Множества — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
м
м (rollbackEdits.php mass rollback)
 
(не показаны 22 промежуточные версии 9 участников)
Строка 1: Строка 1:
{{В разработке}}
+
[[Категория:Математический анализ 1 курс]] [[Категория:Дискретная математика и алгоритмы]] [[Категория:Отношения]]
[[Категория:Математический анализ 1 курс]]
 
  
Лекция от 06.09.10.
+
==Определения==
  
Множество - первичное математическое понятие, которому не может быть дано строгое математическое определение. Часто множество определяют как "совокупность обьектов, обьединенных общим свойством".
+
{{Определение
 +
|definition=
 +
''Множество'' {{---}} первичное математическое понятие, которому не дано строгое математическое определение. Представляет собой набор, совокупность каких-либо объектов, объединенных общим свойством.
 +
}}
  
В математическом анализе используется "наивная" теория множеств, которая является удобным языком описания фактов. Создана немецким математиком Г. Кантором(1870).
+
{{Определение
 +
|definition=
 +
Объекты, из которых состоит множество, называют ''элементами'' этого множества. Если <tex>a</tex> {{---}} элемент множества <tex>A</tex>, то записывают <tex>a \in A</tex> («<tex>a</tex> принадлежит <tex>A</tex>»). Если <tex>a</tex> не является элементом множества <tex>A</tex>, то записывают <tex>a \notin A</tex> («<tex>a</tex> не принадлежит <tex>A</tex>»). В отличие от мультимножества каждый элемент множества уникален, и во множестве не может быть двух идентичных элементов.
 +
}}
  
a ∈ A (обьект а принадлежит множеству А)
+
==Способы задания множеств==
  
a ∉ A (обьект а не принадлежит множеству А)
+
Существуют два основных способа задания множеств: перечисление и описание.
  
Задание множеств:
+
==== Перечисление ====
 +
Первый способ состоит в том, что задаётся и перечисляется полный список элементов, входящих в множество.
 +
 
 +
<tex> A = \{a_1, a_2 ..., a_n, ...\} </tex>
  
1) Перечислением элементов: A = {a1, a<sub>2</sub>, ..., a<sub>n</sub>}
+
==== Описание ====
 +
Второй способ применяется, когда множество нельзя или затруднительно задать с помощью списка. В таком случае множества определяются свойствами их элементов.
  
2) Заданием определенного свойства обьектов: A = {a: P}, где P - определенное свойство обьекта а
+
<tex> A = \{a \mid P\} </tex> , где <tex>P</tex> {{---}} определенное свойство элемента <tex>a</tex>.
  
Операции:
+
== Отношения между множествами ==
  
1) A B (A является подмножеством B, каждый элемент из А также принадлежит В; ∀ x ∈ A ⇒ x ∈ B);
+
Два множества <tex>A</tex> и <tex>B</tex> могут вступать друг с другом в различные отношения.
  
2) A B (Пересечение множеств А и В: (x ∈ A) ∧ (x ∈ B));
+
==== Включение ====
 +
* <tex>A</tex> включено в <tex>B</tex>, если каждый элемент множества <tex>A</tex> принадлежит также и множеству <tex>B</tex> :  
 +
*: <tex>\displaystyle A\subseteq B\Leftrightarrow \forall a\in A \ \colon \ a\in B</tex>
  
3) A B (Обьединение множеств А и В: (x ∈ A) ∨ (x ∈ B));
+
* <tex>A</tex> включает <tex>B</tex>, если <tex>B</tex> включено в <tex>A</tex>:
 +
*: <tex>{\displaystyle A\supseteq B\Leftrightarrow B\subseteq A}</tex>
  
4) B \ A (Разность множеств: (x ∈ B) (x ∉ A));
+
* <tex>A</tex> строго включено в <tex>B</tex>, если <tex>A</tex> включено в <tex>B</tex>, но не равно ему:
 +
*: <tex>{\displaystyle A\subset B\Leftrightarrow (A\subseteq B)\land (A\neq B)}</tex>
  
5) ∅ - пустое множество. A ∪ ∅ = A;
+
==== Равенство ====
 +
* <tex>A</tex> равно <tex>B</tex>, если <tex>A</tex> и <tex>B</tex> включены друг в друга:
 +
*: <tex>{\displaystyle A=B\Leftrightarrow (A\subseteq B)\land (B\subseteq A)}</tex>
  
