本节对应原书 PDF 第 32–37 页(习题题干)与答案书 PDF 第 19–28 页(解答). 题干与答案书的原解答逐字保留;AI 补充的说明放入折叠块。
习题题干
1.1 用列举法表示下列各集合.
(1)\{x \mid x 是方程 2x^2 + 3x - 2 = 0 的根 \}.
(2)\{x \mid x 是方程 x^2 - 2x + 5 = 0 的实根 \}.
(3)\{x \mid x 是完全数 \wedge 5 \leqslant x \leqslant 10\}.
(4)\{x \mid x 是整数 \wedge x^2 = 3\}.
(5)\{x \mid x 是空集 \}.
1.2 用描述法表示下列各集合.
(1)\{x, y, z\}.
(2)\{-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3\}.
(3)\{\varnothing, \{\varnothing\}\}.
(4)\varnothing.
1.3 判断下列每组的两个集合是否相等.
(1)A = \{3, 1, 1, 5, 5\},B = \{1, 3, 5\}.
(2)A = \varnothing,B = \{\varnothing\}.
(3)A = \varnothing,B = \{x \mid x 是有理数并且是无理数 \}.
(4)A = \{1, 2, \varnothing\},B = \{\{\varnothing\}, 2, 1\}.
1.4 判断下列命题是否为真.
(1)\varnothing \subseteq \varnothing.
(2)\varnothing \subset \varnothing.
(3)\varnothing \in \varnothing.
(4)\varnothing \in \{\varnothing\}.
(5)\varnothing \subseteq \{\varnothing\}.
(6)\{\varnothing\} \subseteq \varnothing.
(7)\{\varnothing\} \in \{\varnothing, \{\{\varnothing\}\}\}.
1.5 设 A 为任意集合,判断下列命题是否为真.
(1)\varnothing \in P(A).
(2)\varnothing \subseteq P(A).
(3)\{\varnothing\} \in P(A).
(4)\{\varnothing\} \subseteq P(A).
(5)\{\varnothing\} \in P(P(A)).
(6)\{\varnothing, \{\varnothing\}\} \subseteq P(P(A)).
1.6 求下列集合中的元素个数.
(1)\{x \mid x \in \mathbf{Z} \wedge -3 \leqslant x < 2\}.
(2)\{x \mid x \in \mathbf{N} \wedge x 是偶素数 \}.
(3)\{x \mid x \in \mathbf{N} \wedge x 是奇数 \wedge x 是偶数 \}.
(4)\{\varnothing, \{\varnothing, \{\varnothing\}\}\}.
(5)\{\{\{\varnothing\}\}\}.
(6)P(A),A = \{\varnothing, \{\varnothing\}\}.
1.7 设 A = \{a, 2, \{3\}, 4\},B = \{\{a\}, 4, 3, 1\}. 判断下列命题是否为真.
(1)a \in A.
(2)a \in B.
(3)\{a\} \in A.
(4)\{a\} \in B.
(5)\{a\} \subseteq A.
(6)\{a\} \subseteq B.
(7)\{a, \{3\}, 4\} \subseteq A.
(8)\{a, \{3\}, 4\} \subseteq B.
(9)\varnothing \subseteq A.
(10)\varnothing \subseteq \{\{a\}\} \subseteq B.
1.8 已知 A, B 为两个集合,且 A \subseteq B,则 A \in B 一定为真吗?
1.9 设 A = \{1, 2, 3, 4\},试求出 A 的全部 2 元子集.
1.10 设 A = \{\varnothing, a\},求出 A 的全部子集.
1.11 求下列集合的幂集.
(1)\varnothing.
(2)\{1, \{a, b\}\}.
(3)\{\varnothing, \{\varnothing\}\}.
(4)\{2, 2, 2, 3\}.
1.12 设全集 E = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\},其子集 A = \{1, 4\},B = \{1, 2, 5\},C = \{2, 4\}. 求下列集合.
(1)A \cap \sim B.
(2)(A \cap B) \cup \sim C.
(3)\sim (A \cap B).
(4)P(A) \cap P(B).
(5)P(A) \cap \sim P(B).
1.13 画出下列集合的文氏图.
(1)A \cap (B \cup C).
(2)\sim A \cap \sim B \cap \sim C.
(3)(A - (B \cup C)) \cup ((B \cup C) - A).
