问题

如何求解这个偏序集的问题?

回答
好的,我们来聊聊如何深入剖析一个偏序集(Partially Ordered Set)的问题。与其生硬地罗列概念,不如我们通过一个具体且贴近生活的例子来展开,这样更容易理解其中的逻辑和方法。

我们的例子:项目管理中的任务依赖

想象一下你在负责一个软件开发项目。这个项目由一系列需要完成的任务组成。有些任务必须在其他任务完成后才能开始。比如:

任务A:设计用户界面
任务B:开发后端API
任务C:编写前端代码
任务D:进行集成测试
任务E:发布产品

显然,我们不能在没有设计好用户界面(A)之前就开始编写前端代码(C)。同样,后端API(B)的开发也可能依赖于某些设计(可能是A的一部分,或者其他我们没列出的设计任务)。集成测试(D)必须等到前端和后端都基本开发完成(C和B)。最终的产品发布(E)自然需要集成测试通过(D)。

这就是一个典型的偏序关系场景。我们现在要做的,就是如何系统地分析和理解这个“任务依赖”的结构。

第一步:明确偏序集的三要素

任何偏序集问题,核心都在于理解它的三个基本组成部分:

1. 集合(Set): 我们关注的对象是什么?在这个项目管理例子中,就是所有的任务。我们将其表示为 $S = {A, B, C, D, E}$。

2. 二元关系(Binary Relation): 任务之间存在什么样的“顺序”或“依赖”关系?在这里,我们关注的是“必须在……之后完成”或者“依赖于……”这样的关系。我们用符号“$preccurlyleq$”来表示这种偏序关系。例如,任务C依赖于任务A,我们可以写成 $A preccurlyleq C$ (读作 A 在 C 之前或与之相同)。

为了清晰地定义这个关系,我们可以列出所有的依赖对:
$A preccurlyleq C$ (前端代码依赖用户界面设计)
$B preccurlyleq D$ (集成测试依赖后端API开发)
$C preccurlyleq D$ (集成测试依赖前端代码开发)
$D preccurlyleq E$ (产品发布依赖集成测试)

重要提示: 在定义这个关系时,你需要确保它满足偏序关系的三个基本性质:
自反性(Reflexivity): 每个任务都依赖于它自己。 $x preccurlyleq x$ 对于所有的 $x in S$ 都成立。这在实际问题中很容易理解,任务“A”肯定“在A之前或与之相同”完成。
反对称性(Antisymmetry): 如果 $x preccurlyleq y$ 并且 $y preccurlyleq x$,那么 $x = y$。也就是说,如果任务X必须在任务Y之前完成,同时任务Y也必须在任务X之前完成,那么这两个任务实际上是同一个任务(或者说它们是同一时间段完成的)。在这个项目例子里,如果前端开发(C)必须在界面设计(A)之后,而界面设计(A)又必须在前端开发(C)之后,这说明A和C其实是同一个阶段的活动,或者我们的依赖定义有问题。在大多数实际问题中,这个性质是隐含的。
传递性(Transitivity): 如果 $x preccurlyleq y$ 并且 $y preccurlyleq z$,那么 $x preccurlyleq z$。如果任务X必须在任务Y之前完成,而任务Y又必须在任务Z之前完成,那么任务X自然也必须在任务Z之前完成。比如,如果界面设计(A)必须在早期概念(我们假设存在一个名为“概念”的任务,记为 $X$)之后完成,而前端开发(C)必须在界面设计(A)之后完成,那么概念($X$)也必须在前端开发(C)之前完成 ($X preccurlyleq A$ and $A preccurlyleq C Rightarrow X preccurlyleq C$)。

3. 偏序集 $(S, preccurlyleq)$: 这就是将集合S和关系$preccurlyleq$结合起来,构成我们的偏序集。

第二步:可视化你的偏序集——哈斯图(Hasse Diagram)

死板地看一堆关系对,很难一眼看清整个结构。这时候,哈斯图就派上用场了。哈斯图是一种非常直观的表示方法,它省略了自反性和传递性带来的冗余连接,只保留了直接的“前后”关系。

绘制哈斯图的规则:

节点: 集合中的每个元素(在这里是任务)都用一个点或标签表示。
边的方向: 如果 $x preccurlyleq y$ 并且 $y$ 不依赖于任何 $z$ (其中 $x preccurlyleq z preccurlyleq y$ 且 $z eq x, z eq y$),那么我们就画一条从 $x$ 指向 $y$ 的无向边。更常用的约定是:将元素按照层级关系排列,如果 $x preccurlyleq y$ 且不存在中间元素 $z$,则将 $y$ 放在 $x$ 的上方,并通过一条线段连接它们。没有箭头,默认方向是从下往上。
省略:
省略所有自反的“$x preccurlyleq x$”的连接(就是不自己连自己)。
省略所有传递的连接。例如,如果 $A preccurlyleq C$ 且 $C preccurlyleq D$,我们画了从A到C,再从C到D的线,那么就不需要再画一条从A直接到D的线了。

让我们根据项目依赖关系画出哈斯图:

首先,我们知道有些任务没有任何前置任务,它们是开始点。在这个例子里,任务 A(设计用户界面)和任务 B(开发后端API)似乎是独立的起点。

A (用户界面设计)
B (后端API开发)

接下来,哪些任务依赖于 A 或 B?

