0.3: Набори
Найбільш фундаментальними об'єктами, які ми будемо використовувати в наших дослідженнях (і насправді у всій математиці), є множини. Багато з того, що слід, може бути переглядом, але дуже важливо, щоб ви вільно володіли мовою теорії множин. Більшість позначень, які ми використовуємо нижче, є стандартними, хоча деякі можуть трохи відрізнятися від того, що ви бачили раніше.
Для нас набір буде просто невпорядкованою сукупністю об'єктів. Два приклади: ми могли б розглянути набір всіх акторів, які зіграли «Доктор Хто», або набір натуральних чисел від 1 до 10 включно. У першому випадку Том Бейкер є елементом (або членом) набору, тоді як Ідріс Ельба, серед багатьох інших, не є елементом набору. Крім того, два приклади мають різні набори. Дві множини рівні точно, якщо вони містять однакові елементи. Наприклад, множина, що містить всі голосні в декларації незалежності, точно такий же набір, як і набір голосних у слові «сумнівно» (а саме всі вони); нас не хвилює порядок або повторення, просто чи є елемент у множині чи ні.
Позначення
Нам потрібні деякі позначення, щоб полегшити розмову про набори. Розглянемо,
\ begin {рівняння*} A =\ {1, 2, 3\}. \ end {рівняння*}Це читається, «Aє множиною, що містить елементи 1, 2 і 3». Ми використовуємо фігурні дужки «{, }» для вкладення елементів множини. Ще кілька позначень:
\ begin {рівняння*} a\ in\ {a, b, c\}. \ end {рівняння*}Символ «∈» читається «знаходиться в» або «є елементом». Таким чином, вище означає, щоa є елементом множини, що міститьa,b, літери іc. Зверніть увагу, що це істинне твердження. Також було б вірно сказати, щоd це не в цьому наборі:
\ begin {рівняння*} d\ no\ in\ {a, b, c\}. \ end {рівняння*}Будьте попереджені: ми пишемо «x∈A», коли хочемо висловити, що одним з елементівAx. множини є Наприклад, розглянемо набір,
\ begin {рівняння*} A =\ {1, b,\ {x, y, z\},\ порожня множина\}. \ end {рівняння*}Це дивний набір, щоб бути впевненим. Він містить чотири елементи: цифру 1, букву b, множину{x,y,z}, і порожню множину (∅={},множина, що не містить елементів). Єx вA? Відповідь ні. Жоден з чотирьох елементів неA є літерою,x, тому ми повинні зробити висновок, щоx∉A. Аналогічно, розглянемо набірB={1,b}. Незважаючи на те, що елементиB є елементами,A, ми не можемо сказати, що набірB є одним із елементівA. ТомуB∉A. (Незабаром ми побачимо, щоB це підмножина,A, але це відрізняється від того, щоб бути елементомA.)
Наведені вище набори ми описали, перерахувавши їх елементи. Іноді це важко зробити, особливо коли елементів в наборі багато (можливо, нескінченно багато). Наприклад, якщо миA хочемо бути набір всіх парних натуральних чисел, ми могли б написати,
\ begin {рівняння*} A =\ {0, 2, 4, 6,\ ldots\},\ end {рівняння*}але це трохи неточно. Кращим способом було б
\ begin {рівняння*} A =\ {x\ in\ N\ st\ існує n\ in\ N (x = 2 n)\}. \ end {рівняння*}Розбиваючи це: «x∈\N» означаєx знаходиться в множині\N (множина натуральних чисел,{0,1,2,…}), «:» читається «таким, що∃n∈\N(x=2n)» і «» читається «існуєn в натуральних числах, для якихx два разиn» (іншими словами,x є парний). Трохи простіше може бути,
\ begin {рівняння*} A =\ {x\ st x\ text {парний}\}. \ end {рівняння*}Примітка: Іноді люди використовують| або∍ для символу «такий, що» замість двокрапки.
