Tiền thứ tự

Trong toán học, đặc biệt là trong lý thuyết thứ tự, tiền thứ tự hoặc tựa thứ tự là quan hệ hai ngôi có tính phản xạ và bắc cầu. Tiền thứ tự tổng quát hơn quan hệ tương đương và quan hệ thứ tự riêng phần (không nghiêm ngặt), cả hai quan hệ này đều là trường hợp đặc biệt của tiền thứ tự: quan hệ thứ tự riêng phần là tiền thứ tự thêm tính phản xứng, còn quan hệ tương đương là tiền thứ tự thêm tính đối xứng

Tên  lấy từ ý tưởng rằng tiền thứ tự 'sắp thành' quan hệ thứ tự (riêng phần), nhưng chưa tới được; các quan hệ này không nhất thiết phải không phản đối xứng hay không bất đối xứng.  Bởi tiền thứ tự là quan hệ hai ngôi, ký hiệu  có thể dùng cho tiền thứ tự bởi chúng không nhất thiết phải phản xứng.  

Trong văn bản, khi , ta có thể nói rằng b  a hoặc a  b, hoặc b  a.  Đôi khi, ký hiệu ← hoặc → hoặc  được dùng thay vì 

Mọi tiền thứ tự đều có đồ thị có hướng tương ứng với nó. Đồ thị này có các đỉnh tương ứng với các phần tử trong tập và các cạnh có hướng là tiền thứ tự giữa hai phần tử trong tập hợp. Song ngược lại không đúng:Hầu như mọi đồ thị có hướng đều không phản xạ hoặc bắc cầu. Nhìn chung thì, các đồ thị tương ứng với quan hệ có thể chứa các chu trình. Tiền thứ tự mà phản xứng thì sẽ không có chu trình, thay vì đó nó sẽ là quan hệ thứ tự riêng phần và đồ thị tương ứng của nó là đồ thị có hướng không chu trình. Tiền thứ tự có tính đối xứng là quan hệ tương đương, và đồ thị tương ứng của nó là đồ thị vô hướng. Trong tổng quát, đồ thị tương ứng của tiền thứ tự có thể có nhiều hơn một thành phần liên thông.

Định nghĩa

Xét quan hệ thuần nhất  trên một số tập hợp  cho trước sao cho theo định nghĩa,  là một tập con của  và ký hiệu  được sử dụng thay cho  Khi đó,  được gọi là  hoặc  nếu nó vừa phản xạ vừa bắc cầu. Nghĩa là, quan hệ đó thoả mãn hai điều kiện sau:
Tính phản xạ:  với mọi  và
Tính bắc cầu: nếu  với mọi  

Tập đi kèm quan hệ tiền thứ tự được gọi là tập sắp tiền thứ tự (hoặc proset). 
Để nhấn mạnh sự khác biệt với tiền thứ tự nghiêm ngặt, tiền thứ tự cũng có thể được gọi là tiền thứ tự không nghiêm ngặt. 

Nếu tính phản xạ được thay bởi không phản xạ (vẫn giữa tính bắc cầu) thì kết quả thu được được gọi là tiền thứ tự nghiêm ngặt; Nói rõ ra,  trên  là quan hệ hai ngôi thuần nhất  trên  thoả mãn hai điều kiện sau:
Tính hoàn toàn không phản xạ:   với mọi  tức là  là  với mọi  và
Tính bắc cầu: nếu  với mọi 

Quan hệ hai ngôi P là tiền thứ tự nghiêm ngặt khi và chỉ khi nó là quan hệ thứ tự riêng phần nghiêm ngặt. Theo định nghĩa, quan hệ thứ tự riêng phần nghiêm ngặt là tiền thứ tự nghiêm ngặt không đối xứng (quan hệ  được gọi là  nếu  với mọi  Ngược lại mọi tiền thứ tự nghiêm ngặt là quan hệ thứ tự riêng phần nghiêm ngặt riêng phần vì mọi quan hệ bắc cầu nhưng không phản xạ thì sẽ không đối xứng.

Mặc dù hai tên gọi tương đương nhau, thuật ngữ "thứ tự riêng phần nghiêm ngặt" được dùng nhiều hơn "tiền thứ tự nghiêm ngặt". Ngược với tiền thứ tự nghiêm ngặt, có rất nhiều tiền thứ tự không nghiêm ngặt.

Các định nghĩa có liên quan 

Nếu tiền thứ tự có thêm tính phản đối xứng (tức là  và  thì ) thì được gọi là quan hệ thứ tự riêng phần.

Mặt khác, nếu tiền thứ tự có thêm tính đối xứng (tức là  thì ) thì được gọi là quan hệ tương đương.