C (前端代码) 依赖于 A。我们把 C 放在 A 的上方,用线连接。
D (集成测试) 依赖于 B 和 C。我们将 D 放在 B 和 C 的上方,并分别用线连接到 B 和 C。

最后,哪个任务是结束点?

E (产品发布) 依赖于 D。我们将 E 放在 D 的上方,并用线连接。

画出的哈斯图大致会是这样(文字描述):

```
E (发布产品)
|
D (集成测试)
/
/
C B (后端API开发)
| |
A | (注意B和A之间没有直接连接)
(用户界面设计)
```

这张图清晰地展示了任务之间的依赖层次和直接关联。

第三步:从哈斯图中挖掘信息——求解问题

哈斯图是分析偏序集的强大工具。基于它,我们可以回答很多关于偏序集的问题:

1. 最小元素(Minimal Elements)和最大元素(Maximal Elements)

最小元素: 在哈斯图中位于最底层的元素。它们没有任何前置任务(或者说,没有其他元素依赖于它们)。
在我们的例子中,A 和 B 没有其他任务直接指向它们(虽然我们之前说A和B是起点,但这里更精确地说是“无前驱任务”)。所以,A 和 B 是最小元素。

最大元素: 在哈斯图中位于最顶层的元素。它们没有任何后继元素(或者说,没有其他元素直接依赖于它们)。
在我们的例子中,只有 E 位于最顶层。所以,E 是最大元素。

2. 链(Chain)和反链(Antichain)

链: 集合中的一个子集,其中任意两个元素都存在序关系(即它们可以完全排序)。在一个链中,元素 $x_1, x_2, ..., x_k$ 满足 $x_1 preccurlyleq x_2 preccurlyleq ... preccurlyleq x_k$。
例子:${A, C, D, E}$ 是一个链(A依赖C,C依赖D,D依赖E)。${B, D, E}$ 是另一个链。${A, B}$ 不是链,因为A和B之间没有序关系。

反链: 集合中的一个子集,其中任意两个不同的元素都不存在序关系。
例子:${A, B}$ 是一个反链,因为A和B没有直接或间接的依赖关系。${A, C}$ 不是反链,因为 A 在 C 之前。

3. 上界(Upper Bounds)和下界(Lower Bounds)

下界: 对于集合S的一个子集A,如果存在一个元素 $x in S$,使得 $x preccurlyleq a$ 对于所有的 $a in A$ 都成立,那么称 $x$ 是A的一个下界。
上界: 对于集合S的一个子集A,如果存在一个元素 $y in S$,使得 $a preccurlyleq y$ 对于所有的 $a in A$ 都成立,那么称 $y$ 是A的一个上界。

4. 最大下界(Greatest Lower Bound, GLB)和最小上界(Least Upper Bound, LUB)

最大下界 (glb): 一个子集A的所有下界中最大的那个。也叫做交集 (infimum)。
考虑 ${C, B}$ 这个子集。C 的下界有 A(如果A是唯一的前置任务),B 的下界可能是空的(假设B没有其他前置)。
但是,我们更常考虑的是“在它们共同的路径上,离它们最近的那个共同“祖先””。比如,如果我们问 ${C, D}$ 的最大下界是什么?
C 的下界是 A。
D 的下界有 B 和 C(根据传递性,B 和 C 的所有下界也是D的下界)。
那么 ${C, D}$ 的下界需要同时是 C 的下界和 D 的下界。唯一一个满足这个条件的,并且是“最大”的,是 C 本身(因为 $C preccurlyleq C$ 和 $C preccurlyleq D$ 是成立的)。所以 $glb(C, D) = C$。
再比如 $glb(C, E)$?C 的下界是 A。E 的下界是 D, C, B, A。它们共同的下界就是 C 和 A。而 C 是比 A 更“大”(在序关系上更靠后)的那个。所以 $glb(C, E) = C$。

最小上界 (lub): 一个子集A的所有上界中最小的那个。也叫做并集 (supremum)。
考虑 ${A, B}$ 这个子集。A 的上界有 C, D, E。B 的上界有 D, E。
那么 ${A, B}$ 的上界需要同时是 A 的上界和 B 的上界。共同的上界是 D 和 E。在这两者中,D 是比 E 更“小”(在序关系上更靠前)的那个,所以 $lub(A, B) = D$。这是因为 $A preccurlyleq D$ 和 $B preccurlyleq D$ 都成立,并且不存在一个 $z$ 使得 $A preccurlyleq z preccurlyleq D$ 且 $B preccurlyleq z preccurlyleq D$ 同时成立(D是连接A和B的“最近的公共节点”)。

