Теория множеств.
Множества. Пустое множество. Универсальное множество. Подмножества. Собственное подмножество. Способы задания множеств. Мощность множества. Равномощные множества. Конечные и счётные множества. Операции над множествами (объединение, пересечение, дополнение, разность, симметрическая разность). Законы алгебры множеств. Характеристические функции. Декартово произведение множеств. Отношения и свойства отношений. Функции на множествах.
Определение множества.
Множество - это совокупность определённых различаемых объектов, причём таких, что для каждого можно установить, принадлежит этот объект данному множеству или нет.
Множества обычно обозначаются заглавными латинскими буквами, а элементы множества - строчными. Элементами множеств могут быть любые объекты, например, числа, символы, слова, объекты реального мира. В частности, элементами множества могут быть другие множества.
Например:
A = { a, b, c } - множество A состоящее из 3 элементов
N = { 1, 2, 3, … } - множество N целых чисел
Элементы множества являются уникальными, то есть, один и тот же элемент не может включаться в множество несколько раз (в отличие от векторов и мультимножеств). Считается, что при добавлении в множество элемента, который в нем уже присутствует, множество не меняется.
Порядок записи элементов множества не является существенным (в отличие от записи элементов векторов, где порядок важен).
Таким образом, множества считаются равными, если они состоят из одних и тех же элементов.
Если некоторый объект является элементом множества , то этот факт записывается следующим образом: и читается «x принадлежит А». Аналогично, если элемент не является элементом множества , используется запись («y не принадлежит А»).
Пустое множество – это множество, не содержащее элементов. Пустое множество может быть обозначено с использованием фигурных скобок: = { }. Однако, множество B = { } не является пустым: это множество, содержащее один элемент, который является пустым множеством.
Универсальное множество Е – множество всех объектов, рассматриваемых в данной задаче.
Конечные и бесконечные множества. Если количество элементов множества конечно (то есть существует натуральное число, равное количеству элементов множества), то такое множество называется конечным. В противном случае множество называется бесконечным.
Мощность множества или кардинальное число |A| (иногда card (A)). Мощность множества является обобщением понятия количества элементов на бесконечные множества. Для конечных множеств мощность равна количеству элементов множества.
Мощность пустого множества по определению равна нулю: .
Равномощные множества – это множества, между элементами которых можно установить взаимно однозначное соответствие.
Счётное множество – множество, равномощное множеству натуральных чисел.
Множество А называют подмножеством множества B (обозначается либо ) если все элементы, которые принадлежат множеству A, так же принадлежат и множеству B.
В этом случае B называют надмножеством A
Пустое множество является подмножеством любого множества.
Любое множество является подмножеством самого себя:
В математике понятие множества является одним из основных, фундаментальным, однако единого определения множества не существует. Одним из наиболее устоявшихся определений множества является следующее: под множеством понимают любое собрание определённых и отличных друг от друга объектов, мыслимых как единое целое. Создатель теории множеств немецкий математик Георг Кантор (1845-1918) говорил так: "Множество есть многое, мыслимое нами как целое".
Множества как тип данных оказались очень удобными для программирования сложных жизненных ситуаций, так как с их помощью можно точно моделировать объекты реального мира и компактно отображать сложные логические взаимоотношения. Множества применяются в языке программирования Паскаль и один из примеров решения мы ниже разберём. Кроме того, на основе теории множества создана концепция реляционных баз данных, а на основе операций над множествами - реляционная алгебра и её операции - используемые в языках запросов к базам данных, в частности, SQL.
Пример 0 (Паскаль). Существует набор продуктов, продаваемых в нескольких магазинах города. Определить: какие продукты есть во всех магазинах города; полный набор продуктов в городе.
Решение. Определяем базовый тип данных Food (продукты), он может принимать значения, соответствующие названиями продуктов (например, hleb). Объявляем тип множества, он определяет все подмножества, составленные из комбинаций значений базового типа, то есть Food (продукты). И формируем подмножества: магазины "Солнышко", "Ветерок", "Огонёк", а также производные подмножества: MinFood (продукты, которые есть во всех магазинах), MaxFood (полный набор продуктов в городе). Далее прописываем операции для получения производных подмножеств. Подмножество MinFood получается в результате пересечения подмножеств Solnyshko, Veterok и Ogonyok и включает те и только те элементы этих подмножеств, которые включены в каждое их этих подмножеств (в Паскале операция пересечения множеств обозначается звёздочкой: A * B * C, математическое обозначение пересечения множеств дано далее). Подмножество MaxFood получается в результате объединения тех же подмножеств и включает элементы, которые включены во все подмножества (в Паскале операция объединения множеств обозначается знаком "плюс": A + B + C, математическое обозначение объединения множеств дано далее).
