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集合运算

集合运算是组合集合、分析集合关系的基本操作。掌握集合运算,你就能处理复杂的集合问题!

什么是集合运算?

集合运算是对集合进行组合和变换的操作,通过运算得到新的集合。

基本集合运算

1. 并集(Union)

符号\cup

定义AB={xxA 或 xB}A \cup B = \{x | x \in A \text{ 或 } x \in B\}

含义:包含 AABB 中所有元素的集合

文氏图:两个圆圈的重叠部分和未重叠部分

例子

  • A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\}, B={3,4,5}B = \{3, 4, 5\}
  • AB={1,2,3,4,5}A \cup B = \{1, 2, 3, 4, 5\}(注意:3 只出现一次)

2. 交集(Intersection)

符号\cap

定义AB={xxA 且 xB}A \cap B = \{x | x \in A \text{ 且 } x \in B\}

含义:包含同时属于 AABB 的元素的集合

文氏图:两个圆圈的重叠部分

例子

  • A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\}, B={3,4,5}B = \{3, 4, 5\}
  • AB={3}A \cap B = \{3\}(只有 3 同时属于两个集合)

3. 补集(Complement)

符号AcA^cA\overline{A}

定义Ac={xxA}A^c = \{x | x \notin A\}(在全集 UU 中)

含义:包含不属于 AA 的所有元素的集合

文氏图:全集 UU 中圆圈 AA 外面的部分

注意:补集是相对于全集 UU 而言的。

例子

  • 全集 U={1,2,3,4,5}U = \{1, 2, 3, 4, 5\}, A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\}
  • Ac={4,5}A^c = \{4, 5\}(属于 UU 但不属于 AA 的元素)

4. 差集(Difference)

符号ABA - BABA \setminus B

定义AB={xxA 且 xB}A - B = \{x | x \in A \text{ 且 } x \notin B\}

含义:包含属于 AA 但不属于 BB 的元素的集合

文氏图AA 的圆圈中不在 BB 圆圈内的部分

例子

  • A={1,2,3,4}A = \{1, 2, 3, 4\}, B={3,4,5}B = \{3, 4, 5\}
  • AB={1,2}A - B = \{1, 2\}(属于 AA 但不属于 BB 的元素)

注意ABBAA - B \neq B - A(差集不满足交换律)

集合运算的性质

交换律

  • AB=BAA \cup B = B \cup A
  • AB=BAA \cap B = B \cap A

结合律

  • (AB)C=A(BC)(A \cup B) \cup C = A \cup (B \cup C)
  • (AB)C=A(BC)(A \cap B) \cap C = A \cap (B \cap C)

分配律

  • A(BC)=(AB)(AC)A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C)
  • A(BC)=(AB)(AC)A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)

德·摩根定律

  • (AB)c=AcBc(A \cup B)^c = A^c \cap B^c
  • (AB)c=AcBc(A \cap B)^c = A^c \cup B^c

记忆:补集的并集等于交集的补集,补集的交集等于并集的补集

吸收律

  • A(AB)=AA \cup (A \cap B) = A
  • A(AB)=AA \cap (A \cup B) = A

恒等律

  • A=AA \cup \emptyset = A
  • AU=AA \cap U = AUU 是全集)
  • AU=UA \cup U = U
  • A=A \cap \emptyset = \emptyset

补集的性质

  • AAc=UA \cup A^c = U
  • AAc=A \cap A^c = \emptyset
  • (Ac)c=A(A^c)^c = A(双重补集等于原集合)

集合运算的优先级

优先级(从高到低)

  1. 补集 AcA^c
  2. 交集 \cap
  3. 并集 \cup
  4. 差集 -\setminus

例子

  • ABCA \cup B \cap C 表示 A(BC)A \cup (B \cap C),不是 (AB)C(A \cup B) \cap C
  • AcBA^c \cap B 表示 (Ac)B(A^c) \cap B,不是 (AB)c(A \cap B)^c

文氏图(Venn 图)

什么是文氏图?

文氏图是用图形表示集合和集合运算的方法。

基本图形

  • 用圆圈或椭圆表示集合
  • 重叠部分表示交集
  • 整个区域表示并集

例子

例子 1ABA \cup B

    A     B
┌───┐ ┌───┐
│ │ │ │
└───┘ └───┘

并集 = A 和 B 的所有部分

例子 2ABA \cap B

    A     B
┌───┐ ┌───┐
│ │ │ │
└───┘ └───┘

交集 = 重叠部分

例子 3ABA - B

    A     B
┌───┐ ┌───┐
│ │ │ │
└───┘ └───┘

差集 = A 中不在 B 中的部分

生活中的应用

数据分析

  • 📊 数据筛选:用交集找出同时满足多个条件的数据
  • 📈 数据合并:用并集合并多个数据集

数据库查询

  • 💾 SQL查询SELECT * FROM table1 UNION SELECT * FROM table2
  • 🔍 条件查询:用交集和并集组合查询条件

概率论

  • 🎲 事件:事件可以看作集合
  • 📊 概率计算:用集合运算计算概率

常见错误

错误 1:混淆并集和交集

  • 并集:所有元素("或"的关系)
  • 交集:共同元素("且"的关系)

错误 2:补集没有指定全集

补集是相对于全集而言的,必须明确全集是什么。

错误 3:差集和补集混淆

  • 差集ABA - B(相对于 BB
  • 补集AcA^c(相对于全集 UU

小练习

  1. 如果 A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\}, B={3,4,5}B = \{3, 4, 5\},求 ABA \cup BABA \cap B
  2. 如果全集 U={1,2,3,4,5}U = \{1, 2, 3, 4, 5\}, A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\},求 AcA^c
  3. 如果 A={1,2,3,4}A = \{1, 2, 3, 4\}, B={3,4,5}B = \{3, 4, 5\},求 ABA - BBAB - A
  4. 用文氏图表示 (AB)c=AcBc(A \cup B)^c = A^c \cap B^c

💡 小贴士:集合运算是组合集合的工具。画文氏图能帮你直观理解集合运算。记住德·摩根定律:补集的并集等于交集的补集!