1.14 设 A = \{\varnothing\},B = \{1, 2\},求 P(A) \oplus P(B).
1.15 设 A \subseteq B \wedge C \subseteq D,证明 A \cup C \subseteq B \cup D.
1.16 设 A \subset B \wedge C \subset D,A \cup C \subseteq B \cup D 一定为真吗?
1.17 设 A, B 为两个集合,已知 A \subseteq B,B \subset A 可能吗?为什么?
1.18 试确定下列集合之间的包含或属于关系.
A = \{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge x > 0 \wedge x^2 = 4\}
B = \{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge x^2 - 5x + 6 = 0\}
C = \{\{x\} \mid x \in \mathbf{N} \wedge x 为偶数 \}
D = \{\{2\}, \{4\}, \{3\}, 2, 3\}
1.19 对于上题中的 A, B, C, D,计算下列各式.
(1)A \cup B \cup D.
(2)A \cap B \cap D.
(3)A \oplus B.
(4)(A \cap B) \oplus A.
(5)A \oplus C.
1.20 设 A = \{x \mid x 是北京大学文科学生 \}
B = \{x \mid x 是北京大学理科学生 \}
C = \{x \mid x 喜欢看小说 \}
D = \{x \mid x 喜欢数学 \}
已知:北京大学文科学生都爱看小说,北京大学理科学生都喜欢数学,试确定 A, B, C, D 之间的包含关系.
1.21 设 A_i = \{1, 2, \cdots, i\},i = 1, 2, \cdots,求
(1)\bigcup_{i=1}^{n} A_i.
(2)\bigcap_{i=1}^{n} A_i.
1.22 设 A_i = \{i, i + 1, i + 2, \cdots\},i = 1, 2, \cdots,求
(1)\bigcup_{i=1}^{n} A_i.
(2)\bigcap_{i=1}^{n} A_i.
1.23 下列集合中,哪些是彼此相等的?
A = \{3, 4\}, \qquad B = \{3, 4\} \cup \varnothing, \qquad C = \{3, 4\} \cup \{\varnothing\},
D = \{x \mid x \in \mathbf{R} \wedge x^2 - 7x + 12 = 0\}, \qquad E = \{\varnothing, 3, 4\},
F = \{3, 4, 4\}, \qquad G = \{4, \varnothing, \varnothing, 3\}
1.24 设全集是某中学全体学生集合,它的子集:
A = \{x \mid x 是男生 \}
B = \{x \mid x 是初三学生 \}
C = \{x \mid x 是科普队的 \}
用谓词描述法表示下面集合.
(1)\sim C.
(2)A \cap B \cap \sim C.
(3)\sim A \cap \sim B \cap C.
1.25 设 A 为任一集合,证明:\{\varnothing, \{\varnothing\}\} \in P(P(P(A))).
1.26 设 A, B, C 为 3 个集合,证明:
(1)若 A \subseteq B \wedge B \subseteq C,则 A \subseteq C.
(2)若 A \in B \wedge B \subseteq C,则 A \in C.
1.27 设 A, B, C 为 3 个集合,已知 (A \cap C) \subseteq (B \cap C),(A \cap \sim C) \subseteq (B \cap \sim C),证明:A \subseteq B.
1.28 设 A, B 为集合,证明:A \cap (B - A) = \varnothing.
1.29 设 A, B 为集合,证明:(A \cap B) \cup (A - B) = A.
1.30 用直接证明法证明:若对于任意的集合 B,均有 A \cup B = B,则 A = \varnothing.
1.31 用归谬法证明题 1.30 中的命题.
1.32 化简下列集合表达式.
(1)((A \cup B) \cap B) - (A \cup B).
(2)(((A \cup B \cup C) - (B \cup C)) - (B \cup C)) \cup A.
(3)(B - (A \cap C)) \cup (A \cap B \cap C).
1.33 化简下列集合表达式.
(1)(A \cap B) \cup (A - B).
(2)(A \cup (B - A)) - B.
(3)((A - B) - C) \cup ((A - B) \cap C) \cup ((A \cap B) - C) \cup (A \cap B \cap C).
(4)(A \cap B \cap C) \cup ((A \cap \sim B \cap C) \cup (\sim A \cap B \cap C).
