Подмножества. Отношение включения.

Множество Х является подмножеством множества Y, если любой элемент множества Х ∈ и множеству Y. Обозначается X⊆Y.

Если необходимо подчеркнуть, что Y содержит и другие элементы, кроме элементов из Х, то используют символ строгого включения ⊂: X⊂Y. Связь между символами ⊂ и ⊆ дается выражением:

X⊂Y ⇔ X⊆Y и X≠Y

Отметим некоторые свойства подмножества, вытекающие из определения:

1. X⊆Х (рефлексивность);

2. [X⊆Y и Y⊆Z] → X⊆Z (транзитивность);

3. ∅ ⊆ M. Принято считать, что пустое множество является подмножеством любого множества.

Исходное множество А по отношению к его подмножествам называется полным множеством и обозначается I.

Любое подмножество А_i множества А называется собственным множеством А.

Множество, состоящие из всех подмножеств данного множества Х и пустого множества ∅, называется булеаном Х и обозначается β(Х). Мощность булеана |β(Х)|=2ⁿ.

Счетное множество — это такое множество А, все элементы которого могут быть занумерованы в последовательность (м.б. бесконечную) а₁, а₂, а₃,..., а_n,... так, чтобы при этом каждый элемент получил ишь один номер n и каждое натуральное число n было бы в качестве номера дано одному и лишь одному элементу нашего множества.

Множество, эквивалентное множеству натуральных чисел, называется счетным множеством.

Пример. Множество квадратов целых чисел 1, 4, 9,..., n² представляет собой лишь подмножество множества натуральных чисел N. Множество является счетным, так как приводится во взаимно однозначные соответствия с натуральным рядом путем приписывания каждому элементу номера того числа натурального ряда, квадратом которого он является.

Существует 2 основных способа задания множеств.

• перечислением (X={a,b}, Y={1}, Z={1,2,...,8}, M={m₁,m₂,m₃,..,m_n});
• описанием — указывается характерное свойства, которым обладают все элементы множества.

Множество полностью определено своими элементами.

Перечислением можно задать только конечные множества (например, множество месяцев в году). Бесконечные множества можно задать только описанием свойств его элементов (например, множество рациональных чисел можно задать описанием Q={n/m, m, n∈Z, m≠0}.

Способы задания множества описанием:

а) заданием порождающей процедуры с указанием множества (множеств), которое пробегает параметр (параметры) этой процедуры — рекурсивный, индуктивный.

X={x: x₁=1, x₂=1, x_k+2=x_k+x_k+1, k=1,2,3,...} — мн-во чисел Фибониччи.

{мн-во элементов х, таких, что х₁=1,х₂=1 и произвольное х_k+1 (при к=1,2,3,...) вычисляется по формуле х_k+2=х_k+х_k+1} или Х=[x: x₁=1, x₂=1, x₃=2, x₄=3, x₅=5, x₆=8,...}

б) заданием вычислительной процедуры формульной зависимости:

X = {x: x=2sin(y)+1, y∈{0, p/2}} ⇔ {1, 3}

X = {x: x²-1=0 ⇔{+1,-1}

в) заданием характеристического свойства (высказывания), выделяющего элементы данного множества из элементов других множеств — предикатный.

А={x: x — четное число}; M={x: p(x)} — множество х, обладающих свойством p

N={n: n∈Z, n>0, Z={-..., -2, -1, 0, 1, 2,...} — множество целых чисел

K={m: m=n², n∈N} — множество всех квадратов натуральных чисел, N={1, 2, 3,...}

X={x: 0≤x≤1, x∈N} ⇔ 1, 2, 3,..., где N-мн-во целых чисел.

г) заданием с помощью операций над множествами — аналитический.

Отметим некоторые свойства подмножества, вытекающие из его определения:

Если X⊆Y и Y⊆X → X=Y

Для любого множества само это множество и ∅ можно рассматривать как его подмножества, называемые несобственными. Все другие подмножества — собственные.

Лекция 13: Операции над множествами. Упорядоченное множество

Объединение множеств

Объединение множеств X и Y — это множество, состоящее из всех тех и только тех элементов, которые принадлежат хотя бы одному из множеств X или Y, т.е. принадлежат X или принадлежат Y.

Объединение X и Y обозначается через X∪Y

Формально x∈X∪Y ⇔ x∈X или x∈Y

Пример 1. Если X={1,2,3,4,5} и Y={2,4,6,8}, то

X∪Y={1,2,3,4,5,6,7,8}

Пример 2. Если X={x:x — отл.гр.}, и Y={x:x — gib.}, то

X∪Y={x:x — или отл., или gib}.

