集合是數學中一個基本概念,本課主要學習集合。
一般地,我們把研究對象統稱為元素,把一些元素組成的整體叫做集合,簡稱集。通常,我們用大寫字母表示集合,用小寫字母表示集合中的元素。如果 是集合 的元素,我們就稱 屬於集合,記作;反之,則稱 不屬於集合,記作[1]。
一般地,如果一個集合含有我們所研究問題中涉及的所有元素,那麼就稱這個集合為全集(通常情況下,也把給定的集合稱為全集),通常記作或。
集合一般有兩種表示法:列舉法和描述法。
顧名思義,列舉法就是一個一個將集合中的元素列舉出來,再用「」將元素括起來表示集合,元素與元數之間應用「」隔開。當元素個數過多時,可在將元素規律表示出來後用「」省略後續元素。
- 例1.6.1
用列舉法表示集合「不大於20的正奇數」,「大於或等於10的偶數」。
解 這裡集合是一個有限集合,元素較少,可以完全列舉;但集合是一個無窮集合,只能用省略號省去部分元素。
故
描述法是表示一個集合最常用的方法。設為某個與有關的條件或法則,為滿足的全體構成的集合,則記為
- 。[2]
相應地,設為某個與有關的條件或法則,為滿足的全體有序數對構成的集合,則記為
- 。
- 例1.6.2
用描述法表示例1.1.2中的集合。
解 依題意,用描述法表示集合,則
答案不唯一。
集合有許多種,在數學上可以將集合按元素的個數分為無限集、有限集和空集,還可以按元素的類別分為數集和點集等。
顧名思義,數集就是數構成的集合,點集就是點構成的集合。我們見的最多的集合就是數集。數學中有一些特殊數集[3]:
- 由有理數和無理數構成的集合叫作實數集,記作;
- 由整數和分數構成的集合叫作有理數集,記作;
- 由自然數和負整數構成的集合叫作整數集,記作;
- 由零和正整數構成的集合叫作自然數集,記作。有時為了明確自然數集中包括0,我們會將它記作;反之,不包含0的自然數集(正整數集)我們記作;
- 由除了1和它本身以外不再有其他的因數的整數構成的集合叫作質數集(有時稱作質數集),記作;
- 由形如的數構成的集合叫作複數集,其中,為虛數單位且,記作;
還有一些特殊數集如四元數集()、八元數集()和十六元數集()等現階段不要求掌握,虛數集、無理數集(均用表示)等有消歧義的一般不使用。
令是正整數的全體,且,如果存在一個正整數,使得集合與一一對應,那麼我們稱集合A為有限集。同時定義,不含任何元素的集合稱作空集,記作。空集是特殊的有限集[4],且空集是否是點集或數集是任意的。相反地,有限集之外的集合我們叫作無限集。
集合有確定性、互異性和無序性三個性質。
給定一個集合,則哪些元素在這個集合中,哪些元素不在都應是確定的。例如「我們班個子高的學生」就不是一個集合,因為多高才叫「高個子」是不確定的,不滿足集合的確定性;而「我們班身高大於170 cm的學生」是一個集合。或說,任意給定一個元素,則它是否屬於集合是確定的。
集合中任意兩個元素都是不同的對象。如不是一個集合,而才是一個集合[5]。互異性使集合中的元素是沒有重複,即使兩個相同的對象在同一個集合中,也只能算作這個集合的一個元素。
集合中的元素排列是沒有順序的。例如,集合。
以上就是集合的三個性質。
一般地,對於兩個集合,如果集合中的任何一種元素都是集合的元素,我們則稱集合是集合的子集,記作
- (或)
讀作「包含於」(或「包含」)。同時,如果有兩個集合滿足且,我們則稱這兩個集合相等,記作
- 。
若對於兩個集合,有
- 但
我們則稱集合是集合的真子集,記作[6]
- (或)
讀作「真包含於」(或「真包含」)。