1.34 定理 1.1 的推论改写为:“若 \varnothing_1,\varnothing_2 是任意两个空集,则 \varnothing_1 = \varnothing_2”,试用直接证明法与间接证明法证明之.
1.35 用数学归纳法证明:若 A_1, A_2, \cdots, A_n 为某全集的子集,则
1.36 设 A_1, A_2, \cdots, A_n, B 为集合,用数学归纳法证明:
1.37 用数学归纳法证明:\forall n \in \mathbf{N}^+,
1.38 用数学归纳法证明:\forall n \in \mathbf{N}^+,
1.39 用数学归纳法证明:\forall n \in \mathbf{N}^+,3 \mid (n^3 - n).
1.40 递归定义 a_n,n \in \mathbf{N} 如下:
通过观察给出 a_n 的值,并证明之.
1.41 递归定义集合 A 如下:
(1)3 \in A;
(2)若 x, y \in A,则 xy \in A;
(3)只有有限次应用(1)和(2)得到的数属于 A.
试用描述法表示 A.
1.42 递归定义集合 B 如下:
(1)(\ ) \in B;
(2)若 x, y \in B,则 (x),(xy) \in B;
(3)只有有限次应用(1)和(2)得到的符号串属于 B.
问下述符号串是否属于 B:
(1)(((\ ))(\ ))
(2)((\ )(\ ))
(3)(\ )(\ )
(4)((\ )(\ )))
(5)(((\ )(\ ))(\ )).
习题解答与分析
以下解答逐字取自答案书(PDF 物理页 p19–p28),属原文层,不放入折叠块。
1.1 设本题中的 5 个集合分别为 A, B, C, D, E,它们的列举法表示为:
(1)A = \left\{\dfrac{1}{2}, -2\right\}. 只需求出给定方程 2x^2 + 3x - 2 = 0 的两个根 \dfrac{1}{2} 和 -2 即可.
(2)B = \varnothing. 只需注意到方程 x^2 - 2x + 5 = 0 的判别式 (-2)^2 - 4 \times 1 \times 5 = -16 < 0,因而无实根.
(3)C = \{6\}. 只需注意到完全数的定义:自然数 n(n \geqslant 1) 为完全数 \Leftrightarrow n 等于除本身以外的所有因子之和. 在 5~10 中,只有 6 = 1 + 2 + 3,是完全数,其他都不是完全数.
(4)D = \varnothing.
(5)E = \{\varnothing\}.
注意 本题中 B = D = \varnothing,这正说明空集有不同的描述方法,但空集是唯一的.
1.2 设本题中的 4 个集合分别为 A, B, C, D,则
(1)A = \{x \mid x 是最后 3 个英文字母之一 \}.
(2)B = \{x \mid x \in \mathbf{Z} \wedge |x| \leqslant 3\},\mathbf{Z} 为整数集.
(3)C = \{x \mid x 为空集或以空集为元素的单元集 \}.
(4)D = \{x \in \mathbf{Z} \wedge x^2 + 2 = 0\}.
注意 A, B, C, D 的表示法都不是唯一的,特别是 D 可以有多种不同的表示法.
1.3 (1)A = B. 只需注意在朴素集合论中,集合中的元素互不相同,并且不讲顺序.
(2)A \neq B. 注意到 A 中无元素,而 B 中有一个元素 \varnothing.
(3)A = B. 注意,B 也是 \varnothing.
(4)A \neq B. 注意,A 中的元素 \varnothing \notin B,B 中的元素 \{\varnothing\} \notin A.
1.4 (1)、(4)、(5)为真,其余的均为假.
分析 解本题要注意以下两点:
① 空集 \varnothing 是一切集合的子集,并且 \varnothing 是唯一的;
② 严格区分集合之间的包含关系以及元素与集合的属于关系.
由①可知(1)、(5)为真,而(2)为假. 由②可知(4)为真,而(3)、(6)、(7)为假.
1.5 只有(3)为假,其余的全为真.
分析 解本题主要应用以下定理或定义:
① 空集 \varnothing 是任何集合的子集;
② 集合幂集的定义:P(A) = \{x \mid x \subseteq A\},P(P(A)) = \{x \mid x \subseteq P(A)\};
③ 子集的定义:A \subseteq B \Leftrightarrow \forall x(x \in A \rightarrow x \in B).