Визначення набору за допомогою такого роду позначення дуже корисно, хоча для правильного їх читання потрібна певна практика. Це спосіб описати сукупність всіх речей, які задовольняють деякій умові (умова - це логічне твердження після символу «\st»). Ось ще кілька прикладів:
Приклад\PageIndex{1}
Опишіть кожен з наступних наборів як словами, так і перерахувавши достатньо елементів, щоб побачити шаблон.
- \{x \st x + 3 \in \N\}\text{.}
- \{x \in \N \st x + 3 \in \N\}\text{.}
- \{x \st x \in \N \vee -x \in \N\}\text{.}
- \{x \st x \in \N \wedge -x \in \N\}\text{.}
- Рішення
-
- Це множина всіх чисел, які на 3 менше натурального числа (тобто якщо додати до них 3, ви отримаєте натуральне число). Набір також може бути записаний a s\{-3, -2, -1, 0, 1, 2, \ldots\} (зауважте, що 0 є натуральним числом,-3 тому що в цьому наборі-3 + 3 = 0).
- Це множина всіх натуральних чисел, які на 3 менше натурального числа. Так що тут у нас просто є\{0, 1, 2,3 \ldots\}\text{.}
- Це множина всіх цілих чисел (позитивних і від'ємних цілих чисел, записаних\Z). Іншими словами,\{\ldots, -2, -1, 0, 1, 2, \ldots\}\text{.}
- Тут ми хочемо, щоб всі числаx такі, щоx і-x є натуральними числами. Є тільки один: 0. Отже, у нас є набір\{0\}\text{.}
У нас вже багато позначень, а є ще більше. Нижче наведена зручна діаграма символів. Деякі з них будуть розглянуті більш детально, коли ми рухаємося вперед.
Спеціальні набори
- \emptyset: Порожній набір - це набір, який не містить елементів.
- \U: Набір Всесвіту - це сукупність усіх елементів.
- \N: Набір натуральних чисел. Тобто,\N = \{0, 1, 2, 3\ldots\}\text{.}
- \Z: Множина цілих чисел. Тобто,\Z = \{\ldots, -2, -1, 0, 1, 2, 3, \ldots\}\text{.}
- \Q: Набір раціональних чисел.
- \R: Безліч дійсних чисел.
- \pow(A): Набір потужності будь-якого наборуA є множиною всіх підмножинA\text{.}
Позначення теорії множин
- \{, \}: Ми використовуємо ці фігурні дужки, щоб вкласти елементи набору. Так\{1,2,3\} і набір, що містить 1, 2 і 3.
- \st:\{x \st x > 2\} це набір всіхx таких,x що більше 2.
- \in:2 \in \{1,2,3\} стверджує, що 2 є елементом множини\{1,2,3\}\text{.}
- \not\in:4 \notin \{1,2,3\} тому що 4 не є елементом множини\{1,2,3\}\text{.}
- \subseteq:A \subseteq B стверджує, щоA є підмножиноюB: кожен елемент такожA є елементомB\text{.}
- \subset:A \subset B стверджує, щоA є належною підмножиноюB: кожен елемент такожA є елементомB\text{,} алеA \ne B\text{.}
- \cap:A \cap B є перетиномA іB: множини, що містить всі елементи, які є елементами обохA іB\text{.}
- \cup:A \cup B є об'єднаннямA іB: множина, що містить всі елементи, які є елементамиA абоB або обидва.
- \times:A \times B є декартовим добуткомA іB: набір всіх впорядкованих пар(a,b) зa \in A іb \in B\text{.}
- \setminus:A \setminus B isA set-minusB: множина, що містить всі елементи,A які не є елементамиB\text{.}
- \bar{A}: ДоповненнямA є набір всього, що не є елементомA\text{.}
- \card{A}: Кардинальність (або розмір)A - це кількість елементів уA\text{.}
Досліджуйте!
- Знайдіть кардинальність кожного набору нижче.
