TU Wien:Algebra und Diskrete Mathematik VU (diverse)/Übungen 2025W/Beispiel 110

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Man zeige, dass durch aRb⇔6|a2−b2 für alle a,b∈ℤ eine Äquivalenzrelation R in der Menge ℤ erklärt wird, und bestimme die zugehörige Partition.

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Äquivalenzrelation
Äquivalenzrelation
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Eine binäre Relation R auf einer Menge A heißt Äquivalenzrelation, wenn folgende drei Eigenschaften erfüllt sind:

Reflexivität: ∀a∈A:aRa,

Symmetrie: ∀a,b∈A:aRb⇒bRa,

Transitivität: ∀a,b,c∈A:(aRb∧bRc)⇒aRc.

Partition (Seite 38 in Mathematik für Informatik) (4. Auflage: Seite 40)
Satz 1.59: Sei R eine Äquivalenzrelation auf A. Dann bilden die (verschiedenen) Äquivalenzklassen der Elemente von A eine Partition von A. (Ebenfalls Seite 38)

Lösungsversuch

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Zeigen der Äquivalenzrelation

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aRa⇔6|a2−a2

6|0 6 teilt 0 also ist es Reflexiv.

∀a,b∈ℤ:aRb⇒bRa
6|a2−b2⇔6|b2−a2
Wenn 6 a2−b2 teilt dann teilt es auch b2−a2 da es die selben Zahlen sind nur mit anderem Vorzeichen.

∀a,b∈ℤ:(aRb∧bRc)⇒aRc

6|a2−b2, 6|b2−c2
⇒a2−b2=6x, b2−c2=6y
⇒(a2−b2)+(b2−c2)=6x+6y
⇒a2−b2+b2−c2=6(x+y)
⇒a2−c2=6(x+y)
⇒6|a2−c2
Somit ist es Transitiv

Anmerkung zur Transitivität
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Mir ist es der obige Nachweis nicht ganz einleuchtend, daher hier ein alternativer Weg:

Da waren ein paar Tippfehler im obigen Beweis… jetzt sollte er verständlicher sein. -- hop

6|a2−b2⇔6⋅q=a2−b2,q∈ℤ

6|b2−c2⇔6⋅p=b2−c2,p∈ℤ

6⋅q=a2−b2⇒b2=a2−6⋅q

6⋅p=b2−c2⇒b2=c2+6⋅p ⇒a2−6⋅q=c2+6⋅p

a2−c2=6⋅p+6⋅q=6⋅(p+q)

⇒6|a2−c2

Alle Vorraussetzungen sind erfüllt, somit ist es eine Äquivalenzrelation

--MatheFreak 01:29, 15. Dez. 2010 (CET)

Bestimmen der Partition

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Anwendung von Satz 1.59

R(a)={b∈ℤ|bRa}
Um die Klassen bestimmen zu können, formen wir mal unsere Relation um:
6|a2−b2⇔6⋅q=a2−b2,q∈ℤ
6⋅q=a2−b2→a2=b2+6⋅q
Und das erinnert doch schon sehr stark an die Kongruenzrechnung. D.h. man kann die Relation auch wie folgt betrachten:
a2≡b2 mod 6
R(b)={a∈ℤ|a2≡b2 mod 6}

Das bedeutet, man würde auf jeden Fall 6 Äquivalenzklassen erwarten. Wenn man sich das aber genauer überlegt erkennt man, dass manche von diesen leer sind. Das liegt daran, dass hier das Quadrat im Spiel ist. z. B. für 2: 2≡2 mod 6 aber
22≡4 mod 6.

Das muss man für alle Möglichkeiten durchspielen, um zu sehen, in welchen Mengen tatsächlich Elemente enthalten sein werden:
02≡0 mod 6
12≡1 mod 6
22≡4 mod 6→ es kann keine Elemente in R(2) geben, weil alle diese in R(4) verschoben werden
32≡3 mod 6
42≡4 mod 6
52≡1 mod 6→ es kann keine Elemente in R(5) geben, weil alle diese in R(1) verschoben werden

Äquivalenzklasse 0

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aR0⇔6|a2−0
R0={a∈ℤ|a2≡0 mod 6}={0+k∗6|k∈ℤ}
R0={0,±6,±12,±18,...∞}(=0mod6)

Äquivalenzklasse 1

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aR1⇔6|a2−1
R1={a∈ℤ|a2≡1 mod 6}={−1+k∗6|k∈ℤ}
R1={±1,±5,±7,±11,±13,...∞}(=1mod6)

Äquivalenzklasse 2

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aR2⇔6|a2−2
R2={a∈ℤ|a2≡2 mod 6}=∅

Äquivalenzklasse 3

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aR3⇔6|a2−3
R3={a∈ℤ|a2≡3 mod 6}={−3+k∗6|k∈ℤ}
R3={±3,±9,±15,±21,...∞}

Äquivalenzklasse 4

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aR4⇔6|a2−4
R4={a∈ℤ|a2≡4 mod 6}={−2+k∗6|k∈ℤ}
R4={±2,±4,±8,±10,±14,...∞}

Äquivalenzklasse 5

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aR5⇔6|a2−5
R5={a∈ℤ|a2≡5 mod 6}=∅

R0+R1+R3+R4=ℤ

Edit: Wie oben bewiesen sind R2 und R5 leere Teilmengen, die Partition ist jedoch ein System von nichtleeren Teilmengen.

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TU Wien:Mathematik 1 UE (diverse)/Übungen SS10/Beispiel 18