Код PASCAL
Program Shops; type Food=(hleb, moloko, myaso, syr, sol, sahar, maslo, ryba); Shop = set of Food; var Solnyshko, Veterok, Ogonyok, MinFood, MaxFood: Shop; Begin Solnyshko:=; Veterok:=; Ogonyok:=; ... MinFood:=Solnyshko * Veterok * Ogonyok; MaxFood:=Solnyshko + Veterok + Ogonyok; End.
Какие бывают множества
Объекты, составляющие множества - объекты нашей интуиции или интеллекта - могут быть самой различной природы. В примере в первом параграфе мы разобрали множества, включающие набор продуктов. Множества могут состоять, например, и из всех букв русского алфавита. В математике изучаются множества чисел, например, состоящие из всех:
Натуральных чисел 0, 1, 2, 3, 4, ...
Простых чисел
Чётных целых чисел
и т.п. (основные числовые множества рассмотрены в этого материала).
Объекты, составляющие множество, называются его элементами. Можно сказать, что множество - это "мешок с элементами". Очень важно: в множестве не бывает одинаковых элементов.
Множества бывают конечными и бесконечными. Конечное множество - это множество, для которого существует натуральное число, являющееся числом его элементов. Например, множество первых пяти неотрицательных целых нечётных чисел является конечным множеством. Множество, не являющееся конечным, называется бесконечным. Например, множество всех натуральных чисел является бесконечным множеством.
Если M - множество, а a - его элемент, то пишут: a ∈M , что означает "a принадлежит множеству M ".
Из первого (нулевого) примера на Паскале с продуктами, которые есть в тех или иных магазинах:
hleb ∈VETEROK ,
что означает: элемент "hleb" принадлежит множеству продуктов, которые есть в магазине "VETEROK".
Существуют два основных способа задания множеств: перечисление и описание.
Множество можно задать, перечислив все его элементы, например:
VETEROK = {hleb , syr , maslo } ,
A = {7 , 14 , 28 } .
Перечислением можно задать только конечное множество. Хотя можно сделать это и описанием. Но бесконечные множества можно задать только описанием.
Для описания множеств используется следующий способ. Пусть p (x ) - некоторое высказывание, которое описывает свойства переменной x , областью значений которых является множество M . Тогда через M = {x | p (x )} обозначаентся множество, состоящее из всех тех и только тех элементов, для которых высказывание p (x ) истинно. Это выражение читается так: "Множество M , состоящее из всех таких x , что p (x ) ".
Например, запись
M = {x | x ² - 3x + 2 = 0}
Пример 6. Согласно опросу 100 покупателей рынка, купивших цитрусовые, апельсины купили 29 покупателей, лимоны - 30 покупателей, мандарины - 9, только мандарины - 1, апельсины и лимоны - 10, лимоны и мандарины - 4, все три вида фруктов - 3 покупателя. Сколько покупателей не купили ни одного вида перечисленных здесь цитрусовых? Сколько покупателей купили только лимоны?
Операция декартова произведения множеств
Для определения ещё одной важной операции над множествами - декартова произведения множеств введём понятие упорядоченного набора длины n .
Длиной набора называется число n
его компонент. Набор, составленный
из элементов ,
взятых именно в этом порядке, обозначается 
.
При этом i
я ()
компонента набора есть .
Сейчас последует строгое определение, которое, возможно, не сразу понятно, но после этого определения будет картинка, по которой станет понятно, как получить декартово произведение множеств.
Декартовым (прямым) произведением множеств
называется множество, обозначаемое 
и состоящее из всех тех и только тех наборов длины n
, i
-я компонента
которых принадлежит 
.
Например, если , , ,
Множество — это набор каких-либо объектов, которые называются элементами этого множества.
Например: множество школьников, множество машин, множество чисел .