A ∩ ∅ = ∅;
+
==== Общие элементы ====
 +
* <tex>A</tex> и <tex>B</tex> не пересекаются, если у них нет общих элементов:
 +
*: <tex>A</tex> и <tex>B</tex> не пересекаются <tex>{\displaystyle \Leftrightarrow \forall a\in A \ \colon a\notin B}</tex>
  
∀ A: ∅ ⊂ A
 
  
<math>\bigcup_{\alpha\in W} A_\alpha</math> - обьединение нескольких множеств. В общем случае может состоять из бесконечного количества множеств:
+
== Специальные множества ==
  
<math>\bigcup_{j \in R} A_j = A_1 \cup A_2 \cup </math> ...
+
{{Определение
 +
|definition=
 +
''Пустое множество'' {{---}} множество, не содержащее ни одного элемента. Обычно пустое множество обозначают как <tex>\varnothing</tex>.
 +
}}
  
<math> \bigcup_{0 < x < 1} A_x </math>
+
{{Определение
 +
|definition=
 +
''Универсальное множество'' {{---}} множество, содержащее все объекты и все множества. В тех аксиоматиках, в которых универсальное множество существует, оно единственно. Обычно универсальное множество обозначают как <tex> \ \displaystyle \mathbb {U}</tex>.
 +
}}
  
<math> \bigcap_{\alpha \in W} A_{\alpha} </math> и так далее.
+
== Операции над множествами ==
  
A, B, C, ... ⊂ U - "множество всего".
+
==== Бинарные операции над множествами ====
  
<math>\overline{A} = U </math> \ <math> A</math> - дополнение множества А, дополнительное множество к А до U;
+
* Пересечение <tex>A</tex> и <tex>B</tex>.
 +
*: <tex>{\displaystyle A\cap B =\{x\mid x\in A\land x\in B\}}</tex>
  
Теорема(Де-Морган):
+
* Объединение <tex>A</tex> и <tex>B</tex>.
 +
*: <tex>{\displaystyle A\cup B =\{x\mid x\in A\lor x\in B\}}</tex>
  
<math>\overline{\bigcup A_\alpha} = \bigcap \overline{A_\alpha} </math>
+
* Разность <tex>A</tex> и <tex>B</tex>.
 +
*: <tex>{\displaystyle A\setminus B =A\cap {\overline {B}}=\{x\mid x\in A\land x\notin B\}}</tex>
  
<math>\overline{\bigcap A_\alpha} = \bigcup \overline{A_\alpha}; </math>
+
* Симметрическая разность <tex>A</tex> и <tex>B</tex>.
 +
*: <tex> {\displaystyle A \bigtriangleup B \equiv A - B  = (A \cup B) \setminus (A \cap B) }</tex>
  
<tex>\overline{\bigcup A_\alpha} = \bigcap \overline{A_\alpha} </tex>
+
==== Унарные операции над множествами ====
  
<tex>\overline{\bigcap A_\alpha} = \bigcup \overline{A_\alpha}; </tex>
+
* Дополнение определяется следующим образом:
 +
*: <tex>{\displaystyle {{\overline {A}}\equiv A^{\complement }=\{x\mid x\notin A\}}=U\setminus A}</tex>.
  
<amsmath>
+
== Теорема де Моргана ==
\label{e:barwq}\begin{split}
+
 
H_c&=\frac{1}{2n} \sum^n_{l=0}(-1)^{l}(n-{l})^{p-2}
+
{{Теорема
\sum_{l _1+\dots+ l _p=l}\prod^p_{i=1} \binom{n_i}{l _i}\\
+
|about=
&\quad\cdot[(n-l )-(n_i-l _i)]^{n_i-l _i}\\
+
де Моргана
&\quad\cdot
+
|statement=
\Bigl[(n-l )^2-\sum^p_{j=1}(n_i-l _i)^2\Bigr].
+
<tex>\displaystyle {\overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha} = \bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha} \\
\end{split}
+
\overline{\bigcap\limits_\alpha A_\alpha} = \bigcup\limits_\alpha \overline{A_\alpha}} </tex>
</amsmath>
+
|proof=
 +
Докажем первое утверждение, второе доказывается аналогично.
 +
Для того, чтобы доказать равенство множеств, докажем, что первое множество включает второе и наоборот (частый приём при доказательстве равенства двух множеств).
 +
 
