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文档简介

第三章集合与关系集合的概念是现代数学中最基本的概念之一,集合论是现代数学的重要理论基础,并且深入到各个科学与技术领域之中。对计算机科学而言,它在开关理论,数据结构与形式语言等领域中有着广泛的应用。本章介绍集合论的基础知识,包括集合的运算、性质、序偶、关系、函数、基数等。在方法上尽量采用前两章的符号和推理规则,作出形式的证明。1第三章目录第3-1讲集合的概念和集合的运算第3-2讲笛卡儿积与关系第3-3讲复合关系、逆关系与闭包运算第3-4讲等价关系第3-5讲序关系2第3-1讲集合的概念和运算1.集合的概念2.集合的表示3.集合间的关系4.幂集5.集合的运算6.集合运算的性质7.课堂练习8.第3-1讲作业31、集合的概念集合是数学中最基本的概念之一,如同几何中的点、线等概念一样,不能再用其它有明确定义的词来定义它。

将一些确定的、彼此不同的事物的全体称之为集合。对于给定的集合和事物,应能判断这个特定的事物是否属于给定的集合。集合中的事物称为该集合的元素。通常,用大写的英文字母表示集合,用小写英文字母表示集合的元素。例如,习惯上用N表示非负整数的集合,用Q表示有理数集合,R表示实数集合等等。如果a是集合S的元素,记作a∈S,读作“a属于S”。如b不是S的元素,记作bS,读作“b不属于S”,它等价于(b∈s)。若一个集合的元素个数是有限的,则称为有限集,否则称为无限集。42、集合的表示列举法:列出集合的所有元素,并用花括号括起来,元素之间用逗号隔开。例如:

S={e1,e2,…,en}(具有n个元素的有限集)A={a,{b,c},{{d}}}(a,{b,c},{{d}}是该集合的元素)N={0,1,2,3,...}(N是非负整数集)在一个集合中,元素是彼此不同的,相同的元素被认为是一个元素,而且元素之间没有次序关系,例如集合{1,2,3},{3,1,2}和{3,3,1,2}被视为同一个集合。叙述法(或描述法)

用谓词概括出集合中元素的特性,以确定集合的元素。S={x|P(x)},如果P(e)为真,那麽e∈S,否则eS。例如,设A={x|x∈N∧3<x≤8},则A={4,5,6,7,8}。52、集合的表示(续)空集

定义1不含任何元素的集合叫空集,记作Φ。

Φ={x|P(x)∧P(x)},P(x)是任意谓词。

例如,A={x∈R∧x2+1=0}是空集,式中R表示实数集合。全集定义2在研究某一问题时,如果所有涉及的集合都是某一集合的部分元素组成的(子集),则称该集合为全集,记作E。即

E={x|P(x)∨P(x)}。(P(x)是任意谓词)显然,全集的概念相当于论域,它是一个相对概念。63、集合间的关系两个集合相等,当且仅当它们有相同的成员。集合A与B相等,记作A=B。集合A与B不相等,记作A≠B。定义1

给定集合A和B,如果A中每个元素都是B中的元素,则称A为B的子集,记作AB或BA,读作“A包含于B”或“B包含A”。如果AB且A≠B,则称A为B的真子集,记作AB。AB(x)(x∈A→x∈B)AB(x)(x∈A→x∈B)∧(x)(x∈B∧xA)按子集的定义,对于任何集合A、B、C都有AA(自反性),(AB)∧(BC)(AC)(传递性)73、集合间的关系(续1)定理1

设A、B为两个集合,A=B当且仅当AB且BA。即(A=B)AB∧BA。证明:两个集合相等,则它们有相同的元素。(A=B)(x)(x∈A→x∈B)∧(x)(x∈B→x∈A)

(AB)∧(BA)。反之,若(AB)∧(BA),如果A≠B,则A与B的元素不完全相同。设x∈A但xB,这与AB矛盾;或x∈B但xA,这与BA矛盾,故A与B的元素必相同,即A=B。

