第三章集合论

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第三章集合论

2024-01-23 22:44| 来源: 网络整理| 查看: 265

集合论 3.1 集合概念和表示3.2. 集合的运算3.3 序偶与笛卡尔积3-4 关系及其表示3.6 关系的性质3.7 关系的复合与逆运算3.8 关系的闭包运算3.9 集合的划分与覆盖3.10 等价关系3-11 相容关系3.12 偏序关系 集合论是研究集合的一般性质的数学分支,在现代数学中,每个对象(如数、函数等)本质上都是集合,都可以用某种集合来定义。数学的各个分支,本质上都是在研究这种或那种对象的集合的性质。集合论已成为全部现代数学的理论基础。 集合论的特点是研究对象的广泛性。它总结出由各种对象构成的集合的共同性质,并用统一的方法来处理。集合论被广泛地应用于各种科学和技术领域。 由于集合论的语言适合于描述和研究离散对象及其关系,所以也是计算机科学与工程的理论基础,在程序设计、关系数据库、开关理论、形式语言和自动机理论等学科领域中都有重要的应用。

3.1 集合概念和表示

一、集合的概念 集合由指定范围内的某些特定对象聚集在一起构成。指定范围内的每一个对象称为这个集合的元素. 二、集合的记法 通常用带(不带)标号的大写字母A、B、C、…、A1、 B1 、C1 、…、X、Y、Z、…表示集合; 通常用带(不带)标号的小写字母a、b、c、…、a1、 b1 、c1 、…、x、y、z、…表示元素。

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三、集合的表示方法 集合是由它包含的元素完全确定的,为了表示一个集合,通常有: 枚举法: 如:A={a,b,c,d} 描述法: 如:Z = {x|x是一个整数}; 归纳法: 如:P={xi|xi=xi-1+2, i是1到100的整数,x0=2} 文氏图 在这里插入图片描述 四、 集合与元素的关系 在这里插入图片描述 五、集合的特征 1、互异性:集合中的元素都是不同的,凡是相同的元素,均视为同一个元素; {1,1,2}={1,2} 2、无序性:集合中的元素是没有顺序的。 {2,1}={1,2} 3、确定性 : 任何一个对象,或者是这个集合的元素,或者不是,二者必居其一; 4、多样性:集合中的元素可以是任意的对象,相互独立,不要求一定要具备明显的共同特征。 例如:A={a,{a},{{a},b},{{a}}, 1}; 六、集合与集合的关系 相等,包含,真包含 相等:在这里插入图片描述 包含: 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 4、空集: 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 6 有限集和无限集:集合A中元素的个数称为集合A的基数,记为|A|。 如|A|是有限的,则称集合A为有限集, 如|A|是无限的,则称集合A为无限集。 7 m元子集:如果一个集合A含有n个元素,则称集合A为n元集,称A的含有m个(0≤m≤n)元素的子集为A的m元子集 子集总数: 在这里插入图片描述 8 幂集 设A为任意集合,把A的所有不同子集构成的集合叫做A的幂集,记为ρ(A)或2^A 。

3.2. 集合的运算

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证明集合包含的方法: 任取x属于A, 能够推出x属于B,则可得A包含于B 证明集合相等的方法: a)证明A包含于B且B包含于A b)利用已有的等价公式证明 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

