1. Теория множеств Определение: Множество A – совокупность элементов, объединённых каким-нибудь общим свойством. Введём следующие обозначения. Множества будем обозначать заглавными буквами латинского алфавита A, B,... или с подстрочным индексом A1 , A2 ,... , элементы множества будем обозначать строчными буквами латинского алфавита a, b,... или с подстрочным индексом a1 , a2 ,... . Принадлежность элемента x множеству A будем обозначать x ∈ A ; если элемент не принадлежит множеству, тогда пишем x ∉ A . Пустое множество будем обозначать ∅ . Определения: 1. B является подмножеством множества A , то есть B ⊆ A ⇔ x ∈ B ⇒ x ∈ A , то есть каждый элемент x ∈ B обладает свойством x ∈ A . 2. ∀A ∅ ⊆ A , то есть ∅ является подмножеством любого множества. 3. Множества A и B равны, то есть A = B , ⇔ A ⊆ B и B ⊆ A . 4. B является строгим подмножеством множества A , будем обозначать это B ⊂ A , ⇔ B ⊆ A и B ≠ A . 5. B является собственным подмножеством множества A ⇔ B ⊂ A и B≠∅. Определим операции над множествами: • Объединение множеств A и B : A ∪ B = { x | x ∈ A ∨ x ∈ B} , • Пересечение множеств A и B : A ∩ B = { x | x ∈ A & x ∈ B} , • Разность множеств A и B : A \ B = { x | x ∈ A & x ∉ B} , • Симметрическая разность A и B : A ∆ B = ( A \ B ) ∪ ( B \ A) , • Дополнение множества A относительно U , где A ⊆ U : A = U \ A . Из определения операций над множествами можно получить следующие свойства: 1. x ∉ A ∪ B ⇔ x ∉ A и x ∉ B , 2. x ∉ A ∩ B ⇔ x ∉ A или x ∉ B , 3. x ∉ A \ B ⇔ x ∉ A или x ∈ B . Пример 1.1: Доказать равенство A ∪ B = A ∪ ( B \ A) Доказательство: По определению, доказательство равенства эквивалентно доказательству двух утверждений: 1. A ∪ B ⊆ A ∪ ( B \ A) , 2. A ∪ B ⊇ A ∪ ( B \ A) . Докажем первое утверждение: Пусть x ∈ A ∪ B , тогда x ∈ A или x ∈ B . Рассмотрим два случая: x ∈ A и x ∉ A . Пусть x ∈ A , тогда для любого множества C имеет место x ∈ A ∪ C , в качестве множества C возьмём множество B \ A , тогда x ∈ A ∪ ( B \ A) . Пусть x ∉ A , тогда x ∈ B , то есть можно записать, что x ∈ B \ A , тогда x ∈ A ∪ ( B \ A) . Докажем второе утверждение: Пусть x ∈ A ∪ ( B \ A) , тогда x ∈ A или x ∈ B \ A . Рассмотрим два случая: x ∈ A и x∉ A. Пусть x ∈ A , тогда x ∈ A ∪ B . Пусть x ∉ A , тогда x ∈ B \ A , то по определению разности множеств x ∈ B и x ∉ A , следовательно x ∈ A ∪ B . Пример 1.2: Доказать утверждение A ⊆ B ∩ C ⇔ A ⊆ B и A ⊆ C . Доказательство: Для доказательства этого утверждения нужно доказать два следующих следствия: 1. A ⊆ B ∩ C ⇒ A ⊆ B и A ⊆ C , 2. A ⊆ B ∩ C ⇐ A ⊆ B и A ⊆ C . Докажем первое следствие: Доказательство состоит в том, что нужно доказать одновременную принадлежность элемента x ∈ A множествам B и C . Пусть x ∈ A , тогда в силу A ⊆ B ∩ C , следует, что x ∈ B и x ∈ C . Докажем второе следствие: Пусть x ∈ A , тогда в силу A ⊆ B и A ⊆ C , следует, что x ∈ B и x ∈ C , по определению операции пересечения x ∈ B ∩ C . Пример 1.3: Существуют ли такие множества A , B , C , что A ∩ B ≠ ∅ , A ∩ C = ∅ , ( A ∩ B) \ C = ∅ . Решение: Будем считать, что такие множества существуют. Тогда ∃x ∈ A ∩ B в силу того, что A ∩ B ≠ ∅ , по определению операции пересечения x ∈ A и x ∈ B . Так как x ∈ A и A ∩ C = ∅ , тогда x ∉ C . Так как x ∈ A , x ∈ B и x ∉ C , следовательно x ∈ ( A ∩ B ) \ C , тогда возникает противоречие с равенством ( A ∩ B ) \ C = ∅ . Следовательно ¬ ∃x ∈ A ∩ B , поэтому множеств удовлетворяющих условию задачи не существует. Пример 1.4: Доказать равенство A ∩ B = A ∪ B . Доказательство: По определению, доказательство равенства эквивалентно доказательству двух утверждений: 1. A ∩ B ⊆ A ∪ B , 2. A ∩ B ⊇ A ∪ B . Докажем первое утверждение: Пусть x ∈ A ∩ B ⇒ x ∈ U \ ( A ∩ B ) ⇒ x ∈U и x ∉ A ∩ B ⇒ x ∈ U & x ∉ A или x ∈ U & x ∉ B . Если x ∈ U & x ∉ A , тогда x ∈ A и следовательно x ∈ A ∪ B . Если x ∈ U & x ∉ B , тогда x ∈ B и следовательно x ∈ A ∪ B . Докажем второе утверждение: Пусть x ∈ A ∪ B , тогда по определению операции объединения x ∈ A или x ∈ B . Если x ∈ A , тогда x ∈U \ A , следовательно x ∈U и x ∉ A , если элемент не принадлежит какому-либо множеству C , то он не будет принадлежать и пересечению данного множества C с любым другим множеством, то есть x ∉ A ⇒ x ∉ A ∩ B , из этого следует x ∈ U \ ( A ∩ B ) , то x ∈ A ∩ B . Аналогично проводится доказательство для случая x ∈ B . Пример 1.5: Доказать равенство A \ ( A \ B ) = A ∩ B . Доказательство: Для доказательства будем использовать эквивалентные преобразования: x ∈ A \ ( A \ B) ⇔ x ∈ A & x ∈ A \ B ⇔ x ∈ A & ∨ (x∈ A (x∉ A ∨ x ∈ B) ⇔ (x∈ A & x ∉ A) & x ∈ B) ⇔ x ∈ A & x ∈ B ⇔ x ∈ A ∩ B . 2. Декартово произведение множеств Определения: 1. Мощность множества A – это число его элементов, обозначается A . 2. Мощность множеств всех подмножеств множества A P ( A) = 2 . A равна 3. Декартово произведение множеств A и B – есть множество вида A× B = { x, y 4. Мощность } x ∈ A& y ∈ B . декартова произведения множеств A и B равна A× B = A B . Пример 2.1 Пусть A = {1, 2,3} и B = {a, b} . Найти декартовы произведения A × B и B × A . Найти мощности этих декартовых произведений. Решение: По определению декартова произведения: A × B = { 1, a , 1, b , 2, a , 2, b , 3, a , 3, b } , B × A = { a,1 , b,1 , a, 2 , b, 2 , a,3 , b, 3 } . Очевидно, что A × B ≠ B × A . Мощности полученных декартовых произведений A× B = B × A = A B = 3⋅ 2 = 6 . Пример 2.2 Доказать равенство ( A ∪ B ) × C = ( A × C ) ∪ ( B × C ) . Доказательство: Для доказательства равенства докажем два утверждения: 1. ( A ∪ B ) × C ⊆ ( A × C ) ∪ ( B × C ) , 2. ( A ∪ B ) × C ⊇ ( A × C ) ∪ ( B × C ) . Докажем первое утверждение: Пусть x, y ∈ ( A ∪ B ) × C , тогда x ∈ A ∪ B и y ∈ C . Если x ∈ A и y ∈ C , тогда x, y ∈ A × C , следовательно x, y ∈ ( A × C ) ∪ ( B × C ) . Если x ∈ B и y ∈ C , тогда x, y ∈ B × C , следовательно x, y ∈ ( A × C ) ∪ ( B × C ) . Докажем второе утверждение: Пусть x, y ∈ ( A × C ) ∪ ( B × C ) , тогда x, y ∈ A × C , тогда x ∈ A и x, y ∈ A × C или x, y ∈ B × C . Если y ∈ C , следовательно x ∈ A ∪ B и y ∈ C , тогда x, y ∈ ( A ∪ B ) × C . Аналогично доказывается для случая x, y ∈ B × C . Пример 2.3 Доказать ( A × B ) ∪ ( C × D ) ⊆ ( A ∪ C ) × ( B ∪ D ) , при каких получается равенство? Доказательство: Пусть x, y ∈ ( A × B ) ∪ ( C × D ) , тогда x, y ∈ A × B или A, B, C , D ≠ ∅ x, y ∈ C × D , ( x ∈ A ∨ x ∈ C ) & ( y ∈ B ∨ y ∈ D ) , из этого условия следует, что y ∈ B ∪ D , тогда x, y ∈ ( A ∪ C ) × ( B ∪ D ) . x∈ A∪C то и Попробуем сделать доказательство в обратную сторону. Пусть x, y ∈ ( A ∪ C ) × ( B ∪ D ) , тогда x ∈ A ∪ C и y ∈ B ∪ D , из этого следует, что ( x ∈ A ∨ x ∈ C ) & ( y ∈ B ∨ y ∈ D ) , тогда следует рассмотреть четыре варианта: 1. x ∈ A и y ∈ B , тогда x, y ∈ A × B , следовательно x, y ∈ ( A × B ) ∪ ( C × D ) , 2. x ∈ C и y ∈ D , тогда x, y ∈ C × D , следовательно x, y ∈ ( A × B ) ∪ ( C × D ) , 3. x ∈ A и y ∈ D , тогда x, y ∈ A × D , 4. x ∈ C и y ∈ B , тогда x, y ∈ C × B . Тогда возникают дополнительные условия: D ⊆ B и C ⊆ A или B ⊆ D и A ⊆ C или A = C или B = D . 3. Бинарные отношения, функции, порядок. Определения: 1. Бинарным отношением между элементами множеств A и B называется любое подмножество декартова произведения R ⊆ A × B . 2. Если в предыдущем определении A = B , то R – бинарное отношение на A . 3. Обозначение x, y ∈ R ⇔ xRy . 4. Область определения бинарного отношения R есть множество δ R = { x ∃y : x, y ∈ R} . 5. Область 6. Дополнение бинарного отношения R между элементами A и B есть множество − R = ( A × B ) \ R . 7. Обратное значений ρ R = { y ∃x : x, y ∈ R} . R −1 = 8. отношение { y, x для отношения бинарного R есть множество отношения R есть } x, y ∈ R . Произведение отношений R1 ⊆ A × B и R2 ⊆ B × C есть отношение R1 ⋅ R2 = 9. бинарного { x, y } ∃z ∈ B : x, z ∈ R1 & z , y ∈ R2 . Отношение f называется функцией из A в B , обозначается f : A → B , если: • δf = A и ρf ⊆ B, • ∀x, y, z x, y ∈ f и x, z ∈ f ⇒ y = z . 10. Отношение f называется функцией из A на B , обозначается HA f : A → B , если: • δf = A и ρf = B, • ∀x, y, z x, y ∈ f и x, z ∈ f ⇒ y = z . 11. Если f – функция, то x, y ∈ f обозначают y = f ( x ) . 12. Тождественная функция iA : A → A определяется iA ( x ) = x . 13. Функция f называется 1-1-функцией, если ∀x1 , x2 , y y = f ( x1 ) и y = f ( x2 ) ⇒ x1 = x2 . 