Ekvivalenssiluokka

Ekvivalenssiluokka on jonkin ekvivalenssirelaation määrittelemä annetun joukon osajoukko, johon kuuluvat ne alkiot, jotka kyseisessä relaatiossa ovat ekvi­valentteja jonkin annetun alkion kanssa. Tällöin samaan ekvi­valenssi­luokkaan kuuluvat alkiot katsotaan tietyssä mielessä samankaltaisiksi.  Ekvi­valenssi­luokka on siis joukko , missä  on joukon  ekvivalenssi­relaatio ja .

Ekvi­valenssi­relaation määritelmästä seuraa, että ekvi­valenssi­luokat muodostavat joukon osituksen. Ekvi­valenssi­luokkien joukkoa sanotaan joukon A tekijä­joukoksi relaation R suhteen, ja sitä merkitään A / R.

Kun joukolla A on jokin struktuuri ja ekvi­valenssi­relaatio liittyy jollakin tavalla tähän struktuuriin, tekijä­joukkoon periytyy usein samankaltainen struktuuri. Esimerkkejä tästä ovat tekijäryhmät ja tekijä­renkaat abstraktissa algebrassa sekä tekijäavaruudet topologiassa.

Merkintä ja muodollinen määritelmä 

Ekvi­valenssi­relaatio on binäärirelaatio ~, jolla on seuraavat kolme ominaisuutta:

 Jokainen joukon X alkio a on relaatiossa itsensä kanssa eli  (refleksiivisyys)
 Jos , niin  (symmetrisyys)
 Jos  ja , niin  (transitiivisuus)

Sille ekvi­valenssi­luokalle, johon alkio a kuuluu, käytetään merkintää , ja se määritellään niiden alkioiden joukkona, jotka ovat relaatiossa ~ alkion a kanssa eli ekvi­valentteja alkion a kanssa:

Jos ekvi­valenssi­relaatiolle käytetään merkintää R, voidaan sille ekvi­valenssi­luokalle, johon a kuuluu, käyttää myös merkintää . Sitä sanotaan myös a:n R-ekvi­valenssi­luokaksi.

Kaikkien X:n ekvi­valenssi­luokkien joukolle ekvi­valenssi­relaation R suhteen käytetään merkintää , ja sitä sanotaan X:n tekijäjoukoksi R:n suhteen. Siitä voidaan käyttää myös nimitystä X modulo R. Surjektiota  joukosta X joukolle X/R, joka kuvaa jokaisen alkion ekvi­valenssi­luokalleen, sanotaan kanoniseksi surjektioksi tai kanoniseksi projektioksi.

Kun jokaisesta ekvi­valenssi­luokasta valitaan yksi alkio, tämä määrittelee injektion, jota sanotaan sektioksi. Jos tälle sektiolle käytetään merkintää s, saadaan  jokaiselle ekvi­valenssi­luokalle c. Alkiota s(c) sanotaan c:n edustajaksi. Valitsemalla sektio sopivasti voidaan mikä tahansa alkio valita ekvi­valenssi­luokan edustajaksi.

Toisinaan jotakin sektiota voidaan pitää "luonnollisempana" kuin muita. Sellaisissa tapauksissa ekvi­valenssi­luokkien edustajia sanotaan kanonisiksi edustajiksi. Esimerkiksi modulaarinen aritmetiikka perustuu kokonaislukujen joukossa määriteltyyn ekvi­valenssi­relaatioon, jossa , jos  on jaollinen annetulla kokonais­luvulla n, jota sanotaan modulukseksi. Jokaiseen ekvi­valenssi­luokkaan kuuluu vain yksi ei-nega­tiivinen kokonais­luku, joka on pienempi kuin n, ja nämä ovat luokkien kanoniset edustajat. Luokka ja sen kanoninen edustaja voidaan tietyssä mielessä samastaa, minkä vuoksi merkintää a mod n voidaankin käyttää sekä luokasta että sen kanonisesta edustajasta (joka on samalla jakojäännös, kun a jaetaan n:llä).

