<离散数学> DM2 集合论

本文最后更新于:2023年6月27日 上午

DM2 集合论

DM2.1 集合

集合:指定范围内所有满足给定条件的对象的聚集。其中的每个对象称为该集合的元素。集合中的元素是无序且不同的。

通常用大写英文字母表示集合(AA、A1A_1),用小写字母表示元素(aa、a1a_1)

常用集合:

  • NN:自然数集,也就是全体非负整数集
  • ZZ:整数集
  • QQ:有理数集
  • RR:实数集

如何描述一个集合

  • 枚举法

    列举出集合中的全部或部分元素,其余元素使用省略号表示

    如:A={1,2,3,4}A = \{1,2,3,4\}、B={a,b,c,d,…}B = \{ a,b,c,d,…\}

  • 叙述法

    通过刻画集合中元素具有的某种性质来表示一个集合

    如:P={x∣P(x)}P=\{ x\mid P(x)\}、L={x∣x是英文字母中的所有元音字母}L=\{ x\mid x是英文字母中的所有元音字母\}

  • 文氏图

    利用平面上的点来做成对集合的图解方法。一般用平面上的方形或圆形表示集合,用平面上的圆点来表示元素

集合的基本概念

  • 属于

    若 aa 是 AA 中的元素,则称 aa 属于 AA。记为 a∈Aa\in A。否则,称 a 不属于 A,记为 a∉Aa\notin A

  • 子集

    如果一个集合中的所有元素都是另一集合的元素,这种关系称为包含关系。记为 A⊆BA \subseteq B。否则记为 A⊈BA \not\subseteq B。

    符号化形式:

    B⊆A⇔∀x(x∈B→x∈A)\quad B\subseteq A⇔∀x(x\in B → x\in A)

    B⊈A⇔∃x(x∈B∧x∉A)\quad B\not\subseteq A⇔∃x(x\in B ∧ x\not\in A)

  • 相等

    当且仅当两个集合的元素完全相同时,称两个集合相等。记为 A=BA = B。否则,称两个集合不相等,记为 A≠BA\neq B。

    符号化形式:

    A=B⇔(A⊆B)∧(B⊆A)\quad A=B ⇔ (A \subseteq B)∧ (B \subseteq A)

    A=B⇔∀x(x∈B∧x∈A)\quad A=B ⇔∀x(x\in B ∧ x\in A)

  • 真子集

    如果 A⊆BA \subseteq B 并且 A≠BA \neq B 则称 A 是 B 的真子集,记为 A⊂BA \subset B。否则记为 A⊄BA \not\subset B

    符号化形式:

    B⊂A⇔A⊆B∧A≠B\quad B\subset A⇔A\subseteq B ∧ A \neq B

    B⊄A⇔∃x(x∈A∧x∉B)∧A≠B\quad B\not\subset A⇔∃x(x\in A∧ x\not\in B)∧ A \neq B

  • 基数

    集合中的元素个数称为集合的基数。A 的基数记为 ∣A∣\mid A\mid

    ∅\emptyset 是 0 元集,只含一个元素的集合是 1 元集,以此类推。

    若一个集合的基数是有限的,称该集合为有限集。否则为无限集。

  • 空集

    不含任何元素的集合称为空集,记为 ∅\emptyset。空集是最小的集合

    空集是唯一的(∅1=∅2\emptyset _1=\emptyset _2)

    空集是一切集合的子集(∅⊆A\emptyset\subseteq A)

  • 全集

    针对一个具体范围,我们考虑的所有对象的集合叫做全集,记为 UU 或 EE。全集是相对的。

  • 幂集

    由一个集合的所有子集组成的集合称为其幂集。记为 P(A)P(A)。用描述法表示为 P(A)={x∣x⊆A}P(A)=\{ x\mid x\subseteq A\}

  • 集族

    除幂集外,其他形式的由集合构成的集合称为集族

  • 多重集

    设全集为 EE,EE 中元素可以多次出现的集合 AA 称为多重集。那个出现次数称为 AA 的重复度。

    集合可以视为是重复度为 1 的多重集

  • 并集

    由两个集合 A,BA,B 所有元素构成的集合为其并集,记作 A∪BA\cup B

    其描述法表示为:A∪B={x∣x∈A∨x∈B}A\cup B=\{ x\mid x\in A∨ x\in B\}

    并运算可以推广到有限个或可数个集合(初级并)

    A1∪A2∪…∪An={x∣∃i(1≤i≤n∧x∈Ai)}\quad A_1{\cup}A_2{\cup}{…}{\cup}A_n=\{x\mid ∃i(1{\le}i{\le}n{∧}x{\in}A_i)\}

    ⋃i=1nAi=A1∪A2∪…∪An\quad {\bigcup_{i=1}^{n}\\}{A_i=A_1{\cup}A_2{\cup}{…}{\cup}A_n}

  • 交集

    由两个集合 A,BA,B 共有的元素构成的集合为其交集,记作 A∩BA\cap B

    其描述法表示为:A∩B={x∣x∈A∧x∈B}A\cap B=\{ x\mid x\in A∧ x\in B\}

    交运算可以推广到有限个或可数个集合(初级交)

    A1∩A2∩…∩An={x∣∀i(1≤i≤n→x∈Ai)}\quad A_1{\cap}A_2{\cap}{…}{\cap}A_n=\{x\mid ∀i(1{\le}i{\le}n{→}x{\in}A_i)\}

    ⋂i=1nAi=A1∩A2∩…∩An\quad {\bigcap_{i=1}^{n}\\}A_i=A_1{\cap}A_2{\cap}{…}{\cap}A_n

  • 不相交

    如果 A∩B=ØA{\cap}B=Ø,则称 AA 和 BB 是不相交的

  • 相对补

    对于集合 A,BA,B,由属于 AA 但不属于 BB 的元素组成的集合称为 BB 对 AA 的相对补集。记作 A−BA-B

    描述法表示为:A−B={x∣x∈A∧x∉B}A-B=\{x\mid x{\in}A{∧}x{\not\in}B\}

  • 对称差

    由属于 AA 但不属于 BB,或属于 BB 却不属于 AA 的元素组成的集合称为 BB 对 AA 的对称差。记为 A⊕BA{\oplus}B

    描述法表示为:A⊕B={x∣(x∈A∧x∉B)∨(x∈B∧x∉A)}A{\oplus}B=\{x\mid (x{\in}A{∧}x{\not\in}B){∨}(x{\in}B{∧}x{\not\in}A)\}

    A⊕B=(A−B)∪(B−A)=(A∪B)−(A∩B)A{\oplus}B=(A-B){\cup}(B-A)=(A{\cup}B)-(A{\cap}B)

  • 绝对补集

    设 EE 为全集,A⊆EA{\subseteq}E,称 AA 对 EE 的相对补集为 AA 的绝对补集。记为  ~A\tilde\ {A}

    描述法表示为:$\tilde\ {A}={x\mid x{\in}E{∧}x{\notin}A} $,由于 x∈E=1x{\in}E=1 又有  ~A={x∣x∉A}\tilde\ A =\{x\mid x{\notin}A\}

  • 广义并集

    由一个集族 A{\mathcal A} 中全体元素的元素组成的集合为其广义并,记为 ⋃A{\bigcup}{\mathcal A}(大并 A{\mathcal A})

    描述法表示为:⋃A={x∣∃z(x∈z∧z∈A)}{\bigcup}{\mathcal A}=\{x\mid {∃}z(x{\in}z{∧}z{\in}{\mathcal A})\}

  • 广义交集

    由一个集族 A{\mathcal A} 中全体元素的共有元素组成的集合为其广义交,记为 ⋂A{\bigcap}{\mathcal A}(大交 A{\mathcal A})

    描述法表示为:⋂A={x∣∀z(x∈A→z∈z)}{\bigcap}{\mathcal A}=\{x\mid {∀}z(x{\in}{\mathcal A}{→}z{\in}z)\}

    空集不能求广义交。即 ∩Ø{\cap}{Ø} 无意义

集合运算的优先级

优先级 运算 类型 顺序
1 绝对补、幂集、广义交、广义并 一元运算 从右向左
2 初级并、初级交、相对补、对称差等 二元运算 从左向右

容斥原理

设 A1,A2,…,AnA_1,A_2,{\dots},A_n 为 n 个集合,则有

∣⋃i=1nAi∣=∑i=1n∣Ai∣−∑i<j∣Ai∩Aj∣+∑i<j<k∣Ai∩Aj∩Ak∣−…+(−1)n−1∣A1∩A2∩…∩An∣\quad\mid {\bigcup_{i=1}^{n}\\}A_i\mid ={\sum_{i=1}^{n}\\}\mid A_i\mid -{\sum_{i< j}\\}\mid A_i{\cap}A_j\mid +{\sum_{i<j<k}\\}\mid A_i{\cap}A_j{\cap}A_k\mid -{…}+(-1)^{n-1}\mid A_1{\cap}A_2{\cap}{…}{\cap}A_n\mid

DM2.2 基本的集合恒等式

设 EE 为全集,A,B,CA,B,C 是 EE 的任意子集。则有:

  • 幂等律:A∪A=AA∩A=AA{\cup}A=A{\qquad}A{\cap}A=A

  • 交换律:A∪B=B∪AA∩B=B∩AA{\cup}B=B{\cup}A{\qquad}A{\cap}B=B{\cap}A

  • 结合律:A∪(B∪C)=(A∪B)∪CA∩(B∩C)=(A∩B)∩CA{\cup}(B{\cup}C)=(A{\cup}B){\cup}C{\qquad}A{\cap}(B{\cap}C)=(A{\cap}B){\cap}C

