北大离散数学.pptx

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1、2023/4/141集合论集合论(set theory)十九世纪数学最伟大成就之一集合论体系朴素(naive)集合论公理(axiomatic)集合论创始人康托(Cantor)Georg Ferdinand Philip Cantor 1845 1918德国数学家,集合论创始人.第1页/共47页2023/4/142 什么是集合什么是集合(set)集合：不能精确定义。一些对象的整体就构成集合，这些对象称为元素(element)或成员(member)用大写英文字母A,B,C,表示集合用小写英文字母a,b,c,表示元素aA：表示a是A的元素，读作“a属于A”aA：表示a不是A的元素，读作“a不属于A”

2、第2页/共47页2023/4/143集合的表示集合的表示列举法描述法特征函数法第3页/共47页2023/4/144列举法列举法(roster)列出集合中的全体元素，元素之间用逗号分开，然后用花括号括起来，例如A=a,b,c,d,x,y,z B=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9集合中的元素不规定顺序C=2,1=1,2集合中的元素各不相同(多重集除外)C=2,1,1,2=2,1第4页/共47页2023/4/145多重集多重集(multiple set)多重集:允许元素多次重复出现的集合元素的重复度:元素的出现次数(0).例如:设A=a,a,b,b,c是多重集 元素a,b的重复度是2 元素c的

3、重复度是1 元素d的重复度是0第5页/共47页2023/4/146描述法描述法(defining predicate)用谓词P(x)表示x具有性质P，用x|P(x)表示具有性质 P 的集合，例如P1(x):x是英文字母A=x|P1(x)=x|x是英文字母=a,b,c,d,x,y,z P2(x):x是十进制数字B=x|P2(x)=x|x是十进制数字=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9第6页/共47页2023/4/147描述法（续）描述法（续）两种表示法可以互相转化，例如E=2,4,6,8,=x|x0且x是偶数=x|x=2(k+1)，k为非负整数=2(k+1)|k为非负整数 有些书在描述法中用

4、:代替|,例如2(k+1):k为非负整数第7页/共47页2023/4/148特征函数法特征函数法(characteristic function)集合A的特征函数是A(x):1，若xA A(x)=0，若xA 对多重集,A(x)=x在A中的重复度第8页/共47页2023/4/149常用的数集合常用的数集合N：自然数(natural numbers)集合N=0,1,2,3,Z：整数(integers)集合Z=0,1,2,=,-2,-1,0,1,2,Q：有理数(rational numbers)集合R：实数(real numbers)集合C：复数(complex numbers)集合第9页/共47页

5、2023/4/1410集合之间的关系集合之间的关系子集、相等、真子集 空集、全集幂集、n元集、有限集集族第10页/共47页2023/4/1411子集子集(subset)B包含于A,A包含B:BA x(xBxA)B不是A的子集:BA x(xBxA)x(xBxA)x(xBxA)x(xBxA)x(xBxA)第11页/共47页2023/4/1412相等相等(equal)相等:A=B AB BA x(xAxB)A=B ABBA (=定义)x(xAxB)x(xBxA)(定义)x(xAxB)(xBxA)(量词分配)x(xAxB)(等值式)第12页/共47页2023/4/1413包含包含()的性质的性质AA

6、证明:AAx(xAxA)1若AB,且AB,则 BA 证明:AB (A=B)(ABBA)(定义)(AB)(BA)(德摩根律)AB(已知)BA(即BA)(析取三段论)#第13页/共47页2023/4/1414包含包含()的性质的性质(续续)若AB,且BC,则AC证明:AB x(xAxB)x,xA xB (AB)xC (BC)x(xAxC),即AC.#第14页/共47页2023/4/1415真子集真子集(proper subset)真子集:B真包含A:AB AB AB AB (AB AB)(定义)(AB)(A=B)(德摩根律)x(xAxB)(A=B)(定义)第15页/共47页2023/4/1416真

