4. Relationen. Beschreibung einer binären Relation

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1 4. Relationen Relationen spielen bei Datenbanken eine wichtige Rolle. Die meisten Datenbanksysteme sind relational. 4.1 Binäre Relationen Eine binäre Relation (Beziehung) R zwischen zwei Mengen A und B ist eine Teilmenge des kartesischen Produkts AxB (d.h. eine Teilmenge der Menge aller möglichen Paare (a,b) mit a A und b B). Die Relation heisst binär, weil es um eine Beziehung zwischen zwei Elementen a,b aus den Mengen A und B geht. Eine Relation kann mit Hilfe eines Prädikats bezüglich der geordneten Paare beschrieben werden. Z.B. R = {(x,y): x ist Grossvater von y} Diese Relation beschränkt das kartesische Produkt aller möglichen geordneten Paaren (x,y) zweier Menschen auf die Teilmenge derjenigen Paare, welche in der Beziehung Grossvater-Enkelkind stehen. Eine binäre Relation zwischen 2 gleichen Mengen A heisst Relation auf A Lesen Sie die Beispiele p Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block 8-1- Beschreibung einer binären Relation Eine binäre Relation kann auf verschiedene Arten beschrieben werden: mit Hilfe eines Prädikats, z.b. R = {(x,y): x ist Grossvater von y} Als Menge von geordneten Paaren: R = {(Fred, Jane), (Fred, Fiona), (Fred, Alan), (John, Jane)} Als gerichteter Graph (vergl. Abb. 4.2 p. 71) Als Matrix Der gerichtete Graph oder Digraph besteht aus zwei Mengen von Knoten für die Mengen A bzw. B, wobei die Paare, welche die Relation erfüllen, durch eine Kante verbunden sind. Da die Elemente einer Relation geordnete Paare sind, wird die Reihenfolge mit Hilfe eines Pfeils in der Kante von a nach b dargestellt. Bei Relationen auf A, d.h. Teilmengen von AxA müssen die Knoten nur einmal gezeichnet werden (vergl. Abb. 4.3 p. 72) Lesen Sie das Beispiel 4.4 p. 72 Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block

2 Matrixdarstellung Bei der Matrixdarstellung werden die Elemente der Mengen A und B je in eine Reihenfolge A = {a 1, a 2, } und B = {b 1, b 2, } gebracht und alle Kombinationen in eine Tabelle aufgeführt mit den a i in den Zeilen und den b j in den Spalten (vergl. p. 72 unten). Ist (a i,b j ) R so steht an dieser Stelle W (wahr) und sonst F (falsch) Lesen Sie das Beispiel p. 72 unten Lesen Sie die Beispiele 4.5 und 4.6 p. 73 Ist R eine binäre Relation so können wir statt (x,y) R schreiben: x R y gelesen: x steht in Relation zu y Z.B. ist Schwester von definiert eine Relation R auf der Menge aller Menschen mit xry falls x ist eine Schwester von y. Lesen Sie das Beispiel 4.7 p. 74 Lösen Sie die Aufgaben p Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block Eigenschaften von Relationen Bei Relationen auf einer einzigen Menge A definieren wir eine Reihe von Eigenschaften: 1. R ist reflexiv, wenn x R x für alle x A 2. R ist symmetrisch, wenn aus x R y folgt: y R x, für alle x,y A 3. R ist antisymmetrisch, wenn x R y und y R x nicht gleichzeitig gelten kann, ausser wenn x=y 4. R ist transitiv, wenn aus x R y und y R z folgt: x R z, für alle x,y,z A Oder ausgedrückt in geordneten Paaren (x.y): 1. reflexiv: (x,x) R (x steht in Relation zu sich selbst) 2. symmetrisch: (x,y) R (y,x) R (wenn x in Relation steht zu y dann auch umgekehrt y zu x) 3. antisymmetrisch: (x,y) R und (y,x) R x=y 4. transitiv: (x,y) R und (y,z) R (x,z) R Oder in der Digraphdarstellung: 1. reflexiv: von jedem Knoten geht ein Pfeil zu sich selbst 2. symmetrisch: gibt es einen Pfeil vom Knoten x nach y so auch einen in der Gegenrichtung 3. antisymmetrisch: gibt es einen Pfeil vom Knoten x nach y so gibt es keinen in der Gegenrichtung 4. Transitiv: gibt es einen Pfeil von x nach y und einen von y nach z so gibt es auch einen direkten Pfeil von x nach z Und in der Matrixdarstellung: 1. reflexiv: jeder Eintrag in der Hauptdiagonalen (von links oben nach rechts unten) ist W 2. symmetrisch: die Einträge sind symmetrisch bezüglich der Hauptdiagonalen (weil a ij symmetrisch a ji ) 3. antisymmetrisch: alle Einträge symmetrisch zur Hauptdiagonalen sind nicht beide W Lesen Sie das Beispiel 4.8 p. 75 und lösen Sie die Aufgaben 4.4 und 4.5 p. 82 Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block