  • 分配律:A∪(B∩C)=(A∪B)∩(A∪C)A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C)A{\cup}(B{\cap}C)=(A{\cup}B){\cap}(A{\cup}C){\qquad}A{\cap}(B{\cup}C)=(A{\cap}B){\cup}(A{\cap}C)

  • 德·摩根定律: ~(A∪B)= ~A∩ ~B ~(A∩B)= ~A∪ ~B\tilde\ (A{\cup}B)=\tilde\ A{\cap}\tilde\ B{\qquad}\tilde\ (A{\cap}B)=\tilde\ A{\cup}\tilde\ B

    E−(A∪B)=(E−A)∩(E−B)E−(A∩B)=(E−A)∪(E−B)E-(A{\cup}B)=(E-A){\cap}(E-B){\qquad}E-(A{\cap}B)=(E-A){\cup}(E-B)

     ~(A1∪A2∪…∪An)= ~A1∩ ~A2∩…∩ ~An ~(A1∩A2∩…∩An)= ~A1∪ ~A2∪…∪ ~An\tilde\ (A_1{\cup}A_2{\cup…\cup}A_n)=\tilde\ A_1{\cap}\tilde\ A_2{\cap…\cap}\tilde\ A_n{\qquad}\tilde\ (A_1{\cap}A_2{\cap…\cap}A_n)=\tilde\ A_1{\cup}\tilde\ A_2{\cup…\cup}\tilde\ A_n

  • 吸收律:A∪(A∩B)=AA∩(A∪B)=AA{\cup}(A{\cap}B)=A{\qquad}A{\cap}(A{\cup}B)=A

  • 零律:A∪E=EA∩Ø=ØA{\cup}E=E{\qquad}A{\capØ}={Ø}

  • 同一律:A∩E=AA∪Ø=AA{\cap}E=A{\qquad}A{\cupØ}=A

  • 排中律:A∪ ~A=EA{\cup}\tilde\ A=E

  • 矛盾律:A∩ ~A=ØA{\cap}\tilde\ A={Ø}

  • 余补律: ~E=Ø ~Ø=E{\tilde\ E}={Ø}{\qquad}{\tilde\ Ø}=E

  • 双重否定律: ~ ~A=A{\tilde\ \tilde\ A}=A

  • 补交转换律:A−B=A∩ ~BA-B=A{\cap}{\tilde\ B}

设 {Aα}α∈S\{A_{\alpha} \} _{\alpha\in S} 为集族,BB 为一集合。则有:

  • 分配律:B∪(⋂{Aα}α∈S)=⋂α∈S(B∪Aα)B∩(⋃{Aα}α∈S)=⋃α∈S(B∩Aα)B{\cup}(\bigcap{ \{ {A_{\alpha} } \} }_{\alpha\in S})={\bigcap_{\alpha\in S}\\}(B{\cup}A_{\alpha}){\qquad}B{\cap}(\bigcup{ \{ {A_{\alpha} } \} }_{\alpha\in S})={\bigcup_{\alpha\in S}\\}(B{\cap}A_{\alpha})

  • 德·摩根律:~(⋃{Aα}α∈S)=⋂α∈S~Aα~(⋂{Aα}α∈S)=⋃α∈S~Aα{\tilde\\}(\bigcup{ \{ {A_{\alpha} } \} }_{\alpha\in S})={\bigcap_{\alpha\in S}\\}{\tilde\\A_{\alpha} }{\qquad}{\tilde\\}(\bigcap{ \{ {A_{\alpha} } \} }_{\alpha\in S})={\bigcup_{\alpha\in S}\\}{\tilde\\A_{\alpha} }

    B−(⋃{Aα}α∈S)=⋂α∈S(B−Aα)B−(⋂{Aα}α∈S)=⋃α∈S(B−Aα)\quad B-({\bigcup{ \{ {A_{\alpha} } \} }_{\alpha\in S} })={\bigcap_{\alpha\in S}\\}(B-A_{\alpha}){\qquad}B-({\bigcap{ \{ {A_{\alpha} } \} }_{\alpha\in S} })={\bigcup_{\alpha\in S}\\}(B-A_{\alpha})

  • 幂集:A⊆B⇔P(A)⊆P(B)P(A−B)⊆(P(A)−P(B))∪{Ø}A{\subseteq}B{⇔}P(A){\subseteq}P(B){\qquad}P(A-B){\subseteq}(P(A)-P(B)){\cup}{ \{Ø\} }

DM2.3 有序对和笛卡尔积

  • 有序对

    $\quad {⟨}a,b{⟩}={ {a} ,{a,b} } $

    其中 aa 为第一元素,bb 为第二元素。⟨a,b⟩{⟨}a,b{⟩} 也记作 (a,b)(a,b)

    有定理:⟨a,b⟩=⟨c,d⟩⇔(a=c)∧(b=d){⟨}a,b{⟩}={⟨}c,d{⟩}{⇔}(a=c){∧}(b=d)

  • 有序三元组

    ⟨a,b,c⟩=⟨⟨a,b⟩,c⟩\quad {⟨}a,b,c{⟩}={⟨}{⟨}a,b{⟩},c{⟩}

  • 有序 n 元组

    ⟨a1,a2,…,an⟩=⟨⟨a1,a2,…,an−1⟩,an⟩\quad {⟨}a_1,a_2,{…},a_n{⟩}={⟨}{⟨}a_1,a_2,{…},a_{n-1}{⟩},a_n{⟩}

    有定理:⟨a1,a2,…,an⟩=⟨b1,b2,…,bn⟩⇔ai=bi,i=1,2,…,n{⟨}a_1,a_2,{…},a_n{⟩}={⟨}b_1,b_2,{…},b_n{⟩}{⇔}a_i=b_i,i=1,2,{…},n

  • 笛卡尔积

    有集合 A,BA,B,由 AA 中的每个元素(做第一元素)与 BB 中的每个元素(做第二元素)组合,形成的所有有序对的集合称为笛卡尔积(卡式积),记为 A×BA{\times}B

    笛卡尔积的性质:

    • 非交换性:(A≠B∧A≠Ø∧B≠Ø)⇔(A×B≠B×A)(A{\not=}B{∧}A{\not=Ø∧}B{\not=Ø}){⇔}(A{\times}B{\not =}B{\times}A)

    • 非结合性:(A≠Ø∧B≠Ø∧C≠Ø)⇔((A×B)×C≠A×(B×C))(A{\not=Ø∧}B{\not=Ø∧}C{\not=Ø}){⇔}((A{\times}B){\times}C{\not =}A{\times}(B{\times}C))

    • 分配律:A×(B∪C)=(A×B)∪(A×C)A\times (B\cup C)=(A\times B)\cup(A\times C)\quad 等

    • 其他:A×B=Ø⇔A=Ø∨B=ØA≠Ø∧A×B⊆A×C⇔B⊆CA{\times}B={Ø}{⇔}A={Ø∨}B={Ø}\qquad A\not=Ø∧ A\times B\subseteq A\times C⇔ B\subseteq C

      A⊆C∧B⊆D⇒A×B⊆C×D\quad A\subseteq C∧ B\subseteq D⇒ A\times B\subseteq C\times D

  • n 维笛卡尔积

    A1×A2×…×An={⟨x1,x2,…,xn⟩∣x1∈A1∧x2∈A2∧…∧xn∈An}\quad A_1\times A_2\times…\times A_n=\{⟨ x_1,x_2,…,x_n⟩\mid x_1\in A_1∧ x_2\in A_2∧…∧ x_n\in A_n\}

    An=A×A×A…×A\quad A^n=A\times A\times A…\times A

    ∣Ai∣=ni,i=1,2,…,n⇒∣A1×A2×…×An∣=n1×n2×…×nn\quad \mid A_i\mid =n_i,i=1,2,…,n⇒\mid A_1\times A_2\times…\times A_n\mid =n_1\times n_2\times…\times n_n

    n 维卡式积的性质与二维卡式积相似

DM2.4 二元关系

  • n 元关系

    元素全是有序 n 元组的集合称为 n 元关系。

    对于二元关系,有几种表示方法。设 FF 是二元关系,有:

    • 中缀记法:xFyxFy\qquad如 2<152<15
    • 前缀记法:F(x,y)FxyF(x,y)\quad Fxy\qquad如 <(2,15)<(2,15)
    • 后缀记法:⟨x,y⟩∈FxyF⟨ x,y⟩\in F\quad xyF\qquad如 ⟨2,15⟩∈<⟨ 2,15⟩\in <
  • 任何 A×BA\times B 的子集就是 AA 到 BB 的二元关系。

    R 是 A 到 B 的二元关系⇔R⊆A×B⇔R∈P(A×B)\quad R\,是\,A\,到\,B\,的二元关系⇔ R\subseteq A\times B⇔ R\in P(A\times B)

    若 ∣A∣=m,∣B∣=n,∣A×B∣=mn\mid A\mid =m,\mid B\mid =n,\mid A\times B\mid =mn,故 ∣P(A×B)∣=2mn\mid P(A\times B)\mid =2^{mn},即 AA 到 BB 的不同二元关系有 2mn2^{mn} 个