В математике множество рассматривается намного шире. Мы не будем сильно углубляться в эту тему, поскольку она относится к высшей математике и на первых порах может создавать трудности для обучения. Мы рассмотрим только ту часть темы, с которой уже имели дело.
Содержание урокаОбозначения
Множество чаще всего обозначают заглавными буквами латинского алфавита, а его элементы - строчными. При этом элементы заключаются в фигурные скобки.
Например, если наших друзей зовут Том, Джон и Лео , то мы можем задать множество друзей, элементами которого будут Том, Джон и Лео.
Обозначим множество наших друзей через заглавную латинскую букву F (friends ), затем поставим знак равенства и в фигурных скобках перечислим наших друзей:
F = { Том, Джон, Лео }
Пример 2 . Запишем множество делителей числа 6.
Обозначим через любую заглавную латинскую букву данное множество, например, через букву D
затем поставим знак равенства и в фигурных скобках перечислим элементы данного множества, то есть перечислим делители числа 6
D = { 1, 2, 3, 6 }
Если какой-то элемент принадлежит заданному множеству, то эта принадлежность указывается с помощью знака принадлежности ∈ . К примеру, делитель 2 принадлежит множеству делителей числа 6 (множеству D ). Записывается это так:
Читается как: «2 принадлежит множеству делителей числа 6»
Если какой-то элемент не принадлежит заданному множеству, то эта не принадлежность указывается с помощью зачёркнутого знака принадлежности ∉. К примеру, делитель 5 не принадлежит множеству D . Записывается это так:
Читается как: «5 не принадлежит множеству делителей числа 6″
Кроме того, множество можно записывать прямым перечислением элементов, без заглавных букв. Это может быть удобным, если множество состоит из небольшого количества элементов. Например, зададим множество из одного элемента. Пусть этим элементом будет наш друг Том :
{ Том }
Зададим множество, которое состоит из одного числа 2
{ 2 }
Зададим множество, которое состоит из двух чисел: 2 и 5
{ 2, 5 }
Множество натуральных чисел
Это первое множество с которым мы начали работать. Натуральными числами называют числа 1, 2, 3 и т.д.
Натуральные числа появились из-за потребности людей сосчитать те иные объекты. Например, посчитать количество кур, коров, лошадей. Натуральные числа возникают естественным образом при счёте.
В прошлых уроках, когда мы употребляли слово «число» , чаще всего подразумевалось именно натуральное число.
В математике множество натуральных чисел обозначается заглавной латинской буквой N .
Например, укажем, что число 1 принадлежит множеству натуральных чисел. Для этого записываем число 1, затем с помощью знака принадлежности ∈ указываем, что единица принадлежит множеству N
1 ∈ N
Читается как: «единица принадлежит множеству натуральных чисел»
Множество целых чисел
Множество целых чисел включает в себя все положительные и , а также число 0.
Множество целых чисел обозначается заглавной латинской буквой Z .
Укажем, к примеру, что число −5 принадлежит множеству целых чисел:
−5 ∈ Z
Укажем, что 10 принадлежит множеству целых чисел:
10 ∈ Z
Укажем, что 0 принадлежит множеству целых чисел:
В будущем все положительные и отрицательные числа мы будем называть одним словосочетанием — целые числа .
Множество рациональных чисел
Рациональные числа, это те самые обыкновенные дроби, которые мы изучаем по сей день.
Рациональное число — это число, которое может быть представлено в виде дроби , где a — числитель дроби, b — знаменатель.
В роли числителя и знаменателя могут быть любые числа, в том числе и целые (за исключением нуля, поскольку на нуль делить нельзя).
Например, представим, что вместо a стоит число 10, а вместо b — число 2
10 разделить на 2 равно 5. Видим, что число 5 может быть представлено в виде дроби , а значит число 5 входит во множество рациональных чисел.
Легко заметить, что число 5 также относится и ко множеству целых чисел. Стало быть множество целых чисел входит во множество рациональных чисел. А значит, во множество рациональных чисел входят не только обыкновенные дроби, но и целые числа вида −2, −1, 0, 1, 2.
Теперь представим, что вместо a стоит число 12, а вместо b — число 5.
