集合论是数学的基础!在《逻辑与集合》章节中,我们已经介绍了集合的基础知识。这里我们将深入探讨集合论的更多内容。
回顾:集合基础
在《逻辑与集合》章节中,我们已经学习了:
- 集合的定义和表示方法
- 集合的运算(并、交、补、差)
- 子集、 真子集、幂集
- 集合的基数(元素个数)
什么是关系?
关系(Relation)是两个集合之间的对应关系。
集合 A 和 B 之间的二元关系 R 是 A×B 的子集:
R⊆A×B
如果 (a,b)∈R,则称 a 与 b 有关系 R,记作 aRb。
例子:A={1,2,3},B={2,4,6}
关系 R={(1,2),(2,4),(3,6)} 表示"a 的一半等于 b"。
关系的性质
自反性
如果对于所有 a∈A,都有 (a,a)∈R,则关系 R 是自反的(Reflexive)。
对称性
如果对于所有 (a,b)∈R,都有 (b,a)∈R,则关系 R 是对称的(Symmetric)。
传递性
如果对于所有 (a,b)∈R 和 (b,c)∈R,都有 (a,c)∈R,则关系 R 是传递的(Transitive)。
反对称性
如果对于所有 (a,b)∈R 和 (b,a)∈R,都有 a=b,则关系 R 是反对称的(Antisymmetric)。
等价关系
如果关系 R 是自反、对称、传递的,则称 R 是等价关系(Equivalence Relation)。
例子:整数集合上的"模 n 同余"关系是等价关系。
偏序关系
如果关系 R 是自反、反对称、传递的,则称 R 是偏序关系(Partial Order)。
例子:集合上的"子集"关系是偏序关系。
什么是函数?
函数(Function)是一种特殊的关系,每个输入对应唯一的输出。
从集合 A 到集合 B 的函数 f 是一个关系,满足:
- 对于每个 a∈A,存在 b∈B,使得 (a,b)∈f
- 如果 (a,b1)∈f 且 (a,b2)∈f,则 b1=b2
记作 f:A→B。
函数的性质
单射(一对一)
如果对于所有 a1,a2∈A,f(a1)=f(a2) 蕴含 a1=a2,则函数 f 是单射(Injective)。
满射(映上)
如果对于每个 b∈B,存在 a∈A,使得 f(a)=b,则函数 f 是满射(Surjective)。
双射(一一对应)
如果函数 f 既是单射又是满射,则称 f 是双射(Bijective)。
复合函数
如果 f:A→B 和 g:B→C,则复合函数 g∘f:A→C 定义为:
(g∘f)(a)=g(f(a))
逆函数
如果 f:A→B 是双射,则存在逆函数 f−1:B→A,满足:
f−1(f(a))=a且f(f−1(b))=b
有限集合的基数
有限集合 A 的基数(Cardinality)是 A 中元素的个数,记作 ∣A∣。
无限集合的基数
可数无限
如果集合 A 与自然数集合 N 之间存在双射,则称 A 是可数无限(Countably Infinite),记作 ∣A∣=ℵ0。
例子:整数集合 Z、有理数集合 Q 都是可数无限的。
不可数无限
如果集合 A 是无限的但不是可数的,则称 A 是不可数无限(Uncountably Infinite)。
例子:实数集合 R 是不可数无限的,∣R∣=c。
基数比较
如果两个集合之间存在双射,则称它们等势(Equipotent),记作 ∣A∣=∣B∣。
基数大小
如果存在从 A 到 B 的单射,则 ∣A∣≤∣B∣。
如果 ∣A∣≤∣B∣ 且 ∣A∣=∣B∣,则 ∣A∣<∣B∣。
康托尔定理
对于任何集合 A,都有 ∣A∣<∣P(A)∣,其中 P(A) 是 A 的幂集。
选择公理
选择公理
选择公理(Axiom of Choice)是集合论中的一个重要公理:
对于任何非空集合的集合,存在一个函数,从每个集合中选择一个元素。
选择公理在数学中有广泛应用,例如:
- 证明某些存在性定理
- 构造某些数学对象
- 证明某些等价性
集合论的应用
计算机科学
- 💻 数据结构:集合、映射、关系
- 🔢 数据库:关系数据库理论
- 🔐 形式化方法:形式化验证