  • 任何 A×AA\times A 的子集就是 AA 上的二元关系。

    R 是 A 上的二元关系⇔R⊆A×A⇔R∈P(A×A)\quad R\,是\,A\,上的二元关系⇔ R\subseteq A\times A⇔ R\in P(A\times A)

    若 ∣A∣=m,∣A×A∣=m2\mid A\mid =m,\mid A\times A\mid =m^2,故 ∣P(A×A)∣=2m2\mid P(A\times A)\mid =2^{m^2},即不同的 AA 上二元关系有 2m22^{m^2} 个

  • 一些特殊关系

    设 AA 是集合,则可定义 AA 上的:

    • 空关系:ØØ
    • 恒等关系:IA={⟨x,x⟩∣x∈A}I_A=\{⟨ x,x⟩\mid x\in A\}
    • 全域关系:EA=A×A={⟨x,y⟩∣x∈A∧y∈A}E_A=A\times A=\{⟨ x,y⟩\mid x\in A∧ y\in A\}

    设 A⊆ZA\subseteq Z,则可定义 AA 上的:

    • 整除关系:DA={⟨x,y⟩∣x∈A∧y∈A∧x∣y}D_A=\{⟨ x,y⟩\mid x\in A∧ y\in A∧ x\mid y\}

    • 小于等于关系:LEA{LE}_A

      小于关系:LAL_A

      大于等于关系:GEA{GE}_A

      大于关系:GAG_A

    设 AA 是集合,则可定义 P(A)P(A) 上的:

    • 包含关系
    • 真包含关系
  • 定义域、值域、域

    对于任意集合 RR,可以定义

    其定义域:dom⁡R={x∣∃y(xRy)}\operatorname{dom}R=\{ x\mid ∃ y(xRy)\}

    其值域:ran⁡R={y∣∃y(xRy)}\operatorname{ran}R=\{ y\mid ∃ y(xRy)\}

    其域:fld⁡R=dom⁡R∪ran⁡R\operatorname{fld}R=\operatorname{dom}R\cup\operatorname{ran}R

    如:集合 R1={a,b},R2={a,b,⟨c,d⟩,⟨e,f⟩}R_1=\{ a,b\},R_2=\{ a,b,⟨ c,d⟩,⟨ e,f⟩\},当 a,ba,b 不是有序对时,R1,R2R_1,R_2 不是关系。

    dom⁡R1=Øran⁡R1=Øfld⁡R1=Ø\quad\operatorname{dom}R_1=Ø\qquad\operatorname{ran}R_1=Ø\qquad\operatorname{fld}R_1=Ø

    dom⁡R2={c,e}ran⁡R2={d,f}fld⁡R2={c,d,e,f}\quad\operatorname{dom}R_2=\{ c,e\}\qquad\operatorname{ran}R_2=\{ d,f\}\qquad\operatorname{fld}R_2=\{ c,d,e,f\}

  • 逆、合成

    对于任意集合 F,GF,G 可以定义

    逆:F−1={⟨x,y⟩∣yFx}F^{-1}=\{⟨ x,y⟩\mid yFx\}

    合成(逆序合成、左合成):F∘G={⟨x,y⟩∣∃z(xGz∧zFy)}F\circ G=\{⟨ x,y⟩\mid ∃ z(xGz∧ zFy)\}

    也能定义右合成:F∘G={⟨x,y⟩∣∃z(xGz∧zFy)}F\circ G=\{⟨ x,y⟩\mid ∃ z(xGz∧ zFy)\}

    一般情况下,合成指的是 右合成

    有以下定理:

    • (R1∘R2)∘R3=R1∘(R2∘R3)(R_1\circ R_2)\circ R_3=R_1\circ (R_2\circ R_3)
    • (F∘G)−1=F−1∘G−1(F\circ G)^{-1}=F^{-1}\circ G^{-1}
  • 限制、象

    对于任意集合 F,AF,A 可以定义

    限制:F↾A={⟨x,y⟩∣xFy∧x∈A}F\restriction A=\{⟨ x,y⟩\mid xFy∧ x\in A\}

    象:F[A]=ran⁡(F↾A)F[A]=\operatorname{ran}(F\restriction A)

  • 单根

    对于集合 FF 可以定义单根

    F 是单根的⇔∀y(y∈ran⁡F→∃!x(x∈dom⁡F∧xFy))⇔(∀y∈ran⁡F)(∃!x∈dom⁡F)(xFy)\quad F\,是单根的⇔∀ y(y\in\operatorname{ran}F→ ∃!x(x\in\operatorname{dom}F∧ xFy))⇔(∀ y\in\operatorname{ran}F)(∃!x\in\operatorname{dom}F)(xFy)

    上面的 ∃!∃! 表示:存在唯一的

    ∀x(x∈A→B(x))∀ x(x\in A→ B(x)) 缩写为 (∀x∈A)B(x)(∀ x\in A)B(x)

    ∃x(x∈A∧B(x))∃ x(x\in A∧ B(x)) 缩写为 (∃x∈A)B(x)(∃ x\in A)B(x)

  • 单值

    对于集合 FF 可以定义单值

    F 是单值的⇔∀x(x∈dom⁡F→∃!y(y∈ran⁡F∧xFy))⇔(∀x∈dom⁡F)(∃!y∈ran⁡F)(xFy)\quad F\,是单值的⇔∀ x(x\in\operatorname{dom}F→ ∃!y(y\in\operatorname{ran}F∧ xFy))⇔(∀ x\in\operatorname{dom}F)(∃!y\in\operatorname{ran}F)(xFy)

    函数就可以被视作单值的二元关系

DM2.5 关系的表示

关系的表示有三种方法

  • 集合
  • 关系矩阵
  • 关系图

#关系矩阵

A={a1,a2,…,an}, B={b1,b2,…,bm}, R=A×B\quad A=\{ a_1,a_2,…,a_n\},\,B=\{ b_1,b_2,…,b_m\},\,R=A\times B

则 RR 的关系矩阵有

M(R)=(rij)n×mM(R)(i,j)=rij={1,aiRbj0,否则\quad M(R)=(r_{ij})_{n\times m}\qquad M(R)(i,j)=r_{ij}=\begin{cases}1,\quad a_iRb_j\\0,\quad 否则\end{cases}

如,A={a,b,c}, B={d,e,f}, R={⟨a,d⟩,⟨a,f⟩,⟨b,f⟩,⟨c,e⟩}A=\{ a,b,c\},\,B=\{ d,e,f\},\,R=\{⟨ a,d⟩,⟨ a,f⟩,⟨ b,f⟩,⟨ c,e⟩\}

则 M(R)=[101001010]M(R)=\left[ \begin{matrix}1\quad 0\quad 1\\0\quad 0\quad 1\\0\quad 1\quad 0\end{matrix}\right]

集合表达式与关系矩阵可以唯一相互确定

  • 矩阵转置:M(R−1)=(M(R))TM(R^{-1})=(M(R))^{T}

  • 逻辑乘:M(R1∘R2)=M(R2)•M(R1)M(R_1\circ R_2)=M(R_2)• M(R_1),其中乘法对应逻辑的 ∧∧,加法对应逻辑的 ∨∨

    有关矩阵的乘法

    设 AA 为 m×pm\times p 的矩阵,BB 为 p×np\times n 的矩阵,那么称 m×nm\times n 的矩阵 CC 为矩阵 AA 与 BB 的乘积,记作 C=ABC=AB 或 C=A×BC=A\times B

    此时,矩阵 CC 中第 ii 行 jj 列的元素有:cij=∑k=1p(aik×bkj)=ai1×b1j+ai2×b2j+…+aip×bpj\quad c_{ij}={\sum_{k=1}^{p}\\}(a_{ik}\times b_{kj})=a_{i1}\times b_{1j}+a_{i2}\times b_{2j}+…+a_{ip}\times b_{pj}

    对于矩阵 A,BA,B 仅当 A 的行数 = B 的列数A\,的行数\,=\,B\,的列数 时才能进行矩阵相乘。

    如存在矩阵 A=[a1a2a3], B=[b1b2b3]A=\left[\begin{matrix}a_1\quad a_2\quad a_3\end{matrix}\right],\,B=\left[\begin{matrix}b_1\\b_2\\b_3\end{matrix}\right]

    则 A×B=[a1×b1a1×b2a1×b3a2×b1a2×b2a2×b3a3×b1a3×b2a3×b3]A\times B =\left[\begin{matrix}a_1\times b_1\quad a_1\times b_2\quad a_1\times b_3\\a_2\times b_1\quad a_2\times b_2\quad a_2\times b_3\\a_3\times b_1\quad a_3\times b_2\quad a_3\times b_3\end{matrix}\right]

#关系图

A={a1,a2,…,an}, B={b1,b2,…,bm}, R=A×B\quad A=\{ a_1,a_2,…,a_n\},\,B=\{ b_1,b_2,…,b_m\},\,R=A\times B

则 RR 的关系图 G(R)G(R):

  • 以 ∘∘ 表示 A,BA,B 中元素(称为顶点),以 →→ 表示 RR 中元素
  • 若 aiRbja_iRb_j 则从顶点 aia_i 向顶点 bjb_j 引有向边 ⟨ai,bj⟩⟨ a_i,b_j⟩

