集合,是一种特殊的数学概念。顾名思义,通过“集合”两字,我们能明白其指代具备相似特征的个体的全部。例如世界所有的男性,一个班级中在运动会上选择田径的学生。那当我们将集合化为数学语言后,它具备什么样的性质呢?
以例子来阐述,比如众所周知的自然数集合,包括正整数和零。在我们表示集合时,是否必须按照从大到小的顺序排列呢?其实不需要。我用3、1、2、0的顺序同样可以表示一部分自然数集合。由此可得,集合中的元素具备无序性。正整数与零所包含的所有数值都是确定无疑的,1就是1,2就是2,不存在不确定参数。所以,我们能够得出集合中的元素具备确定性。那么能否有两个元素相同呢?事实证明这是不行的。如果存在两个1,那么其中一个1是无意义的。所以,元素之间有互异性,元素不能重复。这便是集合中元素所具备的性质。
那么我们该如何表示集合呢?一共有四种方法。第一种我们可以将集合中的所有元素直接列举出来,比如同属于质数和偶数的数为2,将2利用大括号括起来,就是集合的意思。第二种,在元素过多无法列举的情况下,我们可以取一个范围表示这个集合所包含的元素,比如大于一小于二的实数,可以表示为(xl1<x<2)。第三种,我们可以用文字语言来表示一个集合中所包含的元素,在论文开头,我便提到过,例如一所学校的女生,出生于城市的学生等。
注:到了高中,符号语言逐渐会常态化,我们要学会利用符号语言表达一个元素属于某个集合。这个符号便是∈。我们可以说1∈R(R是实数)。那么如果元素不属于某个集合呢?很简单,只要画上一条/就可以,如∉。
其次就是集合之间的关系了。我们在初中其实已经有了大致的了解。在学习四边形的篇章中,正方形时最小的集合,而四边形是最大的集合。所以,我们可以说正方形包含于四边形,也就是集合A包含于集合B。同样,反过来的集合B包含集合A也是可以的。包含于的符号是⊆。可以表示为A⊆B。这时候我们就可以称A是B的子集。在平行四边形集合中,长方形与菱形共同包含一种图形~正方形。如果我要用长方形(A)与菱形(B)来表示正方形(C),就可以说C=A∩B,汉语中就是“C是A与B的交集”。集合C中的元素既属于A也属于B,这便是交集。那么集合间还有什么关系?从有理数(X)中,可得整数(Y)与分数(Z)共同组成了有理数整体,那么有理数是的整数与分数的什么?是的,有理数是的整数与分数的并集,可表示为X=Y∪Z。并集中的两个集合可以没有交集,也可以有。比如有理数和正有理数的并集为有理数。当然,如果我们抛出有理数因素,直接来探究整数和分数在集合上的关系,可以得出两者没有任何的关联性。也就是说,没有一个元素同时属于Y集合与Z集合。表示方法也很简单,Y≠Z。如此一来,两者的交集没有任何元素,于是,我们便可以称,两者的交集是空集。空集是任何集合的子集,不包括任何元素。
上述就是集合之间的关系。但是说到包含,我还想到一个问题:完全相同的两个集合,难道不是互相的子集吗?没错,自然数的子集也包括自然数本身,只有正整数才是自然数真正的子集。所以我们会称正整数是自然数的真子集,符号为⫋。那么如果我要利用自然数和正整数表示零呢?可以确定正整数和零共同组成的自然数,而当正整数集合中添加上零这个集合就变成了自然数。于是,我们可以称零是正整数(A)在自然数(U)中的补集,为CuA。这个符号看似复杂,其实我们在利用的时候完全不需要看前面的C,只需要想象“集合U中没有集合A的元素,剩余的集合由中的元素组成的集合”就可以了。
≠∈∉⊆⫋∩∪
接下来便是常用的逻辑用语。
我们在初中学习过很多图形的证明。如果能由一个条件p推出另一个结论q,我们可以描述p是q的充分条件。大家一定会想,我能不能由结论q推出条件p呢?答案当然是有时可以有时不可以。比如说所有的等边三角形都是等腰三角形,但不是所有的等腰三角形三条边都相等。所以在这个情况下,我们可以说q是p的必要条件。综上所述,p是q的充分不必要条件,q是p的必要不充分条件。通过两者的关系,我们可以猜想p所代表的集合一定真包含于q所代表的集合。
但是凡事都有例外,一定存在命题和逆命题可以互推的条件,比如符合勾股定理的三角形(p)一定是直角三角形(q),而直角三角形一定符合勾股定理。如此,我们便可以称p是q的充要条件。我们同样可以猜想,两者分别所代表的集合中的元素是完全相同的。当然也存在两个条件毫无关系的情况,比如a≠0,然后b>0。如此,我们便可以称p是q的既不充分也不必要条件。我们又可以猜想,两者分别所代表的集合中的元素毫无关系,也就是两者的交集是空集。
随后的逻辑用语是存在量词和全称量词。非常好理解,“全称”的意思就是所有的、全部的、任意一个的。一般在数学语言中,我们会使用“任意一个”来表示命题,比如“任意一个正整数都大于零”。而存在量词就是“存在一个”。例如,存在一个偶数是质数,为2。
那么两者有什么关系呢?一般来说,存在量词可以用来反驳全称量词。比如我说,所有的天鹅都是黑色的。但只要有一个人说存在一个天鹅是白色,就可以立马驳斥我的观点。没错,存在量词可以证伪。这种论证在生活中非常常见。
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