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离散数学 - 02 集合论

集合论

  • 简介
  • 集合
  • 二元关系
  • 函数关系

简介

  1. 集合的概念、性质和基本操作、集合之间的关系和特殊集合
  2. 有限集合的基数包括排斥原理
  3. 无限公理和自然数集合论公理系统
  4. 二元关系的概念、关系矩阵和关系图
  5. 逆、合成、基本性质、闭包
  6. 等价关系和划分,偏序关系和哈斯图
  7. 函数的定义、性质、特殊函数、满射、单射和双射
  8. 集合势、无限集合基数
  9. 集合论:集合,关系,函数

集合

  1. 集合与元素 (1)集合:大写字母表示一些可识别的不同对象A (2)元素:组成集合对象,小写字母表示a
  2. 表示:枚举法 { a ,e, i, o, u},谓词法 A={x|x 英文字母表中的元音字母}
  3. 集合关系 (1)A 是 B 的子集(B 包含 A),记为 A?B,A?B??x(x∈A→x∈B) (2)A 是 B 真子集,记为 A?B,A?B?(A?B∧A≠B) (3)全集,记为 U 或 E,U={x|P(x)∨?P(x)};空集,记为,={x|P(x) ∧?P(x)} (4)A 幂集是指所有子集的集合,是一集,记为 P(A), P(A)={B|B?A},?∈P(A),A∈P(A) (5)集合的基数或潜力,以及集合中元素或测量集合大小的数量,记录为|A|
  4. 集合间的运算 (1)并 A∪B,交 A∩B,差 A-B,补 ~A (2)吸收律:A∪(A∩B)=A ;A∩(A∪B)=A (3)德摩根律: ~ (A∪B) = ~ A ∩ ~ B; ~ (A∩B)= ~ A∪~B (4)分配律: ?? [1] A∪(B∩C)= (A∪B) ∩ (A∪C); ?? [2] A∩(B∪C)= (A∩B) ∩∪ (A∩C);

