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集合论

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)

关系

什么是关系?

关系(Relation)是两个集合之间的对应关系。

定义

集合 AABB 之间的二元关系 RRA×BA \times B 的子集:

RA×BR \subseteq A \times B

如果 (a,b)R(a, b) \in R,则称 aabb 有关系 RR,记作 aRbaRb

例子

例子A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\}B={2,4,6}B = \{2, 4, 6\}

关系 R={(1,2),(2,4),(3,6)}R = \{(1, 2), (2, 4), (3, 6)\} 表示"aa 的一半等于 bb"。

关系的性质

自反性

如果对于所有 aAa \in A,都有 (a,a)R(a, a) \in R,则关系 RR自反的(Reflexive)。

对称性

如果对于所有 (a,b)R(a, b) \in R,都有 (b,a)R(b, a) \in R,则关系 RR对称的(Symmetric)。

传递性

如果对于所有 (a,b)R(a, b) \in R(b,c)R(b, c) \in R,都有 (a,c)R(a, c) \in R,则关系 RR传递的(Transitive)。

反对称性

如果对于所有 (a,b)R(a, b) \in R(b,a)R(b, a) \in R,都有 a=ba = b,则关系 RR反对称的(Antisymmetric)。

等价关系

如果关系 RR 是自反、对称、传递的,则称 RR等价关系(Equivalence Relation)。

例子:整数集合上的"模 nn 同余"关系是等价关系。

偏序关系

如果关系 RR 是自反、反对称、传递的,则称 RR偏序关系(Partial Order)。

例子:集合上的"子集"关系是偏序关系。

函数

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。

定义

从集合 AA 到集合 BB函数 ff 是一个关系,满足:

  1. 对于每个 aAa \in A,存在 bBb \in B,使得 (a,b)f(a, b) \in f
  2. 如果 (a,b1)f(a, b_1) \in f(a,b2)f(a, b_2) \in f,则 b1=b2b_1 = b_2

记作 f:ABf: A \to B

函数的性质

单射(一对一)

如果对于所有 a1,a2Aa_1, a_2 \in Af(a1)=f(a2)f(a_1) = f(a_2) 蕴含 a1=a2a_1 = a_2,则函数 ff单射(Injective)。

满射(映上)

如果对于每个 bBb \in B,存在 aAa \in A,使得 f(a)=bf(a) = b,则函数 ff满射(Surjective)。

双射(一一对应)

如果函数 ff 既是单射又是满射,则称 ff双射(Bijective)。

复合函数

如果 f:ABf: A \to Bg:BCg: B \to C,则复合函数 gf:ACg \circ f: A \to C 定义为:

(gf)(a)=g(f(a))(g \circ f)(a) = g(f(a))

逆函数

如果 f:ABf: A \to B 是双射,则存在逆函数 f1:BAf^{-1}: B \to A,满足:

f1(f(a))=af(f1(b))=bf^{-1}(f(a)) = a \quad \text{且} \quad f(f^{-1}(b)) = b

基数

有限集合的基数

有限集合 AA基数(Cardinality)是 AA 中元素的个数,记作 A|A|

无限集合的基数

可数无限

如果集合 AA 与自然数集合 N\mathbb{N} 之间存在双射,则称 AA可数无限(Countably Infinite),记作 A=0|A| = \aleph_0

例子:整数集合 Z\mathbb{Z}、有理数集合 Q\mathbb{Q} 都是可数无限的。

不可数无限

如果集合 AA 是无限的但不是可数的,则称 AA不可数无限(Uncountably Infinite)。

例子:实数集合 R\mathbb{R} 是不可数无限的,R=c|\mathbb{R}| = \mathfrak{c}

基数比较

等势

如果两个集合之间存在双射,则称它们等势(Equipotent),记作 A=B|A| = |B|

基数大小

如果存在从 AABB 的单射,则 AB|A| \le |B|

如果 AB|A| \le |B|AB|A| \neq |B|,则 A<B|A| < |B|

康托尔定理

对于任何集合 AA,都有 A<P(A)|A| < |\mathcal{P}(A)|,其中 P(A)\mathcal{P}(A)AA 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。

应用

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

数学

  • 📐 数学基础:数学的基础理论
  • 🔢 抽象代数:群、环、域
  • 📊 拓扑学:拓扑空间

常见错误

错误 1:关系和函数混淆

  • 关系:一个输入可以对应多个输出
  • 函数:一个输入只能对应一个输出

错误 2:基数比较错误

要正确比较无限集合的基数。

错误 3:选择公理使用错误

要正确理解和使用选择公理。

小练习

  1. 判断关系 R={(a,b)a,bZ,a<b}R = \{(a, b) | a, b \in \mathbb{Z}, a < b\} 是否具有自反性、对称性、传递性
  2. 判断函数 f(x)=x2f(x) = x^2 是否是单射、满射、双射
  3. 证明整数集合是可数无限的
  4. 应用题:在数据库中,如何用关系表示表之间的关联?

💡 小贴士:集合论是数学的基础。记住:函数是特殊的关系(每个输入对应唯一输出),等价关系是自反、对称、传递的关系。掌握集合论,你就能理解数学的各个分支!