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集合 (数学)

具有某种特定性质的事物的总体
一个包含很多多边形的集合

集合(英語:Set,或簡稱)是基本的数学概念,它是集合论的研究对象,指具有某种特定性质的事物的总体,(在最原始的集合論─樸素集合論─中的定義,集合就是“一堆東西”。)集合裡的事物(“东西”),叫作元素。若然是集合的元素,記作

集合是现代数学中一个重要的基本概念,而集合论的基本理论是在十九世纪末被创立的。这里对被数学家们称为“直观的”或“朴素的”集合论进行一个简短而基本的介绍 ,另外可參见朴素集合论;關於对集合作公理化的理論,可见公理化集合论

导言编辑

定义编辑

简单来说,所谓的一个集合,就是将数个对象归类而分成为一个或数个形态各异的大小整体。 一般来讲,集合是具有某种特性的事物的整体,或是一些确认对象的汇集。构成集合的事物或对象称作元素或是成员。集合的元素可以是任何事物,可以是人,可以是物,也可以是字母或数字等。

在數學交流當中為了方便,集合會有一些別名。比如:

  • 族、系 通常指它的元素也是一些集合。

符号编辑

元素通常用 等小写字母來表示;而集合通常用 等大寫字母來表示。

當元素 属于集合 時,记作 

当元素 不属于集合 时,记作 

如果 两个集合所包含的元素完全一样,则二者相等,写作 

集合的特性编辑

无序性:一个集合中,每个元素的地位都是相同的,元素之间是无序的。

  • 集合上可以定义序关系,定义了序关系后,元素之间就可以按照序关系排序。但就集合本身的特性而言,元素之间没有必然的序。(参见序理论

互异性:一个集合中,任何两个元素都认为是不相同的,即每个元素只能出现一次。

  • 有时需要对同一元素出现多次的情形进行刻画,可以使用多重集,其中的元素允许出现多次。

确定性:给定一个集合,任给一个元素,该元素或者属于或者不属于该集合,二者必居其一,不允许有模棱两可的情况出现。

集合的表示编辑

  • 集合可以用文字或数学符号描述,称为描述法,比如:
 大于零的前三个自然数
 光的三原色和白色
  • 集合的另一种表示方法是在大括号中列出其元素,称为列举法,比如:
 
 红色 蓝色 绿色 白色 

尽管两个集合有不同的表示,它们仍可能是相同的。比如:上述集合中,  ,因为它们正好有相同的元素。

元素列出的顺序不同,或者元素列表中有重复,都没有关系。比如:这三个集合   是相同的,同样因为它们有相同的元素。

  • 集合在不严格的意义下也可以通过草图来表示,更多信息,请见文氏图

集合间的关系编辑

子集与包含关系编辑

 
B的子集A

定义编辑

集合  ,若 ,有 。则称  子集,亦称 包含于 ,或 包含 ,记作 

 ,且 ,则称  真子集,亦称 真包含于 ,或 真包含 ,记作 

基本性质编辑

  • 包含关系“ ”是集合间的一个非严格偏序关系,因为它有如下性质:
    • 自反性 集合  ;(任何集合都是其本身的子集)
    • 反对称性  ;(这是证明两集合相等的常用手段之一)
    • 传递性  
  • 真包含关系“ ”是集合间的一个严格偏序关系,因为它有如下性质:
    • 反自反性 集合  都不成立;
    • 非对称性 不成立;反之亦然;
    • 传递性  
  • 显然,包含关系,真包含关系定义了集合间的偏序关系。而 是这个偏序关系的最小元素,即: 集合  ;且若 ,则 ,(空集是任何集合的子集,是任何非空集合的真子集)

举例编辑

  • 所有男人的集合是所有人的集合的真子集
  • 所有自然数的集合是所有整数的集合的真子集
  •  
  •  

集合的运算编辑

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两个集合可以相"加"。  聯集是将  的元素放到一起构成的新集合。

