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:
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。
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。
对于元素和集合,两者之间的关系定义如下,
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属于 :若是集合的元素,则称属于,记作
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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。
对于集合和,两者之间的关系定义如下,
上述两种关系可以通过韦恩图来直观表示,如下图所示。
特别地,若且,则称等于,记作;若且,则称为的 真子集 (Proper subset),记作。
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。
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。
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)设和,若能证明且,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,
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记忆口诀:长杠变短杠,开口换方向,如下图所示。
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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):
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