week 3
集合的运算(续)
集合的基本定义
集合表示 :集合通常用大写字母表示,如A、B、C等,元素用小写字母表示,如x、y、z等。
集合的基本运算 :
并集(∪ \cup ∪ ) :A ∪ B 表示所有属于A或B的元素。
交集(∩ \cap ∩ ) :A ∩ B 表示所有既属于A又属于B的元素。
差集(− − − ) :A − B 表示属于A但不属于B的元素。
补集( ~ ) :~A 表示不属于A的所有元素。
集合的基本定律
幂等律 :
A ∪ A = A A ∪ A = A A ∪ A = A
A ∩ A = A A ∩ A = A A ∩ A = A
交换律 :
A ∪ B = B ∪ A A ∪ B = B ∪ A A ∪ B = B ∪ A
A ∩ B = B ∩ A A ∩ B = B ∩ A A ∩ B = B ∩ A
结合律 :
( A ∪ B ) ∪ C = A ∪ ( B ∪ C ) (A ∪ B) ∪ C = A ∪ (B ∪ C) ( A ∪ B ) ∪ C = A ∪ ( B ∪ C )
( A ∩ B ) ∩ C = A ∩ ( B ∩ C ) (A ∩ B) ∩ C = A ∩ (B ∩ C) ( A ∩ B ) ∩ C = A ∩ ( B ∩ C )
分配律 :
A ∪ ( B ∩ C ) = ( A ∪ B ) ∩ ( A ∪ C ) A ∪ (B ∩ C) = (A ∪ B) ∩ (A ∪ C) A ∪ ( B ∩ C ) = ( A ∪ B ) ∩ ( A ∪ C )
A ∩ ( B ∪ C ) = ( A ∩ B ) ∪ ( A ∩ C ) A ∩ (B ∪ C) = (A ∩ B) ∪ (A ∩ C) A ∩ ( B ∪ C ) = ( A ∩ B ) ∪ ( A ∩ C )
同一律 :
A ∪ ∅ = A A \cup \varnothing = A A ∪ ∅ = A
A ∩ U = A A \cap U = A A ∩ U = A
零律 :
A ∪ U = U A \cup U = U A ∪ U = U
$A \cap \varnothing =\varnothing $
吸收律 :
A ∪ ( A ∩ B ) = A A ∪ (A ∩ B) = A A ∪ ( A ∩ B ) = A
A ∩ ( A ∪ B ) = A A \cap (A \cup B) = A A ∩ ( A ∪ B ) = A
德·摩根律 :
∼ ( A ∪ B ) = ∼ A ∩ ∼ B \sim (A ∪ B) =\sim A ∩\sim B ∼ ( A ∪ B ) =∼ A ∩ ∼ B
∼ ( A ∩ B ) = ∼ A ∪ ∼ B \sim (A ∩ B) =\sim A ∪\sim B ∼ ( A ∩ B ) =∼ A ∪ ∼ B
对合律 :
$ \sim (\sim A) = A$
∼ ∅ = U \sim \varnothing = U ∼ ∅ = U
$\sim U =\varnothing $
否定律 :
A ∪ ∼ A = U A ∪ \sim A = U A ∪ ∼ A = U
$A \cap \sim A = \empty $
在不含 ~ 的集合恒等式中,将∪ ∪ ∪ 和∩ \cap ∩ 互换 ,∅ \varnothing ∅ 和U U U 互换,得到的仍是集合恒等式。—— 对偶原理
将不含$\rightarrow $和 ↔ \leftrightarrow ↔ 的命题逻辑等值式中的∨ \vee ∨ 换为∪ \cup ∪ ,∧ \wedge ∧ 换为∩ \cap ∩ ,$\lnot 换为 换为 换为 \sim$ ,0 换为 ∅ \varnothing ∅ ,1 换为 U U U ,⇔ \Leftrightarrow ⇔ 换为 = ,就得到集合恒等式。
集合运算的性质
定理7:设 A 和 B是全集U的子集,B = ∼ A B =\sim A B =∼ A 当且仅当$A ∪ B = U 和 和 和 A ∩ B = \varnothing $。
定理 8:设 A 和 B是全集U的子集,则下列命题等价:
(1)A ⊆ B A \subseteq B A ⊆ B ;(2)A ∪ B = B A∪B = B A ∪ B = B ; (3)$ A ∩ B = A; ( 4 ) ; (4) ; ( 4 ) A – B =\varnothing $
证明两个集合相等常用以下两种方法:
(1)集合相等定义 (元素分析法)
(2)集合运算的基本定律(等式推理)
交、并的推广
广义并与广义交
设 A1 , A2 , ……, An 为集合,则:
A 1 ∩ A 2 ∩ ⋯ ∩ A n = { x ∣ x ∈ A 1 ∧ x ∈ A 2 ∧ ⋯ ∧ x ∈ A n } A_1 \cap A_2 \cap \cdots \cap A_n = \{x \,|\, x \in A_1 \land x \in A_2 \land \dots \land x \in A_n\}
A 1 ∩ A 2 ∩ ⋯ ∩ A n = { x ∣ x ∈ A 1 ∧ x ∈ A 2 ∧ ⋯ ∧ x ∈ A n }
A 1 ∪ A 2 ∪ ⋯ ∪ A n = { x ∣ x ∈ A 1 ∨ x ∈ A 2 ∨ ⋯ ∨ x ∈ A n } A_1 \cup A_2 \cup \cdots \cup A_n = \{x \,|\, x \in A_1 \lor x \in A_2 \lor \dots \lor x \in A_n\}