下面是 A={a,b,c}, R={⟨a,a⟩,⟨a,b⟩,⟨b,a⟩,⟨b,c⟩}A=\{ a,b,c\},\,R=\{ {⟨ a,a⟩},{⟨ a,b⟩},{⟨ b,a⟩},{⟨ b,c⟩} \} 的关系图 G(R)G(R)(我尽力了)

graph LR
a((a)) --> b((b)) --> c((c))
b --> a
a --> a

关系图、关系矩阵、关系表达式间都能相互确定。

对于 G(A×B)G(A\times B),关系图中的边都是由 AA 中元素指向 BB 的

DM2.6 关系的性质

  • 自反性(reflexivity)

    对于关系 R⊆A×AR\subseteq A\times A,其自反性有:

    R 是自反的⇔∀x(x∈A→xRx)⇔(∀x∈A)xRx\quad R\,是自反的⇔∀ x(x\in A→ xRx)⇔(∀ x\in A)xRx

    相反地有

    R 是非自反的⇔∃x(x∈A∧¬xRx)\quad R\,是非自反的⇔∃ x(x\in A∧\neg xRx)

    关于自反性有如下定理:

    R 是自反的\quad R\,是自反的
    ⇔IA⊆R⇔ I_A\subseteq R
    ⇔R−1 是自反的⇔ R^{-1}\,是自反的
    ⇔M(R) 主对角线上的元素全是 1⇔ M(R)\,主对角线上的元素全是\,1
    ⇔G(R)的每个顶点处都有环⇔ G(R)的每个顶点处都有环

  • 反自反性

    对于关系 R⊆A×AR\subseteq A\times A,其反自反性有:

    R 是反自反的⇔∀x(x∈A→¬xRx)⇔(∀x∈A)¬xRx\quad R\,是反自反的⇔∀ x(x\in A→ \neg xRx)⇔(∀ x\in A)\neg xRx

    相反地有

    R 是非反自反的⇔∃x(x∈A∧xRx)\quad R\,是非反自反的⇔∃ x(x\in A∧ xRx)

    可以想见,对于 R⊆A×A, Q=(A×A)−RR\subseteq A\times A,\,Q=(A\times A)-R,如果 RR 是反自反的,那么 QQ 就是自反的

    关于反自反性有如下定理:

    R 是反自反的\quad R\,是反自反的
    ⇔IA∩R=Ø⇔ I_A\cap R=Ø
    ⇔R−1 是反自反的⇔ R^{-1}\,是反自反的
    ⇔M(R) 主对角线上的元素全是 0⇔ M(R)\,主对角线上的元素全是\,0
    ⇔G(R)的每个顶点处都无环⇔ G(R)的每个顶点处都无环

  • 对称性(symmetry)

    对于关系 R⊆A×AR\subseteq A\times A,其对称性有:

    R 是对称的\quad R\,是对称的
    ⇔∀x∀y(x∈A∧y∈A∧xRy→yRx)⇔ ∀ x∀ y(x\in A∧ y\in A∧ xRy→ yRx)
    ⇔(∀x∈A)(∀y∈A)[xRy→yRx]⇔(∀ x\in A)(∀ y\in A)[xRy→ yRx]

    相反地有

    R 是非对称的⇔∃x∃y(x∈A∧y∈A∧xRy∧¬yRx)\quad R\,是非对称的⇔∃ x∃ y(x\in A∧ y\in A∧ xRy∧\neg yRx)

    关于对称性有如下定理:

    R 是对称的\quad R\,是对称的
    ⇔R−1=R⇔ R^{-1}=R
    ⇔R−1 是对称的⇔ R^{-1}\,是对称的
    ⇔M(R) 是对称的⇔ M(R)\,是对称的
    ⇔G(R) 的所有边都有反向边⇔ G(R)\,的所有边都有反向边

  • 反对称性

    对于关系 R⊆A×AR\subseteq A\times A,其反对称性有:

    R 是反对称的\quad R\,是反对称的
    ⇔∀x∀y(x∈A∧y∈A∧xRy∧yRx→A=B)⇔∀ x∀ y(x\in A∧ y\in A∧ xRy∧ yRx→ A=B)
    ⇔(∀x∈A)(∀y∈A)[xRy∧yRx→A=B]⇔(∀ x\in A)(∀ y\in A)[xRy∧ yRx→ A=B]

    相反地有

    R 是非反对称的⇔∃x∃y(x∈A∧y∈A∧xRy∧yRx∧A≠B)\quad R\,是非反对称的⇔∃ x∃ y(x\in A∧ y\in A∧ xRy∧ yRx ∧ A\not=B)

    可见,反对称性可能与对称性同时存在

    关于非反对称性有如下定理:

    R 是反对称的\quad R\,是反对称的
    ⇔R−1∩R⊆IA⇔R^{-1}\cap R\subseteq I_A
    ⇔R−1 是反对称的⇔R^{-1}\,是反对称的
    ⇔在 M(R) 中,∀i∀j(i≠j∧rij=1→rji=0)⇔在\,M(R)\,中,∀ i∀ j(i\not=j∧ r_{ij}=1→ r_{ji}=0)
    ⇔G(R) 的所有不同点间有不多于 1 条边⇔G(R)\,的所有不同点间有不多于\,1\,条边

  • 传递性(transtivity)

    对于关系 R⊆A×AR\subseteq A\times A,其传递性有:

    R 是传递的\quad R\,是传递的
    ⇔∀x∀y∀z(x∈A∧y∈A∧z∈A∧xRy∧yRz→xRz)⇔∀ x∀ y∀ z(x\in A∧ y\in A∧ z\in A∧ xRy∧ yRz→ xRz)
    ⇔(∀x∈A)(∀y∈A)(∀z∈A)[xRy∧yRz→xRz]⇔(∀ x\in A)(∀ y\in A)(∀ z\in A)[xRy∧ yRz→ xRz]

    相反地有

    R 是非传递的\quad R\,是非传递的
    ⇔∃x∃y∃z(x∈A∧y∈A∧z∈A∧xRy∧yRz∧¬xRz)⇔∃ x∃ y∃ z(x\in A∧ y\in A∧ z\in A∧ xRy∧ yRz∧ \neg xRz)

    关于传递性有如下定理:

    R 是传递的\quad R\,是传递的
    ⇔R∘R⊆R⇔R\circ R\subseteq R
    ⇔R−1 是传递的⇔R^{-1}\,是传递的
    ⇔∀i∀j,M(R∘R)(i,j)≤M(R)(i,j)⇔∀ i∀ j,M(R\circ R)(i,j)\le M(R)(i,j)
    ⇔在 G(R) 中,∀ai∀aj∀ak,若有有向边 ⟨ai,aj⟩ 和 ⟨aj,ak⟩,则必有有向边 ⟨ai,ak⟩⇔在\,G(R)\,中,∀ a_i∀ a_j∀ a_k,若有有向边\,⟨ a_i,a_j⟩\,和\,⟨ a_j,a_k⟩ ,则必有有向边\,⟨ a_i,a_k⟩

DM2.7 关系的幂运算和闭包

  • 关系的 n 次幂

    对于关系 R⊆A×A,n∈NR\subseteq A\times A,n\in N,有 {R0=IARn+1=Rn∘R(n≥0)\begin{cases}R^0=I_A\\R^{n+1}=R^n\circ R(n\ge0)\end{cases}

    显然 Rn⊆A×A,n∈NR^n\subseteq A\times A,n\in N

    对于 R⊆A×A, m,n∈NR\subseteq A\times A,\, m,n\in N,有如下定理:

    Rm∘Rn=Rm+n(Rm)n=Rmn\quad R^m\circ R^n=R^{m+n}\qquad (R^m)^n=R^{mn}

  • 闭包

    包含给定元素,并具有指定性质的最小集合称为闭包

    闭包是任何 包含 R 的某种集合包含\,R\,的某种集合 的子集合,或者所有 包含 R 的某种集合包含\,R\,的某种集合 的交集。

    • 自反闭包:r(R)r(R),包含 RR 的具有自反性的闭包

      R⊆r(R)r(R)是自反的∀S((R⊆S∧S自反)→r(r)⊆S)\quad R\subseteq r(R)\qquad r(R)是自反的\qquad ∀ S((R\subseteq S∧ S 自反)→ r(r)\subseteq S)

      r(R)=R∪IA\quad r(R)=R\cup I_A

    • 对称闭包:s(R)s(R),包含 RR 的具有对称性的闭包

      R⊆s(R)s(R)是对称的∀S((R⊆S∧S对称)→s(r)⊆S)\quad R\subseteq s(R)\qquad s(R)是对称的\qquad ∀ S((R\subseteq S∧ S 对称)→ s(r)\subseteq S)

      s(R)=R∪R−1\quad s(R)=R\cup R^{-1}

      传递关系的对称闭包不一定是传递的

    • 传递闭包:t(R)t(R),包含 RR 的具有传递性的闭包

      R⊆t(R)t(R)是传递的∀S((R⊆S∧S传递)→t(r)⊆S)\quad R\subseteq t(R)\qquad t(R)是传递的\qquad ∀ S((R\subseteq S∧ S 传递)→ t(r)\subseteq S)

      t(R)=R∪R2∪R3∪…\quad t(R)=R\cup R^2\cup R^3\cup\dots

    闭包有如下定理:

    R 是自反的⇔r(R)=RR 是对称的⇔s(R)=RR 是传递的⇔t(R)=R\quad R\,是自反的⇔ r(R)=R\quad R\,是对称的⇔ s(R)=R\quad R\,是传递的⇔ t(R)=R