 +
Сначала докажем, что <tex> \ \displaystyle \overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha} \displaystyle \subseteq \bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha}</tex>.
 +
 
 +
Пусть <tex>x \in \left ( \overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha} \right )</tex>. Значит, <tex>\nexists \ \alpha_i</tex> такого, что <tex>x \in A_{\alpha_i}</tex>. Следовательно, <tex>\forall \alpha : \ x \in \overline{A_\alpha} \Rightarrow x \in \left (\bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha} \right )</tex>.
 +
В силу выбора <tex>x</tex> (любой элемент множества <tex>\overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha}</tex>) следует искомое включение.
 +
 
 +
 
 +
Теперь докажем, что <tex> \ \displaystyle \bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha} \subseteq \overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha}</tex>
 +
 
 +
Пусть <tex>x \in \left ( \bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha} \right )</tex>. Тогда <tex>\forall \alpha : \ x \in \overline{A_\alpha} \Rightarrow x \notin A_\alpha</tex>. Поскольку <tex>x</tex> не входит ни в одно объединяемое множество, то <tex>x \notin \bigcup\limits_\alpha A_\alpha \Rightarrow x \in \overline{\bigcup\limits_{\alpha} A_\alpha}</tex>
 +
Аналогично, в силу выбора <tex>x</tex> выполняется искомое включение.
 +
}}
 +
 
 +
Теорема де Моргана устанавливает двойственность понятий объединения и пересечения множеств. То есть, имея некоторое верное равенство, содержащее объединения и пересечения, можно переписать его, заменив пересечения на объединения и наоборот. Например, из равенства
 +
:<tex>(A \cup B) \cap C = (A \cap C) \cup (B \cap C) \Rightarrow (A \cap B) \cup C = (A \cup C) \cap (B \cup C)</tex>
 +
Доказывается это следующим образом: равны множества, значит, равны дополнения. После раскрытия дополнений приходим к написанному равенству.

Текущая версия на 19:14, 4 сентября 2022


Определения

Определение:
Множество — первичное математическое понятие, которому не дано строгое математическое определение. Представляет собой набор, совокупность каких-либо объектов, объединенных общим свойством.


Определение:
Объекты, из которых состоит множество, называют элементами этого множества. Если [math]a[/math] — элемент множества [math]A[/math], то записывают [math]a \in A[/math][math]a[/math] принадлежит [math]A[/math]»). Если [math]a[/math] не является элементом множества [math]A[/math], то записывают [math]a \notin A[/math][math]a[/math] не принадлежит [math]A[/math]»). В отличие от мультимножества каждый элемент множества уникален, и во множестве не может быть двух идентичных элементов.


Способы задания множеств

Существуют два основных способа задания множеств: перечисление и описание.

Перечисление

Первый способ состоит в том, что задаётся и перечисляется полный список элементов, входящих в множество.

[math] A = \{a_1, a_2 ..., a_n, ...\} [/math]

Описание

Второй способ применяется, когда множество нельзя или затруднительно задать с помощью списка. В таком случае множества определяются свойствами их элементов.

[math] A = \{a \mid P\} [/math] , где [math]P[/math] — определенное свойство элемента [math]a[/math].

Отношения между множествами

Два множества [math]A[/math] и [math]B[/math] могут вступать друг с другом в различные отношения.

Включение

  • [math]A[/math] включено в [math]B[/math], если каждый элемент множества [math]A[/math] принадлежит также и множеству [math]B[/math] :
    [math]\displaystyle A\subseteq B\Leftrightarrow \forall a\in A \ \colon \ a\in B[/math]
  • [math]A[/math] включает [math]B[/math], если [math]B[/math] включено в [math]A[/math]:
    [math]{\displaystyle A\supseteq B\Leftrightarrow B\subseteq A}[/math]
  • [math]A[/math] строго включено в [math]B[/math], если [math]A[/math] включено в [math]B[/math], но не равно ему:
    [math]{\displaystyle A\subset B\Leftrightarrow (A\subseteq B)\land (A\neq B)}[/math]