Tiền thứ tự có tính toàn phần nếu  hoặc  với mọi 

Tập sắp tiền thứ tự  có thể được viết thành công thức bằng phạm trù mỏng trong lý thuyết phạm trù; nghĩa là một phạm trù có tối đa một cấu xạ giữa vật này sang vật khác. Ở đây vật tương ứng các phần tử thuộc  và có một cấu xạ giữa hai phần tử có quan hệ với nhau và không có nếu ngược lại. 

Lớp sắp tiền thứ tự là lớp đi kèm với tiền thứ tự. Mọi tập hợp đều là lớp và do đó mọi tập sắp tiền thứ tự là lớp sắp tiền thứ tự.

Các ví dụ

Lý thuyết đồ thị 
 Quan hệ "Có đường đi từ a đến b" trong bất kỳ đồ thị có hướng (có thể có chu trình) là tiền thứ tự.

Khoa học máy tính 
Trong khoa học máy tính, ta thường thấy các ví dụ sau.
 Thứ tự tiệm cận là tiền thứ tự trên các hàm . Quan hệ tương đương tương ứng được gọi là tương đương tiệm cận.
 Rút gọn thời gian đa thức, Rút gọn nhiều-một và rút gọn Turing là các tiền thứ tự trên lớp độ phức tạp tính toán.
 Các quan hệ kiểu dữ liệu con thường là tiền thứ tự.
 Tiền thứ tự mô phỏng.
 Các quan hệ rút gọn trong các hệ thống viết lại trừu tượng.

Các ví dụ khác 
 Mọi không gian tô pô hữu hạn đều có tiền thứ tự trên các điểm của nó bằng cách định nghĩa  khi và chỉ khi x nằm trong mọi lân cận của y. 
 Quan hệ định nghĩa bởi  nếu  trong đó f là hàm theo tiền thứ tự.
 Quan hệ định nghĩa bởi  nếu tồn tại đơn ánh từ x đến y. Đơn ánh có thể đổi thành toàn ánh hoặc bất cứ hàm nào bảo toàn cấu trúc, ví dụ như đồng cấu vành hoặc phép thế.
 Các quan hệ nhúng cho các tiền thứ tự toàn phần đếm được.

Ứng dụng
Tiền thứ tự đóng vai trò quan trọng trong các tình huống sau:
 Mọi tiền thứ tự đều có tô pô của riêng nó, tô pô Alexandrov; hơn nữa, mọi tiền thứ tự trên một tập hợp đều tương ứng một-một với tô pô Alexandrov trên tập đó.
 Tiền thứ tự có thể dùng để định nghĩa các đại số trong.
 Tiền thứ tự được dùng trong kỹ thuật buộc trong lý thuyết tập hợp để chứng minh tính nhất quán và tính độc lập (logic) của kết quả toán học.

Xây dựng
Mọi quan hệ hai ngôi  trên tập hợp  có thể mở rộng thành tiền thứ tự trên  bằng cách lấy bao đóng bắc cầu và bao đóng phản xạ,   Bao đóng bắc cầu nghĩa là có quan hệ đường đi  khi và chỉ khi có -đường đi từ  đến  

Tiền thứ tự thặng dư trái cảm sinh bởi quan hệ hai ngôi

Cho quan hệ hai ngôi  phần bù của hợp  tạo thành một tiền thứ tự được gọi là phần thặng dư trái, trong đó  là quan hệ ngược của  và  ký hiệu quan hệ bù của  trong khi  là phép hợp thành quan hệ.

Tiền thứ tự và thứ tự riêng phần trên phân hoạch tập hợp

Cho tiền thứ tự  trên , ta có thể định nghĩa quan hệ tương đương trên  trên  sao cho 
 
Quan hệ thu được  có tính phản xạ bởi  phản xạ; có tính bắc cầu bằng cách áp dụng tính bắc cầu của  hai lần; và có tính đối xứng theo định nghĩa. 

Dùng quan hệ này, ta có thể xây quan hệ thứ tự riêng phần trên tập thương của quan hệ tương đương , tập thương là tập của tất cả các lớp tương đương của  Nếu tiền thứ tự được ký hiệu là  thì  là tập hợp của các lớp tương đương -chu trình: 
 khi và chỉ khi  hoặc  nằm trong -chu trình của .
Trong bất kỳ trường hợp, có thể định nghĩa trên  quan hệ  khi và chỉ khi  
Định nghĩa này hoàn toàn xác định bởi điều kiện định nghĩa của nó không phụ thuộc vào lựa chọn đại diện của  và . Ta có thể kiểm chứng tập hợp này là tập sắp thứ tự riêng phần.