Пример 3. Если X — множество точек левого круга и Y — множество точек правого круга, то

X∪Y — заштрихованная область, ограниченная обоими кругами.

Понятие объединения можно распространить и на большее число множеств, на систему множеств. Обозначим через М={X₁,X₂,...,X_n} совокупность n множеств X₁,X₂,...,X_n, называемую иногда системой множеств. Объединение этих множеств

∪X_i=∪(X∈M), Х=X₁∪X₂∪...∪X_n

представляет собой множество, состоящее из всех тех и только тех элементов, которые принадлежат хотя бы одному из множеств данной системы М.

Для объединенных множеств справедливы:

• X∪Y = Y∪X — коммутативный закон
• (X∪Y)∪Z = X∪(Y∪Z) = X∪Y∪Z — ассоциативный закон,

справедливость которых вытекает из того, что левая и правая части равенств состоят из одних и тех же элементов.

Очевидно, что X∪∅ = X. Отсюда можно видеть, что ∅ играет роль нуля в алгебре множеств.

Пересечение множеств

Пересечение множеств X и Y — это множество, состоящее из всех тех и только тех элементов, которые принадлежат как множеству X, так и множеству Y.

Пересечение множеств обозначается X∩Y.

Формально x∈X∩Y ⇔ x∈X и x∈Y

Пример 4. X={1,2,3,4,5} Y={2,4,6,8} X∩Y = {2,4}

Пример 5. Если Х — множество точек левого круга, а Y — множество точек правого круга, то X∩Y представляет собой заштрихованную область, являющуюся общей частью обоих кругов.

Множества X и Y называются непересекающимися (дизъюнктными), если они не имеют общих элементов, то есть если X∩Y=∅.

Пример 7. {1,2,3} и {4,5,6}

В отличие от алгебры чисел, где могут быть три возможности: a<b, a=b, b<a между двумя множествами X и Y может быть одно из 5 cотношений:

X=Y; X⊂Y; Y⊂X; X∩Y=∅ и X и Y находятся в общем положении.

Говорят, что множества X и Y находятся в общем положении, если выполняются три условия:

1. существует элемент множества X, не принадлежащий Y;

2. существует элемент множества Y, не принадлежащий X;

3. существует элемент, принадлежащий как X, так и Y.

Аналогично объединению понятие пересечения можно распространить на систему множеств:

∩X=∩X_i=X₁∩X₂∩...∩X_n

Пересечение множеств представляет собой множество, элементы которого принадлежат каждому из множеств системы М.

Для пересечения множеств справедливы:

• X∩Y=Y∩X — коммутативный закон
• (X∩Y)∩Z = X∩(Y∩Z) = X∩Y∩Z — ассоциативный закон

Заметим также, что имеет место соотношение X∩∅=∅.

Пример 8. A={a,b}, B={b,c}, C={a,c}.

A∩B∩C=∅, хотя A∩B={b}, B∩C={c}

Разность множеств

Разность множеств определена только для двух множеств. Разностью множеств X и Y называется множество, состоящее из всех тех и только тех элементов, которые принадлежат X и не принадлежат Y.

Обозначается: X\Y.

Формально: x∈X\Y ⇔ x∈X и x∉Y

Пример 9. (см. Пример 1) X={1,2,3,4,5}, Y={2,4,6,8}, X\Y={1,3,5}, Y\X={6,8}

Разность множеств не обладает свойством коммутативности.

X\Y≠Y\X

Если A\B=∅, то A⊂B — поставить? обратно

при A∩B≠∅

Универсальное множество

Роль нуля в алгебре множеств играет пустое множество. А нет ли такого множества, которое играет роль «1», т.е. удовлетворяет условию: X∪I = X, что означает, что пересечение или «общая часть» множества I и множества X для любого множества X совпадает с самим этим множеством. Это возможно лишь в том случае, если множество I содержит все элементы, из которых может состоять множество X, так что любое множество X полностью содержится в множестве I.

Множество I, удовлетворяющее этому условию, называется полным, или универсальным, или единичным.

Если при некотором рассмотрении участвуют только подмножества некоторого фиксированного множества, то это самое большое множество будем считать универсальным и обозначать I.

Пример 12 (Пример 1). I — множество целых чисел

Пример 13 (Пример 2). I — множество студ. гр.