由①与②可知,\varnothing \subseteq A \Rightarrow \varnothing \in P(A),因而(1)为真;
因为 P(A) 为集合和①可知,\varnothing \subseteq P(A),因而(2)为真;
因为 \varnothing \in P(A) 和③可知,\{\varnothing\} \subseteq P(A),因而(4)为真;
由于 \varnothing \in P(A) 和②可知,\{\varnothing\} 为 P(A) 的 1 元子集,所以 \{\varnothing\} \in P(P(A)),故(5)为真;
由①和(5)可知,\{\varnothing, \{\varnothing\}\} \subseteq P(P(A)),所以(6)为真.
对于(3),不是对任何集合都真. 当 A 中含元素 \varnothing 时,(3)为真,例如 A = \{\varnothing, a\},则 P(A) = \{\varnothing, \{\varnothing\}, \{a\}, \{\varnothing, a\}\},所以 \{\varnothing\} \in P(A). 而当 A 中不含 \varnothing 时,如 A = \{a, b\} 时,P(A) = \{\varnothing, \{a\}, \{b\}, \{a, b\}\},此时 \{\varnothing\} \notin P(A). 因而 \{\varnothing\} \in P(A) 为假. 由以上讨论可知,(3)中命题为假.
1.6 记(1)~(6)中集合分别为 A, B, C, D, E, F,只需将它们中的元素均写出来即可得到答案.
1.7 (1)、(4)、(5)、(7)、(9)、(10)为真,(2)、(3)、(6)、(8)为假.
1.8 A \subseteq B 时,A \in B 不一定为真.
当 A 中元素都在 B 中,并且 A 也在 B 中时,A \subseteq B 且 A \in B. 例如,A = \{a, b\},B = \{a, b, c, d, \{a, b\}\},此时 A \subseteq B 且 A \in B.
当 A 中元素都在 B 中,但 A 不在 B 中时,A \subseteq B,而 A \notin B. 例如,A = \{\varnothing, a, b, c\},B = \{\{\varnothing\}, \varnothing, a, b, c, d, e\},此时 A \subseteq B,A \notin B.
1.9 由于 |A| = 4,所以 A 的 2 元子集共有 \mathrm{C}_4^2 个,它们是 \{1, 2\}、\{1, 3\}、\{1, 4\}、\{2, 3\}、\{2, 4\}、\{3, 4\}.
1.10 A = \{\varnothing, a\} 为 2 元集,因而 A 共有 2^2 = 4 个子集:
0 元子集 1 个:\varnothing;
1 元子集 2 个:\{\varnothing\},\{a\};
2 元子集 1 个:\{\varnothing, a\} = A.
1.11 设(1)~(4)中集合分别为 A, B, C, D,注意 D = \{2, 2, 2, 3\} = \{2, 3\},则
1.12 严格按定义求解本题.
(1)\sim B = \{3, 4, 6\},A \cap \sim B = \{4\}.
(2)\sim C = \{1, 3, 5, 6\},A \cap B = \{1\};
(A \cap B) \cup \sim C = \{1, 3, 5, 6\}.
(3)A \cap B = \{1\},所以,\sim (A \cap B) = \{2, 3, 4, 5, 6\}.
(4)P(A) = \{\varnothing, \{1\}, \{4\}, \{1, 4\}\};
P(B) = \{\varnothing, \{1\}, \{2\}, \{5\}, \{1, 2\}, \{1, 5\}, \{2, 5\}, \{1, 2, 5\}\};
P(A) \cap P(B) = \{\varnothing, \{1\}\}.
(5)\sim P(B) = P(E) - P(B),而 |P(E)| = 2^6 = 64,|P(B)| = 2^3 = 8,于是 |\sim P(B)| = 64 - 8 = 56. 因而求 \sim P(B) 工作量太大了,但也可以不求 \sim P(B),就能求出 P(A) \cap \sim P(B).
因为 P(A) = \{\varnothing, \{1\}, \{4\}, \{1, 4\}\},所以 P(A) \cap \sim P(B) 中至多有 4 个元素,但因 P(B) 中含 \varnothing 和 \{1\},所以 \sim P(B) 中不含 \varnothing 和 \{1\},因而 P(A) \cap \sim P(B) 不可能含 \varnothing 和 \{1\},又因为 4 \notin B,所以 \{4\},\{1, 4\} 都 \notin P(B),故 \{4\} \in \sim P(B),\{1, 4\} \in \sim P(B),所以
1.13 (1)A \cap (B \cup C) 的文氏图为图 1.1(a) 中的阴影部分所示.
