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A B。 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N R,与N等势的那些集合也不会与R等势。下面证明N R。
定理9.2 (康托定理)
(1) N R
(2) 对任意集合A都有A P(A)。
证 (1)如果能证明N [0,1],就可以断定N R.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y ranf,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∧x g(x)}
则B∈P(A),但对任意x∈A都有
x∈B x g(x)
从而证明了对任意的x∈A都有B≠g(x)。即B rang。
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A B,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a a。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=n A≈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=cardB A≈B (2)cardA≤cardB A ·B (3)card |