本节对应原书 PDF 第 18–26 页。定义、定理、公式、例题及其原解答逐字取自原书;解释性文字为 AI 通俗化改写;标有「解读」的引用块为 AI 补充的额外直觉。
1.2.1 集合及其表示法
集合是全书最底层的概念,本节先交代它的来源与记号约定,再给出两种表示方法。
集合论分为两种体系,一种是朴素集合论体系,也即康托集合论体系. 在这个体系中,康托从抽象原则出发,概括出:满足某条性质的个体放在一起组成集合. 在这个系统中存在某种逻辑隐患,罗素悖论指出了这种逻辑隐患. 所谓悖论是自相矛盾的命题. 罗素悖论说:“设 R 是一切不属于自身的集合(即不含自身作为元素的集合)所组成的集合”. 在朴素集合论中这样定义的 R 是合法的. 现在问:R 是否属于 R?若 R 属于 R,即 R 是 R 的元素,根据 R 的定义,R 不属于自身,即 R 不属于 R,矛盾;反之,若 R 不属于 R,即 R 不属于自身,根据 R 的定义,R 是 R 的元素,即 R 属于 R,也矛盾. 因此,这是一个悖论. 为了消除这种逻辑隐患,产生了公理集合论体系. 公理集合论属于数理逻辑范畴.
本书所介绍的集合论内容属于朴素集合论范畴,我们不给集合下严格的定义,但这丝毫不影响对集合这一基本概念的理解,也不影响集合已经成为数学中最为基本的概念的事实.
人们常用大写英文字母 A, B, C, \cdots 表示集合,并用 x \in A 表示 x 是集合 A 中的元素,读作“x 属于 A”,而用 x \notin A 表示 x 不是 A 中的元素,读作“x 不属于 A”. 只有有限个元素的集合称作有穷集或有限集,有无限个元素的集合称作无穷集.
一般来说,集合有两种表示法:列举法和描述元素性质法.
列举法 列出集合中的元素,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\}
B = \{ 书,办公桌,门,黑板 \}
C = \{1, \sqrt{2}, -5\}
D = \{ 北京,地球,宇宙 \}
等,都是用列出集合中全体元素来表示的集合.
通常有穷集可以用列出其所有元素的方式来表示,有的无穷集也能用列举法表示. 如,E = \{1, 3, 5, 7, \cdots\} 是由所有奇数组成的集合. 这时要求通过列出的元素能够看出属于集合的元素的规律.
描述元素性质法 用 P(x) 表示 x 具有性质 P,用 \{x \mid P(x)\} 表示具有性质 P 的全体元素组成的集合. 例如,
A_1 = \{x \mid x 是英文字母 \}
A_2 = \{x \mid x 是偶素数 \}
A_3 = \{x \mid x 是自然数 \}
等,都是用描述集合中元素性质表示的集合.
关于集合及表示法应注意以下几点:
(1)集合中的元素各不相同. 例如,\{1, 2, 3, 4\},\{1, 1, 2, 3, 4\} 是相同的集合,它们都是含元素 1, 2, 3, 4 的集合,因而是一个集合,即 \{1, 2, 3, 4\} = \{1, 1, 2, 3, 4\}.
(2)集合中的元素不规定次序. 例如,\{a, b, c\} = \{b, c, a\}.