    R1⊆R2⊆A×A⇒r(R1)⊆r(R2)s(R1)⊆s(R2)t(R1)⊆t(R2)\quad R_1\subseteq R_2\subseteq A\times A⇒\quad r(R_1)\subseteq r(R_2)\quad s(R_1)\subseteq s(R_2)\quad t(R_1)\subseteq t(R_2)

    r(R1∪R2)=r(R1)∪r(R2);s(R1∪R2)=s(R1)∪s(R2)t(R1∪R2)⊇t(R1)∪t(R2)\quad r(R_1\cup R_2)=r(R_1)\cup r(R_2);\quad s(R_1\cup R_2)=s(R_1)\cup s(R_2)\quad t(R_1\cup R_2){\color{Red}{\supseteq} }t(R_1)\cup t(R_2)

DM2.8 等价关系和划分

  • 等价关系

    有 A≠ØR⊆A×AA\not=Ø\quad R\subseteq A\times A,若 RR 是自反、对称的,则称 RR 是相容关系

    若 RR 是自反、对称、传递的,则称 RR 是等价关系

    由于 st(R)⊆ts(R)st(R)\subseteq ts(R),对 RR 依次求闭包只有 tsr(R)=trs(R)=rts(R)tsr(R)=trs(R)=rts(R) 是等价闭包

  • 等价类

    设 RR 是 A≠ØA\not=Ø 上的等价关系,x∈Ax\in A,则 xx 关于 RR 的等价类是 [x]R={y∣y∈A∧xRy}[x]_R=\{ y\mid y\in A∧ xRy\}

    简称 xx 的等价类,记为 [x][x]

    设 RR 是 A≠ØA\not=Ø 上的等价关系,∀x,y∈A∀ x,y\in A,有以下定理

    [x]R≠Ø\quad [x]_R\not=Ø

    xRy⇒[x]R=[y]R\quad xRy⇒[x]_R=[y]_R

    ¬xRy⇒[x]R∩[y]R=Ø\quad\neg xRy⇒[x]_R\cap[y]_R=Ø

    ⋃{[x]R∣x∈A}=A\quad\bigcup\{[x]_R\mid x\in A\} =A

  • 商集

    设 RR 是 A≠ØA\not=Ø 上的等价关系,AA 关于 RR 的商集是 A/R={[x]R∣x∈A}A/R=\{[x]_R\mid x\in A\}

    若 A={a1,a2,…,an}A=\{ a_1,a_2,…,a_n\} 上有等价关系 IA,EA,Rij=IA∪{⟨ai,aj⟩,⟨aj,ai⟩},ai,aj∈A,i≠jI_A,E_A,R_{ij}=I_A\cup\{⟨ a_i,a_j⟩,⟨ a_j,a_i⟩\},a_i,a_j\in A,i\not=j

    A/IA={{a1},{a2},…,{an}}\quad A/I_A={\{}\{a_1\}, \{ a_2\},…,\{ a_n\} \}

    A/EA={{a1,a2,…,an}}\quad A/E_A={\{}\{ a_1,a_2,…,a_n\} \}

    A/Rij=A/IA∪{{ai,aj}}−{{ai},{aj}}\quad A/R_{ij}=A/I_A\cup{\{}\{ a_i,a_j\} \}-{\{}\{ a_i\},\{ a_j\} \}

  • 划分

    A≠ØA\not=Ø 的一个划分是 A⊆P(A){\mathcal A}\subseteq P(A) 满足

    1. Ø∉AØ\not\in\mathcal A
    2. ∀x,y(x,y∈A∧x≠y⇒x∩y=Ø)∀ x,y(x,y\in\mathcal A∧ x\not= y⇒ x\cap y=Ø)
    3. ⋃A=A\bigcup\mathcal A=A

    A\mathcal A 中的元素称为划分块

    若 A≠ØA\not=Ø 则有以下定理

    R 是 A 上的等价关系⇒A/R 是 A 的划分\quad R\,是\,A\,上的等价关系⇒ A/R\,是\,A\,的划分

    A 是 A 的划分⇒同块关系 RA 是 A上的等价关系xRAy⇔∃z(z∈A∧x∈z∧y∈z)\quad\mathcal A\,是\,A\,的划分⇒ 同块关系\,R_{\mathcal A}\,是\,A上的等价关系\quad xR_{\mathcal A}y⇔∃ z(z\in\mathcal A∧ x\in z∧ y\in z),此时 RAR_{\mathcal A} 称为 A\mathcal A 所定义的等价关系

  • Stirling 子集数

    把 n 个编号的球放到 k 个相同的箱子里,不同放法的总数 {nk}\begin{Bmatrix}n\\k\end{Bmatrix} 称为 Stirling 子集数

    Srirling 子集数也是将 n 元集分成 k 个非空子集的分法总数

    递推公式有 {nk}={0k=01n=k∨k=12n−1−1k=2Cn2n=k+1k{n−1k}+{n−1k−1}k>1\begin{Bmatrix}n\\k\end{Bmatrix}=\begin{cases}0\quad &k=0\\1\quad &n=k∨ k=1\\2^{n-1}-1\quad &k=2\\C_n^2\quad &n=k+1\\k\begin{Bmatrix}n-1\\k\end{Bmatrix}+\begin{Bmatrix}n-1\\k-1\end{Bmatrix}\quad &k > 1\end{cases}

    k>1 时,可以让 n-1 个元素分成 k 个子集后,加入第 n 个元素。或者让 n-1 个元素分成 k 个子集后,让第 n 个元素自成一个子集。

  • 加细

    有 A,B\mathcal{A,B} 是 AA 的划分。若 A\mathcal A 的划分块都含于 B\mathcal B 的某个划分块中,则称 A\mathcal A 是 B\mathcal B 的加细

DM2.9 序关系

  • 偏序关系、偏序集

    设 A≠Ø, R⊆A×AA\not=Ø,\,R\subseteq A\times A,若 RR 是 自反、反对称、传递的,则称 RR 是 AA 上的偏序关系。用 ≼\preccurlyeq 表示偏序关系,读作 “小于等于”

    ⟨x,y⟩∈R⇔xRy⇔x≼y\quad⟨ x,y⟩\in R⇔ xRy⇔ x\preccurlyeq y

    设 ≼\preccurlyeq 是 AA 上的偏序关系,则称 ⟨A,≼⟩⟨ A,\preccurlyeq⟩ 为偏序集

  • 可比、严格小于、覆盖

    对于 ⟨A,≼⟩, x,y∈A⟨ A,\preccurlyeq⟩,\,x,y\in A,存在 x≼y∨y≼xx\preccurlyeq y∨ y\preccurlyeq x,则称 xx 和 yy 可比

    若 x≠yx\not= y,则称 xx 严格小于 yy,即 x≼y∧x≠y⇔x≺yx\preccurlyeq y∧ x\not=y⇔ x\prec y

    若不存在 zz 使 x≺zx\prec z 且 z≺yz\prec y,则称 yy 覆盖 xx,即 x≺y∧¬∃z(z∈A∧x≺z≺y)x\prec y∧\neg∃ z(z\in A∧ x\prec z\prec y)

  • 哈斯图

    对于 ⟨A,≼⟩, x,y∈A⟨ A,\preccurlyeq⟩,\,x,y\in A

    用顶点表示 AA 中元素,当且仅当 yy 覆盖 xx 时,yy 在 xx 上方,在 x,yx,y 间画无向边,即形成哈斯图

  • 全序关系(线序关系)

    对于偏序集 ⟨A,≼⟩⟨ A,\preccurlyeq⟩,若其中任意元素 x,yx,y 都可比,则称 ≼\preccurlyeq 是 AA 上从全序关系,称 ⟨A,≼⟩⟨ A,\preccurlyeq⟩ 为全序集

    ⟨A,≼⟩ 是全序集⇔哈斯图是一条直线\quad ⟨ A,\preccurlyeq⟩\,是全序集⇔ 哈斯图是一条直线

  • 拟序关系

    有 A≠Ø, R⊆A×AA\not=Ø,\,R\subseteq A\times A,若 RR 是 反自反、传递的(反自反性与传递性蕴含反对称性),则称 RR 为 AA 上的拟序关系。用 ≺\prec 表示拟序关系,称 ⟨A,≺⟩⟨ A,\prec⟩ 为拟序集

    若 ≼\preccurlyeq 是 AA 上的偏序关系,≺\prec 是 AA 上的拟序关系,则

    • ≺\prec 是反对称的
    • ≼−IA\preccurlyeq-I_A 是 AA 上的拟序关系
    • ≺∪IA\prec\cup I_A 是 AA 上的偏序关系

    若 ≺\prec 是 AA 上的拟序关系,则

    • x≺y, x=y, y≺xx\prec y,\,x=y,\,y\prec x 中最多只有一个式子成立
    • (x≺y∨x=y)∧(y≺x∨x=y)⇒x=y(x\prec y∨ x=y)∧(y\prec x∨ x=y)⇒ x=y
  • 三歧性、拟线序

    有 A≠ØA\not=Ø,≺\prec 是 AA 上的拟序关系,若 x≺y, x=y, y≺xx\prec y,\,x=y,\,y\prec x 中 有且仅有 一式成立,则称 ≺\prec 具有三歧性。同时称 ≺\prec 为 AA 上的拟线序关系,称 ⟨A,≺⟩⟨ A,\prec⟩ 为拟线序集