- A = \{3,4,\ldots, 15\}\text{.}
- B = \{n \in \N \st 2 \lt n \le 200\}\text{.}
- C = \{n \le 100 \st n \in \N \wedge \exists m \in \N (n = 2m+1)\}\text{.}
- Знайти дваA набори іB для чого|A| = 5\text{,}|B| = 6\text{,} і|A\cup B| = 9\text{.} Що|A \cap B|\text{?}
- ЗнайтиA набори іB з|A| = |B| таким,|A \cap B| = 3\text{.} що|A\cup B| = 7 і що|A|\text{?}
- ДозвольтеA = \{1,2,\ldots, 10\}\text{.} визначити\mathcal{B}_2 = \{B \subseteq A \st |B| = 2\}\text{.} знайти|\mathcal{B}_2|\text{.}
- Для будь-яких наборівA іB\text{,} визначенняAB = \{ab \st a\in A \wedge b \in B\}\text{.} ЯкщоA = \{1,2\} іB = \{2,3,4\}\text{,} що є|AB|\text{?} Що таке|A \times B|\text{?}
Відносини між множинами
Ми вже говорили, що означає для двох множин бути рівними: вони мають абсолютно однакові елементи. Так, наприклад,
\ begin {рівняння*}\ {1, 2, 3\} =\ {2, 1, 3\}. \ end {рівняння*}
(Пам'ятайте, порядок, в якому записані елементи, не має значення.) Крім того,
\ begin {рівняння*}\ {1, 2, 3\} =\ {1, 1+1, 1+1+1\} =\ {I, II, III\}\ кінець {рівняння*}
оскільки це всі способи написати безліч, що містить перші три натуральні числа (як ми їх пишемо, не має значення, тільки те, що вони є).
Що проA = \{1, 2, 3\} набори іB = \{1, 2, 3, 4\}\text{?} Ясно,A \ne B\text{,} але зауважте, що кожен елемент такожA є елементомB\text{.} Тому що ми говоримо, щоA це підмножинаB\text{,} або в символахA \subset B абоA \subseteq B\text{.} Обидва символи читаються «є підмножиною». Різниця полягає в тому, що іноді ми хочемо сказати, що абоA дорівнює або є підмножиноюB\text{,} в цьому випадку ми використовуємо\subseteq\text{.} Це аналогічно різниці між< і\le\text{.}
Приклад\PageIndex{2}
ДозвольтеA = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}\text{,}B = \{2, 4, 6\}\text{,}C = \{1, 2, 3\} іD = \{7, 8, 9\}\text{.} Визначте, які з наступних є істинними, хибними або безглуздими.
- A \subset B\text{.}
- B \subset A\text{.}
- B \in C\text{.}
- \emptyset \in A\text{.}
- \emptyset \subset A\text{.}
- A < D\text{.}
- 3 \in C\text{.}
- 3 \subset C\text{.}
- \{3\} \subset C\text{.}
- Рішення
-
- Помилкові. Наприклад,1\in A але1 \notin B\text{.}
- Правда. Кожен елемент вB є елементом вA\text{.}
- Помилкові. Елементи вC 1, 2 і 3. Набір неB дорівнює 1, 2 або 3.
- Помилкові. Aмає рівно 6 елементів, і жоден з них не є порожнім набором.
- Правда. Все в порожньому наборі (нічого) також є елементомA\text{.} Notice, що порожній набір є підмножиною кожного множини.
- Безглуздий. Набір не може бути меншим за інший набір.
- Правда. 3є одним з елементів наборуC\text{.}
- Безглуздий. 3не є множиною, тому він не може бути підмножиною іншого множини.