(2)\sim A \cap \sim B \cap \sim C = \ \sim (A \cup B \cup C),其文氏图为图 1.1(b) 中的阴影部分所示.
(3)(A - (B \cup C)) \cup ((B \cup C) - A) = A \oplus (B \cup C),其文氏图为图 1.1(c) 中的阴影部分所示.

图 1.1
观察图 1.1,不难发现,图 1.1(a) 与图 1.1(c) 中阴影部分所表示的集合之并为 A \cup B \cup C. 又图 1.1(a)、图 1.1(b) 和图 1.1(c) 中阴影部分之并为全集 E. 以上的观察结果都是正确的,证明如下.
(1)与(3)中集合之并为
(1)、(2)、(3)中集合之并为
通过以上的演算,说明对文氏图的观察结论是正确的.
1.14 A = \{\varnothing\},P(A) = \{\varnothing, \{\varnothing\}\},B = \{1, 2\},P(B) = \{\varnothing, \{1\}, \{2\}, \{1, 2\}\},于是
1.15 用包含关系及并集的定义证明.
\forall x,
所以 A \cup C \subseteq B \cup D.
1.16 当 A \subset B \wedge C \subset D 时,A \cup C \subseteq B \cup D 不一定为真,也就是说,当 A 与 C 分别为 B 和 D 的真子集时,A \cup C 不一定是 B \cup D 的真子集. 举反例如下:
取 A = \{x \mid x \in \mathbf{N} \wedge x 为奇数 \},C = \{x \mid x \in \mathbf{N} \wedge x 为偶数 \},并取 B = D = \mathbf{N},则 A \subset B \wedge C \subset D. 可是 A \cup C = B \cup D = \mathbf{N},其中 \mathbf{N} 为自然数集合.
若改为:
设 A \subset B \wedge C \subset D,则 A \cup C \subseteq B \cup D,则命题为真.
1.17 不可能. 假若 B \subset A,则存在 x \in A \wedge x \notin B,这与 A \subseteq B 矛盾.
1.18 解本题只需用列举法写出各集合,就容易找出集合之间的包含与属于关系.
A = \{2\};B = \{2, 3\};C = \{\{0\}, \{2\}, \{4\}, \cdots\};D = \{\{2\}, \{4\}, \{3\}, 2, 3\}. 易知,A \subset B \subset D,A \in C,A \in D.
1.19 (1)A \cup B \cup D = \{\{2\}, \{3\}, \{4\}, 2, 3\} = D;
(2)A \cap B \cap D = \{2\} = A;
(3)A \oplus B = \{3\};
(4)(A \cap B) \oplus A = \{2\} \oplus \{2\} = \varnothing;
(5)A \oplus C = \{2, \{0\}, \{2\}, \{4\}, \cdots\} = A \cup C.
1.20 A \subseteq C,B \subseteq D.
1.21 (1)\bigcup_{i=1}^{n} A_i = A_n = \{1, 2, \cdots, n\}.
(2)\bigcap_{i=1}^{n} A_i = A_1 = \{1\}.
分析 A_i = \{1, 2, \cdots, i\},i = 1, 2, \cdots,是一个单调增的集合列,A_1 \subset A_2 \subset \cdots,所以
并且 \bigcup_{i=1}^{\infty} A_i = \{1, 2, \cdots\} = \mathbf{N} - \{0\},\mathbf{N} 为自然数集合. 而 \bigcap_{i=1}^{\infty} A_i = A_1 = \{1\}.
1.22 (1)\bigcup_{i=1}^{n} A_i = A_1 = \{1, 2, \cdots\} = \mathbf{N} - \{0\}.
(2)\bigcap_{i=1}^{n} A_i = A_n = \{n, n + 1, \cdots\} = \{x \mid x \in \mathbf{N} \wedge x \geqslant n\}.
分析 A_i = \{i, i + 1, i + 2, \cdots\},i = 1, 2, \cdots 是单调减的集合列,所以
并且
1.23 A = B = D = F,C = E = G.
分析 只需要注意:对于任意集合 A,均有 A \cup \varnothing = A,集合中元素互不相同,并且不讲顺序.