(3)同一个集合可以有多种不同的表示方法. 例如,
A_1 = \{x \mid x 是英文字母 \} = \{a, b, \cdots, y, z\}
A_2 = \{x \mid x 是偶素数 \} = \{2\}
A_3 = \{ 北京,地球,宇宙 \}
\quad = \{x \mid x 是北京 \vee x 是地球 \vee x 是宇宙 \}
可见,A_1, A_2, A_3 都可以用两种表示法表示,但 A_3 最好用列举法表示. 实数集等只能用描述法表示. 下面给出一些常用集合的表示法:
\mathbf{N} = \{x \mid x 为自然数 \} = \{0, 1, 2, \cdots\}
\mathbf{Z} = \{x \mid x 为整数 \} = \{\cdots, -2, -1, 0, 1, 2, \cdots\}
\mathbf{Z}^+ = \{x \mid x \in \mathbf{Z} \wedge x > 0\} = \{1, 2, 3, \cdots\}
\mathbf{Q} = \{x \mid x 为有理数 \}
\mathbf{Q}^* = \{x \mid x \in \mathbf{Q} \wedge x \neq 0\}
\mathbf{R} = \{x \mid x 为实数 \}
\mathbf{R}^* = \{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge x \neq 0\}
\mathbf{C} = \{x \mid x 为复数 \}
区间 [a, b] = \{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge a \leqslant x \leqslant b\}
区间 (a, b) = \{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge a < x < b\}
解读:列举法与描述法描述的是同一个集合,只是"看的角度"不同。判断该用哪种,看元素能不能逐个写出来:\{2\} 这种元素极少的用列举法最清楚,而实数区间只能用描述法——写不完,也没法靠"看出规律"表达。
1.2.2 集合之间的包含与相等
有了集合,下一步是判断两个集合的关系。子集、相等、真子集这三个定义构成了后面所有集合恒等式证明的基础。
定义 1.1 设 A, B 为两个集合,若 B 中的元素都是 A 中的元素,则称 B 是 A 的子集,也称 A 包含 B,或 B 包含于 A,记作 B \subseteq A,并用 B \nsubseteq A 表示 B 不是 A 的子集.
设 A = \{a, b, c\},B = \{a, b, c, d\},C = \{a, c\},则 A \subseteq A,A \subseteq B,B \nsubseteq B,C \subseteq A,C \subseteq B,C \subseteq C,而 B \nsubseteq A,B \nsubseteq C.
从定义不难看出,对于任意的集合 A,均有 A \subseteq A,对于任意的集合 A, B 与 C,若 A \subseteq B 且 B \subseteq C,则 A \subseteq C.
定义 1.2 设 A, B 为两个集合,若 A \subseteq B 且 B \subseteq A,则称 A 与 B 相等,记作 A = B. 而 A 不等于 B,记作 A \neq B.
设 A = \{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge (x^2 + x - 6 = 0)\}
B = \{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge (x^3 + 3x^2 - 4x - 12 = 0)\}
C = \{-3, 2\}
由于 x^2 + x - 6 = (x + 3)(x - 2),x^3 + 3x^2 - 4x - 12 = (x + 3)(x - 2)(x + 2),可知 A = C,而 B \neq C(当然,A \neq B).
定义 1.3 设 A, B 为两个集合,若 A \subseteq B 且 A \neq B,则称 A 为 B 的真子集,记作 A \subset B.
易知 \mathbf{N} \subset \mathbf{Z} \subset \mathbf{Q} \subset \mathbf{R}.
定义 1.4 称不拥有任何元素的集合为空集,记作 \varnothing.
定理 1.1 空集是一切集合的子集.
证明 只需证明,对于任意的集合 A,均有 \varnothing \subseteq A. 采用归谬法(见 1.3.1 节)证明. 否则,存在集合 A,有 \varnothing \nsubseteq A,即 \exists x_0(x_0 \in \varnothing \wedge x_0 \notin A),x_0 \in \varnothing 与空集定义相矛盾,所以定理 1.1 为真.
推论 空集是唯一的.
证明 采用归谬法. 假设空集不唯一,则存在 \varnothing_1,\varnothing_2 都是空集且 \varnothing_1 \neq \varnothing_2. 由定理 1.1 可知,\varnothing_1 \subseteq \varnothing_2 \wedge \varnothing_2 \subseteq \varnothing_1,再由定义 1.2 可知,\varnothing_1 = \varnothing_2,这与 \varnothing_1 \neq \varnothing_2 相矛盾.