Esimerkkejä 

 Olkoon X on kaikkien autojen joukko ja ~ ekvi­valenssi­relaatio "on saman värinen kuin". Tällöin yhden ekvi­valenssi­luokan muodostavat kaikki vihreät autot. Tekijäjoukko X/~ voidaan luonnollisesti samastaa kaikkien niiden värien joukon kanssa, joita autoilla on, ja sen kardinaliteetti on autojen eri värien lukumäärä.
 Olkoon X kaikkien suomenkielisten etunimien joukko ja ~ ekvi­valenssi­relaatio "alkaa samalla kirjaimella kuin". Tällöin ekvi­valenssi­luokat ovat [Aatami]={Aatami, Anna, Antti, Aino,...} [Belle]={Belle, Bettiina,...} ja niin edelleen aina aakkosten loppuun asti. Tällöin ekvi­valenssi­luokkia on yhtä monta kuin kirjaimia aakkosissa.
 Olkoon X on tason kaikkien suorakulmioiden joukko ja ~ ekvi­valenssi­relaatio "on pinta-alaltaan yhtä suuri kuin". Tällöin jokaista positiivista reaalilukua A vastaa ekvi­valenssi­luokka, johon kuuluvat kaikki suora­kulmiot, joiden pinta-ala joissakin annetuissa yksiköissä on A.
 Olkoon X kokonaislukujen joukko  ja ~ ja siinä määritelty ekvi­valenssi­relaatio: x ~y, jos ja vain jos x - y on parillinen luku. Tällöin ekvi­valenssi­luokkia on kaksi: toiseen kuuluvat kaikki parilliset ja toiseen kaikki parittomat kokonaisluvut. Tässä relaatiossa luvut 7, 9 ja 1 ovat kaikki tekijäjoukon  saman alkion edustajia.
 Olkoon X jonkin (vähintään viikon pituisen) aikavälin kaikkien päivien joukko ja ~ siinä määritelty ekvi­valensirelaatio: x ~ y, jos ja vain jos päivästä x päivään y tai päivästä y päivään x kuluvien (tai kuluneiden) vuoro­kausien lukumäärä on jaollinen 7:llä. Tämä on yhtä­pitävää sen kanssa, että päivät x ja y ovat samana viikonpäivänä, ja joukkoon X\~ alkiot eli ekvivalenssi­luokat ovat seitsemän viikonpäivää.
 Olkoon X kokonais­lukujen sellaisten järjestettyjen parien (a, b) joukko, joissa b ei ole nolla, ja ~ siinä määritelty ekvi­valenssi­relaatio: (a,b) ~ (c,d), jos ja vain jos ad = bc. Tällöin kutakin ekvi­valenssi­luokkaa (a,b) vastaa murtoluku a/b, ja tätä ekvi­valenssi­relaatiota voidaankin käyttää rationaalilukujen muodollisena määritelmänä samastamalla rationaaliluvut tällaisten ekvi­valenssi­luokkien kanssa.  Samalla tavalla voidaan mistä tahansa kokonaisalueesta muodostaa sitä vastaavien "murtolukujen" kunta.
 Olkoon X eulidisen tason kaikkien suorien joukko ja määritellään relaatio ~ niin, että L ~ M, jos ja vain jos suorat L ja M ovat yhden­suuntaisia tai jos L ja M ovat sama suora.  Tällöin relaatio on ekvi­valenssi­relaatio, ja kaikkien suorien joukko, jotka ovat yhden­suuntaisia L:n kanssa, on ekvi­valenssi­luokka. Jokaista tällaista ekvi­valenssi­luokkaa vastaa tietyn suuruinen kulma, jonka siihen kuuluvat suorat muodostavat esimerkiksi x-akselin suuntaisten suorien kanssa. Samalla jokainen tällainen ekvi­valenssi­luokka määrittelee yhden ideaalisen, äärettömän kaukaisen pisteen.