1.24 (1)\sim C = \{x \mid x 不是科普队员 \}.
(2)A \cap B \cap \sim C = \{x \mid x 是初三男生,但不是科普队员 \}.
(3)\sim A \cap \sim B \cap C = \{x \mid x 是女科普队员,但不是初三学生 \}.
1.25 根据定理 1.1(空集是一切集合的子集)及幂集的定义证明本题.
由定理 1.1,得
分析或提示 A 与 P(A) 都是集合,由于 \varnothing 是一切集合的子集,所以式①成立. 由幂集的定义可知,式①与式②互为充要条件. 由 \varnothing \in P(A),因而由 \varnothing 构成的单元集 \{\varnothing\} 为 P(A) 的幂集 P(P(A)) 的元素,即 \{\varnothing\} \in P(P(A)),所以式③成立. 由式③成立,可知 \{\varnothing\},\varnothing 构成的 2 元集 \{\varnothing, \{\varnothing\}\} 为 P(P(A)) 的幂集 P(P(P(A))) 的元素,即 \{\varnothing, \{\varnothing\}\} \in P(P(P(A))),故式④成立.
其实下面命题为真:
命题 设 A 为任意的集合,则 \{\varnothing, \{\varnothing\}\} \in P(P(\cdots P(A) \cdots)),k \geqslant 3.
证明 由 \varnothing \in P(A),有 \{\varnothing\} \in P(P(A)). 又有 \varnothing \in P(P(A)),从而 \{\varnothing, \{\varnothing\}\} \in P(P(P(A))).
一般地,由幂集定义,\varnothing \in P(P(\cdots (P(A)) \cdots)),故 \{\varnothing\} \in P(P(\cdots (P(A)) \cdots)).
根据幂集定义,又有 \varnothing \in P(P(\cdots (P(A)) \cdots)),从而 \{\varnothing, \{\varnothing\}\} \in P(P(\cdots (P(A)) \cdots)).
1.26 用包含关系的定义证明.
(1)\forall x
所以 A \subseteq C.
(2)B \subseteq C \Leftrightarrow \forall x(x \in B \rightarrow x \in C),而 A \in B,所以 A \in C.
分析 (1)中命题说明集合之间的包含关系具有传递性.
1.27 方法 1 \forall x \in A,分两种情况讨论.
(1)x \in C. 此时,x \in A \cap C. 由 A \cap C \subseteq B \cap C,有 x \in B \cap C. 从而 x \in B.
(2)x \notin C. 此时,x \in A \cap \sim C. 由 A \cap \sim C \subseteq B \cap \sim C,有 x \in B \cap \sim C. 从而 x \in B.
总之,都有 x \in B. 得证 A \subseteq B.
方法 2
1.28 方法 1 归谬法. 假设 A \cap (B - A) \neq \varnothing,则存在 x,使得 x \in A \cap (B - A). 于是,x \in A 且 x \in B - A. 由 x \in B - A,有 x \notin A. 从而 x \in A 且 x \notin A,矛盾. 所以,必有 A \cap (B - A) = \varnothing.
方法 2 直接证明法(进行集合演算).
1.29 可用多种方法证明本题.
方法 1 用集合演算证明.
方法 2 用定义证明.
\forall x \in (A \cap B) \cup (A - B),有 x \in A \cap B 或 x \in A - B. 对这两种情况都有 x \in A,得证 (A \cap B) \cup (A - B) \subseteq A.
反之,\forall x \in A,分两种情况讨论.
(1)x \in B. 此时,x \in A \cap B. 当然有 x \in (A \cap B) \cup (A - B).
(2)x \notin B. 此时,x \in A - B,也有 x \in (A \cap B) \cup (A - B).
得证 A \subseteq (A \cap B) \cup (A - B). 所以,(A \cap B) \cup (A - B) = A.
1.30 取 B = \varnothing,则有 A \cup \varnothing = \varnothing. 得证 A = \varnothing.
1.31 用归谬法证明 1.30 题.
假设 A \neq \varnothing,取 B = \varnothing,则 A \cup B = A \neq \varnothing = B,这与对于任何集合 B,均有 A \cup B = B 相矛盾,所以原来命题为真.