Пример 14 (Пример 3). I — лист бумаги, доска

Универсальное множество обычно обозначают графически в виде множества точек прямоугольника, а отдельные множества в виде отдельных областей внутри этого прямоугольника. Изображение множеств в виде областей в прямоугольнике, представляющем универсальное множество, называется диаграммой Эйлера-Венна.

Универсальное множество обладает интересным свойством, которое не имеет аналогии в обычной алгебре, а именно, для любого множества X справедливо соотношение X∪I = I.

Дополнение множества

Множество, определяемое из соотношения X¯ = I\X, называется дополнением множества X (до универсального множества I).

На диаграмме множество X¯ представляет собой незаштрихованную область.

Формально: X = {x: x∈I и x∉X}.

Из определения следует, что X и X¯ не имеют общих элементов. Х∩X¯=∅.

Кроме того, не имеется элементов I, которые не принадлежали бы ни X, ни X¯ (его дополнению), так как те элементы, которые не принадлежат X, принадлежат X¯ (его дополнению). Следовательно, Х∪X¯=I.

Из симметрии данной формулы относительно Х и X¯ следует не только то, что X¯ является дополнением Х, но и что Х является дополнением X¯. Но дополнение X¯ есть X¯ ¯. Таким образом, X¯ ¯=X¯.

С помощью операции дополнения представим разность множеств:

X\Y = {x: x∈X и x∉Y} ={ x: x∈X и x∈Y¯ }, т.е. X\Y= Х∩Y¯.

Порядок выполнения операций:

1. дополнение;

2. пересечение;

3. объединение, разность.

Для изменения порядка используют скобки.

Разбиение множества

Одной из наиболее часто встречающихся операций над множествами является операция разбиения множества на систему подмножеств.

Так, система курсов данного факультета является разбиением множества студентов факультета; система групп данного курса является разбиением множества студентов курса.

Пример. Продукция предприятия: — высший сорт, I, II, брак.

Рассмотрим некоторое множество M и систему множеств

М = {X₁, X₂,..., X_n}

Система множеств M называется разбиением множества M, если она удовлетворяет следующим условиям:

1. Любое множество X из M является подмножеством множества М

∀X∈M: X⊆M;

2. Любые два множества X и Y из М являются непересекающимися

∀X∈М, ∀Y∈M: X≠Y → X∩Y=∅.

3. Объединение всех множеств, входящих в разбиение, дает множество M

X₁∪X₂∪...∪ X_n=M.

Тождества алгебры множеств

С помощью операций объединения, пересечения и дополнения из множеств можно составлять различные алгебраические выражения.

Если алгебраические выражения V(X,Y,Z) и S(X,Y,Z) представляют собой одно и то же множество, то их можно приравнять друг другу, получая алгебраическое тождество вида V(X,Y,Z) = S(X,Y,Z)

1. (X∪Y)∩Z = (X∩Z)∪(Y∩Z) (аналогичное дистрибутивному закону (a+b)c=(a+c)(b+c) в обычной алгебре).

2. (X∩Y)∪Z = (X∪Z)∩(Y∪Z)

3. Если Y⊆X, то X∩Y=Y, X∪Y=X. Действительно, все элементы множества Y являются в то же время и элементами множества X. Значит пересечение этих множеств, то есть общая множеств Х и Y совпадает с Y. В объединение множеств X и Y множество Y не внесет ни одного элемента, который уже не входил бы в него, будучи элементом множества Х. Следовательно, X∪Y совпадает с X.

4. Пусть в примере 3 Y=X. Тогда, учитывая, что X⊆X, то X∩Х=Х, X∪Х=X. (идемпотентность).

5. Докажем тождество (X∪Y)¯=X¯∩Y¯. Предположим, что х∈(X∪Y)¯, то есть х∉X∪Y. Это значит, что х∉X и х∉Y, то есть и x&isinX¯ и x&isinY¯;. Следовательно, x∈X¯∩Y¯. Предположим теперь, что y∈X¯∩Y¯, то есть y∈X¯ и y∈Y¯. Это значит, что y∉X и y∉Y, то есть что y∉X∪Y. Следовательно, y∈(X∪Y)¯.

6. Тождество (X∩Y)¯=X¯∪Y¯. Обычно тождества 5) и 6) называются тождествами де-Моргана.

7. (A\B)∩C=(A∩C)\B=(A∩C)\(B∩C)

8. A\B=A\(A∩B)

9. A=(A∩B)∪(A\B)