12 разделить на 5 равно 2,4. Видим, что десятичная дробь 2,4 может быть представлена в виде дроби , а значит она входит во множество рациональных чисел. Отсюда делаем вывод, что во множество рациональных чисел входят не только обыкновенные дроби и целые числа, но и десятичные дроби.
Мы вычислили дробь и получили ответ 2,4. Но мы могли бы выделить в этой дроби целую часть:
При выделении целой части в дроби , получается смешанное число . Видим, что смешанное число тоже может быть представлено в виде дроби . Значит во множество рациональных чисел входят и смешанные числа.
В итоге мы приходим к выводу, что множество рациональных чисел содержат в себе:
- целые числа
- обыкновенные дроби
- десятичные дроби
- смешанные числа
Множество рациональных чисел обозначается заглавной латинской буквой Q .
Например укажем, что дробь принадлежит множеству рациональных чисел. Для этого записываем саму дробь , затем с помощью знака принадлежности ∈ указываем, что дробь принадлежит множеству рациональных чисел:
∈ Q
Укажем, что десятичная дробь 4,5 принадлежит множеству рациональных чисел:
4,5 ∈ Q
Укажем, что смешанное число принадлежит множеству рациональных чисел:
∈ Q
Вводный урок по множествам завершён. В будущем мы рассмотрим множества намного лучше, а пока рассмотренного в данном уроке будет достаточно.
Понравился урок?
Вступай в нашу новую группу Вконтакте и начни получать уведомления о новых уроках
Понятие множества обычно принимается за одно из исходных (аксиоматических) понятий, то есть несводимое к другим понятиям, а значит, и не имеющее определения (так же, как, например, нельзя определить, что такое точка или прямая ).
Теорию множеств создал Георг Кантор. В частности, определил множество как «единое имя для совокупности всех объектов, обладающих данным свойством». Эти объекты он назвал элементами множества. Т.е. элемент множества – это объект, принадлежащий данному множеству.
Бертран Рассел (также основоположник теории множеств) дал такое определение множества: «Множество есть любое собрание определённых и различимых между собою объектов нашей интуиции или интеллекта, мыслимое как единое целое».
Под множеством понимается класс, совокупность, собрание различных между собой абстрактных объектов (элементов), безразлично какой природы. Каждый составляющий его элемент рассматривается лишь с точки зрения некоторых признаков. Эти объекты считаются неразличимыми. Им приписываются одни и те же признаки, отличие их друг от друга определяется не по свойствам и отношениям, а по их именам.
Множества обозначаются большими латинскими буквами (например, А , В , Х , Y и т.д.), а элементы этих множеств – малыми буквами (например, a , b , x , y ).
Если множество содержит конечное число элементов, его называют конечным , если в нём бесконечно много элементов – бесконечным .
Множества могут состоять из объектов самой различной природы. Этим объясняется чрезвычайная широта теории множеств и её применимость в самых различных областях – математике, механике, физике, химии, биологии, лингвистике и т.д.
Знаком Î обозначается отношение принадлежности некоторого элемента тому или иному множеству. Например, выражение означает, что элемент а принадлежит множеству А . Если же а не является элементом множества А , то это записывается .
Если два множества А и В состоят из одних и тех же элементов, то они считаются равными. Если А и В равны, то пишем А=В , в противном случае - . Например, возьмём множество {1,3,5}, состоящее из трёх положительных нечётных чисел. Поскольку {1,3,5} и{1,5,3} состоят из одних и тех же элементов, они являются равными множествами, т.е. {1,3,5}={1,5,3}. По этой же причине {1,3,5}={1,3,3,5,5,5}.
Элементы какого либо множества сами могут быть множествами. Например, {{1,2},{3,4},{5,6}} – множество из трёх элементов {1,2},{3,4},{5,6}.
Множества {{1,2},{2,3}} и {1,2,3} не равны, т.к. элементами первого являются {1,2} и {2,3}, а элементами второго - 1,2 и 3.
Множества {{1,2}} и {1,2} также не равны, т.к. поскольку первое множество состоит из одного и только одного элемента {1,2} (одноэлементное множество), а второе имеет два элемента 1 и 2. Потому, в общем виде, следует различать объект и множество, единственным элементом которого является этот объект.
Задача 1.1. Среди следующих множеств указать равные:
А = {3, 5, x , y }; B = {3, 2, 5, x , y }; C = {y , y , 5, 3, x , x }; D = {3, 4, 5, x , y }.
