En teoría de conjuntos y álgebra, la noción de relación de equivalencia sobre un conjunto permite establecer una relación entre los elementos del conjunto que comparten cierta característica o propiedad. Esto permite reagrupar dichos elementos en clases de equivalencia, es decir, «paquetes» de elementos similares. Esto posibilita la construcción de nuevos conjuntos «juntando» todos los elementos de una misma clase como un solo elemento que los representará y que define la noción de conjunto cociente.
Sea K {\displaystyle K} un conjunto dado no vacío y R {\displaystyle {\mathcal {R}}} una relación binaria definida sobre K {\displaystyle K} . Se dice que R {\displaystyle {\mathcal {R}}} es una relación de equivalencia si cumple las siguientes propiedades:
Notación:
En aritmética modular la relación de equivalencia entre dos elementos x {\displaystyle x} e y {\displaystyle y} se denota x ≡ y ( m o d R ) {\displaystyle x\equiv y(modR)} que se lee « x {\displaystyle x} es equivalente a y {\displaystyle y} módulo R {\displaystyle R} ». Una relación de equivalencia ∼ {\displaystyle \sim } sobre un cuerpo K {\displaystyle K} puede denotarse con el par ( K , ∼ ) {\displaystyle (K,\sim )\,} .En lógica de clases y análisis matemático, la relación de equivalencia R {\displaystyle {\mathcal {R}}} define subconjuntos disjuntos en K {\displaystyle K} llamados clases de equivalencia:
Dado un elemento a ∈ K {\displaystyle a\in K} , el conjunto dado por todos los elementos relacionados con a {\displaystyle a} definen la clase:
= { b ∈ K | a R b } {\displaystyle =\{b\in K\,|\,a{\mathcal {R}}b\}}se le llama la clase de equivalencia asociada al elemento a {\displaystyle a} .
Al elemento a {\displaystyle a} se le llama representante de la clase.
Se llama orden al número de clases que genera una relación de equivalencia; si este es finito, se dice que la relación es de orden finito.
El concepto de clase de equivalencia tiene importancia en la ciencia, dado un conjunto de objetos o entidades abstractas (potencialmente infinitas), pueden establecerse relaciones de equivalencia sobre la base de algún criterio, las clases resultantes son los "tipos" en los que se puede clasificar toda la gama de objetos.
Al conjunto de todas las clases de equivalencia se denomina conjunto cociente y se denota como:
K / R {\displaystyle K/{\mathcal {R}}} o K / ∼ {\displaystyle K/\sim }Una relación de equivalencia sobre un conjunto induce una partición del mismo, es decir, un conjunto en el que se ha definido una relación de equivalencia puede ser dividido en varios subconjuntos de elementos equivalentes entre sí y tales que la reunión de esos subconjuntos coincide con el conjunto entero. El siguiente teorema expresa en términos más formales esa misma idea:
Proposición: Una relación de equivalencia en el conjunto no vacío K determina una partición de este, y toda partición de K determina una relación de equivalencia en este.Demostración |
Dada una relación de equivalencia
R
{\displaystyle {\mathcal {R}}}
en K:
Para ver que la intersección es vacía, supongamos que no lo es, es decir, dados y dos clases distintas y
c
∈
∩
{\displaystyle c\in \cap }
entonces se tiene:
Por simetría
c
R
b
⇒
b
R
c
.
{\displaystyle c{\mathcal {R}}b\Rightarrow b{\mathcal {R}}c.}
Por transitividad
b
R
c
{\displaystyle b{\mathcal {R}}c}
y
c
R
a
⇒
b
R
a
.
{\displaystyle c{\mathcal {R}}a\Rightarrow b{\mathcal {R}}a.}
Por tanto = que es una contradicción, por tanto, dos clases distintas no tienen elementos en común, así como todo elemento de K pertenece a una clase, queda bien definida una partición.
Dada una partición de K, { A i } i ∈ I {\displaystyle \{A_{i}\}_{i\in I}} , podemos definir la siguiente clase de equivalencia: Dados dos elementos a y b de K están relacionados si pertenecen al mismo conjunto A i . {\displaystyle A_{i}.} |
La partición tiene como elementos las clases de equivalencia. Estas son disjuntas dos a dos y la unión de ellas es igual al conjunto K.
El conjunto de todas las clases de equivalencia para R {\displaystyle R} es { { a } , { b , c } } . {\displaystyle \{\{a\},\{b,c\}\}.} Este conjunto es una partición del conjunto X {\displaystyle X} con respecto a R {\displaystyle R} .