5. 全序集(Total Order)与偏序集(Partial Order)的区别

我们的例子是一个典型的偏序集,因为不是所有任务之间都有直接或间接的依赖关系。例如,A 和 B 之间就没有序关系。

如果一个偏序集中的任意两个元素都存在序关系(即对于任意 $x, y in S$,要么 $x preccurlyleq y$,要么 $y preccurlyleq x$),那么它就是一个全序集。全序集可以被看作是一个单链。

求解偏序集问题的实质

通过上面的分析,我们可以看到求解偏序集的问题,实际上是在系统地分析和理解元素之间的层级结构和依赖关系。

对于项目管理: 最小元素代表需要立即开始的、不依赖于任何其他任务的任务。最大元素代表最终的产出或目标。GLB和LUB可以帮助我们找出并行任务的汇合点,或者识别一个任务完成所需的最早和最晚的依赖项。
对于数学理论: 理解偏序集是集合论、抽象代数、图论等领域的基础。比如,格(Lattice)就是一种特殊的偏序集,其中任意两个元素都存在GLB和LUB。

总结求解步骤:

1. 识别集合 S: 明确你要研究的所有对象是什么。
2. 定义偏序关系 $preccurlyleq$: 仔细描述对象之间的“顺序”或“依赖”关系,并确保它满足自反性、反对称性和传递性。
3. 绘制哈斯图: 将关系可视化,这是理解结构的关键步骤。
4. 识别关键元素: 找到最小元素、最大元素。
5. 分析子集关系: 找出链、反链,并计算GLB和LUB(根据具体问题需求)。
6. 解读结果: 将数学上的分析结果翻译回实际问题的语境,例如项目进度、任务优先级等。

处理偏序集问题,就像是在剥洋葱,一层一层地揭示其内在的逻辑联系。哈斯图是你的放大镜,而对GLB/LUB等概念的理解则是你分析的工具。关键在于清晰地定义关系,然后有条不紊地进行分析。

网友意见

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对于长为α(P)的反链,其元素两两之间不可比,也即两两不同链,故至少得有α(P)条链才能覆盖——这就是极限了。

下面证明为啥恰可以用α(P)条链覆盖:

数学归纳法。记|P|=k,假设对k<n时命题成立(k=1时显然),证k=n时命题亦成立。

先从P里边去掉一个极大元x,余下集合为P1。由归纳假设:剩下的元素可以用α(P1)条链覆盖。这里我们让每条链都尽可能地长,不怕重复。

如果α(P1)=α(P)-1,那么让x单独成链都能满足题意。简单。

而如果α(P1)=α(P)呢?

先后用α(P1)条链与最长为α(P1)的反链,把P1覆盖。则其中长为α(P1)的反链的每个元素都来自于这α(P1)条链各取一个。这里就把链中被长为α(P1)的反链分走的元素称为“荣誉元”吧。

每条链里都有一个最大的荣誉元,取出这些荣誉元,与x放在一起。由于其中已有α(P1)+1个元素,必存在两元素可比。这两个元素里一个为x,另一个记作y。设y来自链Y。

解释一下为什么必有一个是x而不是两个都为最大荣誉元:如果链A的最大荣誉元≤链B的最大荣誉元,那岂不是链A上所有荣誉元都与B的最大荣誉元可比?(链A荣誉元≤链A最大荣誉元≤链B最大荣誉元)那么包含这个“链B最大荣誉元”的最长反链,岂不是不包含链A的荣誉元?但我们上面已经说了,最长反链必定是从每条链中各取一个荣誉元。这就矛盾了。

由于x是极大元,有:x≥y≥Y上的荣誉元,它们构成一条链。

而把它们去掉,则最长反链里都丢失了来自Y的荣誉元,长度变为α(P)-1。由构造假设,这时可用α(P)-1条链覆盖。

加起来,正好也是α(P)条链。

证毕。

user avatar

定理(Dilworth):最长反链等于最小链覆盖。

证明:

先证弱对偶:对于任意一个链覆盖和任意一个反链,该链覆盖中的任意一条链都只能包含至多一个反链中的元素,因此最长反链小于等于最小链覆盖。

再证强对偶:

对每一个元素 建立两个点 和 。对每一对可比较的元素 ,在图中连接 。记该图为 。

引理: 最长反链大于等于 中的最大独立集数 减去左侧的顶点数 。

证明:对于任意一个独立集 ,我们将所有 与 同时属于 的元素 拿出,由独立集的性质,任意 和 的元素 对应的两个点中都至少有一个不属于 。由此我们构造出了一个大小至少为 的反链(因为对于任意一个集合,若想使得满足条件的元素数量尽可能少我们需要将其尽可能“摊开”到每个元素上,这种情况下我们恰好有独立集大小减 个满足条件的元素),而最长反链不会比这个反链短。

引理: 最小链覆盖等于 中左侧的顶点数 减去 中的最大匹配数 。

证明:最开始每个元素都是一条链,每匹配一条边即减少一条链,因此匹配方案与链覆盖方案一一对应。

由Konig定理,最大匹配数 等于最小点覆盖数 。而 。

因此最长反链大于等于 等于最小链覆盖。

然后就证完了。

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