7、包含真包含()的性质的性质AA 证明:A A AA AA 10 0.#若AB,则 BA 证明:(反证)设BA,则 AB AB AB AB (化简)BA BA BA BA 所以 AB BA A=B(=定义)但是 AB AB AB AB(化简)矛盾!#第16页/共47页2023/4/1417真包含真包含()的性质的性质(续续)若AB,且BC,则AC证明:AB AB AB AB (化简),同理 BC BC,所以AC.假设A=C,则BCBA,又AB,故A=B,此与AB矛盾,所以AC.所以,AC.#第17页/共47页2023/4/1418空集空集(empty set)空集:没有任何元素的集合是空集,记作

8、例如,xR|x2+1=0定理1:对任意集合A,A 证明:Ax(xxA)x(0 xA)1.#推论:空集是唯一的.证明:设1与2都是空集,则 12 21 1=2.#第18页/共47页2023/4/1419全集全集全集:如果限定所讨论的集合都是某个集合的子集,则称这个集合是全集,记作E全集是相对的,视情况而定,因此不唯一.例如,讨论(a,b)区间里的实数性质时,可以选E=(a,b),E=a,b),E=(a,b,E=a,b,E=(a,+),E=(-,+)等第19页/共47页2023/4/1420幂集幂集(power set)幂集:A的全体子集组成的集合,称为A的幂集,记作P(A)P(A)=x|xA注意

9、:xP(A)xA例子:A=a,b,P(A)=,a,b,a,b.#第20页/共47页2023/4/1421n元集元集(n-set)n元集:含有n个元素的集合称为n元集0元集:1元集(或单元集),如a,b,|A|:表示集合A中的元素个数,A是n元集|A|=n有限集(fimite set):|A|是有限数,|A|0,Aa=0,a),Aa|aR+的指标集是R+0a第24页/共47页2023/4/1425集合之间的运算集合之间的运算并集、交集相对补集、对称差、绝对补广义并集、广义交集第25页/共47页2023/4/1426并集并集(union)并集:AB=x|(xA)(xB)xAB (xA)(xB)初级

10、并:第26页/共47页2023/4/1427并集并集(举例举例)例1:设An=xR|n-1xn,n=1,2,10,则例2:设An=xR|0 x1/n,n=1,2,则第27页/共47页2023/4/1428交集交集(intersection)交集:AB=x|(xA)(xB)xAB (xA)(xB)初级交:第28页/共47页2023/4/1429交集交集(举例举例)例1:设An=xR|n-1xn,n=1,2,10,则例2:设An=xR|0 x1/n,n=1,2,则第29页/共47页2023/4/1430不相交不相交(disjoint)不相交:AB=互不相交:设A1,A2,是可数多个集合,若对于任意

11、的ij,都有AiAj=,则说它们互不相交例:设 An=xR|n-1xn,n=1,2,10,则 A1,A2,是不相交的第30页/共47页2023/4/1431相对补集相对补集(set difference)相对补集:属于A而不属于B的全体元素,称为B对A的相对补集,记作A-BA-B=x|(xA)(xB)A-BAB第31页/共47页2023/4/1432对称差对称差(symmetric difference)对称差:属于A而不属于B,或属于B而不属于A的全体元素,称为A与B的对称差,记作ABAB=x|(xAxB)(xAxB)AB=(A-B)(B-A)=(AB)-(AB)ABAB第32页/共47页2

12、023/4/1433绝对补绝对补(complement)绝对补:A=E-A,E是全集,AEA=x|(xExA)A=xE|xA)AA第33页/共47页2023/4/1434相对补、对称差、补相对补、对称差、补(举例举例)例:设A=xR|0 x2,B=xR|1x3,则 A-B=xR|0 x1=0,1)B-A=xR|2x3=2,3)AB=xR|(0 x1)(2x3)=0,1)2,3)第34页/共47页2023/4/1435广义并集广义并集(big union)广义并:设A是集族,A中所有集合的元素的全体,称为A的广义并,记作A.A=x|z(xzzA 当A是以S为指标集的集族时A=A|S=A S例:设

