Alkioiden x ja y muodostama järjestetty pari on jono (x, y), jossa x on ensimmäisenä ja y toisena jäsenenä. Kaksi järjestettyä paria ovat samat, jos niillä on samat ensimmäiset alkiot ja samat toiset alkiot: (x, y) = (u, v) (x = u y = v).
Järjestetty pari ajatellaan usein primitiivisenä käsitteenä, mutta sille voidaan antaa myös joukko-opillinen määritelmä. Seuraava esimerkki osoittaa, että järjestettyä paria (x, y) ei voi kuitenkaan määritellä joukkona {x, y}. Esimerkki. (a) Jos x y, niin {x, y} = {y, x}, mutta (x, y) (y, x). (b) {x, x} = {x}, mutta (x, x) (x), missä oikea puoli tarkoittaa jonoa, jonka ensimmäisellä ja ainoalla paikalla on x.
Järjestetty pari määritellään yleensä seuraavasti: (x, y) = { {x}, {x, y} }. Siis järjestetty pari (x, y) on joukko, jonka alkioina ovat joukot {x} ja {x, y}! Osoitetaan seuraavaksi, että tämä järjestetyn parin määritelmä toimii halutulla tavalla. Lause 1. (x, y) = (u, v) (x = u y = v). Todistus. Taululla.
Joukkojen A ja B tulojoukko eli karteesinen tulo on A B = { (x, y) x A y B }. Siis A B koostuu kaikista niistä järjestetyistä pareista (x, y), joilla x A ja y B. Esimerkki. Olkoon A = {1, 2} ja B = {3, 4}. Tällöin Taululla. A B B A. Siis karteesinen tulo ei ole vaihdannainen!
Karteesinen tulo ei ole liitännäinenkään: Esimerkki. Olkoot A = {1}, B = {2} ja C = {3}. Tällöin (A B) C = {((1, 2), 3)} ja A (B C) = {(1, (2, 3))}. Nämä joukot eivät ole samat, sillä ((1, 2), 3) (1, (2, 3)). (Tämä nähdään kirjoittamalla ((1, 2), 3) ja (1, (2, 3)) auki järjestetyn parin määritelmän mukaan.)
Karteesinen tulo voidaan yleistää useammalle joukolle: joukkojen A 1,..., A n tulojoukko eli karteesinen tulo on A 1 A n = { (x 1,..., x n ) x 1 A 1 x n A n }. Vastaavasti merkitsemme A n = n kertaa { }} { A A A. Näissä määritelmissä tarvitaan järjestetyn n-jonon (x 1,..., x n ) käsitettä. Se voidaan määritellä usealla eri tavalla.
1. tapa. Määritellään (x 1, x 2, x 3 ) = ((x 1, x 2 ), x 3 ), (x 1, x 2, x 3, x 4 ) = (((x 1, x 2 ), x 3 ), x 4 ) jne. Siis yleisesti (x 1,..., x n+1 ) = ((x 1,..., x n ), x n+1 ). Tällä määritelmällä pätee A 1 A 2 A 3 = (A 1 A 2 ) A 3, ja yleisemmin A 1 A n+1 = (A 1 A n ) A n+1. Vastaavasti A n+1 = A n A.
2. tapa. Määritellään, että (x 1,..., x n ) tarkoittaa funktiota f : {1,..., n} X, jolla pätee ehto: f (i) = x i jokaisella i {1,..., n}. Tässä X on sopivasti valittu perusjoukko, jonka alkioita komponentit x i ovat.
Esimerkki. (a) Joukko R 2 on järjestettyjen reaalilukuparien joukko. Sen geometrinen vastine on taso. (b) Joukko R 3 on järjestettyjen reaalilukukolmikoiden joukko. Sen geometrinen vastine on kolmiulotteinen avaruus. (c) Joukko R n on järjestettyjen reaaliluku n-jonojen joukko. Sen vastine on n-ulotteinen avaruus. (d) Olkoon A = [a, b] koordinaatiston x-akselilla ja B = [c, d] y-akselilla. Joukon A B geometrinen merkitys on suorakulmio. Taululla.
Tulojoukon muodostaminen ei siis noudata vaihdantalakia eikä liitäntälakia. Sen sijaan osittelulait yhdisteen, leikkauksen ja erotuksen suhteen ovat voimassa: Lause 2. Olkoot A 1, A 2 ja B joukkoja. (1) (A 1 A 2 ) B = (A 1 B) (A 2 B), (2) (A 1 A 2 ) B = (A 1 B) (A 2 B), (3) (A 1 \ A 2 ) B = (A 1 B) \ (A 2 B). Todistus. Taululla. Vastaavat tulokset ovat voimassa joukolle A (B 1 B 2 ) jne.
Jos R X Y (X, Y ), niin sanomme, että R on relaatio joukkojen X ja Y alkioiden välillä. Lyhyemmin: R on joukkojen X ja Y relaatio. R on relaatio joukosta X joukkoon Y (huomaa sijamuodot). Joukkoa X sanotaan relaation R lähtöjoukoksi ja joukkoa Y maalijoukoksi.
Merkitsemme xry tarkoittamaan sitä, että (x, y) R. Vastaavasti merkitsemme x Ry tarkoittamaan, että (x, y) R. Siis seuraavat ovat yhtäpitäviä: Alkiot x X ja y Y ovat keskenään relaatiossa R xry (pätee) (x, y) R Huom. Jokaiseen relaatioon R voidaan liittää vastaava predikaatti R(x, y), joka on tosi joss (x, y) R. Merkinnän xry sijasta voidaan siis käyttää myös merkintää R(x, y).
Myös useampipaikkainen relaatio voidaan määritellä (ja myös yksipaikkainen). Yleisesti osajoukko R X 1 X 2 X n on joukkojen X 1, X 2,..., X n ( ) alkioiden välinen relaatio. Myös useampipaikkaisten relaatioiden kohdalla voidaan käyttää vastaavaa predikaattia R(x 1, x 2,..., x n ), joka on tosi joss (x 1, x 2,..., x n ) R.
Olkoon R relaatio joukosta X joukkoon Y, jolloin X on sen lähtöjoukko ja Y maalijoukko. Relaation R määrittelyjoukko M R on joukon X niiden alkioiden joukko, jotka ovat relaatiossa joukon Y jonkin alkion kanssa eli M R = { x X y Y : xry }. Arvojoukko A R on joukon Y niiden alkioiden joukko, jotka ovat relaatiossa joukon X jonkin alkion kanssa eli A R = { y Y x X : xry }.
Esimerkki. Kaikkein yksinkertaisimmat relaatiot joukkojen X ja Y alkioiden välillä ovat ja X Y. Jälkimmäisessä relaatiossa ovat keskenään kaikki alkiot x ( X ) ja y ( Y ), ja edellisessä eivät mitkään.
Jos relaation R lähtöjoukko ja maalijoukko ovat kumpikin X, niin sanomme, että R on joukossa X määritelty relaatio (tai joukon X relaatio). Esimerkki. Joukon X identtinen relaatio on I X = { (x, x) x X }. Jokainen alkio on identtisessä relaatiossa itsensä kanssa eikä minkään muun kanssa.
Esitystapoja: Nuolikuvio Polkukuvio eli digraafi Esitys koordinaatistossa Esitys matriisina