Решение. A = C , поскольку качественно оба множества состоят из элементов 3, 5, x и y . Количество элементов множества А равно 4. Множество В , на первый взгляд, содержит больше элементов. Однако среди них есть повторяющиеся: 2 раза х и столько же у . Для множества же неважно, сколько раз повторяется один и тот же элемент, важно лишь, чтобы элементы отличались друг от друга. Что же касается множеств B иD , то они не равны, так как содержат разные элементы.
1.2. СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ МНОЖЕСТВ
Множество считают заданным (известным), если имеется способ, позволяющий для любого объекта решить, принадлежит ли он этому множеству или нет, т.е. определить истинно или ложно выражение . Существует несколько способов задания множеств. Множество может быть задано:
1) перечислением
(полным списком) своих элементов
. Если хотим сказать, что данное множество М состоит из элементов , то записываем: 
.
Данный способ применим лишь к конечным множествам, да и то не ко всем. Например, хотя множество птиц конечно, вряд ли его можно задать списком. Тем более, список невозможен в случае бесконечномерного множества. Тогда применимы другие способы;
2) характеристическим свойством (предикатом) , которым должны обладать все его элементы и не должен обладать ни один объект, не являющийся его элементом. Причём необходимо формулировать описание характеристических свойств элементов множества достаточно корректно, для того, чтобы множество было определено вполне однозначно.
Множество M объектов, обладающих свойством , Г. Кантор обозначил 
- «множество всех x, обладающих свойством », где - характеристическое свойство(предикат)
множества М;
3) порождающей процедурой f
, то есть указать правило, по которому формируются элементы данного множества: 
;
Замечание. Многие числовые множества могут быть заданы всеми тремя указанными способами (например, множество чётных однозначных чисел).
4) геометрическим способом – с помощью графиков или диаграмм. Этот способ применим как к конечным, так и бесконечным множествам;
Пример 1.1. Некоторые примеры множеств, заданных различными способами.
а) M 1 ={1;2;3;4};
б) M 2
={x| , -4
в) M 3 ={x|x=2n+1, };
г) M 4 = {(x,y)ôxÎR, yÎR ; £ 4};
Задача 1.2. Выяснить, каким способом заданы следующие множества и перечислить все элементы этих множеств:
1) { xô x есть делитель числа 100};
2) { xô x есть простой делитель числа 100};
3) { xô x есть простой множитель числа 100};
4) { xô x ÎN; – 1 = 0 и – 4 = 0};
5) { xô x есть буква слова «академия»};
6) { xô x ÎN; 2 = 1};
7) { xô x ÎN; }.
Решение.
1. Данное множество состоит из всех делителей числа 100, то есть в него включаются лишь те числа, которые делят число 100 нацело. Очевидно, что налицо задание множества с помощью характеристического предиката «быть делителем числа 100». Перечислим все эти числа: 2, 4, 5, 10, 20, 25, 50. Добавив сюда число 1 и самое 100, получим искомое множество. Обозначим его А. Тогда А = {1, 2, 4, 5, 10, 20, 25, 50, 100}.
2. Множество задано с помощью характеристического предиката «быть простым делителем числа 100». Среди делителей предыдущей задачи отберём лишь простые числа, которыми будут 2 и 5. Все же остальные делители являются составными. Число 1, как известно из курса школьной арифметики, не относится ни к простым, ни к составным числам. Обозначив это множество В, получим: В = {2, 5}.
3. Множество задано с помощью характеристического предиката «быть простым множителем числа 100». Разложим 100 на простые множители. Получим следующее тождество: 100 = 2×2×2×5. Эти числа и будут элементами искомого множества, которое обозначим С = {2, 2, 5, 5}. Ответ можно было бы оставить в таком виде, однако в теории множеств количество одинаковых элементов, как правило, игнорируется. Поэтому будет корректнее ответ представить в виде: С = {2, 5}.
