集合と位相

第3講 同値関係

同値関係 集合 $X$ の任意の二つの要素 $x,x'$ に関係 $x\,R\,x'$ (の真偽)が定まっており,三つの条件
・$x\,R\,x$
・$x\,R\,x'\Rightarrow x'\,R\,x$
・$x\,R\,x',\ x'\,R\,x''\Rightarrow x\,R\,x''$
を満たすとき,この関係を集合 $X$ における同値関係という. これらの条件は,順に反射律対称律推移律と呼ばれる.
同値類と商集合 集合 $X$ に同値関係 $"\sim"$ が定義されている とき,各 $a\in X$ に対して $a$ と「同値」な元の集合を $[\,a\,]$ と表し,これを $a$ の(同値関係 $"\sim"$ による)同値類という.すなわち,
$[\,a\,]=\{\,x\in X\ |\ x\sim a\,\}$
また,このときの $a$ を同値類 $[\,a\,]$ の代表元という. さらに,すべての同値類からなる集合を $X$ の同値関係 $"\sim"$ による商集合といい,$X/\sim$ で表す.
同値類の演算  集合に同値関係が定義されると,それによって同値類・商集合が定まるが, さらにその商集合において同値類の和や積といった演算を定義することが多い. どんな演算をどう定義するかはそれぞれの場合によるが, 必ず確かめないといけないのは,その演算がwell-definedか?ということである. 例えば和と積を定義するならば
$[\,a\,]=[\,a'\,],\ [\,b\,]=[\,b'\,]\ \Longrightarrow\ \begin{array}{l} [\,a\,]+[\,b\,]=[\,a'\,]+[\,b'\,]\\ [\,a\,]\cdot[\,b\,]=[\,a'\,]\cdot[\,b'\,]\end{array}$
ということが当然成り立たなければならない. 成り立たないことがあるのかと思うかもしれないが,一般に同値類の代表元の取り方は一意ではないので,このようなことは決して自動的に成り立つことではない.