A 1 ∪ A 2 ∪ ⋯ ∪ A n = { x ∣ x ∈ A 1 ∨ x ∈ A 2 ∨ ⋯ ∨ x ∈ A n }
分别记作:$ \bigcap_{i=1}^{n} A_i $ 和$\bigcup_{i=1}^{n} A_i $
对于无穷多个集合的交集和并集,则分别记为:
$ \bigcap_{i=1}^{\infty} A_i = A_1 \cap A_2 \cap \dots \cap A_n \cap \dots $
$ \bigcup_{i=1}^{\infty} A_i = A_1 \cup A_2 \cup \dots \cup A_n \cup \dots $
定义 (集类或集合族) : 如果一个集合的所有元素都是集合,则称该集合为集类。
定义(广义并、广义交):设 ( \mathcal{B} ) 为任意集类,则
集合 $ { x ,|, \exists X (X \in \mathcal{B} \land x \in X) } $ 称为 $\mathcal{B} $ 的广义并,记为 $ \cup \mathcal{B} $。
若 $ \mathcal{B} \neq \varnothing $ ,则集合 $ { x |, \forall X (X \in \mathcal{B} \rightarrow x \in X) } $ 称为 $ \mathcal{B} $ 的广义交,记为 $ \cap \mathcal{B} $。
若 $ B = \varnothing $,则 $ \cap B $ 无意义,因为对于任意 $ X \in B $,条件 $ X \in B \rightarrow x \in X $ 的前件为假,因此结论为真,导致 $ \cap B $ 等于全集 $ U $。
定理9 :广义的交、并运算设 ( A ) 为任意集合,( \mathcal{B} ) 为任意集合族,则有:
(1) 若 ( B \neq \varnothing ),则 $ A \cup (\cup B) = \cup { A \cup X ,|, X \in B } $
(2) 若 ( B \neq \varnothing ),则 $ A \cap (\cap B) = \cap { A \cap X ,|, X \in B } $
(3) 若 ( B \neq \varnothing ),则 $ A \cup (\cap B) = \cap { A \cup X ,|, X \in B } $
(4) $ A \cap (\cup B) = \cup { A \cap X ,|, X \in B } $
(5) 若 ( B \neq \varnothing ),则 $ \sim (\cap B) = \cup { \sim X ,|, X \in B } $
(6) 若 ( B \neq \varnothing ),则 $ \sim (\cup B) = \cap { \sim X ,|, X \in {B} } $
定理10 :设A A A 为任意集合,B \mathcal{B} B 为任意集合族,则,
(1) B ∈ B B\in \mathcal {B} B ∈ B ,则∩ B ∈ B \cap B \in B ∩ B ∈ B 且B ∈ ∪ B B \in \cup B B ∈ ∪ B
(2) 若对任意B ∈ B B \in \mathcal B B ∈ B 都有B ⊆ A B \subseteq A B ⊆ A ,则∩ B ⊆ A \cap B \subseteq A ∩ B ⊆ A
(3) 若对任意B ∈ B B \in \mathcal B B ∈ B 都有A ⊆ B A \subseteq B A ⊆ B ,则A ⊆ ∩ B A \subseteq \cap B A ⊆ ∩ B
有穷集的计数原理
引理1:若A A A 和B B B 是有穷集合,且A ∩ B = ∅ A∩B=\varnothing A ∩ B = ∅ ,则
# ( A ∪ B ) = # A + # B #(A∪B) = #A+# B # ( A ∪ B ) = # A + # B
定理:若 A 和 B 是有穷集合,则
# ( A ∪ B ) = # A +# B -# ( A ∩ B ) #( A∪B ) = #A+#B -#(A∩B) # ( A ∪ B ) = # A +# B -# ( A ∩ B )
证明:
推论:若A A A ,B B B 和 C C C 是有穷集合,则
$#(A∪B ∪C), =, #A+#B+#C - #(A∩B) -#(A∩C)-#(B∩C)+ #(A∩B ∩C) $
集合的归纳定义法
归纳定义法
基本项 :非空集 S 0 ⊆ A S_0 \subseteq A S 0 ⊆ A ; (规定A的一些生成元)
归纳项 :一组规则,从 A 中元素出发,依据这些规则所获得的元素仍然是 A 中的元素;
极小化 :
(a) A 中的每个元素都是通过有限次使用1) 或 2)获得的。
(b) 如果集合 S ⊆ A S \subseteq A S ⊆ A 也满足 1)和 2),则 S = A 。
有序偶和笛卡尔乘积
有序偶
定义 :1(有序偶)任给两个对象 x 和 y,将它们按规定的顺序构成的序列,称之为有序偶,记为< x , y > < x, y > < x , y > 。其中,x 称为有序偶的第一元,y 称为第二元。
注意:有序偶≠二元集,有序偶是有顺序的