分析 “要证明 A \rightarrow B 为真,只需证明 \neg B \rightarrow \neg A 为真”,这就是间接证明法. “而要证明 A \rightarrow B 为真,只需证明当 B 为假时,会推出矛盾来”,这就是归谬法. 对本题来说,两种证明法差不多,都是从 A \neq \varnothing,找到特殊的 B,使 A \cup B = B 为假.
1.32 (1)
实际上,由于 (A \cup B) \cap B \subseteq A \cup B,可以直接看出 ((A \cup B) \cap B) - (A \cup B) = \varnothing.
(2)
(3)
1.33 (1)
(2)下面不再注明使用的基本集合恒等式,不过读者阅读时一定要在心里把它补上.
(3)
(4)
1.34 方法 1 直接证明法.
由定理 1.1 可知,空集是一切集合的子集. 于是,因为 \varnothing_1 是空集,所以 \varnothing_1 \subseteq \varnothing_2,又因为 \varnothing_2 是空集,所以 \varnothing_2 \subseteq \varnothing_1. 由集合相等的定义可知,\varnothing_1 = \varnothing_2.
方法 2 间接证明法.
若 \varnothing_1 \neq \varnothing_2,则 \exists x_0
或者,\exists y_0
在①中,x_0 \in \varnothing_1 与 \varnothing_1 为空集矛盾,在②下,y_0 \in \varnothing_2,这与 \varnothing_2 为空集矛盾. 所以必有 \varnothing_1 = \varnothing_2.
1.35 (1)归纳基础:当 n = 1 时,等式自然成立.
(2)归纳步骤:假设对 n(n \geqslant 1) 等式成立,要证对 n + 1 等式也成立. 事实上,
1.36 (1)归纳基础:当 n = 1 时,等式自然成立.
(2)归纳步骤:假设对 n(n \geqslant 1) 等式成立,要证对 n + 1 等式也成立. 事实上,
1.37 (1)归纳基础:当 n = 1 时,1^2 = 1 = \dfrac{1 \times (1 + 1) \times (2 \times 1 + 1)}{6},等式成立.
(2)归纳步骤:假设对 n(n \geqslant 1) 等式成立,即 1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \dfrac{n(n + 1)(2n + 1)}{6},下面证明对 n + 1 等式也成立,即证明:
由归纳假设可得
于是
1.38 (1)归纳基础:当 n = 1 时,1^3 = 1 = \left(\dfrac{1 \times (1 + 1)}{2}\right)^2,等式成立.
(2)归纳步骤:假设对 n(n \geqslant 1) 等式成立,即:
下面证明对 n + 1 等式也成立,即证明:
由归纳假设,1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \left(\dfrac{n(n + 1)}{2}\right)^2,所以
1.39 (1)归纳基础:当 n = 1 时,因为 3 \mid 0,所以 3 \mid (1^3 - 1),故结论成立.
(2)归纳步骤:假设对 n(n \geqslant 1) 结论成立,即 3 \mid (n^3 - n),下面证明对 n + 1 结论也成立,即证明:3 \mid ((n + 1)^3 - (n + 1)),而
由归纳假设可知,3 \mid (n^3 - n),又 3 \mid 3(n^2 + n),所以,3 \mid ((n^3 - n) + 3(n^2 + n)),即 3 \mid ((n + 1)^3 - (n + 1)).
1.40 观察如下:
猜想
证明 用归纳法证明
归纳基础 当 n = 0 时,a_0 = 2^1 - 1 = 1. 等式成立.
归纳步骤 假设对 n(n \geqslant 0) 等式成立,即 a_n = 2^{n+1} - 1. 于是,
即对 n + 1 等式成立. 得证 a_n = 2^{n+1} - 1,n \in \mathbf{N}.
1.41 不难看出 A = \{3^n \mid n \in \mathbf{Z}^+\}.
1.42 (1),(2),(5)属于 B,(3),(4)不属于 B.
分析 B 不可能用列举法表示,要用描述法表示也十分困难,而递归定义能够很简捷、严格地给出它的定义. 由此可以看到递归定义是一种非常重要的定义方法,在后面将多次使用.
解读(原书此处与题干不一致):教材 p36 习题 1.42(2) 的题干写的是 (x),(xy)\in B,而答案书 p19 重印该题时写成了 (x)\in A、(xy)\in A。此处按规范各自逐字保留原书原文,未作统一。