空集虽然是唯一的,但可以有各种不同的表示形式. 例如,
\{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge x \neq x\} = \{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge x^2 + 1 = 0\} = \varnothing
空集是一切集合的子集,从这个意义上讲,可以形象地说:\varnothing 是“最小”的集合. 有没有最大的集合?答案是否定的,但当讨论某些具体问题时,可以定义一个具有相对性的“最大”的集合,见下面定义.
定义 1.5 如果限定所讨论的集合都是某一集合 E 的子集,则称 E 为全集.
从定义可以看出,不同的实际问题可以定义出不同的全集,因而无统一的全集,这与空集的唯一性是完全不同的. 就是同一个实际问题,也可以给出不同的全集. 例如,讨论区间 (a, b) 上实数性质时,E_1 = (a, b),E_2 = [a, b),E_3 = (a, b],E_4 = [a, b],E_5 = (a, +\infty) \cdots 都可以当作全集,“最小”的是 E_1,可见就是对同一个问题,全集也是不唯一的.
解读:要证 A = B,标准做法是"两头夹":先证 A \subseteq B,再证 B \subseteq A,缺一不可。而证 A \subseteq B 的通用套路是任取 x \in A,推它一定 \in B——这个模式在本节及全书反复出现。
1.2.3 集合的幂集
定义 1.6 设 A 为一个集合,称由 A 的所有子集组成的集合为 A 的幂集,记作 P(A),即 P(A) = \{x \mid x \subseteq A\}.
称 k(k \geqslant 0) 个元素的集合为 k 元集,并用 |A| 表示 A 中元素个数.
设 |A| = n,求 A 的幂集:
求 0 元子集:\mathrm{C}_n^0 = 1 个,即 \varnothing;
求 1 元子集:\mathrm{C}_n^1 个;
求 2 元子集:\mathrm{C}_n^2 个;
\vdots
求 n 元子集:\mathrm{C}_n^n 个.
然后将 A 的所有子集集合在一起,即得 A 的幂集. 设 A = \{a, b, c\},则
A 的 0 元子集:\varnothing;
A 的 1 元子集:\{a\},\{b\},\{c\};
A 的 2 元子集:\{a, b\},\{a, c\},\{b, c\};
A 的 3 元子集:A.
A 的幂集为 \{\varnothing, \{a\}, \{b\}, \{c\}, \{a, b\}, \{a, c\}, \{b, c\}, A\}.
定理 1.2 设 A 为 n 元集,则 P(A) 有 2^n 个元素.
证明 |P(A)| = \mathrm{C}_n^0 + \mathrm{C}_n^1 + \cdots + \mathrm{C}_n^n = (1 + 1)^n = 2^n.
解读:幂集的元素本身还是集合,所以 \varnothing \in P(A) 与 \varnothing \subseteq P(A) 同时成立——前者是"空集作为一个元素被收录",后者是"空集作为子集被包含"。分清 \in 和 \subseteq 是这一节最常见的失分点。
1.2.4 集合的运算
定义 1.7 设 A, B 为两个集合,
(1)称由 A 与 B 的全体元素组成的集合为 A 与 B 的并集,记作 A \cup B,即 A \cup B = \{x \mid x \in A \vee x \in B\};
(2)称由 A 与 B 的公共元素组成的集合为 A 与 B 的交集,记作 A \cap B,即 A \cap B = \{x \mid x \in A \wedge x \in B\};
(3)称属于 A 而不属于 B 的元素组成的集合为 B 对 A 的相对补集,记作 A - B,即 A - B = \{x \mid x \in A \wedge x \notin B\};
(4)称属于 A 而不属于 B,或属于 B 而不属于 A 的元素组成的集合为 A 与 B 的对称差集,记作 A \oplus B,即 A \oplus B = \{x \mid (x \in A \wedge x \notin B) \vee (x \in B \wedge x \notin A)\};
(5)设 E 为全集,A \subseteq E,称 E - A 为 A 的绝对补集,记作 \sim A,即 \sim A = \{x \mid x \notin A\}.
