集合是用來描述一批對象的基本語言。在這一科之中,集合不是旁支內容,
而是邏輯、函數、關係,以及之後的數系構造的共同語言。
如果你現在覺得符號有些陌生,這是正常的。這一單元的目標就是令這套語言
變得足夠精確,使後面章節可以直接使用。
集合、屬於、相等
定義
集合
集合是一批對象所組成的整體。
如果 x 是集合 A 的元素,我們寫 x∈A;如果不是,就寫
x∈/A。
例子:
{1, 2, 3} 是集合。
{香港島、九龍、新界} 是集合。
- ∅ 是空集合,也就是沒有任何元素的集合。
同一個集合可以有不同寫法,但集合本身只由元素決定。
定理
外延性
兩個集合相等,當且僅當它們擁有完全相同的元素。
符號上寫成:
A=B⟺∀x(x∈A↔x∈B).
所以證明集合相等的標準方法是先證兩個包含關係:
- 證 A⊂B
- 證 B⊂A
常見錯誤
不要將集合相等與描述相等混淆
{1, 2, 3} 同 {3, 2, 1} 是同一個集合,因為元素完全一樣。列出順序
不重要。
常見錯誤
子集符號要留意本地慣例
本課程用 A⊂B 表示「A 的每個元素都在 B 之中」。有些書會用
A⊆B 表示這個意思,而將 A⊂B 保留給 strict subset。
看書時要先確認慣例。
集合列式與有界謂詞
學過謂詞邏輯後,最常見的定義集合方式,是先指定一個已知集合,再保留當中
滿足某個條件的元素:
{x∈S∣P(x)}.
這個記號要仔細讀。直線前面的部分說明變量可在哪個集合內取值;直線後面的
謂詞說明哪些元素會被留下。例如
{n∈Z∣n is even}
就是所有偶整數的集合。
常見錯誤
不要忽略所在集合
{x∣P(x)} 有時是方便的簡寫,但嚴謹版本應該把變量限制在某個已知集合
之內。這樣做可以避免把任何文字描述都當成自動產生良好數學對象。
常見錯誤
集合不是 multiset
集合只記住某個對象是否出現,不記住它在列表中出現多少次。因此
\{1,1,2,3\} 和 \{1,2,3\} 描述同一個集合;若討論 multiset,兩者才會不同。
建立新集合
知道幾個集合之後,我們通常會想造出更多集合。標準運算就是用來做這件事。
| 運算 | 記號 | 定義 |
|---|
| 聯集 | A∪B | 屬於 A 或 B 的元素 |
| 交集 | A∩B | 同時屬於 A 同 B 的元素 |
| 差集 | A∖B | 屬於 A 但不屬於 B 的元素 |
| 補集 | Ac | 在所選全集內,不屬於 A 的元素 |
補集一定要先指定全集 E。在這一單元之中,我們通常默認所有集合都在某個
固定 E 之中,所以 Ac 也就是 E∖A。
例題
追蹤元素如何經過幾個運算
設
A={1,2,4},B={2,3,4},而全集取作
E={1,2,3,4,5}.那麼就有:
- A∪B={1,2,3,4}
- A∩B={2,4}
- A∖B={1}
- B∖A={3}
- Ac={3,5}
- (A∪B)c={5}
這些等式如何證
本單元的集合恆等式不是靠背誦,而是靠逐個元素追蹤去證明。
定理
基本集合代數
對集合 A、B、C:
- A∪∅=A
- A∪B=B∪A
- A∪(B∪C)=(A∪B)∪C
- A∪A=A
- A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C)
- A∪(B∩C)=(A∪B)∩(A∪C)
- (A∪B)c=Ac∩Bc
- (A∩B)c=Ac∪Bc
- (Ac)c=A
- A∩Ac=∅
- A∪Ac=E
- A⊂B 當且僅當 A∪B=B
- A⊂B 當且僅當 A∩B=A
- A⊂B 當且僅當 Bc⊂Ac
核心證法是 element chasing。譬如:
x∈A∩(B∪C)⟺x∈A 且 (x∈B 或 x∈C)
等價於
(x∈A 且 x∈B) 或 (x∈A 且 x∈C),
所以又等價於
x∈(A∩B)∪(A∩C).
證明
示範:為甚麼 A⊂B 會推出 A∪B=B
其他常見構造
這個課程後面亦也會反覆用到以下幾種集合構造。
笛卡兒積
A×B 是所有有序對 (a, b) 的集合,其中 a∈A 而 b∈B。
次序是有意思的:(a, b) 同 (b, a) 一般不同。
如果 ∣A∣=5 而 ∣B∣=3,那麼 ∣A×B∣=15。
R×R=R2 就是平面。
有限次積
An 表示 A 同自己做 n 次笛卡兒積,也就是所有 n-tuple。
冪集
P(A) 是 A 的所有子集所組成的集合。
如果 A 有 n 個元素,那麼 P(A) 就有 2n 個元素。另一個好用的理解方式
是 indicator function:每個子集都可以對應到一個 A→0,1 的函數。
例如
P({a,b})={∅,{a},{b},{a,b}}.
