线。)
如果你想更准确地表示,可以画成这样(虽然不画线更标准,但初学者可以先这么理解,后面再去掉):
```
e
|
d
/
b c
| /
a
```
然后去掉线和箭头:
```
e
d
b c
a
```
这里的 关键 是:如果 $y$ 在 $x$ 的上方,并且它们之间没有其他元素 $z$ 使得 $x le z le y$,那么就有一条从 $x$ 到 $y$ 的隐藏的“连接线”。
举个更具体的例子:集合的子集关系
假设我们有一个集合 $A = {1, 2, 3}$。考虑 $A$ 的幂集 $mathcal{P}(A)$(即 $A$ 的所有子集的集合)。幂集是:
$mathcal{P}(A) = {emptyset, {1}, {2}, {3}, {1,2}, {1,3}, {2,3}, {1,2,3}}$
偏序关系是“子集关系”($subseteq$)。
1. 极小元: 最小的元素是空集 $emptyset$,因为任何集合都是 $emptyset$ 的超集。
2. 极大元: 最大的元素是 $A={1,2,3}$,因为它是唯一一个包含所有元素的集合。
3. 覆盖关系:
${1}$ 覆盖 $emptyset$
${2}$ 覆盖 $emptyset$
${3}$ 覆盖 $emptyset$
${1,2}$ 覆盖 ${1}$ 和 ${2}$
${1,3}$ 覆盖 ${1}$ 和 ${3}$
${2,3}$ 覆盖 ${2}$ 和 ${3}$
${1,2,3}$ 覆盖 ${1,2}$, ${1,3}$, ${2,3}$
现在我们来画哈斯图:
最底层是 $emptyset$。
第二层是 ${1}, {2}, {3}$。它们都覆盖 $emptyset$,并且它们之间没有子集关系。
第三层是 ${1,2}, {1,3}, {2,3}$。${1,2}$ 覆盖 ${1}$ 和 ${2}$;${1,3}$ 覆盖 ${1}$ 和 ${3}$;${2,3}$ 覆盖 ${2}$ 和 ${3}$。注意,例如 ${1,2}$ 不覆盖 ${3}$。
最顶层是 ${1,2,3}$。它覆盖了上面这三个集合。
画出来大概是这样(省略了箭头和线):
```
{1,2,3}
{1,2} {1,3} {2,3}
{1} {2} {3}
∅
```
你可以想象一下,最上面的集合在最下面的集合之上,它们之间是直接的“子集包含”关系,没有中间的集合。例如, ${1,2,3}$ 在 ${1,2}$ 的正上方,就表示 ${1,2} subseteq {1,2,3}$。
一些小贴士和注意事项
从最小的画到最大的: 通常我们先确定极小元,画在最下面,然后一层层往上画。
保持对称性(如果可能): 如果图形结构允许,适当调整元素的位置,让图看起来更规整、更赏心悦目。
层级是关键: 明确每个元素在哪个“层级”上非常重要,这决定了它们的上下相对位置。
练习! 就像学画画一样,多看例子,多自己动手画,你很快就能掌握其中的窍门。一开始可能会觉得有点绕,但一旦理解了“谁在上谁在下代表什么关系”这个核心,就会变得简单很多。
希望这个详细的解释能帮助你理解哈斯图的画法!它是一个非常有用的工具,让你能以一种直观的方式理解复杂的偏序关系。