- Правда. 3є єдиним елементом\{3\}\text{,} множини і є елементомC\text{,} тому кожен елемент в\{3\} є елементомC\text{.}
У наведеному вище прикладіB є підмножиноюA\text{.} Ви можете задатися питанням, які інші множини є підмножинамиA\text{.} Якщо ви збираєте всі ці підмножиниA в новий набір, ми отримаємо набір множин. Викликаємо множину всіх підмножин потужності множиниA\text{,} і записуємо йогоA\pow(A)\text{.}
Приклад\PageIndex{3}
ДозвольтеA = \{1,2,3\}\text{.} знайти\pow(A)\text{.}
- Рішення
-
\pow(A)це набір множин, всі з яких є підмножинамиA\text{.} So
\ begin {рівняння*}\ pow (A) =\ {\ порожня множина,\ {1\},\ {2\},\ {3\},\ {1,2\},\ {1, 3\},\ {2,3\},\ {1,2,3\}\}. \ end {рівняння*}Зверніть увагу, що в той час як2 \in A\text{,} це неправильно писати,2 \in \pow(A) оскільки жоден з елементів в не\pow(A) є числами! З іншого боку, ми маємо\{2\} \in \pow(A) тому, що\{2\} \subseteq A\text{.}
Як\pow(A) виглядає підмножина? Зверніть увагу, що\{2\} \not\subseteq \pow(A) тому що не все в\{2\} є в\pow(A)\text{.} Але у нас\{\{2\}\} є\{ \{2\} \} \subseteq \pow(A)\text{.} Єдиний елемент є набір,\{2\} який також є елементом\pow(A)\text{.} Ми могли б взяти колекцію всіх підмножин\pow(A) і назвати, що\pow(\pow(A))\text{.} Або навіть потужність набір що набір наборів наборів.
Ще один спосіб порівняння наборів - за їх розміром. Зверніть увагу, що в прикладі вище,A має 6 елементівB\text{,}C\text{,} іD всі мають 3 елементи. Розмір набору називається кардинальністю набору. Ми б писали|A| = 6\text{,}|B| = 3\text{,} і так далі. Для множин, які мають кінцеву кількість елементів, кардинальність множини - це просто кількість елементів у множині. Зверніть увагу, що кардинальність\{ 1, 2, 3, 2, 1\} дорівнює 3. Ми не рахуємо повторів (по суті,\{1, 2, 3, 2, 1\} це точно такий же набір, як\{1, 2, 3\}). Існують множини з нескінченною кардинальністю, такі як\N\text{,} безліч раціональних чисел (записаних\mathbb Q), множина парних натуральних чисел і безліч дійсних чисел (\mathbb R). Можна розрізнити різні нескінченні кардинальності, але це виходить за рамки цього тексту. Для нас множина буде або нескінченною, або кінцевою; якщо вона кінцева, то ми можемо визначити його кардинальність шляхом підрахунку елементів.
Приклад\PageIndex{4}
- Знайдіть кардинальністьA = \{23, 24, \ldots, 37, 38\}\text{.}
- Знайдіть кардинальністьB = \{1, \{2, 3, 4\}, \emptyset\}\text{.}
- Якщо вC = \{1,2,3\}\text{,} чому полягає кардинальність\pow(C)\text{?}
- Рішення
-
- Так як38 - 23 = 15\text{,} можна зробити висновок, що кардинальність набору є|A| = 16 (потрібно додати одну, так як 23 входить в комплект).
- Тут|B| = 3\text{.} Три елементи - це число 1, набір\{2,3,4\}\text{,} і порожній набір.
- Ми виписали елементи потужності,\pow(C) встановленої вище, і є 8 елементів (кожен з яких є набором). Отже\card{\pow(C)} = 8\text{.} (Ви можете задатися питанням, чи існує зв'язок між\card{A} і\card{\pow(A)} для всіх наборівA\text{.} Це гарне питання, до якого ми повернемося в розділі 1.)