设 A = \{a, b, c, d, e\},B = \{a, c, e, g\},则
A \cup B = \{a, b, c, d, e, g\}
A \cap B = \{a, c, e\}
A - B = \{b, d\}
B - A = \{g\}
A \oplus B = \{b, d, g\}
取全集 E = \{a, b, c, d, e, f, g, h\},则
\sim A = \{f, g, h\}
\sim B = \{b, d, f, h\}
文氏图:集合的四种运算
例 1.1 设 E 是某中学高中一年级学生集合,A, B 是 E 的子集,且 A = \{x \mid x 是男生 \},B = \{x \mid x 是校足球队员 \},试用描述法表示 A \cup B,A \cap B,A - B,B - A,A \oplus B,\sim A,\sim B.
解 A \cup B = \{x \mid x 是男生或是足球队员 \}
A \cap B = \{x \mid x 是男生并且是足球队员 \}
\quad = \{x \mid x 是男生中的足球队员 \}
A - B = \{x \mid x 是男生,但不是足球队员 \}
\quad = \{x \mid x 是非足球队员的男生 \}
B - A = \{x \mid x 是足球队员,但不是男生 \}
\quad = \{x \mid x 是女生中的足球队员 \}
A \oplus B = \{x \mid x 是非足球队员中的男生或是女生中的足球队员 \}
\sim A = \{x \mid x 是女生 \}
\sim B = \{x \mid x 不是足球队员 \}
定义 1.8 设 A, B 为两个集合,若 A \cap B = \varnothing,则称 A 与 B 是不交的.
设 A = \{x \mid x \in \mathbf{N} \wedge x 为奇数 \},B = \{x \mid x \in \mathbf{N} \wedge x 为偶数 \},则 A 与 B 是不交的. \varnothing 与任何集合都是不交的.
集合之间的关系与运算结果可以用文氏图直观地表示. 文氏图的构造如下:
用一个矩形内部的点表示全集 E,在矩形内用闭曲线(可以是多条,也可以是矩形的边界)围成的区域表示 E 的子集.
设 A, B 均为全集 E 的子集,图 1.1 中给出了 A \cup B,A \cap B,A - B,B - A,A \oplus B,\sim A 的文氏图.

图 1.1
集合的并和交均可以推广到多个或无穷多个集合上. 设 A_1, A_2, \cdots, A_n 为 n 个集合,它们的并集简记为 \bigcup_{i=1}^{n} A_i,即
它们的交简记为 \bigcap_{i=1}^{n} A_i,即
对于无穷个集合,有
例 1.2 设 A_i = \left[0, \dfrac{1}{i}\right),B_i = (0, i),i = 1, 2, \cdots,求:
(1)\bigcup_{i=1}^{n} A_i;\bigcup_{i=1}^{\infty} A_i.
(2)\bigcap_{i=1}^{n} A_i;\bigcap_{i=1}^{\infty} A_i.
(3)\bigcup_{i=1}^{n} B_i;\bigcup_{i=1}^{\infty} B_i.
(4)\bigcap_{i=1}^{n} B_i;\bigcap_{i=1}^{\infty} B_i.
解 (1)\bigcup_{i=1}^{n} A_i = [0, 1);\bigcup_{i=1}^{\infty} A_i = [0, 1).
(2)\bigcap_{i=1}^{n} A_i = \left[0, \dfrac{1}{n}\right);\bigcap_{i=1}^{\infty} A_i = \{0\}.
(3)\bigcup_{i=1}^{n} B_i = (0, n);\bigcup_{i=1}^{\infty} B_i = (0, +\infty).
(4)\bigcap_{i=1}^{n} B_i = (0, 1);\bigcap_{i=1}^{\infty} B_i = (0, 1).
例 1.3 设 E = \{x \mid x 是北京某大学一年级学生 \},A, B, C, D 是 E 的子集:
A = \{x \mid x 是北京人 \}
B = \{x \mid x 是走读生 \}
C = \{x \mid x 是数学系学生 \}
D = \{x \mid x 喜欢听音乐 \}
试描述下列各集合中大学生的特征.