4. Данное множество можно считать заданным с помощью порождающей процедуры, которой является процедура решения квадратных уравнений и отбора корней по признаку принадлежности их к множеству натуральных чисел. Однако, справедливости ради, следует отметить, что часто при определении способа задания множества бывает достаточно трудно утверждать, что множество задано этим и только этим способом. В данном примере вполне можно утверждать, что способ задания множества – с помощью характеристического предиката «отбор корней уравнения по признаку принадлежности к множеству N». Решаем оба уравнения: , его корни +1 и -1; , его корни +2 и -2. Поскольку числа -1 и -2 не являются натуральными, искомое множество, которое мы обозначим D, будет таким: D = {1, 2}.
5. Способ задания – с помощью характеристического предиката. Обозначим множество Е. Получим: Е = {а, к, д, е, м, и, я}, где буква «а» упомянута лишь один раз.
6. Способ задания данного множества аналогичен примеру 4). Решим данное показательно-логарифмическое уравнение 2 = 1. ОДЗ данного уравнения – все х³0. = 1, откуда = 0, корни х равны 2. Натуральным числом является 2. Значит, наше множество, которое обозначим через F, будет состоять только из одного элемента: F = {2}.
7. Способ задания данного множества аналогичен примеру 4). Решаем данное иррациональное неравенство . ОДЗ – все х ³ 1. Обе части возведём в квадрат: х – 1 ³ 4, откуда х ³ 5. Это не противоречит ОДЗ, поэтому область решения данного неравенства х ³ 5. Другими словами, х Î . Очевидно, что натуральных чисел на данном интервале будет бесчисленное множество. Поэтому данное множество G будет бесконечным: G = {5, 6, 7, … n,…}.
Задача 1.3. Записать множества с помощью свойстваP (х ):
2) {1, 3, 9, 27, 81, 243};
3) {s, t, u, d, e, n, t}.
Решение.
1) подобрать характеристический предикат можно, например, так. Перемножим все числа. Получим: 2×3×11 = 66. Тогда
А = {aôa – простой делитель числа 66};
2) все представленные числа являются степенями числа 3 (30=1, 31=3, 32=9 и т.д.). Поэтому множество В можно задать с помощью свойства: В = {bôb – степень числа 3 с показателем от 0 до 5};
3) C = {côc – буква слова «student»}.
Задача 1.4. Изобразить следующие множества графически:
1) А = {(x,y)ôxÎR, yÎR ; £ 4};
2) B = {(x,y)ôxÎR, yÎR ; x + y >0, x + y – 2 £ 0};
3) C = {(x,y)ôxÎR, yÎR ; |x | £ 1 и |y + 2| £ 4};
4) D = {(x,y)ôxÎR, yÎR и 
};
5) E = {(x,y)ôxÎR, yÎR и y £ |sin x|};
6) F = {(x,y)ôxÎR, yÎR и }.
Решение. Все заданные множества состоят из пар действительных чисел, которые удовлетворяют некоторым условиям. Изображая точки, соответствующие данным парам в декартовой системе координат на плоскости, получим некоторые области, которые и будут геометрическим (графическим) изображением исследуемого множества.
1. Построим границу множества А. Для этого от неравенства перейдём к равенству: = 4. Из курса аналитической геометрии известно, что это уравнение есть уравнение окружности с центром в начале координат и радиусом 2. Она и будет являться границей множества. Далее следует выяснить, какую часть плоскости нам следует выбрать: ту, что лежит внутри окружности либо ту, что лежит извне. Для этого зададимся координатами какой-либо точки, которая явно находится в выбранной области. Например, точка начала координат О(0;0). Подставим значения х = 0 и у = 0 в неравенство £ 4. Получим: £ 4, то есть в точке О (0;0) данное неравенство справедливо. Следовательно, нам нужно выбрать часть плоскости внутри окружности. Если взять координаты других точек внутри окружности и подставить их в неравенство, результат будет таким же. Напротив, для точек извне неравенство будет ложным. Например, точка Q(10;10): = 200, а это никак не меньше 4! Подытоживая всё сказанное, можем утверждать, что множество А – это круг радиуса 2 с центром в начале координат.