Las siguientes relaciones son todas relaciones de equivalencia:
Si , ∼ {\displaystyle ,\sim \,} es una relación de equivalencia sobre X , {\displaystyle X,} y P ( x ) {\displaystyle P(x)} es una propiedad de elementos de X , {\displaystyle X,} tal que siempre que x ∼ y , {\displaystyle x\sim y,} P ( x ) {\displaystyle P(x)} es verdadera si P ( y ) {\displaystyle P(y)} es verdadera, entonces se dice que la propiedad P {\displaystyle P} está bien definida o es una invariante de clase bajo la relación ∼ . {\displaystyle \,\sim .}
Un caso particular frecuente se da cuando f {\displaystyle f} es una función de X {\displaystyle X} a otro conjunto Y ; {\displaystyle Y;} si x 1 ∼ x 2 {\displaystyle x_{1}\sim x_{2}} implica f ( x 1 ) = f ( x 2 ) {\displaystyle f\left(x_{1}\right)=f\left(x_{2}\right)} entonces f {\displaystyle f} se dice que es un {em|morfismo}} para , ∼ , {\displaystyle ,\sim ,} una {em|clase invariante bajo}} , ∼ , {\displaystyle ,\sim ,} o simplemente invariante bajo <Esto ocurre, por ejemplo, en la teoría de caracteres de grupos finitos. Este último caso con la función f {\displaystyle f} puede expresarse mediante un triángulo conmutativo. Véase también invariante. Algunos autores utilizan "compatible con ∼ {\displaystyle \,\sim } " o simplemente "respeta ∼ {\displaystyle \,\sim } " en lugar de "invariante bajo ∼ {\displaystyle \,\sim } ".
En términos más generales, una función puede asignar argumentos equivalentes (bajo una relación de equivalencia , ∼ A {\displaystyle ,\sim _{A}} ) a valores equivalentes (bajo una relación de equivalencia , ∼ B {\displaystyle ,\sim _{B}} ). Tal función se conoce como un morfismo de , ∼ A {\displaystyle ,\sim _{A}} a , ∼ B . {\displaystyle ,\sim _{B}.}
Sean a , b {\displaystyle a,b} elementos en X {\displaystyle X} . Con base en esto, a continuación veamos algunas definiciones:
Un subconjunto Y de X tal que a ∼ b {\displaystyle a\sim b} se cumple para todo a y b en Y, y nunca para a en Y y b fuera de Y, se llama una clase de equivalencia de X por ~. Sea := { x ∈ X : a ∼ x } {\displaystyle :=\{x\in X:a\sim x\}} la clase de equivalencia a la que pertenece a. Todos los elementos de X equivalentes entre sí son también elementos de la misma clase de equivalencia.
El conjunto de todas las clases de equivalencia de X por ~, denotado X / ∼ := { : x ∈ X } , {\displaystyle X/{\mathord {\sim }}:=\{:x\in X\},} es el conjunto cociente de X por ~. Si X es un espacio topológico, existe una forma natural de transformar X / ∼ {\displaystyle X/\sim } en un espacio topológico; véase espacio cociente para los detalles.
La proyección de ∼ , {\displaystyle \,\sim ,} es la función π : X → X / ∼ {\displaystyle \pi :X\to X/{\mathord {\sim }}} definida por π ( x ) = {\displaystyle \pi (x)=} que mapea elementos de X {\displaystyle X} en sus respectivas clases de equivalencia por ∼ . {\displaystyle \,\sim .}
Teorema sobre proyecciones: Sea la función f : X → B {\displaystyle f:X\to B} y sea tal que si a ∼ b {\displaystyle a\sim b} entonces f ( a ) = f ( b ) . {\displaystyle f(a)=f(b).} Entonces existe una única función g : X / ∼→ B {\displaystyle g:X/\sim \to B} tal que f = g π . {\displaystyle f=g\pi .} Si f {\displaystyle f} es una función sobreyectiva y a ∼ b si y sólo si f ( a ) = f ( b ) , {\displaystyle a\sim b{\text{ si y sólo si }}f(a)=f(b),} entonces g {\displaystyle g} es una biyección.El núcleo de equivalencia de una función f {\displaystyle f} es la relación de equivalencia ~ definida por x ∼ y si y sólo si f ( x ) = f ( y ) . {\displaystyle x\sim y{\text{ si y sólo si }}f(x)=f(y).} El núcleo de equivalencia de una inyección es la relación de identidad.
Una partición de X es un conjunto P de subconjuntos no vacíos de X, tal que cada elemento de X es un elemento de un único elemento de P. Cada elemento de P es una celda de la partición. Además, los elementos de P son disjuntos por pares y su unión es X.
Un resultado clave vincula las relaciones de equivalencia y las particiones:
En ambos casos, las celdas de la partición de X son las clases de equivalencia de X por ~. Dado que cada elemento de X pertenece a una celda única de cualquier partición de X, y dado que cada celda de la partición es idéntica a una clase de equivalencia de X por ~, cada elemento de ' 'X pertenece a una clase de equivalencia única de X por ~. Así, hay una biyección natural entre el conjunto de todas las relaciones de equivalencia en X y el conjunto de todas las particiones de X.
Si ∼ {\displaystyle \sim } y ≈ {\displaystyle \approx } son dos relaciones de equivalencia en el mismo conjunto S {\displaystyle S} , y a ∼ b {\displaystyle a\sim b} implica que a ≈ b {\displaystyle a\approx b} para todos a , b ∈ S , {\displaystyle a,b\in S,} entonces ≈ {\displaystyle \approx } se dice que es una relación más gruesa que ∼ {\displaystyle \sim } , y ∼ {\displaystyle \sim } es una relación más fina que ≈ {\displaystyle \approx } . Equivalentemente,
La relación de equivalencia de igualdad es la relación de equivalencia más fina de cualquier conjunto, mientras que la relación universal, que relaciona todos los pares de elementos, es la más tosca.
La relación " ∼ {\displaystyle \sim } es más fino que ≈ {\displaystyle \approx } " sobre la colección de todas las relaciones de equivalencia en un conjunto fijo es en sí misma una relación de orden parcial, lo que hace que la colección sea una red geométrica.