集合划分是由若干非空且两两不相交的子集组成的集合,这些子集称为块,共同包含给定集合的所有元素。因此,每个元素恰好属于一个块。划分描述的是分组方式,而不规定各组之间或组内元素之间的顺序。集合划分是集合论和组合数学中的基本对象,与等价关系一一对应。(web.mit.edu)
定义与示例
集合 的一个划分 是由 的子集组成的集合,满足以下三个条件:
- 非空性: 对每个 ,都有 。
- 不相交性: 若 且 ,则 。
- 覆盖性: 。
因此,划分是由子集组成的集合,而不是由 的元素组成的某个子集。块的数量不一定是有限的。(web.mit.edu)
例如, 的五个划分为
改变块的排列顺序不会产生新的划分。 不是划分,因为其中的块有重叠。这些例子都可以直接根据定义判断。(web.mit.edu)
对于非空集合 ,离散划分由所有单元素子集组成,而非离散划分仅有一个块,即 本身。按照块必须非空的约定,空集恰好有一个划分:不含任何块的空集合。(math.ucr.edu)
等价关系与商集
每个划分 都通过下式定义一个等价关系:
这一关系具有自反性、对称性和传递性。反过来, 上任意等价关系的等价类构成 的一个划分。这两种构造互为逆过程:给出一个划分与给出一个等价关系,是对同一分组结构的两种等价描述。(web.mit.edu)
由等价类组成的集合称为商集,记作 。例如,给定正整数 ,模算术中的模 同余关系将整数划分为 个块:
尽管块的数量有限,原集合和每个块都是无限集。(web.mit.edu)
另一种相关构造使用函数 。函数值相等,即 ,定义了一个等价关系,因此其非空纤维 (其中 )构成 的一个划分。这是等价关系与划分之间对应关系的直接结果;为同一组纤维赋予不同标签,不会改变这个划分。(math.ucr.edu)
有限集合划分的计数
将一个含 个元素的集合划分为恰好 个块的方法数,是第二类斯特林数,记作
元素彼此可区分,但块没有标签。边界条件包括 、当 时 ,以及 。(dlmf.nist.gov)
这些数满足递推关系
其理由如下:选定一个元素,它要么独自组成一个单元素块,此时其余元素组成 个块;要么加入其余元素已经组成的 个块之一。一个显式公式为
其中, 是阶乘, 是二项式系数。特别地,为全部 个块赋予互不相同的标签,就得到从原集合到一个固定的 元素集合的 个满射函数。(dlmf.nist.gov)
划分的总数是贝尔数
从 开始,其值依次为
因此,一个四元素集合有 15 个划分,而一个十元素集合有 115,975 个划分。根据上述对应关系,贝尔数也表示有限集合上等价关系的数量。(dlmf.nist.gov)
贝尔数的指数生成函数为
它们满足递推关系
对此可以给出一个组合解释:加入一个指定的新元素,从原有元素中选出 个,使其不属于新元素所在的块,再任意划分这 个元素。(dlmf.nist.gov)
细化与划分格
如果划分 的每个块都包含于划分 的某个块中,就称 细化了 ,记作 。等价地, 可以通过合并 的块得到。细化关系定义了一个偏序,其最小元是离散划分,最大元是非离散划分。(math.ucr.edu)
在这一偏序下,所有划分构成一个格(序理论):
- 交 是两者的最大公共细化,由所有非空交集 组成,其中 、。
- 并 是两者的最小公共粗化:若两个元素可以通过一条元素链连接,且链中每对相邻元素都同属于某一个划分的同一块,就将它们归入同一个块。
集合 的划分格通常记作 。它刻画不同分组方式之间的关系,而不仅仅是对这些分组方式进行计数。(ocw.mit.edu)
与整数分拆的区别
集合划分不应与整数分拆混淆,后者是将一个正整数表示为若干正整数之和,而不考虑加数的顺序。对于有限集合的划分,各块的大小确定了一个整数分拆,但丢失了哪些元素属于同一块的信息。例如,
是两个不同的集合划分,却有相同的块大小 。因此,对块大小的组合方式进行计数,与对可区分元素的划分进行计数并不相同。(dlmf.nist.gov)
参考来源
- Mathematics for Computer Scienceweb.mit.edu
- Lecture 11: The Poset of Partitionsmath.ucr.edu
- DLMF: §26.8 Set Partitions: Stirling Numbersdlmf.nist.gov
- DLMF: §26.7 Set Partitions: Bell Numbersdlmf.nist.gov
- 212 S19 Algebraic Combinatorics, Lecture 15: Posets and lattices. Boolean lattice. Partition lattice. Young's latticeocw.mit.edu
- Some of My Favorite Posetsmath.mit.edu
- DLMF: Chapter 26 Combinatorial Analysisdlmf.nist.gov