2. Для построения границ множества В рассмотрим равенства: x + y =0, x + y – 2 = 0. Первая прямая (её уравнение можно записать как у = - х) есть биссектриса 2-го и 4-го координатных углов. Она разделяет координатную плоскость на две части: ту, которая лежит выше (или правее) прямой и ту, которая ниже (или левее) прямой. Чтобы выбрать нужную часть, возьмем пробную точку с координатами, например, Q(10;10) и подставим её координаты в неравенство x + y > 0. Получим: 10 +10 > 0 то есть неравенство справедливо для части плоскости выше (правее) прямой x + y =0. Вторая прямая (её уравнение x + y – 2 = 0 может быть записано в отрезках на осях ) отсекает на обеих осях отрезки длиной по 2 единицы и проходит параллельно первой прямой через 2-й, 1-й и 3-й квадранты. Она также разделяет координатную плоскость на две части: одна выше (правее) и вторая ниже (левее). Для выбора нужной нам части можно использовать, например, точку О(0;0). Подставляем х = 0 и у = 0 в неравенство x + y – 2 £ 0. Получим: 0 + 0 – 2 £ 0 - справедливо. Следовательно выбираем ту часть плоскости по отношению ко второй прямой, где лежит точка О(0;0). В итоге получаем область, координаты точек которой удовлетворяют обоим неравенствам (например, это точки (1;1), (0;1), (1;0); (2;-1) и т.д.). Это полоса, лежащая между двумя параллельными прямыми, включая и точки, принадлежащие второй прямой (поскольку неравенство нестрогое). Данная область и определяет искомое множество В.
3. Неравенство |x | £ 1 эквивалентно двум: -1 £ х £ 1. Казалось бы, что это множество точек отрезка [-1; 1]. Если бы мы рассматривали множество из одного элемента, это было бы так. Однако наше множество С состоит из пар действительных чисел (х; у). Поэтому геометрически неравенство -1 £ х £ 1 представляет собой множество точек, лежащих внутри вертикальной полосы между прямыми х = 1 и х = -1. Неравенство |y + 2| £ 4 также эквивалентно двум: -4 £ y + 2 £ 4. Перенося 2 влево и вправо, получаем: -6 £ y £ 2. Геометрически это будет множество точек, лежащих внутри горизонтальной полосы между прямыми y = -6 и y = 2. Итак, мы получили две пересекающиеся полосы. Какую же часть необходимо выбрать для искомого множества С? В условии задачи оба неравенства соединены союзом «и». А это значит, что необходимо выбрать те точки из обеих полос, координаты которых одновременно удовлетворяют обоим неравенствам. В результате получаем прямоугольник. Это и есть наше множество С.
4. Рассмотрим неравенство . Чтобы оно стало «узнаваемым», возведём в квадрат левую и правую его части. Это можно сделать потому, что справа - неотрицательная величина арифметического корня. Слева величина у также неотрицательна, ибо в противном случае неравенство теряло бы всякий смысл. После возведения во вторую степень обеих частей и некоторого преобразования получаем: Это неравенство описывает часть координатной плоскости, лежащей вне эллипса Однако исходное неравенство имеет вид , причём, как было сказано, величина у неотрицательна. Значит, описываемая область будет включать лишь верхнюю часть координатной плоскости, лежащей вне эллипса. Рассмотрим последнее неравенство х ³ 0, которое описывает правую часть координатной плоскости. Сопоставляя все выкладки, получим множество точек, расположенных в первом квадранте вне эллипса. Это и будет искомое множество D.
5. Построим график функции у = sin x, а затем ту его часть, которая находится ниже оси абсцисс, зеркально отразим на верхнюю полуплоскость. Получим график у = |sin x|. Неравенство же y £ |sin x| определит искомое множество Е, точки которого будут находиться между осью абсцисс и дугами отраженной вверх синусоиды.
6. В отличие от предыдущих задач, здесь имеем равенство x2 = y2 , которое, как известно, определяет некоторую линию. Для «узнавания» данной линии сделаем ряд тождественных преобразований: = 0, (х – у) (х + у) = 0. Далее приходим к совокупности х – у = 0 и х + у = 0. Получаем пару пересекающихся прямых - биссектрис 1− 3-го и 2 – 4-го квадрантов. Множество F и представляет собой точки этих прямых.
Задачи для самостоятельного решения.
1. Перечислить все элементы следующих множеств:
а) { x ô x есть делитель чисел 6 и 8}; (ответ: 2);
б) { x ô x ÎN; x 3 - 5x 2 + 4 = 0}; (ответ: 1);
в) { x ô x ÎR; x + 1/x > 2; x > 0}; (ответ: х Î(0, ¥));
г) { x ô x – буква слова «университет»};
д) { x ô x ÎZ; sin x < 0; cos x > 0}; (ответ: -1).
