集合的基本概念

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成员

通常用大写英文字母 A,B,C,A,B,C,\cdots 表示集合
用小写英文字母 a,b,c,a,b,c,\cdots 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 aa 在集合 AA 中,则称 aa 属于 AA,记作 aAa\in A

不属于

若元素 aa 不在集合 AA 中,则称 aa 不属于 AA,记作 aAa\notin 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,,k1}, kZ\mathbf N_k=\{0,1,2,\cdots,k-1\},\ k\in\mathbf Z,对于集合 AA,若存在双射函数 f:NkAf:\mathbf N_k\rightarrow A,则称 AA 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}\{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:

  1. 正偶数集 {2,4,,2n,}\{2,4,\cdots,2n,\cdots\}
  2. 小于 100100 的正偶数集 {2,4,,2n,,100}\{2,4,\cdots,2n,\cdots,100\}

适用情况:

  1. 集合元素较少
  2. 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={xxA=\{x|x是中国的省份}\}

归纳定义法(递归定义法)

一个集合 SS 的归纳定义由三部分组成:

  1. 基础条款:给定集合 SS 初始元素,使得 SS 为非空集合

  2. 归纳条款:给定由集合 SS 中已有的元素构造出新元素的方法

  3. 极小性条款:集合 SS 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 SS

    这个条款还可写成:
    集合 SS 是满足基础条款和归纳条款的最小集合或
    TST\subseteq STT 又满足基础条款和归纳条款,那么 T=ST=S

下面是用归纳定义发给出能被 33 整除的正整数集合 SS

  1. 基础:3S3\in S
  2. 归纳:若 x,ySx,y\in S,则 x+ySx+y\in S
  3. 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 SS

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}\{1,2,3\} 等于集合 {3,2,1}\{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}\{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 AA 的每个元素都是集合 BB 的元素,则称 AABB 的子集或 AA 包含 BB,又称 BB 包含于 AA,记作 ABA\subseteq BBAB\supseteq A
AA 不是 BB 的子集,则记作 ABA\nsubseteq B

谓词公式表示为:ABx(xAxB)A\subseteq B\Leftrightarrow \forall x(x\in A\rightarrow x\in B)

子集具有传递性,即
ABA\subseteq BBCB\subseteq C,则 ACA\subseteq C

子集具有自反性,即 AAA\subseteq A

真子集

若集合 AA 的每个元素都是集合 BB 的元素,但 BB 至少有一个元素不属于 AA,则称 AABB 的真子集,记作 ABA\subset BBAB\supset A
AA 不是 BB 的真子集,则记作 A⊄BA\not\subset B

谓词公式表示为:

ABx(xAxB)y(yByA)(AB)(AB)\begin{aligned} A\subset B&\Leftrightarrow \forall x(x\in A\rightarrow x\in B)\land \exists y(y\in B \land y\notin A) \\ &\Leftrightarrow (A\subseteq B)\land (A\neq B) \end{aligned}

相等

A=BA=B 当且仅当 AABB 具有相同的元素
不相等记作 ABA\neq B

谓词公式表示为:

A=Bx(xAxB)(AB)(BA)\begin{aligned} A=B&\Leftrightarrow \forall x(x\in A\leftrightarrow x\in B)\\ &\Leftrightarrow (A\subseteq B)\land (B\subseteq A) \end{aligned}

属性

大小(基数或势)

对于一个有限集合 AA,其大小为集合所含元素的个数,记作 A|A|
如:集合 A={1,2,3}A=\{1,2,3\} 的大小 A=3|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 AABB 能建立一个双射函数,则称集合 AA 与集合 BB 等势,记作 ABA\sim BA=B|A|=|B|
如:正整数集 Z+\mathbf Z^+自然数集 N\mathbf N 等势,因为可构造双射函数 f:Z+N,f(x)=x1f:\mathbf Z^+\rightarrow \mathbf 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 SS

  1. 自反性
    任取 ASA\in S,可构造双射函数 f:AA, f(x)=xf:A\rightarrow A,\ f(x)=x,则 AAA\sim A
  2. 对称性
    任取 A, BSA,\ B\in S,若 ABA\sim B,则可构造双射函数 f:ABf:A\rightarrow B,而 f1:BAf^{-1}:B\rightarrow A 也是一个双射函数,因此 BAB\sim A
  3. 传递性
    任取 A, B, CSA,\ B,\ C\in S,若 ABA\sim BBCB\sim C,则存在双射函数 f:ABf:A\rightarrow B 和双射函数 g:BCg:B\rightarrow C,那么复合函数 fg:ACf\circ g:A\rightarrow C 也为双射函数,因此有 ACA\sim C