Операції над множинами
Чи можна додати два набори? Не дуже, проте є щось подібне. Якщо ми хочемо об'єднати два набори, щоб отримати колекцію об'єктів, які знаходяться в будь-якому наборі, то ми можемо взяти об'єднання двох наборів. Символічно,
\ begin {рівняння*} C = A\ чашка B,\ кінець {рівняння*}читати, «Cє об'єднаннямA іB\text{,}» означає, що елементиC є саме елементами, які є або елементомA або елементомB (або елементом обох). Наприклад, якщоA = \{1, 2, 3\} іB = \{2, 3, 4\}\text{,} тодіA \cup B = \{1, 2, 3, 4\}\text{.}
Інша поширена операція над множинами - це перетин. Ми пишемо,
\ begin {рівняння*} C = A\ cap B\ end {рівняння*}і сказати, «Cє перетиномA іB\text{,}», коли елементи в точноC ті,A і вB\text{.} так, якщоA = \{1, 2, 3\} іB = \{2, 3, 4\}\text{,} тодіA \cap B = \{2, 3\}\text{.}
Часто, маючи справу з множинами, ми матимемо деяке розуміння того, що таке «все». Можливо, нас турбують тільки натуральні числа. У цьому випадку ми б сказали, що наш Всесвіт\N\text{.} Іноді ми позначаємо цей Всесвіт\U\text{.} Враховуючи цей контекст, ми можемо захотіти говорити про всі елементи, які не знаходяться в певному наборі. Ми говоримоB є доповненнямA\text{,} і пишемо,
\ begin {рівняння*} B =\ бар A\ end {рівняння*}колиB містить кожен елемент, який не міститься вA\text{.} Отже, якщо наш Всесвіт є\{1, 2,\ldots, 9, 10\}\text{,} іA = \{2, 3, 5, 7\}\text{,} тоді\bar A = \{1, 4, 6, 8, 9,10\}\text{.}
Звичайно, ми можемо виконувати більше однієї операції за раз. Наприклад, розглянемо
\ begin {рівняння*} A\ cap\ бар B.\ end {рівняння*}Це набір усіх елементів, які є як елементами, такA і не елементамиB\text{.} Що ми зробили? Ми почали зA і видалили всі елементи, які були вB\text{.} Інший спосіб написати це встановлена різниця:
\ begin {рівняння*} A\ cap\ бар B = A\ setminus B\ end {рівняння*}Важливо пам'ятати, що ці операції (об'єднання, перетин, доповнення і різниця) над множинами виробляють інші множини. Не плутайте їх із символами з попереднього розділу (елемент та підмножина). A \cap Bє множиною, в той час якA \subseteq B true або false. Це та ж різниця, що і між3 + 2 (що є числом) і3 \le 2 (що є помилковим).
Приклад\PageIndex{5}
НехайA = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}\text{,}B = \{2, 4, 6\}\text{,}C = \{1, 2, 3\} іD = \{7, 8, 9\}\text{.} якщо всесвіт\U = \{1, 2, \ldots, 10\}\text{,} знайде:
- A \cup B\text{.}
- A \cap B\text{.}
- B \cap C\text{.}
- A \cap D\text{.}
- \bar{B \cup C}\text{.}
- A \setminus B\text{.}
- (D \cap \bar C) \cup \bar{A \cap B}\text{.}
- \emptyset \cup C\text{.}
- \emptyset \cap C\text{.}
- Рішення
-
- A \cup B = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} = Aтак як всеB в вже вA\text{.}
- A \cap B = \{2, 4, 6\} = Bтак якB все вA\text{.}
- B \cap C = \{2\}як єдиний елемент обохB іC є 2.
- A \cap D = \emptysetтак якA і неD мають спільних елементів.
- \bar{B \cup C} = \{5, 7, 8, 9, 10\}\text{.}Спочатку виявляємо, щоB \cup C = \{1, 2, 3, 4, 6\}\text{,} потім беремо все не в тому наборі.
- A \setminus B = \{1, 3, 5\}так як елементи 1, 3 і 5 знаходяться в,A але не вB\text{.} Це те саме, що іA \cap \bar B\text{.}
- (D \cap \bar C) \cup \bar{A \cap B} = \{1, 3, 5, 7, 8, 9, 10\}.Набір містить всі елементи, які знаходяться або в,D але не вC (тобто,\{7,8,9\}), або не в обохA іB (тобто\{1,3,5,7,8,9,10\}).
- \emptyset \cup C = Cтак як порожній набір нічого не додається.
- \emptyset \cap C = \emptysetтак як нічого не може бути як в наборі, так і в порожньому наборі.