2. Изобразить следующие множества графически:
а) { (x , y )ô y £ 2x 2 };
б) { (x , y )ô y ³ |x | + 1};
в) { (x , y )ô x 2 + y 2 – 25 > 0}.
Два первые способа задания множества предполагают, что мы имеем возможность отождествлять и различать объекты. Но такая возможность существует не всегда, в этом случае мы сталкиваемся с различного рода осложнениями. Так, может быть, что два различных характеристических свойства задают одно и то же множество, т.е. каждый элемент, обладающий одним свойством, обладает и другим, и наоборот. Например, в арифметике свойство «целое число делится на 2» задаёт то же множество, что и свойство «последняя цифра делится на 2». Во многих случаях речь идёт о совпадении двух множеств (например, множества равносторонних треугольников с множеством равноугольных треугольников). Кроме того, при задании множеств характеристическими свойствами (предикатами) трудности возникают из-за недостаточной чёткости, неоднозначности формулировки. Разграничение объектов на принадлежащие и не принадлежащие данному множеству затрудняется наличием большого числа промежуточных форм.
Особо выделяется универсальное (или фундаментальное ) множество , т.е. такое множество, которое состоит из всех элементов исследуемой предметной области (обозначается буквой U и читается «универсум», а в геометрической интерпретации изображается множеством точек внутри некоторого прямоугольника).
Отметим, что «универсальное множество» понятие относительное: оно выбирается для какого-нибудь определенного раздела науки и при том часто даже явно не определяется, а просто подразумевается.
Так, например, в элементарной планиметрии в качестве универсального множества принято рассматривать множество всех точек плоскости.
В элементарной арифметике универсальным множеством считается множество Z всех целых рациональных чисел и т. д.
1.3. ПУСТОЕ МНОЖЕСТВО
Пустое множество – множество, которое не содержит ни одного элемента (обозначается символом ). Пустое множество можно определить любым противоречивым свойством, например Y не является множеством.
Что такое множество в математике? Математическое множество - это несколько отдельных элементов, рассматриваемых, как единое целое. Если обозначить такой элемент буквой a, а само множество - буквой А, то запись будет выглядеть следующим образом:
проговаривается эта запись так: a принадлежит А, или А содержит а, или а - элемент А.
Для перечисления элементов множества используются фигурные скобки - {}. То есть, например, множество, в котором а ∈ А, b ∈ A и c ∈ A, будет записываться в таком виде:
Виды множеств.
Пустые множества.
Пустое множество – это то множество, которое вообще не содержит никаких элементов. Обозначается оно цифрой 0 или специальным значком ∅.
Примером пустого множества может служить любое нелогичное понятие , противоречащее самому себе - «множество птиц, живущих на дне океана», или «множество деревьев на Луне». Поскольку оба множества лишены смысла и не отвечают реальности, то, следовательно, они являются пустыми. Скажем, количество деревьев на Луне – 0, поэтому «множество деревьев на Луне» будет пустым (не будет содержать ни одного элемента).
Равные множества.
Равные множества – это два или более множеств, состоящих из равных наборов элементов. Приведём пример. Скажем, все члены Вашей семьи находятся на кухне. Таким образом, Множество «Члены семьи на кухне» будет равно множеству «Члены семьи в квартире».
Если два множества - А и B - состоят из одинакового набора элементов, то они будут равны, то есть А = B. Элементы множеств могут перечисляться в любой последовательности, на результат это никак не влияет. Множество {a, b, c} можно с тем же успехом записать, как {a, c, b}, или {с, b, a}, или {b, c, a}.
Подмножества и надмножества.
Если множества А и B состоят из одинаковых элементов {a, b, c}, то А будет считаться подмножеством B, а B - надмножеством А. Записывается это следующим образом:
A ⊆ B, B ⊇ A.
Бывает так, что множество В содержит в себе каждый из элементов множества А, но в то же время в нем присутствуют и другие элементы, множеству А не принадлежащие. В этом случае множество В становится собственным надмножеством А, в то время как множество А становится собственным подмножеством В.
Иначе говоря, если А ⊆ В, но при этом А ≠ В, то А ⊂ В, В ⊃ А.