定理2

空集是任意集合的子集。证明:任给集合A,Φ是空集。则(x)(x∈Φ→x∈A)永真,这是因为条件式的前件(x∈Φ)永假,所以该条件式对一切x皆为真。按子集的定义,ΦA为真。83、集合间的关系(续2)例1证明对于任何集合A、B、C都有(AB)∧(BC)(AC)证:(AB)∧(BC)(x)(x∈A→x∈B)∧(x)(x∈B→x∈C)

(x)((x∈A→x∈B)∧(x∈B→x∈C))

(x)(x∈A→x∈C)AC例2

确定下列命题的真值⑴ΦΦ;⑵Φ∈Φ;⑶Φ{Φ};⑷Φ∈{Φ}。解:⑴、⑶、⑷为真;(因为空集是任何集合的子集,所以⑴、⑶为真。)⑵为假。(因为空集不含任何元素。)93、集合间的关系(续3)例3

证明空集是唯一的证:假定Φ1和Φ2为二空集。由定理2,Φ1Φ2,Φ2Φ1。再根据定理1,Φ1=Φ2。例4设集合E={a,b,c},写出它的所有可能的子集。解:集合E={a,b,c}的所有可能的子集是:

S0=Φ,S1={a},S2={b},S3={c},S4={a,b},S5={a,c},S6={b,c},S7={a,b,c}。104、幂集定义4集合A的所有子集构成的集合叫A的幂集,记作ρ(A)。

根据定义,ρ(A)={X|XA}。例如,设A={a,b,c},则

ρ(A)={Φ,{a},{b},{c},{a,b},{a,c},{b,c},{a,b,c}}例5

设B={Φ,{Φ}}求ρ(B)。解:ρ(B)={Φ,{Φ},{{Φ}},{Φ,{Φ}}}114、幂集(续)定理3设A有n个元素,则ρ(A)有2n个元素。

证明:A的所有由k个元素组成的子集个数为从n个元素中取k个元素的组合数:在(x+y)2的展开式中令x=y=1得:另外,因ΦA,故ρ(A)中元素的个数N可表示为:125、集合的运算定义1

设A、B为两个集合,则A与B的交集A∩B、并集A∪B、差集A-B(也称B对A的相对补集)和对称差AB分别定义如下:A∩B={x│x∈A∧x∈B}A∪B={x│x∈A∨x∈B}A-B={x│x∈A∧xB}AB=(A-B)∪(B-A)={x│x∈Ax∈B}用文氏图可将集合表示如下:135、集合的运算(续)定义2设E为全集,A为任一集合,称E-A为A的绝对补,记作A。A=E-A={x│x∈E∧xA}例6设E={a,b,c,d},A={a,c},B={a,b,c,d},c=Φ,求A,B,C。解:A={b,d},B=Φ,C={a,b,c,d}=E。例7设A={1,2,3},B={1,4},C={3}。求A∪B,B∪AA∩B,B∩A,A-B,AB,C∩A,B∩C。解:A∪B={1,2,3,4}=B∪AA∩B={1}=B∩AA-B={2,3}AB={2,3,4}C∩A=Φ,B∩C=Φ146、集合运算的性质(1)交运算的性质A∩A=AA∩Ф=ФA∩E=AA∩B=B∩A(A∩B)∩C=A∩(B∩C)156、集合运算的性质(续1)(2)并运算的性质A∪A=AA∪E=EA∪B=B∪A(A∪B)∪C=A∪(B∪C)AA∪B,BA∪B166、集合运算的性质(续2)(3)绝对补运算的性质(A)=AE=ΦΦ=EA=EA∩A=Φ(A∪B)=A∩B176、集合运算的性质(续3)(4)差运算的性质A-B=A∩BA-B=A-(A∩B)A∩(B-C)=(A∩B)-(

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