有序偶的集合定义 :< x , y > = { { x } , { x , y } } <x,y>=\{\, \{ x\},\{ x,y\}\,\} < x , y >= { { x } , { x , y } }
有序偶的唯一性定理 :若< x , y > = < u , v > <x,y>=<u,v> < x , y >=< u , v > ,则x = u x=u x = u 且y = v y=v y = v 。
n元序偶定义: :< x 1 , x 2 , . . . , x n > = < < x 2 , . . . , x n > , x 1 > , n > 2 <x_1,x_2,...,x_n>=<<x_2,...,x_n>,x_1>,n>2 < x 1 , x 2 , ... , x n >=<< x 2 , ... , x n > , x 1 > , n > 2 。
定理 :< x 1 , x 2 , . . . , x n > = < y 1 , y 2 , . . . , y n > <x_1,x_2,...,x_n>=<y_1,y_2,...,y_n> < x 1 , x 2 , ... , x n >=< y 1 , y 2 , ... , y n > 当且仅当x i = y i x_i=y_i x i = y i ,i = 1 , 2 , . . . , n , n > 2 i=1,2,...,n,n>2 i = 1 , 2 , ... , n , n > 2 。
笛卡尔乘积
定义 :设 A,B 是任意两个集合,则称集合 A × B = { < x , y > ∣ x ∈ A ∧ y ∈ B } A×B=\{<x,y>\,|\,x\in A \wedge y\in B\} A × B = { < x , y > ∣ x ∈ A ∧ y ∈ B } 为集合 A 和 B 的笛卡尔乘积。
性质 :
不满足交换律
不满足结合律
当A = ∅ 或 B = ∅ 时, A × B = ∅ A=\varnothing 或B=\varnothing 时,A\times B = \varnothing A = ∅ 或 B = ∅ 时, A × B = ∅
# ( A × B ) = # A ⋅ # B \#(A×B)=\#A·\#B # ( A × B ) = # A ⋅ # B (A,B为任意有限集)
定理 :$A\times B = \varnothing 当且仅当 当且仅当 当且仅当 A=\varnothing或 或 或 B=\varnothing$。
定理 :若A × B ⊆ C × D A×B \subseteq C×D A × B ⊆ C × D ,当且仅当A ⊆ C A\subseteq C A ⊆ C 且B ⊆ D B\subseteq D B ⊆ D 。
定理 :若A × B = C × D A×B = C×D A × B = C × D ,当且仅当A = C A=C A = C 且B = D B=D B = D 。
定理 设 A,B 和 C 为任意三个集合,则
A × ( B ∪ C ) = ( A × B ) ∪ ( A × C ) A×(B∪C) = (A×B)∪(A×C) A × ( B ∪ C ) = ( A × B ) ∪ ( A × C ) ;
( A ∪ B ) × C = ( A × C ) ∪ ( B × C ) (A∪B)×C = (A×C)∪(B×C) ( A ∪ B ) × C = ( A × C ) ∪ ( B × C ) ;
A × ( B ∩ C ) = ( A × B ) ∩ ( A × C ) A×(B∩C) = (A×B)∩(A×C) A × ( B ∩ C ) = ( A × B ) ∩ ( A × C ) ;
( A ∩ B ) × C = ( A × C ) ∩ ( B × C ) (A∩B)×C= (A×C)∩(B×C) ( A ∩ B ) × C = ( A × C ) ∩ ( B × C ) ;
A × ( B – C ) = ( A × B ) – ( A × C ) A×(B – C) = (A×B) – (A×C) A × ( B – C ) = ( A × B ) – ( A × C ) ;
( A – B ) × C = ( A × C ) – ( B × C ) (A – B)×C = (A×C) – (B×C) ( A – B ) × C = ( A × C ) – ( B × C ) 。
n个集合的笛卡尔乘积 :设A 1 , A 2 , . . . , A n A_1,A_2,...,A_n A 1 , A 2 , ... , A n 为任意n个集合,则称集合A 1 × A 2 × . . . × A n = { < x 1 , x 2 , . . . , x n > ∣ x i ∈ A i , i = 1 , 2 , . . . , n } A_1×A_2×...×A_n=\{<x_1,x_2,...,x_n>\,|\,x_i\in A_i,i=1,2,...,n\} A 1 × A 2 × ... × A n = { < x 1 , x 2 , ... , x n > ∣ x i ∈ A i , i = 1 , 2 , ... , n } 为n个集合的笛卡尔乘积,特别的,将A 1 × A 2 × . . . × A n A_1×A_2×...×A_n A 1 × A 2 × ... × A n 记为A n A^n A n 。