Ngược lại, từ bất kỳ quan hệ thứ tự riêng phần trên  ta có thể xây dựng tiền thứ tự trên chính , bởi có tương ứng một-một giữa tập tiền thứ tự và các cặp (phân hoạch, thứ tự riêng phần).

: Cho  là lý thuyết hình thức, tức là tập của các câu có tính chất đặc biệt (nội dung này có thể xem thêm trong bài viết về chủ đề đó). Chẳng hạn như,  có thể là lý thuyết bậc nhất (ví dụ lý thuyết tập hợp Zermelo–Fraenkel) hoặc đơn giản hơn là lý thuyết bậc không. Một trong rất nhiều tính chất của  là nó phải đóng dưới các hệ quả logic, ví dụ chẳng hạn, câu  theo logic suy ra câu  sẽ được viết là  hoặc cũng được viết là  do đó phải  (theo modus ponens). 

Quan hệ  là tiền thứ tự trên  bởi  luôn đúng và bất cứ khi nào  và  đều đúng thì cũng  
HƠn nữa, cho bất kỳ   khi và chỉ khi ; tức là, hai câu tương đương với nhau tương ứng với quan hệ  khi và chỉ khi chúng tương đương logic với nhau. Quan hệ tương đương cụ thể này  thường được ký hiệu bằng ký hiệu riêng của nó  và do vậy, ký hiệu có thể dùng thay  Lớp tương đương của câu  được ký hiệu bởi  bao gồm tất cả các câu  tương đương logic với  (tức là, tất cả các câu  sao cho ). 
Quan hệ thứ tự riêng phần trên  cảm sinh bởi  sẽ được ký hiệu cùng ký hiệu  định nghĩa như sau:  khi và chỉ khi  trong đó điều kiện vế phải không phụ thuộc lựa chọn đại diện câu  và  của các lớp tương đương. 
Tất cả những gì đã nói về  có thể áp dụng tương tự cho quan hệ ngược 
Tập sắp tiền thứ tự  là tập có hướng bởi nếu  và nếu  ký hiệu câu được lập bởi phép logic hội  thì  và  khi  Do vậy, theo hệ quả, tập  cũng là tập có hướng. 
Xem đại số Lindenbaum–Tarski để thêm ví dụ.

Tiền thứ tự nghiêm ngặt

Tiền thứ tự nghiêm ngặt cảm sinh bởi tiền thứ tự

Cho tiền thứ tự  một quan hệ mới  có thể định nghĩa theo  khi và chỉ khi  
Sử dụng quan hệ tương đương  giới thiệu ở trên,  khi và chỉ khi  
do đó thoả mãn mệnh đề sau

Quan hệ  là quan hệ thứ tự riêng phần nghiêm ngặt và  thứ tự riêng phần nghiêm ngặt đều có thể xây dựng theo cách này. 
 tiền thứ tự  phản đối xứng (và do đó là quan hệ thứ tự riêng phần) thì quan hệ tương đương  là quan hệ bằng nhau (tức là,  khi và chỉ khi ), do vậy trong trường hợp này, định nghĩa của  có thể phát biểu lại thành: 

Quan trọng hơn, điều kiện mới này  được dùng (hay tương đương với) định nghĩa chung của quan hệ  (tức là,   được định nghĩa:  khi và chỉ khi ) bởi vì nếu tiền thứ tự  không phản đối xứng thì quan hệ thu được  sẽ không có tính bắc cầu (xét quan hệ của các phần tử không bằng nhau). 
Đây cũng là lý do dùng "" thay vì dấu "nhỏ hơn hoặc bằng ", bởi dấu sau có thể gây nhầm lẫn do gợi ý rằng  tức

Số tiền thứ tự

Có tương ứng một-một giữa các tiền thứ tự và các cặp (phân hoạch của thứ tự riêng phần). Do đó số tiền thứ tự bằng với tổng của số các quan hệ thứ tự riêng phần trên mọi phân hoạch. Ví dụ như sau:

Khoảng

Xem thêm
 Quan hệ thứ tự riêng phần – tiền thứ tự có tính phản xứng
 Quan hệ tương đương – tiền thứ tự có tính đối xứng
 Tiền thứ tự toàn phần – tiền thứ tự có tính toàn phần
 Thứ tự toàn phần – tiền thứ tự phản xứng và toàn phần
 Tập có hướng
 Phạm trù các tập sắp tiền thứ tự
 Tiền thứ tự tốt
 Tựa thứ tự tốt

Chú thích

Tham khảo

 Schmidt, Gunther, "Relational Mathematics", Encyclopedia of Mathematics and its Applications, vol. 132, Cambridge University Press, 2011, 
 

Quan hệ hai ngôi
Lý thuyết thứ tự