定义编辑

给定集合  ,定义运算 如下:   称为  聯集

 
A 和 B 的聯集

示例编辑

  •  红色 白色 红色 白色 
  •  绿色 红色 白色 绿色 红色 白色 绿色 
  •  

基本性质编辑

作为集合间的二元运算, 运算具有以下性质。

  • 交换律 
  • 结合律 
  • 幂等律 
  • 幺元 集合  ;(  运算的幺元)。

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一个新的集合也可以通过两个集合"共"有的元素来构造。  交集,写作 ,是既属于 的、又属于 的所有元素组成的集合。

 ,则  称作不相交

 
A 和 B 的交集

定义编辑

给定集合  ,定义运算 如下:   称为  交集

基本性质编辑

作为集合间的二元运算, 运算具有以下性质。

  • 交换律 
  • 结合律 
  • 幂等律 
  • 空集合 集合  ;(  运算的空集合)。

其它性质还有:

  •  

示例编辑

  •  红色 白色 
  •  绿色 红色 白色 绿色 绿色 
  •  

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两个集合也可以相"减"。  中的相对补集,国际上通常写作  ,中文教材中有时也会写作 。表示属于 的、但不属于 的所有元素组成的集合。

在特定情况下,所讨论的所有集合是一个给定的全集 的子集。这样,  称作 绝对补集,或简称补集(餘集),写作  

 
相对补集 A - B

补集可以看作两个集合相减,有时也称作差集

定义编辑

给定集合  ,定义运算-如下:   称为 对于 差集相对补集相对餘集

在上下文确定了全集 时,对于 的某个子集 ,一般称  (对于 )的补集余集,通常记为  ,也有记为 ,  ,  ,以及 的。

基本性质编辑

作为集合间的二元运算,- 运算有如下基本性质:

  •  
  • 幺元 集合  ;(  运算的右幺元)。
  • 零元英语Zero element 集合  ;(  运算的左零元)。

示例编辑

  •  红色 白色 
  •  绿色 红色 白色 绿色 
  •  
  •  是整数集,则奇数的补集是偶数

對稱差编辑

定义编辑

给定集合  ,定义对称差运算 如下: 

基本性质编辑

作为集合间的二元运算, 运算具有如下基本性质:

  • 交换律 
  • 结合律 
  • 幺元 集合  ;(  运算的幺元)。
  • 逆元 

运算性质编辑

集合的运算除了以上情况之外,集合间还具有以下运算性质:

 
 
 
 

集合的元素个数编辑

上述每一个集合都有确定的元素个数;比如:集合 A 有三个元素、而集合 B 有四个。一个集合中元素的数目称为该集合的基数數學寫法有很多種,不同作者及不同書本用不同的寫法:  

集合可以没有元素。这样的集合叫做空集,用   或符号 表示。比如:在2004年,集合 是所有住在月球上的人,它没有元素,则 。在数学上,空集非常重要。更多信息请看空集

如果集合只含有限个元素,那么这个集合可以称为有限集合

集合也可以有无穷多个元素,這樣的集合称为无限集合。比如:自然数集便是无限集合。关于无穷大和集合的大小的更多信息请见集合的

公理化集合论编辑

若把集合看作“符合任意特定性質的一堆東西”,會得出所謂罗素悖论。为解决罗素悖论,數學家提出公理化集合论。在公理集合论中,集合是一个不加定义的概念。

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在更深層的公理化数学中,集合仅仅是一种特殊的,是“良性类”,是能够成为其它类的元素的类。

类区分为两种:一种是可以顺利进行类运算的“良性类”,我们把这种“良性类”称为集合;另一种是要限制运算的“本性类”,对于本性类,类运算并不是都能进行的。

定义 类A如果满足条件“ ”,则称类A为一个集合(简称为),记为 。否则称为本性类

这说明,一个集合可以作为其它类的元素,但一个本性类却不能成为其它类的元素。因此可以理解为“本性类是最高层次的类”。

参考文献编辑

参见编辑