集合概论

集合概论

1.集合是具有某种特定性质,具体的或抽象的对象汇集的总体

2.集合的表示有枚举法描述法

3.集合有三个性质——确定性,无序性,互异性

4.集合S的所有素都属于集合T,称S是T的子集

5.如果S是T的子集,T中存在至少一个素不属于S,称S是T的真子集

6.空集一个素都没有的集合,它是所有集合的子集,是所有非空集合的真子集

7.区间一般是实数的子集

8.集合的运算有四种——并、交、差、补

9.集合运算满足交换律结合律分配律对偶律

10.由n个非负整数的素构成的集合称为有限集不是有限集的集合称为无限集

11.若无限集的素可按某种规则排成一列,则称该集合是可列集

12.任一无限集包含可列子集,无限集不一定是可列集

13.可列个可列集之并也是可列集

14.有理数集合Q是可列集

从今天开始,我们正式进入数学基础第一个模块——数学分析的学习,从【集合论】开始吧,废话不多说,进入正题。

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集合的定义与表示

  • 集合的定义

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集合是具有某种特定性质,具体的或抽象的对象汇集的总体

在集合的定义中,其中“对象”一般称为素。我们约定,集合用大写表示,比如A,S,T;素用小写表示,比如a,x,b。

数学上常见的集合用固定的记号表示:

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  • 集合的表示

集合的表示有两种方式,第一种是枚举法,就是把所有素列举出来。

比如说光的基色的集合,可以表示为{红,绿,蓝};

再比如正整数的集合,用枚举法表示为:

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集合表示的第二种是描述法,它是指具有某种性质的素的集合

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比如有理数集合Q用描述法表示为:

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最后来介绍一下空集的概念。空集,顾名思义,是指没有一个素的集合,用∅来表示:

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集合的性质

  • 集合性质

集合的性质有三个——素唯一确定,素之间无次序关系,重复素没有意义。

集合的第一个性质也被称为确定性,它是指素唯一确定,即给定一个集合和一个素,该素要么属于该集合,要么不属于该集合。

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集合的第二个性质也被称为无序性,它是说任意两个集合的素仅排列方式不同,那么这两个集合相同。比如

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集合的第二个性质也被称为互异性,它是说一个集合的相同素只出现一次。比如

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子集与真子集

  • 定义

对于集合S、T,若S的所有素都属于T,则称S是T的子集

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若S是T的子集,我们记作(有些书本记号可能不尽相同,阅读文献时注意区别):

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很显然,下面的关系成立:

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我们可以把子集的关系用数学语言表述:

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符号“⇒”表示蕴含的意思。

相对的,我们可以定义非子集:

对于集合S、T,若S中至少有一个素不属于T,则不S是T的子集

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若S不是T的子集,我们记作:

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注:S不是T的子集,并非意味着S的所有素都不属于T.

进一步,我们可以定义真子集:

若S是T的子集,在T中存在一个素x不属于S,则称S是T的真子集

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若S是T的真子集,我们记为:

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这里要提一下空集∅,空集表示一个素也没有。对于一个非空集合T,那么任意一个不属于T的素,也就不属于∅。即命题

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成立,其逆否命题也成立,也即:

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所以,空集∅是任意集合的子集。

进一步,给定一个非空集合,存在一个素属于该集合而不属于空集,因此,空集∅是任一非空集合的真子集.

比如对于集合T={a,b,c},它的子集一共8个:

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简便计算公式是2的n次方(n是集合素个数)。

我们常见的区间一般是实数的子集。比如开区间(a,b):

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有了子集的概念,我们可以得到证明两个集合相同的方法。先看集合相同的定义:

若S与T的所有素完全相同,则称两集合相同,记为S=T

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两个集合相同,那么其互为子集,即:

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注:“⇔ ”符号表示等价、相互蕴含、当且仅当的意思.

要证明两个集合相同,可以证明其互为子集即可。

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集合的运算

集合的基本运算有四种——并、交、差、补

  • 并集与交集

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集合S与T的并集,指属于S或属于T的素的集合,用记号∪表示;

集合S与T的交集,指属于S且属于T的素的集合,用记号∩表示.

用数学表述为:

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并集与交集满足以下三个定律。

  • 交换律

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  • 结合律

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  • 分配律

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这三条定律都是可以证明的,我们选择分配律的第二条来证明。要证明两个集合相等,只需要证明互为子集。分两步走。

第一步:

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第二步:

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至此,命题得证.

  • 差集与补集

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集合S与T的差集,是指属于S但不属于T的素的集合,记为S\T或S-T;

设在集合X中讨论问题,S是X的子集。S关于X的补集是指,属于X但不属于S的素的集合.

若T是S关于X的补集,则记:

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根据定义,我们可以推出:

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集合的运算还有一个对偶律,也称德摩根公式(De Morgan公式):

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无限集与可列集

定义:

若集合S由n个素组成(n是非负整数),则称S是有限集.不是有限集的集合称为无限集;

如果无限集中的素可按某种规则排成一列,则称该集合为可列集

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由定义可知,有限集的素个数一定是有限个,也就是可数的。无限集的素无穷多个.

对于可列集,往往可以写成如下形式:

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比如整数集合N+就是一个可列集,再比如满足sinx=0的x取值也构成一个可列集:

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关于无限集与可列集,有如下命题成立:

  • 任一无限集包含可列子集

  • 无限集不一定是可列集合

比如实数集合R是无限集,但不是可列集(收敛准则第五条,这个以后证明)。

再比如整数集合Z是可列集。我们证明这一点,取

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对于可列集,我们有如下定理。

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定理1:可列个可列集之并也是可列集

证明这个定理的核心是这些可列集合的并集可以排成一列,并且保证素既不重复也不遗漏。我们证明这一点。

设每个可列集排列规则如下:

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它们的并集按照如下规则排列(康托尔对角线法):

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这样排列保证了素不遗漏,其次遇到重复素删除即可,这就证明了可列个可列集的并集依然是一个可列集。

根据这个定理可以得到第二个定理:

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定理2:有理数集合Q是可列集

证明的关键是所有的有理数排成一列:

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笛卡尔集合

定义:

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特别的:

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