(1)(A \cup D) \cap \sim C;
(2)\sim A \cap B;
(3)(A - B) \cap D;
(4)\sim D \cap \sim B.
解 (1)(A \cup D) \cap \sim C = \{x \mid x 是北京人或喜欢听音乐,但不是数学系学生 \};
(2)\sim A \cap B = \{x \mid x 是外地人并且是走读生 \};
(3)(A - B) \cap D = \{x \mid x 是北京的住校生,并且喜欢听音乐 \};
(4)\sim D \cap \sim B = \{x \mid x 是不喜欢听音乐的住校生 \}.
解读:\sim A 这种"绝对补"必须相对于某个全集才有意义,换全集结果就变了;而 A - B 是相对补,不依赖全集。所以在计算前先确认全集 E 是什么,是这类题目的第一步。
1.2.5 基本集合恒等式及其应用
上节给出了集合之间的基本运算,这些运算都满足一定的运算规律,下面列出常用的基本集合恒等式. 这里设 E 为全集,A, B, C 等为 E 的子集.
(1)幂等律 \quad A \cup A = A;A \cap A = A.
(2)交换律 \quad A \cup B = B \cup A;A \cap B = B \cap A.
(3)结合律 \quad (A \cup B) \cup C = A \cup (B \cup C);
\qquad\qquad\quad (A \cap B) \cap C = A \cap (B \cap C).
(4)分配律 \quad A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C);
\qquad\qquad\quad A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C).
(5)德摩根律
\quad 绝对形式 \quad \sim (A \cup B) = \ \sim A \cap \sim B;
\qquad\qquad\quad \sim (A \cap B) = \ \sim A \cup \sim B.
\quad 相对形式 \quad A - (B \cup C) = (A - B) \cap (A - C);
\qquad\qquad\quad A - (B \cap C) = (A - B) \cup (A - C).
(6)吸收律 \quad A \cup (A \cap B) = A;A \cap (A \cup B) = A.
(7)零律 \quad A \cup E = E;A \cap \varnothing = \varnothing.
(8)同一律 \quad A \cup \varnothing = A;A \cap E = A.
(9)排中律 \quad A \cup \sim A = E.
(10)矛盾律 \quad A \cap \sim A = \varnothing.
(11)余补律 \quad \sim \varnothing = E;\sim E = \varnothing.
(12)双重否定律 \qquad \sim (\sim A) = A.
(13)补交转换律 \qquad A - B = A \cap \sim B.
(14)关于对称差运算有以下恒等式:
① 交换律 \qquad A \oplus B = B \oplus A.
② 结合律 \qquad A \oplus (B \oplus C) = (A \oplus B) \oplus C.
③ \cap 对 \oplus 的分配律 \qquad A \cap (B \oplus C) = (A \cap B) \oplus (A \cap C).
④ A \oplus \varnothing = A;A \oplus E = \ \sim A.
⑤ A \oplus A = \varnothing;A \oplus \sim A = E.
此外,还有下述常用性质:
(15)A \subseteq A \cup B;B \subseteq A \cup B.
(16)A \cap B \subseteq A;A \cap B \subseteq B.
(17)A - B \subseteq A.
(18)A \cup B = B \Leftrightarrow A \subseteq B \Leftrightarrow A \cap B = A \Leftrightarrow A - B = \varnothing.
(19)A \oplus B = A \oplus C \Rightarrow A = B,即 \oplus 有消去律.
下面挑选部分基本集合恒等式和性质给予证明,其余的请读者自行证明.
根据定义,要证明 A \subseteq B,只需证明 \forall x,x \in A \Rightarrow x \in B;要证明 A = B,只需证明 A \subseteq B \wedge B \subseteq A,即 \forall x,x \in A \Rightarrow x \in B \wedge x \in B \Rightarrow x \in A,亦即 \forall x,x \in A \Leftrightarrow x \in B.
例 1.4 证明:对于任意的集合 A, B,有
(1)吸收律 \quad A \cup (A \cap B) = A.
(2)同一律 \quad A \cap E = A.
(3)矛盾律 \quad A \cap \sim A = \varnothing.