  • 最大(小)元、极大(小)元、上(下)界

    对于偏序集 ⟨A,≼⟩,B⊆A,y∈B⟨ A,\preccurlyeq⟩,B\subseteq A,y\in B

    y 是 B 的最大元⇔∀x(x∈B→x≼y)\quad y\,是\,B\,的最大元⇔∀ x(x\in B→ x\preccurlyeq y)

    y 是 B 的最小元⇔∀x(x∈B→y≼x)\quad y\,是\,B\,的最小元⇔∀ x(x\in B→ y\preccurlyeq x)

    y 是 B 的极小元⇔∀x(x∈B∧y≼x→x=y)\quad y\,是\,B\,的极小元⇔∀ x(x\in B∧ y\preccurlyeq x→ x= y)

    y 是 B 的极大元⇔∀x(x∈B∧x≼y→x=y)\quad y\,是\,B\,的极大元⇔∀ x(x\in B∧ x\preccurlyeq y→ x= y)

    对于 z∈Az\in A

    z 是 A 的上界⇔∀x(x∈B→x≼z)\quad z\,是\,A\,的上界⇔∀ x(x\in B→ x\preccurlyeq z)

    z 是 A 的下界⇔∀x(x∈B→z≼x)\quad z\,是\,A\,的下界⇔∀ x(x\in B→ z\preccurlyeq x)

  • 良序

    任何非空子集都有最小元的偏序关系

    公理:任何集合都能被赋予一个良序

    良序中的序数分为三类

    • 00
    • 后继序数(有头有尾):1,2,…,ω+1,ω+2,…1,2,\dots,\omega+1,\omega+2,\dots
    • 极限序数(有头无尾):ω,2ω,ω2,ωω,…\omega,2\omega,\omega^2,\omega^\omega,\dots
  • 链、反链

    设 ⟨A,≼⟩⟨ A,\preccurlyeq⟩ 为偏序集,B⊆AB\subseteq A

    B 是 A 中的链⇔∀x∀y(x∈B∧y∈B→x 与 y 可比)\quad B\,是\,A\,中的链⇔∀ x∀ y(x\in B∧ y\in B→ x\,与\,y\,可比)

    B 是 A 中的反链⇔∀x∀y(x∈B∧y∈B∧x≠y→x 与 y 不可比)\quad B\,是\,A\,中的反链⇔∀ x∀ y(x\in B∧ y\in B∧ x\not= y→ x\,与\,y\,不可比)

    ∣B∣\quad\mid B\mid 称为(反)链的长度

    设 ⟨A,≼⟩⟨ A,\preccurlyeq⟩ 为偏序集,AA 中最长链长度为 nn,则

    • AA 中存在极大元
    • AA 存在 nn 个划分块的划分,使每个划分块都是反链
    • 若 ∣A∣=mn+1\mid A\mid =mn+1,则 AA 中要么有长度为 m+1m+1 的反链,要么有长度为 n+1n+1 的链

DM2.10 函数

函数:也称映射。单值的二元关系。∀x∈dom⁡F, ∀y,z∈ran⁡F, xFy∧xFz→y=z∀ x\in\operatorname{dom}F,\,∀ y,z\in\operatorname{ran}F,\,xFy∧ xFz→ y=z

函数的记号:F(x)=y⇔⟨x,y⟩∈F⇔xFyF(x)=y⇔ ⟨ x,y⟩\in F⇔ xFy

  • 偏函数

    设 FF 是函数,dom⁡F⊆A∧ran⁡F⊆B\operatorname{dom}F\subseteq A∧\operatorname{ran}F\subseteq B 则称之为 AA 到 BB 的偏函数。记作 F:A→BF:A→ B

    其中 AA 称为 FF 的前域。

    AA 到 BB 的全体偏函数记为 A→B={F∣F:A→B}A→ B=\{ F\mid F:A→ B\}

    显然 A→B⊆P(A×B)A→ B\subseteq P(A\times B)

  • 真偏函数

    dom F⊂A{dom\,}F\subset A,记作 F:A∥ ⁣ ⁣ ⁣→BF:A\shortparallel\!\!\!→ B。AA 到 BB 的全体真偏函数记为 A∥ ⁣ ⁣ ⁣→B={F∣F:A∥ ⁣ ⁣ ⁣→B}A\shortparallel\!\!\!→ B=\{ F\mid F:A\shortparallel\!\!\!→ B\}

    所以,就有 A∣ ⁣ ⁣ ⁣→B=A→B∪A∥ ⁣ ⁣ ⁣→BF:A∣ ⁣ ⁣ ⁣→B⇒F:dom⁡F→BA\shortmid\!\!\!→ B=A→ B\cup A\shortparallel\!\!\!→ B\qquad F:A\shortmid\!\!\!→ B⇒ F:\operatorname{dom}F→ B

  • 全函数

    dom⁡F=A\operatorname{dom}F=A,记作 F:A∣ ⁣ ⁣ ⁣→BF:A\shortmid\!\!\!→ B。AA 到 BB 的全体全函数记为 BA=A→B={F∣F:A∣ ⁣ ⁣ ⁣→B}B^A=A→ B=\{ F\mid F:A\shortmid\!\!\!→ B\}

    A,BA,B 中存在空集 ØØ 时,BAB^A 分为以下几种情况

    • A,BA,B 是空集:BA=ØØ={Ø}B^A=Ø^{Ø}=\{Ø\}
    • 仅 AA 是空集:BA=BØ={Ø}B^A=B^{Ø}=\{Ø\}
    • 仅 BB 是空集:BA=ØA=ØB^A=Ø^{A}=Ø

    其余时候,∣BA∣=∣B∣∣A∣\mid B^A\mid =\mid B\mid ^{\mid A\mid }

  • 全函数的性质

    • 单射:FF 是单根的。即 f(x)=f(y)→x=yf(x)=f(y)→ x=y
    • 满射:ran⁡F=B\operatorname{ran}F=B
    • 双射:FF 即是单射也是满射。

    若有 F:A→B, ∣A∣=n, ∣B∣=mF:A→ B,\,\mid A\mid =n,\,\mid B\mid =m,则

    • n<mn<m 时,A→BA→ B 中无满射、双射。单射数量是 m(m−1)…(m−n+1)m(m-1)…(m-n+1)
    • n>mn>m 时,A→BA→ B 中无单射、双射。满射数量是 m!{nm}m!\begin{Bmatrix}n\\m\end{Bmatrix}
    • n=mn=m 时,A→BA→ B 中双射个数为 n!n!
  • 象、原象

    给定映射 f:A→B, A′⊆A, B′⊆Bf:A→ B,\,A'\subseteq A,\,B'\subseteq B

    则 A′A' 的像 f(A′)={y∣x∈A′,xfy}f(A')=\{ y\mid x\in A',xfy\}

    B′B' 的原像 f−1(B′)={x∣y∈B′,xfy}f^{-1}(B')=\{ x\mid y\in B',xfy\}

    有 f(A)=ran⁡ff−1(B)=dom⁡f=Af(A)=\operatorname{ran}f\quad f^{-1}(B)=\operatorname{dom}f=A

  • 特殊函数

    • 常数函数:f:A→B, ∃b∈B, ∀x∈A, f(x)=bf:A→ B,\,∃ b\in B,\,∀ x\in A,\,f(x)=b

    • 恒等函数:IA:A→A, IA(x)=xI_A:A→ A,\,I_A(x)=x

    • 特征函数:χA:E→{0,1}, χA(x)=1⇔x∈A\chi_A:E→\{0,1\},\,\chi_A(x)=1⇔ x\in A

      此时当 Ø⊂A⊂EØ\subset A\subset E 时,χA\chi_A 是满射

  • 单调函数

    设 f:A→Bf:A→ B 且 ⟨A,≤A⟩,⟨B,≤B⟩⟨ A,\le_A⟩,⟨ B,\le_B⟩ 是偏序集

    单调增:∀x,y∈A, x≤Ay⇒f(x)≤Bf(y)∀ x,y\in A,\,x\le_Ay⇒ f(x)\le_Bf(y)

    单调减:∀x,y∈A, x≤Ay⇒f(y)≤Bf(x)∀ x,y\in A,\,x\le_Ay⇒ f(y)\le_Bf(x)

    严格单调:将上面的 ≤\le 换为 <<。此时是单射

  • 自然映射

    设 RR 是 AA 上的等价关系

    自然映射(典型映射):f:A→A/R, f(x)=[x]Rf:A→ A/R,\,f(x)=[x]_R

    当 R=IAR=I_A 时,ff 是单射

    又有 f:A→B, g:B→Cf:A→ B,\,g:B→ C 则 f∘g:A→C, F∘g(x)=f(g(x))f\circ g:A→ C,\,F\circ g(x)=f(g(x))

    若 f:A→Bf:A→ B 是双射,则 f−1=B→Af^{-1}=B→ A 也是双射。此时称 f−1f^{-1} 为 ff 的 反函数

  • 单边逆

    若 f:A→B, g:B→Af:A→ B,\,g:B→ A

    左逆:g 是 f 的左逆⇔g∘f=IAg\,是\,f\,的左逆⇔ g\circ f=I_A

    右逆:g 是 f 的右逆⇔f∘g=IBg\,是\,f\,的右逆⇔ f\circ g=I_B

    f 存在左逆⇔f 是单射\quad f\,存在左逆⇔ f\,是单射

    f 存在右逆⇔f 是满射\quad f\,存在右逆⇔ f\,是满射

    f 存在左逆、右逆⇔f 是双射⇔f 的左逆、右逆相等\quad f\,存在左逆、右逆⇔ f\,是双射⇔ f\,的左逆、右逆相等

DM2.11 自然数

  • 封闭

    有函数 FF,A⊆dom⁡FA\subseteq\operatorname{dom}F

    则有:A 在函数 F 下封闭⇔F(A)⊆A⇔F:A→A⇔F 是 A 上一元运算A\,在函数\,F\,下封闭⇔ F(A)\subseteq A⇔ F:A→ A⇔ F\,是\,A\,上一元运算