不交聯集
有時兩個集合在原來的寫法上可能有重疊,但我們又想保留每個元素的來源。
不交聯集就是透過標籤記住每件元素原本屬於哪一個集合。
直觀上,A⊔B 就是「加上標記 1 的 A」和「加上標記 2 的 B」。
如何仔細證明集合恆等式
去到這一步,集合恆等式應該被理解成「屬元條件相同」的命題,而不是單靠
圖形背出來。
標準證法通常是:
- 任取一個元素
x;
- 將 x∈ 兩邊集合翻譯成邏輯條件;
- 逐步化簡,直到兩邊變成同一句說話。
例題
證明 A∩(B∖C)=(A∩B)∖C
由
x∈A∩(B∖C)出發,就表示:
- x∈A,
- x∈B,
- x∈/C。
而這三個條件加埋,正正就是
x∈(A∩B)∖C的意思。
由於推理可以雙向讀回,所以兩邊集合相等。
這種逐元素追蹤的方法,之後會再次出現在德摩根律、關係,與數系構造之中。
如何正確閱讀 Venn 圖
Venn 圖適合用來整理情況,但證明仍然要回到屬元條件。圖形可以提示某個區域
為空、包含在另一個區域內,或被切成幾部分;正式文字則要說清楚這對應哪一個
包含關係、不交條件或計數等式。
對三個集合而言,A⊂(B∪C) 表示 A 的每個元素都至少落在 B
或 C 其中之一。它不表示 A⊂B,也不表示 A⊂C。能否分清
這些可能性,是檢查自己是否真正用邏輯方式閱讀圖形的好方法。
例題
把四種 Venn 圖條件翻譯成區域語言
假設 A、B、C 都是非空集合。以下常見練習條件,最好先讀成區域指令,
而不是只憑圖形印象處理。
| 條件 | 圖中必須呈現的意思 |
|---|
| A⊂B、C⊂B,且 A∩C=∅ | A 與 C 都在 B 之內,但二者互不相交。B 仍然可以有不屬於 A 或 C 的元素。 |
| A∩B=∅、A∩C=∅、B∩C=∅,且 A∩B∩C=∅ | 每兩個集合都有交集,但三者共同交集為空。因此三個 pairwise overlap 必須是分開的區域。 |
| A⊂(B∩C),且 B⊂C | 因為 B⊂C,所以 B∩C 其實就是 B。於是 A 在 B 之內,而 B 又在 C 之內。 |
| A⊂(B∪C)、並非 A⊂B、並非 A⊂C | A 沒有元素落在 B∪C 之外,但 A 必須至少有一個元素在 C∖B,亦至少有一個元素在 B∖C。 |
第四行最容易被誤讀。它不只是說 A 同時碰到 B 與 C;它還說 A 完全
被 B 與 C 覆蓋,但又不能只由其中一個集合單獨覆蓋。
有限集合如何計數
集合語言不只用來分類,還直接控制計數。
如果 A、B 都是有限集合,那麼:
- ∣A×B∣=∣A∣∣B∣;
- ∣P(A)∣=2∣A∣;
- ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣。
聯集公式之所以要減交集,是因為交集之中的元素如果直接相加,會被計兩次。
例題
計一個聯集同冪集
假設 ∣A∣=6、∣B∣=5、∣A∩B∣=2。
那麼就有
∣A∪B∣=6+5−2=9再設 S={a,b,c}。每個元素都只有兩個選擇:入某個子集,或者不入。
所以總共有
2⋅2⋅2=23=8個子集。因此 ∣P(S)∣=8。
例題
不用畫圖也可以完成的 Venn 圖計數
十位學生去遠足。七位使用防曬,六位戴帽,兩位沒有任何防曬保護。
設 S 是使用防曬的集合,H 是戴帽的集合。由於兩位學生不在兩個集合之中,
∣S∪H∣=10−2=8.由 inclusion-exclusion,
∣S∩H∣=∣S∣+∣H∣−∣S∪H∣=7+6−8=5.所以五位學生同時使用防曬並戴帽。
子集證明檢查表
子集證明會反覆出現,所以最好令它變成固定套路。
如果要證 A⊆B,就由任取 x∈A 開始,再用 A 的定義推出
足夠資訊,最後證明同一個 x 其實都在 B 之中。由於 x 是任取,結論
就對 A 的每個元素成立。
這個 direct proof 模式,之後在關係、偏序,與等價類之中也會再見到。
常見錯誤
常見錯誤
補集不等於差集
Ac 是「在全集外面的部分」。A∖B 是「A 之中但不在 B 之中的部分」。
兩者有關,但不同。
常見錯誤
沒有全集就不可以寫補集
如果你寫補集,一定要知道你是在甚麼全集之中做運算。否則 c 是含糊的。
常見錯誤
積集順序有意義
A×B 同 B×A 一般包含不同有序對。這個就是為甚麼函數與關係要用積集語言。
小檢查
快速檢查
如果 A=a,b,c 而 B=b,c,d,A∩B 是甚麼?
快速檢查
為甚麼未指定全集之前,Ac 不夠清楚?
快速檢查
十位學生去遠足。七位使用防曬,六位戴帽,兩位兩者皆沒有。多少位兩者皆有?
快速檢查
如果 A⊂B,那麼 A∪B 同 A∩B 會簡化成甚麼?
快速檢查
假設 A⊂(B∪C),但 A 不是 B 的子集,也不是 C 的子集。A 的哪兩個部分必須非空?
為甚麼這一單元重要
這一單元是後面數系構造的語言基礎。
- N2 會用來構造整數。
- 等價類會用來構造有理數。
- 一個集合上的關係會變成偏序和等價關係的語言。
- 冪集和笛卡兒積會在之後說明 family、tuple、以及各種構造時再出現。
邊讀邊試
比較一對集合
互動探索器讓你把元素加入或移出 A 與 B,並即時看見運算結果改變。