定义
集合难以严格定义
直观描述:若干个(有限或无限)具有某种共同性质的事物的全体
称:组成集合的单个事物为该集合元素或成员
通常用大写英文字母 A,B,C,⋯ 表示集合
用小写英文字母 a,b,c,⋯ 表示元素
例如:全中国人的集合,它的元素是每一个中国人,共同性质是中国人
元素与集合的关系
属于
若元素 a 在集合 A 中,则称 a 属于 A,记作 a∈A
不属于
若元素 a 不在集合 A 中,则称 a 不属于 A,记作 a∈/A
类型
有限集合
直观定义
包含有限个元素(包含0个)的集合称为有限集合,简称有限集
用于证明的定义
给定 Nk={0,1,2,⋯,k−1}, k∈Z,对于集合 A,若存在双射函数 f:Nk→A,则称 A 是有限集
无限集合
参考无限集合的定义
表示方法
列举法(穷举法或枚举法)
将集合中的元素在一对大括号 “{}” 中一一列举出来
如:{1,2,3}
当集合的元素较多且具有一定规律时,可简写为
先列一些元素,用省略号表示其他元素,写出规律项,省略号,若是有限集还需列出末尾元素
如:
- 正偶数集 {2,4,⋯,2n,⋯}
- 小于 100 的正偶数集 {2,4,⋯,2n,⋯,100}
适用情况:
- 集合元素较少
- 有规律的无限集和元素较多的有限集
描述法
描述出集合中元素的共同性质,描述法的形式为:
{代表元素∣满足的性质},“∣“ 表示“满足于“的意思
如:中国省份集合 A={x∣x是中国的省份}
归纳定义法(递归定义法)
一个集合 S 的归纳定义由三部分组成:
-
基础条款:给定集合 S 初始元素,使得 S 为非空集合
-
归纳条款:给定由集合 S 中已有的元素构造出新元素的方法
-
极小性条款:集合 S 中的元素必须能通过有限次应用基础条款和归纳条款构成,否则其不属于 S
这个条款还可写成:
集合 S 是满足基础条款和归纳条款的最小集合或
若 T⊆S,T 又满足基础条款和归纳条款,那么 T=S
下面是用归纳定义发给出能被 3 整除的正整数集合 S:
- 基础:3∈S
- 归纳:若 x,y∈S,则 x+y∈S
- 极小性:当且仅当有限次使用条款1和条款2得到的元素才属于集合 S
集合中元素的特点
无序性
集合中的元素是无序的
如:集合 {1,2,3} 等于集合 {3,2,1}
互异性
集合中不能有两个相同的元素
如:不会有集合 {1,2,2}
确定性
任意元素要么属于某个集合,要么不属于该集合
集合与集合的关系
子集(包含)
若集合 A 的每个元素都是集合 B 的元素,则称 A 为 B 的子集或 A 包含 B,又称 B 包含于 A,记作 A⊆B 或 B⊇A
若 A 不是 B 的子集,则记作 A⊈B
用谓词公式表示为:A⊆B⇔∀x(x∈A→x∈B)
子集具有传递性,即
若 A⊆B 且 B⊆C,则 A⊆C
子集具有自反性,即 A⊆A
真子集
若集合 A 的每个元素都是集合 B 的元素,但 B 至少有一个元素不属于 A,则称 A 是 B 的真子集,记作 A⊂B 或 B⊃A
若 A 不是 B 的真子集,则记作 A⊂B
用谓词公式表示为:
A⊂B⇔∀x(x∈A→x∈B)∧∃y(y∈B∧y∈/A)⇔(A⊆B)∧(A=B)
相等
A=B 当且仅当 A 和 B 具有相同的元素
不相等记作 A=B
用谓词公式表示为:
A=B⇔∀x(x∈A↔x∈B)⇔(A⊆B)∧(B⊆A)
属性
大小(基数或势)
对于一个有限集合 A,其大小为集合所含元素的个数,记作 ∣A∣
如:集合 A={1,2,3} 的大小 ∣A∣=3
对于无限集合的大小,请参考无限集合的大小
等势
若集合 A 到 B 能建立一个双射函数,则称集合 A 与集合 B 等势,记作 A∼B 或 ∣A∣=∣B∣
如:正整数集 Z+ 与自然数集 N 等势,因为可构造双射函数 f:Z+→N,f(x)=x−1
等势是任何集合簇上的等价关系,因为:
设有集合簇 S
- 自反性
任取 A∈S,可构造双射函数 f:A→A, f(x)=x,则 A∼A
- 对称性
任取 A, B∈S,若 A∼B,则可构造双射函数 f:A→B,而 f−1:B→A 也是一个双射函数,因此 B∼A
- 传递性
任取 A, B, C∈S,若 A∼B 且 B∼C,则存在双射函数 f:A→B 和双射函数 g:B→C,那么复合函数 f∘g:A→C 也为双射函数,因此有 A∼C
幂集
以集合 A 的所有子集为元素的集合称作 A 的幂集,记作 ρ(A)
如集合 A={1,2,3} 的幂集:
ρ(A)={∅,{1},{2},{3},{1,2},{1,3},{2,3},{1,2,3}}
若集合 A 大小 ∣A∣=n,则其幂集大小:
∣ρ(A)∣=Cn0+Cn1+Cn2+⋯+Cnn=2n
由幂集可知:集合的元素可以是集合
如:可以有集合 A={1,{2,3}},此时 {2,3}∈A 但 2∈/A
几个特殊的集合
空集
不含任何元素的集合称为空集,记作 ∅
空集是任意集合的子集,是任意非空集合的真子集
需要注意的是:空集是唯一的
全集
一定范围内所有事物组成的集合称为该范围内的全集,记为 U
基本运算
交
集合 A 与 B 的交集就是同时属于 A 和 B 的元素所构成的集合,记作 A∩B
用谓词公式表示为:
A∩B={x∣x∈A∧x∈B}
用文氏图表示为:

并
集合 A 与 B 的并集就是属于 A 或 B 其中之一的元素所构成的集合,记作 A∪B
用谓词公式表示为:
A∪B={x∣x∈A∨x∈B}
用文氏图表示为:

补
集合 A 的就是属于全集 U 但不属于 A 的元素所构成的集合,记作 A
用谓词公式表示为:
A={x∣x∈A∧x∈/U}
用文氏图表示为:

差(相对补)
集合 A 与 B 的差集就是属于 A 但不属于 B 的元素所构成的集合,记作 A−B
用谓词公式表示为:
A−B={x∣x∈A∧x∈/B}=A∩B
用文氏图表示为:

对称差(环合)
集合 A 与 B 的对称差集就是属于 A 但不属于 B 及属于 B 但不属于 A 的元素所构成的集合,记作 A⊕B
用谓词公式表示为:
A⊕B={x∣(x∈A∧x∈/B)∨(x∈B∧x∈/A)}=(A∪B)−(A∩B)=(A−B)∪(B−A)
用文氏图表示为:

环积
集合 A 与 B 的环积集就是属于 A 且属于 B 或不属于 A 且不属于 B 的元素所构成的集合,记作 A⊗B
用谓词公式表示为:
A⊗B={x∣(x∈A∧x∈B)∨(x∈/A∧x∈/B)}=A⊕B=(A∩B)∪(A∩B)
用文氏图表示为:

交并补的运算定律
交、并、补运算是集合最基本的三种运算,其他运算都可用交、并、补的组合表示
基本定律
| 定律 |
描述 |
| 交换律 |
A∩B=B∩A A∪B=B∪A |
| 结合律 |
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) |
| 吸收律 |
A∩(A∪B)=A A∪(A∩B)=A |
| 对合律 |
A=A |
| 等幂律 |
A∩A=A A∪A=A |
| 零一律 |
A∩∅=∅ A∪U=U |
| 同一律 |
A∩U=A A∪∅=A |
| 矛盾律 |
A∩A=∅ |
| 排中律 |
A∪A=U |
| 德·摩根律 |
A∩B=A∪B A∪B=A∩B |
以上定理用真值表即可很容易地证明
容斥原理
参考容斥原理
参考
[1] 离散数学西安电子科技大学出版社第二版
[2] CSDN 博客离散数学 集合论
[3] 集合的百度百科
[4] 集合论基础电子工业出版社