14. Функция HA f : A →B осуществляет взаимно однозначное соответствие между множествами A и B , если f является 1-1функцией. 15. Множества A1 , A2 ,..., Ar из P ( A) образуют разбиение множества A , если: • Ai ≠ ∅, ∀i = 1, r , • A = A1 ∪ A1 ∪ ... ∪ Ar , • Ai ∩ A j ≠ ∅, ∀i ≠ j , Ai – блоки разбиения. 16. Бинарное отношение R на множестве A может иметь следующие свойства: • рефлексивность ∀x ∈ A x, x ∈ R , • иррефлексивность ∀x ∈ A x, x ∉ R , • симметричность ∀x, y ∈ A x, y ∈ R ⇒ y, x ∈ R , • антисимметричность ∀x, y x, y ∈ R и y, x ∈ R ⇒ x = y , • транзитивность ∀x, y, z x, y ∈ R и y, z ∈ R ⇒ x, z ∈ R , • дихотомия ∀x ≠ y либо x, y ∈ R , либо y, x ∈ R . 17. Эквивалентность на множестве A – это рефлексивное, симметричное и транзитивное отношение на A . 18. Класс эквивалентности элемента x по эквивалентности R есть множество [ x ]R = { y x, y ∈ R} . 19. Фактор множество A по R есть множество классов эквивалентности элементов множества A и обозначается A / R . 20. Свойства классов эквивалентности: • классы эквивалентности образуют разбиение множества A , • любому разбиению множества A соответствует отношение эквивалентности, классы эквивалентности которого совпадают с блоками указанного разбиения, • ∀x ∈ A попадает в некоторый класс эквивалентности из A / R , • классы эквивалентности либо не пересекаются, либо совпадают. 21. Предпорядок на множестве A – это рефлексивное и транзитивное отношение на A . 22. Частичный порядок на множестве A – это рефлексивное, транзитивное и антисимметричное отношение на множестве A . 23. Линейный порядок на множестве A – это рефлексивное, транзитивное и антисимметричное отношение на множестве A , удовлетворяющее условию дихотомии. 24. Пусть ≤ – отношение порядка на множестве A , тогда: • минимальный элемент x множества A – это элемент для которого ¬ ∃y y < x , • максимальный элемент x множества A – это элемент для которого ¬ ∃y x < y , • наименьший элемент x множества A – это элемент для которого ∀y x ≤ y , • наибольший элемент x множества A – это элемент для которого ∀y y ≤ x . 25. Если между множеством A и множеством натуральных чисел N можно установить взаимно однозначное соответствие, то множество A – счётное множество. Пример 3.1 Пусть A = {1, 2,3} R = { 1, a , 1, b , 2, b } . и B = {a, b} , Будет ли R бинарное отношение определим функцией? Как изменить бинарное отношение R , чтобы R стала функцией? Решение: Рассмотрим первый пункт определения функции δ R = {1, 2} ≠ {1, 2,3} = A , следовательно R не является функцией. Добавим в R пару 3, a , тогда δ R = {1, 2,3} = {1, 2,3} = A , но существуют пары 1, a и 1, b , что противоречит второму пункту определения функции, для этого исключим одну пару, например 1, b и определим бинарное