第三章集合论 |
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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。 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 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 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AC且BD,则AB CD。 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。 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。 一、复合运算
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。 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AX,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。
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