二元关系

  1. 有序对:两个元素 x 和 y按一定顺序排列的有序组称为有序对,记录<x,y>。 (1)有序对<x,y>具有以下性质: ?? [1] 当 x≠y 时,<x,y>≠<y,x> ?? [2] <x,y>=<u,v>充分必要的条件是 x=u且 y=v
  2. 笛卡尔积: 设 A、B 用于两个集合 A 中等元素为第一元素,B 第二元素中的元素构成有序对,所有这些有序对所有组成的集合称为 A 与 B 记做笛卡尔积 A×B;操作性质如下: (1)任意集合 A,根据定义,有 A×?=?,?×A=? (2)一般来说,笛卡尔积不符合交换律,即 A×B≠B×A(A、B 均不为时间) (3)笛卡尔积不符合法律结合(A×B)×C≠A×(B×C) (A、B、C 均不为时间) (4)笛卡尔积对并,运输满足分配律 ?? [1] A×(B∪C)=(A×B)∪(A×C) ?? [2] A×(B∪C)=(A×B)∪(A×C) ?? [3] A×(B∩C)=(A×B)∩(A×C) ?? [4] A×(B∩C)=(A×B)∩(A×C) (5)设 A,B,C.D为了集合,有(A?C)∧(B?D) ? (A×B)?(C×D)
  1. 二元关系:如果一个集合符合以下条件之一,则称为二元关系,记录为 R。如果<x,y>∈R,可记做 xRy; ?? [1] 收集非空,其元素有序; ?? [2] 集合是空集。 (1)设 A,B为集合,A×B 任何子集定义的二元关系称为从 A 到 B 当 A=B 时则叫做 A 二元关系。 (2)任何集合 A,有三种特殊的二元关系 ?? [1] 空集,叫空关系 ?? [2] 全域关系 EA={<x,y>|x∈A ∧ y∈A }=A×A ?? [3] 恒等关系 IA={<x,x>| x∈A }。 (3)A={a,b},EA={<a,a>,<a,b>,<b,a>,<b,b>};IA={<a,a>,<b,b>}
  1. 如果|A|=n, |A×A|=n2, A×A 的子集有2n*n 个,则 A 上有2n*n二元关系不同。
  1. 二元关系的表现: 有三种方的方式有三种:关系的集合表达式、关系矩阵、关系图 (1)关系矩阵:若 A={x1, x2, …, xm},B={y1, y2, …, yn},R 是从 A 到 B 的关系,R 关系矩阵是布尔矩阵 MR = [ rij] m×n, 其中 rij = 1? < xi, yj> ∈R (2)关系图:若 A= {x1, x2, …, xm},R 是从 A 上的关系,R 的关系图是 GR=<A, R>,其中 A为结点集,R 如果是边集<xi,xj>属于关系 R,图中有一条从 xi到 xj的有向边。 ?? [1] 关系矩阵适合表示从 A 到 B 的关系或者 A 上的关系(A,B 为有穷集) ?? [2] 关系图适合表示穷集 A 上的关系 (3)集合 A=关系 R={<1,1>,<1,2>,<2,3>,<2,4>,<4,2>},R 的关系矩阵和关系图如下: 在这里插入图片描述
  2. 二元关系的运算 (1)关系 R 的定义域 dom R={x| ?y(xRy)},值域 ran R={y| ?x(xRy)} ?? [1] 例 R={<1,2>,<1,3>,<2,4>},则 x元素 domR={1, 2},y元素 ranR={2, 3, 4} (2)设 R 二元关系,R 逆关系,简称 R 的逆,记作 R-1,R-1={<x,y>|yRx} (3)设 F,G 二元关系,G 对 F 右复合记作 F?G,F?G={<x,y>| ?t(xFt∧tGy)} (4)例:R={<1,2>, <2,3>, <1,4>, <2,2>},S={<1,1>, <1,3>, <2,3>, < 3,2>, < 3,3>}, 则 R?1={<2,1>, < 3,2>, <4,1>, <2,2>}, R°S ={<1,3>, <2,2>, <2,3>}, S°R ={<1,2>, <1,4>, < 3,2>, < 3,3>}
  1. 二元关系的性质 定理:设 F,G,H 是任意的关系,则有 ?? [1] (F-1)-1=F ?? [2] dom F-1=ran F, ran F-1=dom F ?? [3] (F?G)?H=F?(G?H) ?? [4] (F?G)-1=G-1?F-1 (1)例:证明(3)任命<x,y>, <x,y>∈(F°G)°H ? ?t (<x,t>∈F°G∧<t,y>∈H) ? ?t ( ?s(<x,s>∈F∧<s,t>∈G)∧<t,y>∈H) ? ?t ?s(<x,s>∈F∧<s,t>∈G∧<t,y>∈H) ? ?s(<x,s>∈F∧?t (<s,t>∈G∧<t,y>∈)) ⇔ ∃s(<x,s>∈F∧<s,y>∈G°H) ⇔ <x,y>∈F°(G°H) 所以 (F°G)°H = F°(G°H)
  1. 二元关系的幂运算 (1)设 R 为 A 上的二元关系,n 为自然数,则 R 的 n 次幂为:(1) R0={<x,x>|x∈A}=IA ;(2)Rn+1=Rn ◦R (2)定理:设 R 是 A 上的关系, m, n∈N, 则 (1)Rm ◦Rn=Rm+n,(2)(Rm)n=Rmn
  1. 二元关系的性质 (1)自反性/反自反性: ∀x(x∈A→xRx) / ∀x(x∈A→x R \frac{}{R} R​ x)    [1] A = {1,2,3}, 自反包含{<1,1>,<2,2>,❤️,3>},对所有的x∈A都符合, 反自反都不含{<1,1>,<2,2>,❤️,3>}中的任一元素    [2] 自反关系矩阵主对角线必须都为1,反自反主对角线都为0. (2)对称性/反对称性: ∀x∀y(x,y∈A∧xRy→yRx) / ∀x∀y(x,y∈A∧xRy∧yRx→x=y)    [1] A = {1,2,3}, R1={<1,1>,<2,3>,❤️,2>}是对称,xRy和yRx都属于R1;不是反对称,<2,3>,❤️,2>存在,但是2!=3;    [2] A = {1,2,3},R2={<1,1>,<2,2>},对称也是反对称    [3] 对称性关系矩阵沿主对角线对称,反对称性关系矩阵沿主对角线对称元素不能同时为1; (5)传递性: ∀x∀y∀z(x,y,z∈A∧xRy∧yRz→xRz    [1] 如果有<x,y><y,z>,则必有<x,z>
  2. 二元关系的等价
  3. 等价关系 设 R 是非空集合 A 上的关系,如果 R 是自反的,对称的和传递的,则称 R 为 A 上 的等价关系。设 R 是一个等价关系,若(x,y)∈R,称 x 等价于 y,记作 x~y。
  4. 偏序关系 (1)设 R 为非空集合 A 上的关系,如果 R 是自反的、反对称的和传递的,则称 A 为 R上的偏序关系,记作≼。设≼为偏序关系,如果<x,y> ∈≼,则记作 x ≼y,读作 x“小于或等于”y。 (2)定义:设 R 为非空集合 A 上的偏序关系,定义    [1] ∀x,y∈A,x≺y⇔x ≼y∧x≠y,其中,x≺y 读作 x“小于”y>    [2]∀x,y∈A,x 与 y 可比 ⇔ x ≼y∨y ≼x    [3] 任取两个元素 x 和 y, 可能有下述几种情况发生:x≺y(或 y≺x), x=y, x 与 y 不是可比的。
  5. 全序关系:设 R 为非空集合 A 上的偏序关系,若∀x,y∈A,x 与 y 都是可比的,则称 R 为全序关系(或线序关系)
  6. 偏序集:集合 A 与 A 上的偏序关系≼一起叫做偏序集,记作<A, ≼ >
  1. 哈斯图: 偏序集 A 中元素结点间直线连接,单个结点上无环,若 x≺y,把结点 x 画到 y 的下方,若不存在 z∈A,使得 x≺z≺y,则在 x 与 y 间连一条线段。