Ominaisuuksia 

Jokainen alkio  kuuluu johonkin ekvi­valenssi­luokkaan [x]. Elleivät ekvi­valenssi­luokat [x] ja [y] ole samoja, ne ovat pistevieraita eli niillä ei ole yhtään yhteistä alkiota (niiden leikkaus on tyhjä joukko). Näin ollen kaikkien ekvi­valenssi­luokkien joukko muodostaa joukon X osituksen: jokainen X:n alkio kuuluu yhteen ja vain yhteen ekvi­valenssi­luokkaan. Kääntäen jokaista X:n ositusta vastaa ekvi­valenssi­relaatio, jossa x ~ y, jos ja vain jos x ja y kuuluvat samaan osituksessa määriteltyyn osajoukkoon.

ekvi­valenssi­relaation ominaisuuksista seuraa, että
, jos ja vain jos [x] = [y].

 
 
 .

Graafinen esitys 

Jokainen binäärirelaatio voidaan esittää suunnatulla graafilla, symmetriset relaatiot myös suuntaamattomilla graafeilla. Jos ~ on joukon X ekvi­valenssi­relaatio, graafin kärjet voidaan asettaa vastaamaan joukon X alkioita niin, että s ja t yhdistetään toisiinsa kaarella, jos ja vain jos s ~ t.  Tässä esityksessä ekvi­valenssi­luokkia niiden graafin solmujen joukot, jotka on yhdistetty keskenään kaarella.

Invariantit

Olkoon ~ on X:n ekvi­valenssi­relaatio ja P jokin sellainen joukon X alkioiden ominaisuus, että jos x ~ y ja alkiolla x on ominaisuus P, myös alkiolla y on ominaisuus P. Tällöin ominaisuutta P sanotaan relaation ~ invariantiksi tai että ominaisuus P on hyvin määritelty relaation ~ suhteen.

Usein esiintyvän esimerkin tästä muodostaa tapaus, jossa f on kuvaus joukosta X joukkoon Y. Jos f(x1) = f(x2 aina, kun x1 ~ x2, kuvausta f sanotaan relaation ~ morfismiksi taikka  luokkainvariantiksi tai lyhyemmin invariantiksi relaation ~ suhteen.

Samalle asialle käytetään myös ilmaisua, että "f on yhteensopiva relaation ~ kanssa.

Jokainen funktio f ; X → Y määrittelee samalla myös lähtöjoukossa X:n erään ekvi­valenssi­relaation, jossa x1 ~ x2, jos ja vain jos f(x1 = f(x2).  ekvi­valenssi­luokan x muodostavat kaikki ne X:n alkiot, jotka kuvautuvat f(x):lle, toisin sanoen luokka [x] on joukon {f(x)} alkukuva.  Tätä ekvi­valenssi­relaatiota sanotaan kuvauksen f kerneliksi.

Yleisemmin kuvaus voi kuvata lähtöjoukon X ekvi­valentit alkiot (ekvi­valenssi­relaation ~x suhteen) maalijoukon Y ekvi­valenteille alkioille (ekvi­valenssi­relaation ~y suhteen). Tällaista kuvausta sanotaan morfismiksi X:stä Y'':hyn.

Tekijäavaruus 
Topologiassa tekijäavaruus on topologinen avaruus, jonka muodostavat jotakin ekvi­valenssi­relaatiota vastaavat ekvi­valenssi­luokat ja jolle topologia muodostetaan käyttämällä alkuperäisen avaruuden topologiaa.

Abstraktissa albebrassa algebrallisen struktuurin kongruenssirelaatiot tekevät mahdolliseksi määritellä vastaavat laskutoimitukset myös ekvi­valenssi­luokille, jolloin saadaan tekijäalgebra. Lineaarialgebrassa tekijä­avaruus on tekijä­joukosta muodostettu vektoriavaruus, jossa tekijähomomorfismi on lineaarikuvaus. Abstraktissa algebrassa termiä tekijä­avaruus käytetäänkin laajentuneessa merkitykessä myös tekijäryhmästä, tekijärenkaasta tai muusta tekijäalgebrasta.

Lähteet

Kirjallisuutta 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Joukko-oppi