13、 A=a,b,c,d,d,e,f,则 A=a,b,c,d,e,f第35页/共47页2023/4/1436广义交集广义交集(big intersection)广义交:设A是集族,A中所有集合的公共元素的全体,称为A的广义交,记作 A.A=x|z(zAxz)当A是以S为指标集的集族时 A=A|S=A S例:设 A=1,2,3,1,a,b,1,6,7,则 A=1第36页/共47页2023/4/1437广义交、广义并广义交、广义并(举例举例)设 A1=a,b,c,d,A2=a,b,A3=a,A4=,A5=a(a),A6=,则A1=abc,d,A1=a b c,d,A2=a,b,A2=a,b,A3=a,

14、A3=aA4=,A4=,A5=a,A5=aA6=,A6=E第37页/共47页2023/4/1438文氏图文氏图(Venn diagram)文氏图:平面上的n个圆(或椭圆),使得任何可能的相交部分,都是非空的和连通的John Venn,18341923例:第38页/共47页2023/4/1439文氏图文氏图(应用应用)文氏图可表示集合运算(结果用阴影表示)ABABA-BABAAAAAAABBBBBAB=第39页/共47页2023/4/1440容斥原理容斥原理(principle of inclusion/exclusion)容斥原理(或包含排斥原理)第40页/共47页2023/4/1441容斥原

15、理容斥原理(证明证明)n=2时的情况:|AB|=|A|+|B|-|AB|归纳证明:以n=3为例:|AB C|=|(AB)C|=|AB|+|C|-|(AB)C|=|A|+|B|-|AB|+|C|-|(AC)(BC)|=|A|+|B|-|AB|+|C|-(|AC|+|BC|-|(AC)(BC)|)=|A|+|B|+|C|-|AB|-|AC|-|BC|+|ABC|ABBCA第41页/共47页2023/4/1442容斥原理容斥原理(举例举例)例1:在1到10000之间既不是某个整数的平方,也不是某个整数的立方的数有多少?解:设 E=xN|1x10000,|E|=10000 A=xE|x=k2kZ,|A

16、|=100 B=xE|x=k3kZ,|B|=21 则|(AB)|=|E|-|AB|=|E|-(|A|+|B|-|AB|)=10000-100-21+4=9883 注意 AB=xE|x=k6kZ,|AB|=4.#第42页/共47页2023/4/1443容斥原理容斥原理(举例、续举例、续)例2:在24名科技人员中,会说英,日,德,法语的人数分别为13,5,10,和9,其中同时会说英语,德语,或同时会说英语,法语,或同时会说德语,法语两种语言的人数均为4.会说日语的人既不会说法语也不会说德语.试求只会说一种语言的人数各为多少?又同时会说英,德,法语的人数有多少?解:设E=x|x是24名科技人员之一,

17、|E|=24 A=xE|x会说英语,B=xE|x会说日语,C=xE|x会说德语 D=xE|x会说法语,第43页/共47页2023/4/1444容斥原理容斥原理(举例、续举例、续)解(续):设所求人数分别为x1,x2,x3,x4,x(如图),A=xE|x会说英语,|A|=13 B=xE|x会说日语,|B|=5 C=xE|x会说德语,|C|=10 D=xE|x会说法语,|D|=9 首先,x2=|B|-|AB|=5-2=3,其次,对A,C,D用容斥原理,注意|E|=24:24-3=21=13+10+9-4-4-4+x=20+x,得x=1,最后,x1=|A|-|AB|-3-3-1=13-2-7=4,同理 x3=10-3-3-1=3,x4=9-3-3-1=2.#DCBAXX1X2X3X44-X4-X4-X2第44页/共47页2023/4/1445总结总结集合概念:,E,集合运算:,-,P()文氏图容斥原理第45页/共47页2023/4/1446习题习题(#1)p25,习题一,3,7,10,16 第46页/共47页2023/4/14集合论与图论第3讲47感谢您的观看！第47页/共47页