集合基数

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集合基数

2023-03-14 05:18| 来源: 网络整理| 查看: 265

主要内容1. 集合的等势与优势 2. 集合的基数 学习要求 1. 掌握:集合之间等势与优势的概念,等势的性质(自反性,对称性,传递性) 2. 掌握:证明集合等势的方法,康托定理的内容及证明方法 3. 掌握:自然数、自然数集、有穷集、无穷集的定义与主要性质 4.

掌握:集合基数的定义、基数的比较、可数集的定义与主要性质

集合的等势与优势 集合的等势

  通俗的说,集合的势是量度集合所含元素多少的量。集合的势越大,所含的元素越多。 定义9.1设A,B是集合,如果存在着从A到B的双射函数,就称A和B是等势的,记作A≈B。如果A不与B等势,则记作AB。   下面给出一些集合等势的例子。例9.1 (1) Z≈N。回顾上一章例8.6(3),令     f:Z→N, 则f是Z到N的双射函数。从而证明了Z≈N。   (2) N×N≈N. 为建立N×N到N的双射函数,只需把中所有的元素排成一个有序图形,如图9.1所示。N×N中的元素恰好是坐标平面上第一象限(含坐标轴在内)中所有整数坐标的点。如果能够找到“数遍”这些点的方法,这个计数过程就是建立N×N到N的双射函数的过程。按照图中箭头所标明的顺序,从开始数起,依次得到下面的序列:     ,,,,,,…      ↓   ↓    ↓   ↓   ↓   ↓      0    1    2    3    4    5  设是图上的一个点,并且它所对应的自然数是k。考察m,n,k之间的关系。首先计数点所在斜线下方的平面上所有的点数,是

    1+2+…+(m+n)= 然后计数所在的斜线上按照箭头标明的顺序位于点之前的点数,是m.因此点是第+m+1个点。这就得到    k=+m根据上面的分析,不难给出N×N到N的双射函数f,即    f:N×N→N    f()=+m

等势的性质

  以上已经给出了若干等势的集合。一般说来,等势具有下面的性质:自反性,对称性和传递性。  定理9.1 设A,B,C是任意集合,   (1) A≈A。   (2) 若A≈B,则B≈A。   (3) 若A≈B,B≈C,则A≈C。   证明: 根据前面的分析和这个定理可以得到下面的结果:     N≈Z≈Q≈N×N     R≈[0,1]≈(0,1)   而后一个结果可以进一步强化成:任何的实数区间(包括开区间,闭区间以及半开半闭的区间)都与实数集合R等势。那么N与R是否等势呢?如果有N≈R,上面列出的所有集合彼此都是等势的;如果NR,与N等势的那些集合也不会与R等势。下面证明NR。 定理9.2 (康托定理)   (1) NR   (2) 对任意集合A都有AP(A)。   证 (1)如果能证明N[0,1],就可以断定NR.为此只需证明任何函数f:N→[0,1]都不是满射的。   首先规定[0,1]中数的表示。对任意的x∈[0,1],令     x=0.x1x2…,0≤xi≤9 考察下述两个表示式:     0.24999… 和 0.25000… 显然它们是同一个x的表示。为了保证表示式的唯一性,如果遇到上述情况,则将x表示为0.25000…。根据这种表示法,任何函数f: N→[0,1]的值都可以用这种表示式给出。   设f: N→[0,1]是从N到[0,1]的任何一个函数。如下列出f的所有函数值:     f(0)=0.a1(1)a2(1)…     f(1)=0.a1(2)a2(2)…     …     f(n-1)=0.a1(n)a2(n)…      … 设y是[0,1]之中的一个小数,y的表示式为0.b1b2…,并且满足bi≠ai(i),i=1,2,….显然y是可以构造出来的,且y与上面列出的任何一个函数值都不相等。这就推出yranf,即f不是满射的。   (2)和(1)的证明类似,我们将证明任何函数g:A→P(A)都不是满射的。   设g: A→P(A)是从A到P(A)的函数,如下构造集合B:     B={x|x∈A∧xg(x)} 则B∈P(A),但对任意x∈A都有     x∈Bxg(x) 从而证明了对任意的x∈A都有B≠g(x)。即Brang。 优势

