集合

1 集合
我们通常将数学的研究对象称为元素(Element),而将一些元素构成的总体称为集合(Set)。

为了更直观地理解上述定义,我们通过几个例子来说明:

  • 多边形集合:如下图所示,这里展示了一个多边形的集合,其中每个多边形都是这个集合的元素
  • 圆的点集:如下图所示,圆可以看作所有与圆心距离为的点的集合。该集合可用代数表示为
  • 生活中的集合:比如工作日可通过集合表示为“

集合的包容性使其成为数学中的基础概念,许多数学结构(如函数、向量空间等)都建立在集合的基础之上。在概率论中,集合同样作为基础的数学结构发挥着重要作用。

2 集合的图像与关系

集合可以用 韦恩图 (Venn diagram)来直观表示,如下图左侧所示,其中的封闭曲线(圆)表示集合,而封闭曲线内的蓝点则对应集合的每个元素。如果不关心具体的元素,也可以仅作出表示集合的封闭曲线,如下图右侧所示。

集合及其元素

集合

对于元素和集合,两者之间的关系定义如下,
  • 属于 :若是集合的元素,则称属于,记作
  • 不属于 :若不是集合的元素,则称不属于,记作

例如,对于集合,由于是集合的元素,因此有,如下图左侧所示;而不是集合的元素,因此有,如下图右侧所示。

属于:

不属于:

对于集合,两者之间的关系定义如下,
  • 包含于 :若集合的元素都是集合的元素,则称包含于,记作,并称 子集 (Subset)
  • 不包含于 :若集合的元素中存在不属于集合的元素,则称不包含于,记作

上述两种关系可以通过韦恩图来直观表示,如下图所示。

包含于:的子集

不包含于:

特别地,若,则称等于,记作;若,则称 真子集 (Proper subset),记作

3 全集
我们通常将包含研究对象中全部元素的集合称为 全集 (Universe),并用符号表示。

引入上述定义的意义在于,我们可以通过全集来明确研究对象的范围,从而划定讨论的边界。这是科学研究中基本且必要的步骤,有助于聚焦目标,确保讨论围绕特定的对象展开。

比如在研究所有水果时,对应的全集为。全集的两个子集:

自然是我们的研究对象。而集合就不在研究范围之内,如下图所示。

4 集合的运算
已知全集及其,可定义如下运算:

下图展示了交运算的两种情况,阴影区域为运算结果,该区域的元素属于且属于。为明确研究的范围,图中添加了一个外侧方框表示全集,这一表示方法将在后续图例中延用。

而下图展示了并运算的两种情况,阴影区域为运算结果,该区域的元素属于或属于

又下图展示了差运算的两种情况,阴影区域为运算结果,该区域的元素仅属于而不属于

最后,下图展示了补运算的两种情况,阴影区域为运算结果,该区域的元素为全集 中不属于给定集合的所有元素。

5 集合运算的性质
有如下性质:

上述运算性质均可通过以及进行严格证明。这里我们选取德摩根定律中的,给出其完整证明过程。

        (1)设,若能证明,则可得,从而得证。下面分别来证明这两个包含关系。

对于任意,有:

对于任意,有:

综上可得:

        (2)德摩根定律中的也可以通过韦恩图直观地加以验证,如下图所示。

在认识了上述运算性质后,我们要对其中的 德摩根定律 (也称为 反演律 对偶律 )进行一些补充,

  • 记忆口诀:长杠变短杠,开口换方向,如下图所示。
  • 结合实际:设为“戴眼镜的学生”,为“穿衬衣的学生”,则为“或戴眼镜,或穿衬衣”,为“又戴眼镜,又穿衬衣”,所以(值得注意的是,日常用语中的“或”一般为不可兼或,即只能满足其中一项,例如“或戴眼镜,或穿衬衣”通常理解为:要不戴眼镜,要不穿衬衣;而数学中的“或”为可兼或,即可以满足其中一项,也可以同时满足两项,此时"或戴眼镜,或穿衬衣"应理解为:或只戴眼镜,或只穿衬衣,或既戴眼镜又穿衬衣)

  • 推广:德摩根定律拓展到多个上也是成立的:

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