Равенство

  • [math]A[/math] равно [math]B[/math], если [math]A[/math] и [math]B[/math] включены друг в друга:
    [math]{\displaystyle A=B\Leftrightarrow (A\subseteq B)\land (B\subseteq A)}[/math]

Общие элементы

  • [math]A[/math] и [math]B[/math] не пересекаются, если у них нет общих элементов:
    [math]A[/math] и [math]B[/math] не пересекаются [math]{\displaystyle \Leftrightarrow \forall a\in A \ \colon a\notin B}[/math]


Специальные множества

Определение:
Пустое множество — множество, не содержащее ни одного элемента. Обычно пустое множество обозначают как [math]\varnothing[/math].


Определение:
Универсальное множество — множество, содержащее все объекты и все множества. В тех аксиоматиках, в которых универсальное множество существует, оно единственно. Обычно универсальное множество обозначают как [math] \ \displaystyle \mathbb {U}[/math].


Операции над множествами

Бинарные операции над множествами

  • Пересечение [math]A[/math] и [math]B[/math].
    [math]{\displaystyle A\cap B =\{x\mid x\in A\land x\in B\}}[/math]
  • Объединение [math]A[/math] и [math]B[/math].
    [math]{\displaystyle A\cup B =\{x\mid x\in A\lor x\in B\}}[/math]
  • Разность [math]A[/math] и [math]B[/math].
    [math]{\displaystyle A\setminus B =A\cap {\overline {B}}=\{x\mid x\in A\land x\notin B\}}[/math]
  • Симметрическая разность [math]A[/math] и [math]B[/math].
    [math] {\displaystyle A \bigtriangleup B \equiv A - B = (A \cup B) \setminus (A \cap B) }[/math]

Унарные операции над множествами

  • Дополнение определяется следующим образом:
    [math]{\displaystyle {{\overline {A}}\equiv A^{\complement }=\{x\mid x\notin A\}}=U\setminus A}[/math].

Теорема де Моргана

Теорема (де Моргана):
[math]\displaystyle {\overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha} = \bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha} \\ \overline{\bigcap\limits_\alpha A_\alpha} = \bigcup\limits_\alpha \overline{A_\alpha}} [/math]
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Докажем первое утверждение, второе доказывается аналогично. Для того, чтобы доказать равенство множеств, докажем, что первое множество включает второе и наоборот (частый приём при доказательстве равенства двух множеств).

Сначала докажем, что [math] \ \displaystyle \overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha} \displaystyle \subseteq \bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha}[/math].

Пусть [math]x \in \left ( \overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha} \right )[/math]. Значит, [math]\nexists \ \alpha_i[/math] такого, что [math]x \in A_{\alpha_i}[/math]. Следовательно, [math]\forall \alpha : \ x \in \overline{A_\alpha} \Rightarrow x \in \left (\bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha} \right )[/math]. В силу выбора [math]x[/math] (любой элемент множества [math]\overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha}[/math]) следует искомое включение.


Теперь докажем, что [math] \ \displaystyle \bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha} \subseteq \overline{\bigcup\limits_\alpha A_\alpha}[/math]

Пусть [math]x \in \left ( \bigcap\limits_\alpha \overline{A_\alpha} \right )[/math]. Тогда [math]\forall \alpha : \ x \in \overline{A_\alpha} \Rightarrow x \notin A_\alpha[/math]. Поскольку [math]x[/math] не входит ни в одно объединяемое множество, то [math]x \notin \bigcup\limits_\alpha A_\alpha \Rightarrow x \in \overline{\bigcup\limits_{\alpha} A_\alpha}[/math]

Аналогично, в силу выбора [math]x[/math] выполняется искомое включение.
[math]\triangleleft[/math]

Теорема де Моргана устанавливает двойственность понятий объединения и пересечения множеств. То есть, имея некоторое верное равенство, содержащее объединения и пересечения, можно переписать его, заменив пересечения на объединения и наоборот. Например, из равенства

[math](A \cup B) \cap C = (A \cap C) \cup (B \cap C) \Rightarrow (A \cap B) \cup C = (A \cup C) \cap (B \cup C)[/math]

Доказывается это следующим образом: равны множества, значит, равны дополнения. После раскрытия дополнений приходим к написанному равенству.