Ви можете помітити, що символи об'єднання і перетину трохи нагадують логічні символи для «або» і «і». Це не випадково. Що це означає бути елементомA\cup B\text{?} Це означає, щоx є елементомA абоx є елементомB (або обидва).x Тобто,
\ begin {рівняння*} x\ in A\ cup B\ qquad\ Iff\ qquad x\ in A\ vee x\ in B\ end {рівняння*}Аналогічно,
\ begin {рівняння*} x\ in A\ cap B\ qquad\ Iff\ qquad x\ in A\ клин х\ в B\ end {рівняння*}Крім того,
\ begin {рівняння*} x\ in\ in\ бар A\ qquad\ Iff\ qquad\ neg (x\ in A). \ end {рівняння*}який говорить,x є елементом доповненняA якщо неx є елементомA\text{.}
Є ще один спосіб комбінування наборів, який нам стане в нагоді: декартовий продукт,A \times B. Це звучить фантазії, але це нічого, чого ви раніше не бачили. Коли ви графуєте функцію в численні, ви графуєте її в декартовій площині. Це набір всіх впорядкованих пар дійсних чисел(x,y)\text{.} Ми можемо зробити це для будь-якої пари множин, а не тільки дійсних чисел з собою.
Іншим способом,A \times B = \{(a,b) \st a \in A \wedge b \in B\}\text{.} Перша координата походить від першого набору, а друга координата походить від другого набору. Іноді нам захочеться взяти декартовий добуток набору з собою, і це добре:A \times A = \{(a,b) \st a, b \in A\} (ми також можемо написатиA^2 для цього набору). Зверніть увагу, що вA \times A\text{,} ми все ще хочемо всі впорядковані пари, а не тільки ті, де перша і друга координата однакові. Ми також можемо взяти продукти з 3 або більше наборів, отримуючи замовлені трійки, або чотири рази, і так далі.
Приклад\PageIndex{6}
НехайA = \{1,2\} іB = \{3,4,5\}\text{.} знайтиA \times B іA \times A\text{.} скільки елементів ви очікуєте бути вB \times B\text{?}
- Рішення
-
A \times B = \{(1,3), (1,4), (1,5), (2,3), (2,4), (2,5)\}\text{.}
A \times A = A^2 = \{(1,1), (1,2), (2,1), (2,2)\}\text{.}
|B\times B| = 9\text{.}Буде 3 пари з першою координатою, ще3\text{,} три з першою координатою4\text{,} і остання три з першою координатою.5\text{.}
Діаграми Венна
Існує дуже хороший візуальний інструмент, який ми можемо використовувати для представлення операцій над множинами. Діаграма Венна відображає набори у вигляді пересічних кіл. Ми можемо затінювати регіон, про який ми говоримо, коли проводимо операцію. Ми також можемо уявити кардинальність того чи іншого набору, поставивши число у відповідному регіоні.
Кожне коло являє собою набір. Прямокутник, що містить кола, представляє Всесвіт. Щоб представити комбінації цих наборів, затінюємо відповідну область. Наприклад, ми могли б малюватиA \cap B як:
Ось поданняA \cap \bar B\text{,} або еквівалентноA \setminus B\text{:}
Більш складний приклад,(B \cap C) \cup (C \cap \bar A)\text{,} як показано нижче.
Зверніть увагу, що затінені області вище також можуть бути доставлені іншим способом. Ми могли б почати з усіхC\text{,} тоді виключили область, деC іA перекриваються за межамиB\text{.} цього регіону(A \cap C) \cap \bar B\text{.} Так що вище діаграма Венна також представляєC \cap \bar{\left((A\cap C)\cap \bar B\right)}. Таким чином, використовуючи тільки зображення, ми визначили, що
\ begin {рівняння*} (B\ cap C)\ чашка (C\ cap\ бар A) = C\ cap\ bar {\ left ((A\ cap C)\ cap\ bar B\ праворуч)}. \ end {рівняння*}