由上述定義我們可以得到(子集的性質):
- 1. 空集是任何集合的子集;
- 2. 任何集合都是它本身的子集,即
- ;
- 3. (集合的傳遞性)如果集合
- ,
- 則
- ;
- 更一般地,我們有:
- 若
- 則
- ;
- 4. 若集合中有個元素,則的子集共有,真子集有個。
集合的相等和真子集均滿足上述性質。證明略。
- 例1.6.4
列舉出集合
的全部子集。
解 集合的全部子集有:
一般地,由集合與集合的所有元素構成的集合,稱為的併集,記為
- ,
可表示為
- 。
又有,由集合與集合的所有公共元素構成的集合,稱為的交集,記為
- ,
可表示為
- 。
- 例1.6.5
若集合
- ,
求
解 由題,有
對於由所有屬於集合但不屬於集合的元素,我們稱為集合相對於的相對補集,記作
- [7],
可表示為
- 。
特殊地,集合相對於全集的補集叫作絕對補集,記作
- [8],
可表示為
- 。
由所有屬於但不屬於的元素所構成的集合叫作集合的對稱差,記作
- ,
可表示為
- 。
關於集合運算有以下常用結論:
- (1)等冪律:
- ;
- (2)同一律:
- ;
- (3)互補律:
- ;
- (4)交換律:
- ;
- (5)結合律:
- ;
- (6)分配率:
- ;
- (7)吸收率:
- ;
- (8)反演律:
- 。
利用相關定義即可證明,略。上述運算定律在以後會有很大幫助。
若記有限集合中的元素個數為[9],則由Venn圖(下圖)可知:
- 1.;
- 2.。
一般地,對於個有限集合,則有
- 。
我們稱上述公式為容斥定理。
證 該原理可以用數學歸納法證明。
當時,結論顯然成立。
假設命題對成立,需證明命題對也成立。
注意到,由的情形可知:
由歸納假設,對於個集合,有
又由歸納假設,對於個集合,有
- ,
把上兩式代入一式,即得容斥原理。
在2.3中提到的Venn圖是用於顯示元素集合重疊區域的圖示,也稱維恩圖、文氏圖。在集合論中,常常用Venn圖來表示集合間的關係或運算。
同樣的,我們之前學過的集合的關係和運算也可以用Venn圖表示如下:
-
U
-
AC∪BC
-
A∪C
-
A∪BC
-
A Δ B
-
AC∪B
-
BC
-
A
-
AC
-
B
-
A∩BC
-
(A Δ B)C
-
AC∩B
-
AC∩BC
-
A∩B
-
∅
集合論中常用的實數集合為區間與鄰域。
設且,我們定義:
- (1)閉區間:;
- (2)開區間:;
- (3)半開區間:
- (3.1)左開區間:;
- (3.2)右開區間:;
- (4)無窮區間:
- (4.1) ;
- (4.2) ;
- (4.3) ;
- (4.4) ;
- (4.5) 。
通常,我們將上述四類區間統稱為區間。其中(1)-(3)我們稱為有限區間,分別稱為區間的左端點、右端點。
設為某個正數,則稱開區間為點的鄰域;稱為鄰域的中心,為鄰域的半徑。
點的鄰域去掉中心後的集合
稱為點的空心鄰域或去心鄰域;稱開區間為點的左鄰域,為點的右鄰域。
點的鄰域可表示為不等式
- ;
點的空心鄰域可表示為不等式
- 。
- ↑ 有時也將記作。
- ↑ 當描述法式子中未指明數的性質時,默認為實數。
- ↑ 有時可以用粗體字母表示特殊數集的符號。
- ↑ 由於空集不符合有限集定義,故有時不將它看作有限集。
- ↑ 有時也將含有幾個相同的元素的集合視為集合,並將幾個相同元素視為一個元素。
- ↑ 有時也將「」寫作「」,多見於我國(指中華人民共和國)中學教材。
- ↑ 或。
- ↑ 或、。
- ↑ 有時也記為。