  • 皮亚诺公理

    皮亚诺公理定义了自然数的集合。

    对于三元组 ⟨M,F,e⟩, F:M→M⟨ M,F,e⟩,\,F:M→ M

    • e∈Me\in M

    • MM 在 FF 下封闭

    • e∉ran⁡Fe\notin \operatorname{ran}F

    • FF 是单射

    • A⊆M∧e∈A∧A 在 F 下封闭⇒A=MA\subseteq M∧ e\in A∧ A\,在\,F\,下封闭⇒ A=M

      (极小性公理/数学归纳法原理。即 MM 是满足条件的最小集合)

  • 后继

    对于集合 AA,其后继 A+=A∪{A}A^+=A\cup\{ A\}

    A⊆A+∧A∈A+\quad A\subseteq A^+∧ A\in A^+

  • 归纳集

    A 是归纳集\quad A\,是归纳集

    ⇔Ø∈A∧∀x(x∈A→x+∈A)⇔Ø\in A∧∀ x(x\in A→ x^+\in A)

    ⇔A 含有 Ø 且对后继封闭\Harr A\,含有\,Ø\,且对后继封闭

  • 后继函数

    σ:N→N, ∀n∈N, σ(n)=n+\quad\sigma:N→ N,\,∀ n\in N,\,\sigma(n)=n^+

  • 传递集

    对于集合 AA,∀x∈a∈A⇒x∈A∀ x\in a\in A⇒ x\in A,则称 AA 为传递集

    A 是传递集\quad A\,是传递集
    ⇔⋃A⊆A⇔{\bigcup\\}A\subseteq A
    ⇔∀a(a∈A→a⊆A)⇔∀ a(a\in A→ a\subseteq A)
    ⇔A⊆P(A)⇔A\subseteq P(A)
    ⇔P(A) 是传递集⇔P(A)\,是传递集

    另外,A 是传递集⇒⋃(A+)=AA\,是传递集⇒{\bigcup\\}(A^+)=A

#集合论中的数学归纳法

目标:证明 ∀n∈N∀ n\in N,P(n)P(n) 为真

  1. 构造 S={n∣n∈N∧P(n)}S=\{ n\mid n\in N∧ P(n)\}

  2. 证明 SS 是归纳集

    Ø∈S\quadØ\in S
    ∀n(n∈s→n+∈S)\quad∀ n(n\in s→ n^+\in S)
    ∴S=N∴S=N

#使用集合来构造 Peano 系统

自然数:属于每个归纳集的集合。

自然数集(NN):包含于每个归纳集的集合。

0=Ø\quad 0=Ø
1=Ø+={Ø}={0}\quad 1=Ø^+=\{Ø\}=\{ 0\}
2=Ø++={Ø,{Ø}}={0,1}\quad 2=Ø^{++}=\{Ø,\{Ø\} \}=\{0,1\}
…\quad \dots
n=(n−1)+={0,1,2,…,n−1}\quad n=(n-1)^+=\{0,1,2,…,n-1\}

如此一来,让自然数作为集合,可以进行运算

2∩3={0,1}∩{0,1,2}={0,1}=2=min⁡(2,3)\quad 2\cap3=\{0,1\}\cap\{0,1,2\}=\{0,1\}=2=\operatorname{min}(2,3)
2∪3={0,1}∪{0,1,2}={0,1,2}=3=max⁡(2,3)\quad 2\cup3=\{0,1\}\cup\{0,1,2\}=\{0,1,2\}=3=\operatorname{max}(2,3)
3−2={0,1,2}−{0,1}={2}\quad 3-2=\{0,1,2\}-\{0,1\}=\{2\}
2−3={0,1}−{0,1,2}=Ø\quad 2-3=\{0,1\}-\{0,1,2\}=Ø
⋃n=⋃{0,1,…,n−1}=n−1=max⁡(0,1,…,n−1)\quad \bigcup n=\bigcup\{0,1,\dots,n-1\}=n-1=\operatorname{max}(0,1,\dots,n-1)
⋂n=⋂{0,1,…,n−1}=0=min⁡(0,1,…,n−1)\quad \bigcap n=\bigcap\{0,1,\dots,n-1\}=0=\operatorname{min}(0,1,\dots,n-1)
0∈1∈2∈3∈…0⊆1⊆2⊆3⊆…\quad 0\in1\in2\in3\in\dots\qquad0\subseteq1\subseteq2\subseteq3\subseteq\dots

于是有以下定理:

  • 自然数集是归纳集,且是最小的归纳集

    自然数是传递集,自然数集也是传递集

  • ⟨N,σ,0⟩⟨ N,\sigma,0⟩ 是 Peano 系统

  • ∀m,n∈N,m+∈n+⇔m∈n∀ m,n\in N,m^+\in n^+⇔ m\in n

  • 任何自然数都不是自己的元素。

  • ØØ 属于 00 以外的任意自然数

  • 任何自然数的元素都是其子集

    n∈N⇒∀x(x∈n→x⊆n)\quad n\in N⇒∀ x(x\in n→ x\subseteq n)

  • 三歧性

    对于 ∀m,n∈N∀ m,n\in N,以下三式恰有一式成立

    m∈n,m=n,n∈m\quad m\in n,\quad m=n,\quad n\in m

  • NN 上的递归定理

    设 AA 为集合,a∈A, F:A→Aa\in A,\,F:A→ A

    则存在唯一的函数 h:N→Ah:N→ A,使得 h(0)=ah(0)=a,且 ∀n∈N, h(n+)=F((h(n)))∀ n\in N,\,h(n^+)=F((h(n)))

    如此一来,就可以递归地定义函数。如

    a∈A, F:A→A\quad a\in A,\,F:A→ A
    {h(0)=ah(n+1)=F(h(n)), ∀n∈N\quad \begin{cases}h(0)=a\\h(n+1)=F(h(n)),\,∀ n\in N\end{cases}

定义自然数集上的二元运算:

  • 加法

    +:N×N→N\quad +:N\times N→ N

    +(⟨2,3⟩)=5,2+3=5\quad+(⟨ 2,3⟩)=5,\quad2+3=5

    将 mm 看成固定值,就能定义一元函数 +m+m。再将 mm 扩展到每个自然数,就有了所有的 +m+m

    m∈N, Am:N→N\quad m\in N,\,A_m:N→ N
    {Am(0)=mAm(n+)=(Am(n))+\quad \begin{cases}A_m(0)=m\\A_m(n^+)=(A_m(n))^+\end{cases}

    加法有以下性质

    • m+0=mm+0=m
    • m+n+=(m+n)+m++n=(m+n)+m+n^+=(m+n)^+\qquad m^++n=(m+n)^+
    • m+n=n+mm+n=n+m
  • 乘法

    •:N×N→N\quad•:N\times N→ N

    •(⟨2,3⟩)=6,2•3=6\quad•(⟨ 2,3⟩)=6,\quad2•3=6

    可以定义 •m• m 函数

    m∈N, Mm:N→N\quad m\in N,\,M_m:N→ N
    {Mm(0)=0Mm(n+)=Mm(n)+m\quad \begin{cases}M_m(0)=0\\M_m(n^+)=M_m(n)+m\end{cases}

    乘法有如下性质

    • 1•n=n•1=n1• n=n• 1=n
    • n•m=m•nn• m=m• n
    • (m•n)•k=m•(n•k)(m• n)• k=m• (n• k)
    • k≠0∧m•k=n•k⇒m=nk\not=0∧ m• k=n• k⇒ m=n
    • m•(n+k)=(m•n)+(m•k)m• (n+k)=(m• n)+(m• k)

自然数有两个基本性质

  • 匹配

    在自然数集合与另一集合间建立双射,可以统计集合的大小

    {a}→{0}=1\quad\{ a\}→\{ 0\}=1
    {a,b}→{0,1}=2\quad\{ a,b\}→\{ 0,1\}=2
    {a,b,c}→{0,1,2}=3\quad\{ a,b,c\}→\{ 0,1,2\}=3
    …\quad …

  • 计数

    任意自然数集合都有最小元素,任意自然数间可以比较大小

    0→1→2→3→…\quad 0→1→2→3→…
    a→b\quad a→ b
    a→b→c\quad a→ b→ c
    …\quad …

DM2.12 等势、有穷集、无穷集

  • 等势

    A 与 B 等势⇔∃双射 f:A→B\quad A\,与\,B\,等势⇔∃ 双射\,f:A→ B

    记作 A≈BA\approx B

    则有:

    Z≈NN×N≈NN≈Q(0,1)≈R[0,1]≈(0,1)\quad Z\approx N\qquad N\times N\approx N\qquad N\approx Q\qquad (0,1)\approx R\qquad[0,1]\approx(0,1)
    P(A)≈2A=A→2\quad P(A)\approx 2^A=A→ 2
    A≈AA≈B⇒B≈AA≈B∧B≈C⇒A≈C\quad A\approx A\qquad A\approx B⇒ B\approx A\qquad A\approx B∧ B\approx C⇒ A\approx C
    N≉RA≉P(A)\quad N\not\approx R\qquad A\not\approx P(A)