函数关系

  1. 函数 设 F 为二元关系,若∀x∈dom F 都存在唯一的 y∈ran F 使 xFy 成立,则称 F 为函数。对于函数 F,如果有 xFy,则记做 y=F(x),并称 y 为 F 在 x 点的值。 (1)函数相等:设 F, G 为函数, 则 F=G ⇔ F⊆G∧G⊆F 。如果两个函数 F 和 G 相等, 一定满足下面两个条件:    [1] domF = domG    [2] ∀x∈domF=domG 都有 F(x)=G(x) (2)从 A 到 B 的函数:设 A, B 为集合,如果 f 为函数,domf=A, ranf⊆B,则称 f 为从 A 到 B 的函数,记作 f: A→B。 (3)B 上 A 函数 BA: 所有从 A 到 B 的函数的集合记作 BA,符号化表示为 BA={f | f:A→B}。    [1] 若|A|=m,|B|=n,且 m,n>0,则|BA|=nm,>    [2] 若 A=∅, 则 BA=B={∅},    [3] 若 A≠∅ 且 B=∅, 则 BA=∅A= ∅。
  1. 满射和单射 设 f:A→B,    [1] 若 ran f f f=B, 则称 f:A→B 是满射的    [2] 若∀y∈ran f f f 都存在唯一的 x∈A 使得 f(x)=y,则称 f:A→B 是单射的    [3] 若 f f f:A→B 既是满射又是单射的,则称 f:A→B 是双射的。
  1. 复合函数 (1)定理:设 F, G 是函数, 则 FοG 也是函数, 且满足    [1] dom(FοG)={x|x∈domF∧F(x) ∈domG}    [2] ∀x∈dom(FοG)有 FοG(x)=G(F(x)) (2)定理:设 f:A→B, g:B→C    [1] 如果 f:A→B, g:B→C 都是满射的, 则 fοg:A→C 也是满射的    [2] 如果 f:A→B, g:B→C 都是单射的, 则 fοg:A→C 也是单射的    [3] 如果 f:A→B, g:B→C 都是双射的, 则 fοg:A→C 也是双射的

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