引入
集合论属于一阶逻辑,是命题逻辑的扩展。
为什么”全体集合的集合”不是一个集合?
为什么集合的元素必须”互不相同”,重复写一次不算?
正文
定义
集合是一些不同的对象组合成的集体,其中的每个对象称为元素。
性质
- 确定性:出现的每个元素都是明确的
- 互异性:每个元素互不相同,即只出现一次
- 无序性:元素的顺序无意义
| 性质 | 违反后果 |
|---|---|
| 确定性 | 无法判断某对象是否属于该集合 |
| 互异性 | 与 无法区分 |
| 无序性 | 与 会变成两个集合 |
三条性质不是”规定”,而是定义的自然结果。集合由”包含哪些元素”决定,与写法、顺序、重复次数无关。
表示方法
自然语言
用文字描述一个集合,如:衣柜里的每件衣服。
列举法
列出每个元素,用花括号包裹(在一些编程语言中也可这样定义数组),如:
表示一个包含 的集合。
描述法
写出元素的共同特征,竖线前为代表元素,竖线后为特征条件,如:
表示一个包含大于 的所有数的集合。
列举法适合有限集,描述法适合无限集。 无法列举,只能用描述法。
关系
元素与集合
元素 出现在集合 中,记为:,否则记为:。
子集
如果集合 的每个元素都在集合 中出现,那么 是 的子集,记为: 或 ;如果不是,记为:。
真子集
集合 的每个元素都在集合 中出现,且 有 中没有的元素,则 是 的真子集,记为: 或 (另一种常见记法是 )。
| 关系 | 记号 | 条件 |
|---|---|---|
| 子集 | 的元素都在 中 | |
| 真子集 | 且 | |
| 相等 | 且 |
空集是任何集合的子集,且是任何非空集合的真子集。这一点常被忽略。
相等
集合 的每个元素与集合 相同(无论顺序是否一致),记为 。
运算
两个集合相交的元素:
,,则 。
合并两个集合:
,,则 。
在全集 的范围内,除了 以外剩下的部分,称为补集,记作 。
全集 ,,则 的补集是 。
| 运算 | 记号 | 对应逻辑 |
|---|---|---|
| 交 | 且 | |
| 并 | 或 | |
| 补 | 非 |
集合运算与逻辑运算一一对应,这是”集合论是一阶逻辑的扩展”的具体表现。
运算律
| 律 | 式子 |
|---|---|
| 交换律 | , |
| 结合律 | |
| 分配律 | |
| 德摩根律 |
德摩根律与逻辑中的量词否定是同一件事:“非(且)“等于”或(非)“。
常见集合
在数学中用字母定义了一些常用的集合:
| 符号 | 含义 |
|---|---|
| 自然数集 | |
| 整数集 | |
| 有理数集(分数、整数) | |
| 实数集(数轴上所有的点) | |
| 复数集 |
是否包含 ,不同教材有不同约定。使用时需明确,避免歧义。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| ” 有三个元素” | 互异性,只有两个 |
| ”空集不是任何集合的子集” | 空集是任何集合的子集 |
| ” 说明 “ | 可能相等 |
| ”补集不依赖全集” | 补集必须指明全集 |
| ”集合可以包含自己” | 会导致罗素悖论 |
引出
集合的本源思想来自于人类的分类本能,一种对事物的分类规则。
并不是所有东西都能随便组成集合。
上述提到的是朴素集合论,会产生罗素悖论(理发师悖论)的矛盾。为解决这类问题,建立了公理化的集合论,剔除一些逻辑陷阱的集合。
为什么”所有集合的集合”会引发矛盾?
公理化集合论如何避开罗素悖论?