  • 有穷集

    与某一自然数 nn 等势的集合称为有穷集。

    A 是有穷集⇔∃n(A≈n∧n∈N)⇔B⊂A→A≉B\quad A\,是有穷集⇔ ∃ n(A\approx n∧ n\in N)⇔ B\subset A→ A\not\approx B

    不存在与自身真子集等势的自然数,也不存在与自身真子集等势的有穷集

  • 无穷集

    不能与任何自然数 nn 等势的集合

    A 是无穷集⇔n∈N→A≉n⇔B⊂A→B≈A\quad A\,是无穷集⇔ n\in N→ A\not\approx n⇔ B\subset A→ B\approx A

    与自身真子集等势的集合是无穷集,自然数集也是无穷集

DM2.13 基数

  • 基数

    对每个集合 AA,定义 card⁡A\operatorname{card}A

    • card⁡A=card⁡B⇔A≈B\operatorname{card}A=\operatorname{card}B⇔ A\approx B
    • 对于有穷集:card⁡A=n⇔A≈n\operatorname{card}A=n⇔ A\approx n
    • 对于无穷集:card⁡N=ℵ0\operatorname{card}N=\aleph_0
    • 对于实数集:card⁡R=ℵ1=ℵ\operatorname{card}R=\aleph_1=\aleph

    0,1,2,…,ℵ0,ℵ0,1,2,\dots,\aleph_0,\aleph 都称作基数

    其中 0,1,2,…0,1,2,… 称为有穷基数;ℵ0,ℵ\aleph_0,\aleph 称为无穷基数

    若 card A=ℵi{card\,}A=\aleph_i 则 card⁡P(A)=ℵi+1\operatorname{card}P(A)=\aleph_{i+1}

    可以用希腊字符 κ,λ,μ\kappa,\lambda,\mu 等表示任意基数。card⁡A\operatorname{card}A 是对 ∣A∣\mid A\mid 的推广

    有穷基数小于任何无穷基数,00 是有穷基数的最小值。rand⁡A<rand⁡P(A)\operatorname{rand}A<\operatorname{rand}P(A)

  • KκK_\kappa

    设 κ\kappa 是任意基数,令 Kκ={x∣x 是集合且 card⁡x=κ}K_\kappa=\{ x\mid x\,是集合且\,\operatorname{card}x=\kappa\}

    • κ=0\kappa=0 时,Kκ={Ø}K_\kappa=\{Ø\} 是集合
    • κ≠0\kappa\not=0 时,KκK_\kappa 不是集合,而是类
  • 优势、劣势

    如果存在 AA 到 BB 的单射,则必然有 rand⁡A≤rand⁡B\operatorname{rand}A\le \operatorname{rand}B

    则称 AA 较 BB 劣势(BB 较 AA 优势),记为 A≼•BA\preccurlyeq• B 或 B≽•AB\succcurlyeq• A

    若有 rand⁡A<rand⁡B\operatorname{rand}A<\operatorname{rand}B 则称为绝对劣势(绝对优势),记为 A≺•BA\prec• B 或 B≻•AB\succ• A

    显然 A⊆B⇒A≼•BA⊂B⇒A≽•BA\subseteq B⇒ A\preccurlyeq• B\quad A\subset B⇒ A\succcurlyeq• B

    A≼∙B∧B≼∙A⇒A≈B\quad A\preccurlyeq\bull B∧ B\preccurlyeq\bull A⇒ A\approx B

    κ≤λ∧λ≤κ⇒κ=λ\quad \kappa\le\lambda∧\lambda\le\kappa⇒\kappa=\lambda

    A⊆B⊆C∧A≈C⇒A≈B≈C\quad A\subseteq B\subseteq C∧ A\approx C⇒ A\approx B\approx C

    R≈(N→2)=2N\quad R\approx(N→2)=2^N

  • 可数集(可列集)

    基数不超过 ℵ0\aleph_0 的集合称为可数集。n∈Nn\in N 称为有穷可数集,NN 称为无穷可数集

    倘若 AA 是有穷可数集,则其可以表示成 A={a1,a2,…,an}A=\{ a_1,a_2,\dots,a_n\}

  • 基数运算

    基数间也能进行运算

    有集合 K,LK,L 且 K∩L=ØK\cap L=Ø,基数 κ=rand⁡K,λ=rand⁡L\kappa = \operatorname{rand}K,\lambda=\operatorname{rand}L

    则 κ+λ=rand⁡(K∪L)κ∙λ=rand⁡(K×L)κλ=rand⁡{A∣A:K→L}\kappa+\lambda=\operatorname{rand}(K\cup L)\qquad\kappa\bull\lambda=\operatorname{rand}(K\times L)\qquad\kappa^\lambda=\operatorname{rand}\{ A\mid A:K→ L\}

    有 rand P(K)=2κℵ=2ℵ0rand\,P(K)=2^\kappa\qquad\aleph=2^{\aleph_0}

    基数运算的性质

    • κ+λ=λ+κ(κ+λ)+μ=κ+(λ+μ)κ≤λ⇒κ−μ≤λ−μ\kappa+\lambda=\lambda+\kappa\qquad(\kappa+\lambda)+\mu=\kappa+(\lambda+\mu)\qquad\kappa\le\lambda⇒\kappa-\mu\le\lambda-\mu

      κ∙(λ+μ)=κ∙λ+κ∙μκλ∙κμ=κλ+μ\kappa\bull(\lambda+\mu)=\kappa\bull\lambda+\kappa\bull\mu\qquad\kappa^\lambda\bull\kappa^\mu=\kappa^{\lambda+\mu}

      (κ≠0∨μ≠0)∧κ≤λ⇒μκ≤μλ(\kappa\not=0∨\mu\not=0)∧\kappa\le\lambda⇒\mu^\kappa\le\mu^\lambda

    • 若 κ\kappa 是无穷基数则有 κ∙κ=κ\kappa\bull\kappa=\kappa

      即,对于任意无穷集都能和自身的二元关系建立双射

    • 若 κ\kappa 是无穷基数,λ\lambda 是基数,则有 κ+λ=κ•λ=max{κ,λ}\kappa+\lambda=\kappa•\lambda=max\{ \kappa,\lambda\}

    • 若 κ\kappa 是无穷基数,则 κκ=2κ\kappa^\kappa=2^\kappa

DM2.14 公理化集合论

罗素悖论:罗素悖论是由罗素发现的一个集合论悖论。若有 A={x∣x∉x}A=\{ x\mid x\not\in x\},则无法判断 A∈AA\in A 的真假。

罗素悖论的提出引发了第三次数学危机。为了尝试解决该危机,提出了公理化集合论。ZF 公理系统是其中的一种。

#ZF 公理系统

  • 空集公理:Ø 是集合Ø\,是集合

  • 外延公理:所含元素相同的两个集合相等

    A=B⇔∀x(x∈A↔x∈B)\quad A=B⇔∀ x(x\in A↔ x\in B)

  • 无序对公理:a,b 是集合⇒{a,b} 是集合a,b\,是集合⇒\{ a,b\}\,是集合

  • 子集公理:A 是集合⇒{x∈A∣P(x)} 是集合A\,是集合⇒\{ x\in A\mid P(x)\}\,是集合

  • 并集公理:A 是集族⇒⋃A 是集合{\mathcal A}\,是集族⇒{\bigcup\\}{\mathcal A}\,是集合

  • 幂集公理:A 是集合⇒P(A) 是集合A\,是集合⇒ P(A)\,是集合

  • 替换公理:F 是 A 上的函数⇒{f(x)∣x∈A} 是集合F\,是\,A\,上的函数⇒ \{ f(x)\mid x\in A\}\,是集合

  • 正则公理:A≠Ø⇒∃B(B∈A∧B∩A=Ø)A\not=Ø⇒∃ B(B\in A∧ B\cap A=Ø)

  • 无限公理:存在归纳集。

    A 是归纳集⇔(Ø∈A)∧(a∈A→a∪{a}∈A)\quad A\,是归纳集⇔(Ø\in A)∧(a\in A→ a\cup\{ a\}\in A)

以上公理组成了 ZF 公理系统。加上下面的选择公理(策梅洛公理)即构成 ZFC 公理系统

  • 选择公理:A\mathcal A 是元素互不相交的非空集族。从该集族每个元素中选择一个元素,那些选择的元素构成一个集合

    ∀a,b∈A(a∩b≠Ø→a=b)⇒∃C(∀x∈A→∣x∩C∣=1)\quad∀ a,b\in{\mathcal A}(a\cap b\not=Ø→ a=b)⇒∃ C(∀ x\in{\mathcal A}→ \mid x\cap C\mid =1)

    以下公理都是该公理的等价形式:

    • 广义选择公理:对于任何非空集族都有选择函数 f:A→⋃A, f(x)∈x∈Af:\mathcal{A→\bigcup A},\,f(x)\in x\in\mathcal A
    • 良序原理:任何集合都可以良序化
    • Zorn 原理:链总有上界的非空偏序集存在极大元
    • Hausdorff 极大原理:任何链都包含于极大链
    • 三歧性原理:A,B 是集合⇒∣A∣≤∣B∣∨∣B∣≤∣A∣A,B\,是集合⇒\mid A\mid \le\mid B\mid ∨\mid B\mid \le\mid A\mid

<离散数学> DM2 集合论
https://i-melody.github.io/2022/10/15/离散数学/2 集合论/
作者
Melody
发布于
2022年10月15日
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