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3.3 序偶与笛卡尔积

1.定义  由两个元素x,y按照一定的次序组成的二元组称为有序偶对(序偶),记作,其中x为第一个元素,y为第二个元素。 2.序偶的特点 1)序偶可以看作是具有两个元素的集合, 2)但是序偶中的两个元素具有确定的次序。即≠,但是{a,b}={b,a}. 3)给定序偶和,如果a=c,b=d,则=。 3. 有序N元组:是个有序对,其中第一个元素是一个有序n-1元组。 例:有序三元组=≠ 二、笛卡尔乘积 1 定义 设A,B是两个集合,称集合:A×B={|(x∈A)∧(y∈B)}为集合A与B的笛卡尔积。 注意: (1)集合A与B的笛卡尔积A×B仍然是集合; (2)集合A×B中的元素是序偶,序偶中的第一个元素取自A,第二个元素取自B。 2 性质 (1)笛卡尔积不满足交换律; (2)A×B=Φ当且仅当A=Φ或者B=Φ; (3)笛卡尔积不满足结合律; (4)对有限集A,B,有|A×B|=|B×A|=|A|×|B|。 (5)设A,B,C是任意三个集合,则 A×(B∪C)=(A×B)∪(A×C); (B∪C)×A=(B×A)∪(C×A); A×(B∩C)=(A×B)∩(A×C); (B∩C)×A=(B×A)∩(C×A)。 6)设A,B,C,D是集合,若AC且BD,则AB  CD。

3-4 关系及其表示

1.定义 设A,B为两个非空集合,称A×B的任何子集R为从A到B的二元关系,简称关系。 如果 A=B,则称R为A上的二元关系。 在这里插入图片描述

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2 关系的表示法 (1)集合表示法 例:a)设A={a},B={b,c},写出从A到B的不同关系; b)写出定义在实数集合R上的“相等”关系。 解:a) A到B的不同关系有:R1=Ф,R2={},R3={},R4={,}; b)设实数集合R上的“相等”关系为S,则S={|(x,y∈R)∧(x=y)}。 (2)关系图法 a)A≠B 设A={a1,a2,…,an},B={b1,b2,…,bm},R是 从A到B的一个二元关系,则规定R的关系图如下:  ①.设a1,a2,…,an和b1,b2,…,bm分别为图中的结点,用“。”表示;   ②.如属于R,则从ai到bj可用有向边ai。 。bj相连。为对应图中的有向边。  b)A=B 设A=B=,R是A上的关系,则R的关系图规定如下: ①.设a1,a2,…,an为图中节点,用“。”表示 ②.如属于R,则从ai到aj可用有向边ai。 。aj相连。为对应图中的有向边。 ③.如属于R,则从ai到ai用一带箭头的小圆环表示,即:ai (3).关系矩阵 设A={a1,a2,…,an},B={b1,b2,…,bm},R是从A到B的一个二元关系,称矩阵MR=(rij)n×m为关系R的关系矩阵,其中: 若属于R,则rij=1;若属于R,则rij=0又称MR为R的邻接矩阵。 注意:A中元素序号对应矩阵元素的行下标, B中元素序号对应矩阵元素的列下标;关系矩阵是0-1矩阵,称为布尔矩阵。 3.前域和值域 令R为二元关系,由∈R的所有x组成的集合domR称为R的前域,即 domR={x|(存在y)(∈R)} 使∈R的所有y组成的集合ranR称作R的值域,即 ranR={y|(存在x)(∈R)} R的前域和值域一起称作R的域,记作 FLDR,即 FLDR =domR∪ranR 4.三种特殊关系 规定:把X×Y的两个平凡子集X×Y和Φ,分别称为X到Y上的全域关系和空关系。 当X=Y时,集合X上: 全域关系: EX=X×X 空关系: ΦX=Φ 恒等关系: IX={|x属于X}

3.6 关系的性质

本节涉及到的关系,如无特别声明,都是假定其前域和值域相同。即都为定义在集合A上的关系,且A是非空集合。对于前域、值域不相同的关系,其性质无法加以定义。 在这里插入图片描述 结论:(1)关系R是自反的,则R一定不是反自反的;关系R是反自反的,则R一定不是自反的; (2)存在既不是自反的也不是反自反的关系; (3)关系R是自反的等价于关系图中每个结点都有自环,关系R是反自反的等价于关系图中每个结点都无自环; (4)关系R是自反的等价于关系矩阵的主对角线上全为1,关系R是反自反的等价于关系矩阵的主对角线上全为0。

