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

  1. 幂等律
    • AA=AA ∪ A = A
    • AA=AA ∩ A = A
  2. 交换律
    • AB=BAA ∪ B = B ∪ A
    • AB=BAA ∩ B = B ∩ A
  3. 结合律
    • (AB)C=A(BC)(A ∪ B) ∪ C = A ∪ (B ∪ C)
    • (AB)C=A(BC)(A ∩ B) ∩ C = A ∩ (B ∩ C)
  4. 分配律
    • A(BC)=(AB)(AC)A ∪ (B ∩ C) = (A ∪ B) ∩ (A ∪ C)
    • A(BC)=(AB)(AC)A ∩ (B ∪ C) = (A ∩ B) ∪ (A ∩ C)
  5. 同一律
    • A=AA \cup \varnothing = A
    • AU=AA \cap U = A
  6. 零律
    • AU=UA \cup U = U
    • $A \cap \varnothing =\varnothing $
  7. 吸收律
    • A(AB)=AA ∪ (A ∩ B) = A
    • A(AB)=AA \cap (A \cup B) = A
  8. 德·摩根律
    • (AB)=AB\sim (A ∪ B) =\sim A ∩\sim B
    • (AB)=AB\sim (A ∩ B) =\sim A ∪\sim B
  9. 对合律
    • $ \sim (\sim A) = A$
    • =U\sim \varnothing = U
    • $\sim U =\varnothing $
  10. 否定律
    • AA=UA ∪ \sim A = U
    • $A \cap \sim A = \empty $

在不含 ~ 的集合恒等式中,将\cap互换 ,\varnothingUU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\sim$ ,0 换为 \varnothing ,1 换为 UU\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=AB =\sim A 当且仅当$A ∪ B = U A ∩ B = \varnothing $。
  • 定理 8:设 A 和 B是全集U的子集,则下列命题等价:
    (1)ABA \subseteq B;(2)AB=BA∪B = B; (3)$ A ∩ B = A;(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:

  • A1A2An={xxA1xA2xAn}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\}

  • A1A2An={xxA1xA2xAn}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\}

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
  1. 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} $。
  2. $ \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AA为任意集合,B\mathcal{B} 为任意集合族,则,
    (1) BBB\in \mathcal {B},则BB\cap B \in BBBB \in \cup B
    (2) 若对任意BBB \in \mathcal B 都有BAB \subseteq A,则BA\cap B \subseteq A
    (3) 若对任意BBB \in \mathcal B 都有ABA \subseteq B,则ABA \subseteq \cap B


有穷集的计数原理

  • 引理1:若AABB是有穷集合,且ABA∩B=\varnothing,则
    (AB)=A+B#(A∪B) = #A+# B

  • 定理:若 A 和 B 是有穷集合,则
    (AB)=A+#B-#(AB)#( A∪B ) = #A+#B -#(A∩B)
    证明:

  • 推论:若AABBCC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

  1. 基本项:非空集 S0AS_0 \subseteq A; (规定A的一些生成元)
  2. 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;
  3. 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 SAS \subseteq 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 >。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\}\,\}

有序偶的唯一性定理:若<x,y>=<u,v><x,y>=<u,v>,则x=ux=uy=vy=v


n元序偶定义:<x1,x2,...,xn>=<<x2,...,xn>,x1>n>2<x_1,x_2,...,x_n>=<<x_2,...,x_n>,x_1>,n>2
定理<x1,x2,...,xn>=<y1,y2,...,yn><x_1,x_2,...,x_n>=<y_1,y_2,...,y_n>当且仅当xi=yix_i=y_ii=1,2,...,nn>2i=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>xAyB}A×B=\{<x,y>\,|\,x\in A \wedge y\in B\} 为集合 A 和 B 的笛卡尔乘积。
性质

  1. 不满足交换律
  2. 不满足结合律
  3. A=B=时,A×B=A=\varnothing 或B=\varnothing 时,A\times B = \varnothing
  4. #(A×B)=#A#B\#(A×B)=\#A·\#B(A,B为任意有限集)

定理:$A\times B = \varnothing 当且仅当当且仅当A=\varnothingB=\varnothing$。

定理:若A×BC×DA×B \subseteq C×D,当且仅当ACA\subseteq CBDB\subseteq D
定理:若A×B=C×DA×B = C×D,当且仅当A=CA=CB=DB=D

定理 设 A,B 和 C 为任意三个集合,则
A×(BC)=(A×B)(A×C)A×(B∪C) = (A×B)∪(A×C)
(AB)×C=(A×C)(B×C)(A∪B)×C = (A×C)∪(B×C)
A×(BC)=(A×B)(A×C)A×(B∩C) = (A×B)∩(A×C)
(AB)×=(A×C)(B×C)(A∩B)×C= (A×C)∩(B×C)
A×(BC)=(A×B)(A×C)A×(B – C) = (A×B) – (A×C)
(AB)×C=(A×C)(B×C)(A – B)×C = (A×C) – (B×C)

n个集合的笛卡尔乘积:设A1,A2,...,AnA_1,A_2,...,A_n为任意n个集合,则称集合A1×A2×...×An={<x1,x2,...,xn>xiAi,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\}为n个集合的笛卡尔乘积,特别的,将A1×A2×...×AnA_1×A_2×...×A_n记为AnA^n