  根据这个定理可以知道N P(N)。再综合前边的结果不难断定N {0,1} N。实际上P(N),{0,1} N和R都是比N“更大”的集合。这里的“大”加了引号,因为至今为止我们还没有给出“大小”的严格定义。下面就来进行这个工作。

定义9.2   (1) 设A,B是集合,如果存在从A到B的单射函数,就称B优势于A,记作A·B。如果B不是优势于A,则记作A·B。   (2) 设A,B是集合,若A·B且AB,则称B真优势于A,记作A·B。如果B不是真优势于A,则记作A·B。   例如N·N,N·R,A·P(A),R·N。 又如N·R,A·P(A),但N·N。   优势具有下述的性质。 定理9.3 设A,B,C是任意的集合,则

  (1)A·A。   (2)若A·B且B·A,则A≈B。   (3)若A·B且B·C,则A·C。   定理9.3(2)部分的证明比较复杂,已经超过本书范围,故而略去。(1)和(3)的证明留作练习。 9.2 集合的基数 一.后继与归纳集

  上一节我们只是抽象地讨论了集合的等势与优势。下面将进一步研究度量集合的势的方法。最简单的集合是有穷集。尽管前面已经多次用到“有穷集”这一概念,当时只是只管地理解成含有有限多个元素的集合,但一直没有精确地给出有穷集的定义。为解决这个问题我们需要先定义自然数和自然数集合。  定义9.3 设a为集合,称a∪{a}为a的后继,记作a+,即 a+=a∪{a}。 例9.3 考虑空集的一系列后继。     +=∪{}={}     ++={}+={}∪{{}}={,{}}={+}     +++={,{}}+={,{}}∪{{,{}}}         ={,{},{,{}}}         ={+,++}         …   由于对任何集合a都有aa。在空集的一系列后继中,任何两个集合都不相等。且满足下面的两个条件:   1.前边的集合都是后边集合的元素。   2.前边的集合都是后边集合的子集。 利用这些性质,可以考虑以构造性的方法用集合来给出自然数的定义,即     0=     1=0+=+={}={0}     2=1+={}+={,{}}={0,1}     …     n={0,1,…,n-1} 但这种定义没有概括出自然数的共同特征。下面我们采用另一种方法刻划自然数。 自然数,有穷集,无穷集

 定义9.4 设A为集合,如果满足下面的两个条件:   (1)∈A   (2)a(a∈A→a+∈A) 则称A是归纳集。   例如下面的集合     {,+,++,+++,…}     {,+,++,+++,…,a,a+,a++,a+++,…} 都是归纳集。 定义9.5   (1)一个自然数n是属于每一个归纳集的集合。   (2)自然数集N是所有归纳集的交集。   不难看出,根据定义9.5得到的自然数集N恰好由,+,++,+++,…等集合构成。而这些集合正是构造行所定义的全体自然数。   鉴于自然数都是集合,有关集合的运算对自然数都是适用的,例如:     2∪5={0,1}∪{0,1,2,3,4}={0,1,2,3,4}=5     3∩4={0,1,2}∩{0,1,2,3}={0,1,2}=3     4-2={0,1,2,3}-{0,1}={2,3}     2×3={0,1}×{0,1,2}={,,,,,}     P(1)=P({0})={,{0}}={0,1}     23={0,1}{0,1,2}={f|f:{0,1,2}→{0,1}}={f0,f1,…,f7}  其中     f0={,,}     f1={,,}     f2={,,}     f3={,,}     f4={,,}     f5={,,}     f6={,,}     f7={,,}

基数

  下面给出基数的定义。 定义9.7   (1)对于有穷集合A,称与A等势的那个唯一的自然数为A的基数,记作cardA,即     cardA=nA≈n (对于有穷集A,cardA也可以记作|A|)   (2)自然数集合N的基数记作,即     cardN=0   (3)实数集R的基数记作(读作阿列夫),即     cardR=   下面定义基数的相等和大小。

定义9.8 设A,B为集合,则   (1)cardA=cardBA≈B   (2)cardA≤cardBA·B   (3)card


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