3 Erweiterung einer Relation bezüglich einer Eigenschaft (Abschluss) Erfüllt eine Relation eine Eigenschaft nicht, ist also z.b. nicht reflexiv, so kann sie durch Hinzufügen von weiteren Elementen z.b. allen (x,x) zu einer Relation mit dieser Eigenschaft erweitert werden. Man nennt die erweiterte Relation R* den Abschluss von R bezüglich der Eigenschaft P (reflexiv, symmetrisch, transitiv, usw.) Lesen Sie das Beispiel 4.9 p. 76 Beim transitiven Abschluss sind unter Umständen mehrere Umläufe nötig, solange ein Umlauf zu neuen Elementen führt, welche wiederum zu neuen Transitionen führen könnten. Der transitive Abschluss hat viele praktische Eigenschaften. So kann z.b. in einem Kommunikationsnetz in Form eines Digraphen abgelesen werden, ob eine Verbindung von x nach y möglich ist, indem man den transitiven Abschluss bildet und prüft, ob x und y verbunden sind. Lösen Sie die Aufgaben p Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block Äquivalenzrelationen und Halbordnungen Relationen lassen sich aufgrund ihrer Eigenschaften (reflexiv, symmetrisch, antisymmetrisch, transitiv) typisieren. Die zwei wichtigsten Typen von Relationen sind: Äquivalenzrelationen Halbordnungen Eine Relation auf einer Menge A, die reflexiv, symmetrisch und transitiv ist heisst Äquivalenzrelation Beispiele von Äquivalenzrelationen: hat dieselben Winkel bei Dreiecken, also Paare von ähnlichen Dreiecken hat dasselbe Vorzeichen bei Zahlen, also Paare (x,y) mit xy>0 ist gleich alt wie bei Menschen, also Paare von gleichaltrigen Menschen Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block

4 Äquivalenzklassen Äquivalenzrelationen heissen so, weil sich die die Menge A in Teilmengen so genannte Äquivalenzklassen - aufteilen lässt. Die Äquivalenzklasse E x eines Elements x aus A ist definiert als die Menge aller Elemente aus A die zu x in Relation sind: E x = {z A: z R x} Z.B. besteht die Äquivalenzklasse einer 12-jährigen Person bei der Relation ist gleich alt wie auf der Menge aller Menschen aus der Gruppen der gleichaltrigen Menschen, also der 12- hährigen: E x = {Personen z: z ist gleich alt wie x} Diese Teilmengen A 1,A 2, bilden eine Partition (Aufteilung) von A, d.h. sie vereinigen sich zu A: A 1 A 2 A n = A Sie überlappen sich nicht: A i A j = für i j Satz: Sei R eine Äquivalenzrelation auf der Menge A. Dann bilden die Äquivalenzklassen von R eine Partition von A. Der Beweis auf Seite 79 zeigt zuerst, dass aus xry folgt: E x = E y, d.h. die Äquivalenzklassen zu zwei in Relation stehenden Elementen sind identisch. Lesen Sie zuhause den Beweis p. 79 fertig, das die Äquivalenzklassen einer Relation auf A eine Partition von A bilden. Lesen Sie das Beispiel 4.10 p. 79 Lösen Sie die Aufgaben p. 83 Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block 8-7- Halbordnung Eine Relation auf einer Menge A, die reflexiv, antisymmetrisch und transitiv ist heisst Halbordnung. Beispiele von Halbordnungen: auf der Menge der reellen Zahlen auf den Teilmengen einer Menge ist Teiler von auf der Menge der natürlichen Zahlen Mengen auf denen eine Halbordnung definiert ist heissen halbgeordnete Mengen. Die reellen Zahlen sind bezüglich eine halbgeordnete Menge Ist R eine Halbordnung auf A und gilt x R y für x y, so heisst x ein Vorgänger von y z.b. ist 3 ein Vorgänger von 10 bezüglich der Halbordnung auf den natürlichen Zahlen Existiert kein Element dazwischen, so heisst x unmittelbarer Vorgänger von y Z.B. ist 9 ein unmittelbarer Vorgänger von 10 bezüglich der Halbordnung auf den natürlichen Zahlen Ein Hasse-Diagramm stellt die unmittelbaren Vorgänger als verbundene Knoten eines Graphen dar, wobei ein Vorgänger unterhalb seines Nachfolgers gezeichnet wird Lesen Sie das Beispiel 4.11 p. 80 und lösen Sie die Aufgaben p. 83 Eine Totalordnung auf einer Menge A ist eine Halbordnung, unter der jedes Paar von Elementen aus A in Relation steht. D.h. für alle a,b A gilt: arb oder bra. Beispiele von Totalordnungen sind: auf der Menge der reellen Zahlen Das alphabetische Ordnen von Wörtern in einem Wörterbuch Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block