幂集

以集合 AA 的所有子集为元素的集合称作 AA幂集,记作 ρ(A)\rho(A)

如集合 A={1,2,3}A=\{1,2,3\} 的幂集:

ρ(A)={,{1},{2},{3},{1,2},{1,3},{2,3},{1,2,3}}\rho(A)=\{\varnothing,\{1\},\{2\},\{3\},\{1,2\},\{1,3\},\{2,3\},\{1,2,3\}\}

若集合 AA 大小 A=n|A|=n,则其幂集大小:

ρ(A)=Cn0+Cn1+Cn2++Cnn=2n\begin{aligned} |\rho(A)|&=C_n^0+C_n^1+C_n^2+\cdots+C_n^n\\ &=2^n \end{aligned}

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}}A=\{1,\{2,3\}\},此时 {2,3}A\{2,3\}\in A2A2\notin 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 \varnothing

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 UU

基本运算

集合 AABB 的交集就是同时属于 AABB 的元素所构成的集合,记作 ABA\cap B

谓词公式表示为:

AB={xxAxB}A\cap B=\{x|x\in A\land x\in B\}

文氏图表示为:
文氏图表示集合的交

集合 AABB 的并集就是属于 AABB 其中之一的元素所构成的集合,记作 ABA\cup B

谓词公式表示为:

AB={xxAxB}A\cup B=\{x|x\in A\lor x\in B\}

文氏图表示为:
文氏图表示集合的并

集合 AA 的就是属于全集 UU 但不属于 AA 的元素所构成的集合,记作 A\overline A

谓词公式表示为:

A={xxAxU}\begin{aligned} \overline A &=\{x|x\in A\land x\notin U\}\\ \end{aligned}

文氏图表示为:
文氏图表示集合的补

差(相对补)

集合 AABB 的差集就是属于 AA 但不属于 BB 的元素所构成的集合,记作 ABA-B

谓词公式表示为:

AB={xxAxB}=AB\begin{aligned} A-B&=\{x|x\in A\land x\notin B\}\\ &=A\cap \overline B \end{aligned}

文氏图表示为:
文氏图表示集合的差

对称差(环合)

集合 AABB 的对称差集就是属于 AA 但不属于 BB 及属于 BB 但不属于 AA 的元素所构成的集合,记作 ABA\oplus B

谓词公式表示为:

AB={x(xAxB)(xBxA)}=(AB)(AB)=(AB)(BA)\begin{aligned} A\oplus B&=\{x|(x\in A\land x\notin B)\lor(x\in B\land x\notin A)\}\\ &=(A\cup B)-(A\cap B)\\ &=(A-B)\cup (B-A) \end{aligned}

文氏图表示为:
文氏图表示集合的对称差

环积

集合 AABB 的环积集就是属于 AA 且属于 BB 或不属于 AA 且不属于 BB 的元素所构成的集合,记作 ABA\otimes B

谓词公式表示为:

AB={x(xAxB)(xAxB)}=AB=(AB)(AB)\begin{aligned} A\otimes B&=\{x|(x\in A\land x\in B)\lor (x\notin A\land x\notin B)\}\\ &=\overline{A\oplus B}\\ &=(A\cap B)\cup(\overline A\cap \overline B) \end{aligned}

文氏图表示为:
文氏图表示集合的环积

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 AB=BAA\cap B=B\cap A
AB=BAA\cup B=B\cup A
结合律 A(BC)=(AB)CA\cap(B\cap C)=(A\cap B)\cap C
A(BC)=(AB)CA\cup(B\cup C)=(A\cup B)\cup C
分配律 A(BC)=(AB)(AC)A\cap(B\cup C)=(A\cap B)\cup(A\cap C)
A(BC)=(AB)(AC)A\cup(B\cap C)=(A\cup B)\cap(A\cap C)
吸收律 A(AB)=AA\cap(A\cup B)=A
A(AB)=AA\cup(A\cap B)=A
对合律 A=A\overline{\overline A}=A
等幂律 AA=AA\cap A=A
AA=AA\cup A=A
零一律 A=A\cap \varnothing=\varnothing
AU=UA\cup U=U
同一律 AU=AA\cap U=A
A=AA\cup \varnothing=A
矛盾律 AA=A\cap\overline A=\varnothing
排中律 AA=UA\cup \overline A=U
德·摩根律 AB=AB\overline{A\cap B}=\overline A\cup\overline B
AB=AB\overline{A\cup B}=\overline A\cap\overline 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


集合的基本概念
https://wuqin0202.github.io/2023/06/06/mathematics/集合的基本概念/
作者
wuqin
发布于
2023年6月6日
许可协议