证明 (1)显然,A \subseteq A \cup (A \cap B).
\forall x,若 x \in A \cup (A \cap B),则 x \in A 或 x \in A \cap B. 而当 x \in A \cap B 时,有 x \in A 且 x \in B,自然有 x \in A. 因此总有 x \in A. 故 A \cup (A \cap B) \subseteq A. 得证 A \cup (A \cap B) = A.
(2)显然,A \cap E \subseteq A.
\forall x,若 x \in A,因为 E 是全集,恒有 x \in E,从而 x \in A 且 x \in E,即 x \in A \cap E. 故 A \subseteq A \cap E. 得证 A \cap E = A.
(3)用反证法. 假设不然,存在 x \in A \cap \sim A. 于是,x \in A 且 x \in \ \sim A,即 x \in A 且 x \notin A,矛盾. 所以,A \cap \sim A = \varnothing.
例 1.5 证明:若 A \subseteq B,则 P(A) \subseteq P(B).
证明 \forall x,若 x \in P(A),根据幂集的定义,有 x \subseteq A. 已知 A \subseteq B,因而有 x \subseteq B,从而 x \in P(B). 得证 P(A) \subseteq P(B).
例 1.6 证明:A \cup B = B \Leftrightarrow A \subseteq B.
证明 “\Rightarrow” \forall x,x \in A \Rightarrow x \in A \cup B
\qquad\qquad\qquad \Rightarrow x \in B \qquad(因为 A \cup B = B)
得证 A \subseteq B.
“\Leftarrow”显然 B \subseteq A \cup B.
\forall x,因为 A \subseteq B,有 x \in A \Rightarrow x \in B. 于是,x \in A \cup B \Rightarrow x \in A 或 x \in B \Rightarrow x \in B 或 x \in B,即 x \in B. 从而 A \cup B \subseteq B. 得证 A \cup B = B.
证明集合等式和性质的另一种方法是集合演算,即利用已知的集合等式(最常用的是基本集合恒等式)和性质,通过演算推出要证明的结论.
例 1.7 假设已经证明基本恒等式(1)~(14),试证明关于对称差的恒等式:
(1)\cap 对 \oplus 的分配律 A \cap (B \oplus C) = (A \cap B) \oplus (A \cap C).
(2)A \oplus B = (A \cup B) - (A \cap B).
证明 (1)证明 从右边开始演算:
(2)
注意:\cap 对 \oplus 有分配律,但 \cup 对 \oplus 没有分配律,即
反例如下:设全集 E = \{a, b, c, d, e, f\},A = \{a, b, c\},B = \{b, c, d\},C = \{c, d, e\},则
而
两者不相等.
其实,(A \cup B) \oplus (A \cup C) = (B \oplus C) - A.
证明
例 1.8 利用关于对称差的恒等式①~⑤证明:\oplus 满足消去律,即
证明 由 A \oplus B = A \oplus C,有
例 1.9 利用基本集合恒等式化简
解 \begin{aligned} &((A \cup B \cup C) \cap (A \cup B)) - ((A \cup (B - C)) \cap A) \\ &\quad = (A \cup B) - A & & (\text{交换律,吸收律}) \\ &\quad = (A \cup B) \cap \sim A & & (\text{补交转换律}) \\ &\quad = (A \cap \sim A) \cup (B \cap \sim A) & & (\text{分配律}) \\ &\quad = \varnothing \cup (B \cap \sim A) & & (\text{矛盾律}) \\ &\quad = B \cap \sim A & & (\text{交换律,同一律}) \\ &\quad = B - A & & (\text{补交转换律}) \end{aligned}
解读:集合恒等式的证明有两条路——"元素法"(从 x \in 左边出发推 x \in 右边)和"集合演算法"(把左边逐步化成右边,每一步注明用了哪条恒等式)。例 1.4~1.6 走的是第一条路,例 1.7~1.9 走的是第二条路。演算法的每一行都必须能指名道姓地说出依据,否则就是在"猜"。