5 4.5 Anwendung: Datenbank-Managementsysteme In einem Computer gespeicherte Daten werden als Datenbank bezeichnet. Programme für die Verwaltung von Datenbanken heissen Datenbank- Managementsysteme (DBMS). Beispiele von DBMS sind MS Access und Oracle Daten werden häufig in verschiedene Tabellen mit zusammengehörenden Merkmalen aufgeteilt. Beispiel: Tab. 4.1 p. 86 speichert die persönlichen Daten von Studenten, Tab. 4.2 die Kursnoten Die Merkmale bilden die Spalten einer Tabelle, die einzelnen Einträge z.b. die Studenten die Zeilen. Mathematisch sind die Zeilen einer Tabelle die Elemente eines kartesischen Produkts, z.b. für die Kursnoten von SxKxKxKxK wobei S die Menge der Studentennamen ist und K die Menge der Kursnoten. In den USA und GB werden statt Noten 1-6 Buchstaben A-E verwendet, wobei A das beste Resultat ist. Eine Tabelle stellt somit eine n-fache Relation dar und die Zeilen sind die geordneten n-tupel Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block 8-9- Operationen auf Tabellen Wir betrachten die folgenden wichtigen Tabellen-Funktionen: project, join, select. project nimmt nur einen Teil der Spalten einer Tabelle und erstellt daraus eine neue Tabelle project(tabelle, {Spalte 1, Spalte 2, }) Lesen Sie den Abschnitt vor und die Tabelle 4.3 p. 86 Lösen Sie die Aufgabe 1 p. 87 join vereinigt zwei Tabellen zu einer neuen, indem nur diejenigen Zeilen übernommen werden, die in den Werten der gemeinsamen Spalten übereinstimmen. join(tabelle 1, Tabelle 2 ) Lesen Sie den Abschnitt vor und die Tabelle 4.5 p. 87 select trifft eine Auswahl aus den Zeilen einer Tabelle anhand eines zu erfüllenden Prädikats select(tabelle, P(Spalte 1, Spalte 2, ) Lesen Sie den Abschnitt vor und die Tabelle 4.6 p Lösen Sie die Aufgaben 2-4 p Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block

6 Aufgaben bis zur nächsten Präsenz Lesen Sie das Skript nochmals durch. Lösen Sie die darin angegebenen Übungen aus dem Buch fertig. Markieren Sie im Taschenbuch der Mathematik die behandelten Formeln mit Leuchtstift: p Lesen Sie Haggarty Kap. 4 Bei Problemen Mail an m2@kmu-dir.ch oder epeter@fernfachhochschule.ch Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block Ziele Die Studierenden kennen die Begriffe Binäre Relation zwischen zwei Mengen und Relation auf einer Menge Sie kennen die verschiedenen Darstellungsmethoden für (Binäre) Relationen: Beschreibung in Worten, Beschreibung mittels Prädikat, durch Mengen von geordneten Paaren, als gerichteter Graph (Digraph) und als Matrix Sie kennen die folgenden Eigenschaften von Relationen: reflexiv, symmetrisch, antisymmetrisch, transitiv. Sie kennen die Definitionen Äquivalenzrelation, Partition und Äquivalenzklasse Sie können beweisen, dass eine Relation eine Äquivalenzrelation ist. Sie sind in der Lage, die Äquivalenzklassen einer Äquivalenzrelation zu bestimmen. Sie kennen die Begriffe Halbordnung, Vorgänger, unmittelbarer Vorgänger und Totalordnung. Sie können das Hasse-Diagramm einer Halbordnung zeichnen. Sie kennen die folgenden Operationen auf Datenbank-Tabellen als Beispiel einer n-fachen Relation: project, join, select Ernest Peter Propädeutikum Mathematik Informatik/Wirtschaftsinformatik, Block