3.7 关系的复合与逆运算

一、复合运算 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

3.8 关系的闭包运算

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 二.关系图求闭包 利用关系图求关系R闭包的方法: (1)检查R的关系图,在没有自环的结点处加上自环,可得r®的关系图; (2)检查R的关系图,将每条单向边全部改成双向边,可得s®的关系图; (3)检查R的关系图,从每个结点出发,找到长度不超过n(n为图中结点的个数)的路径的终点,如果该结点到其终点没有边相连,就加上此边,可得t®的关系图。 利用关系图求关系R闭包的方法: (1)检查R的关系图,在没有自环的结点处加上自环,可得r®的关系图; (2)检查R的关系图,将每条单向边全部改成双向边,可得s®的关系图; (3)检查R的关系图,从每个结点出发,找到长度不超过n(n为图中结点的个数)的路径的终点,如果该结点到其终点没有边相连,就加上此边,可得t®的关系图。 在这里插入图片描述 根据R的关系矩阵求r®的关系矩阵:把R的关系矩阵主对角线都标为1 根据R的关系矩阵求s®的关系矩阵:把R的关系矩阵和R-1的关系矩阵或运算 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

3.9 集合的划分与覆盖

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3.10 等价关系

一、等价关系定义 设R是定义在非空集合A上的关系,如果R是自反的、对称的、传递的,则称R为A上的等价关系。 在这里插入图片描述 二、等价类 如果R是一个等价关系,∈R,则称a等价于b,记作a~b。 设R是非空集合A上的等价关系,对任意a∈A,称集合 [a]R={x|x∈A∧∈R} 称[a]R 为a关于R的等价类, 简称为a的等价类 二、等价类 设R是非空集合A上的等价关系,对任意a∈A,称集合 [a]R={x|x∈A∧∈R} 称[a]R 为a关于R的等价类, 简称为a的等价类 在这里插入图片描述 三、商 集设R是非空集合A上的等价关系,由R确定的一切等价类的集合,称为集合A上关于R的商集,记为A/R,即A/R={[x]R|x∈A} 四、等价关系与划分 在这里插入图片描述

3-11 相容关系

定义: 设R是给定集合X上的一个二元关系,若R是自反的和对称的,则称R是相容的,即R是相容关系。 对相容关系而言,在它的图形表示中,每个元素的环不必画出,两个元素之间的相反方向弧也不必画出,可代之以一条无向弧,这样得到的图称为相容关系图。 在相容关系的关系矩阵中,只需写出该关系矩阵对角线下方的部分就够了,称为相容关系矩阵 最大相容类:定义: 设X是一个集合, R是X上的相容关系,如果AX,若对于A中任意两个元素a1,a2有a1Ra2,称A是由相容关系R产生的相容类。不能真包含在其它相容类中的相容类称为最大相容类。 完全覆盖:最大相容类组成的集合 求最大相容类的方法: 在关系图中确定最大完全多边形的顶点 每个顶点都与其他所有顶点相联结的多边形 1)孤立结点是最大的完全多边形; 2)两个相互联结的结点是最大完全多边形; 3) 三角形是三个结点的最大完全多边形; 求最大相容类的方法: 在关系图中确定最大完全多边形的顶点 (4)四个结点 (5)五个结点 画出简化相容关系的关系图后, 先找结点最多的完全多边形,以后逐次减少。 在这里插入图片描述

3.12 偏序关系

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 哈斯图的特点:(1)每个结点没有环。 (2)两个连通的结点之间的序关系通过结点位置的高低表示,位置低的元素的顺序在前。 (3)具有盖住关系的两个结点之间连边。 哈斯图: 利用偏序关系的自反、反对称、传递性进行简化的关系图。 在这里插入图片描述 性质: (1) 对于有穷集,极小元和极大元一定存在,可能存在多个. (2) 最小元和最大元不一定存在,如果存在一定惟一. (3) 最小元一定是极小元;最大元一定是极大元. (4) 孤立结点既是极小元,也是极大元. 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述



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