отношение R′ = { 1, a , 2, b , 3, a } , которое будет функцией. Пример 3.2 Пусть A = {1, 2,3} и пусть бинарное отношение R на A имеет вид R = { 1,1 , 2,1 , 2, 3 } . Какими свойствами обладает данное бинарное отношение? Решение: Это отношение не обладает свойством рефлексивности, так как ∃ x = 2 ∈ A : x, x ∉ R . Также R не обладает свойствами иррефлексивности и симметричности. Обладает свойствами транзитивности антисимметричности, так как пар вида x, y , y, z и y, x нет в R . Пример 3.3 Пусть R = { x, y x, y ∈ N y mod x = 0} . Найти δ R , ρ R , R −1 , R ⋅ R, R ⋅ R −1 , R −1 ⋅ R . Решение: δ R ≡ { x ∃y x, y ∈ R} = { x ∀x ∃y = x : x mod x = 0} = Ν , ρ R ≡ { y ∃x x, y ∈ R} = { y ∀y ∃x = 1: y mod1 = 0} = Ν , и { y, x x, y ∈ R} = { y, x y mod x = 0} , R ⋅ R ≡ { x, y ∃z x, z ∈ R & z , y ∈ R} = { x, y ∃z = x : x mod x = 0 & y mod x = 0} = R , R ⋅ R ≡ { x, y ∃z x, z ∈ R & y , z ∈ R} = { x, y ∃z = xy : ( xy ) mod x = 0 & ( xy ) mod y = 0} = N R ⋅ R ≡ { x, y ∃z z , x ∈ R & z , y ∈ R} = { x, y ∃z = 1 : x mod1 = 0 & y mod1 = 0} = N . R −1 ≡ −1 −1 2 , 2 Пример 3.4 −1 Доказать ( R1 ⋅ R2 ) = R2−1 ⋅ R1−1 . Доказательство: Пусть x, y ∈ ( R1 ⋅ R2 ) z , y ∈ R1−1 и x, z ∈ R2−1 ⇔ −1 ⇔ y, x ∈ R1 ⋅ R2 ⇔ ∃z y, z ∈ R1 и z , x ∈ R2 ⇔ ∃z x, y ∈ R2−1 ⋅ R1−1 . Пример 3.5 Для каких бинарных отношений R имеет место R −1 = − R ? Решение: R ⊆ A × B , тогда возможны два случая: 1. A ∩ B ≠ ∅ . Тогда ∃x ∈ A ∩ B . Если x, x ∈ R , тогда x, x ∈ R −1 и по условию R −1 = − R следует x, x ∈ − R , тогда x, x ∉ R . 2. A ∩ B = ∅ . Пусть x ∈ A и y ∈ B и x, y ∈ R , тогда y, x ∈ R −1 , тогда по условию R −1 = − R следует y, x ∈ − R ⇒ y ∈ A и x ∈ B , то есть x ∈ A ∩ B и y ∈ A ∩ B , по предположению таких x и y не существует. Тогда можно сделать вывод, что при условии A, B ≠ ∅ , то R −1 ≠ − R . Пример 3.6 На множестве D – всех действительных чисел определим отношение R следующим образом: x, y ∈ R ⇔ ( x − y ) – рациональное число. Доказать, что R – отношение эквивалентности. Доказательство: Для доказательства отношения эквивалентности рефлексивность, симметричность и транзитивность. 1. рефлексивность: ∀x ∈ D x − x = 0 – рационально число, 2. симметричность: следует доказать если то x, y ∈ R , y − x = −( x − y) = − x− y = p q – рационально число, тогда p – рациональное число, тогда y, x ∈ R , q 3. транзитивность: если x, y ∈ R и y, z ∈ R , то x− y = p q и y−z = m , n сложим p m np + mq + = x−z = – рациональное число, тогда x, z ∈ R . q n nq Следовательно R есть отношение эквивалентности. Пример 3.7 HA HA HA Доказать, что если f : A → B и g : B → C , то f ⋅ g : A →C . Доказательство: Для доказательства докажем оба пункта определения функции. Для доказательства первого пункта необходимо доказать, что ∀x ∈ A ∃z ∈ C : x, z ∈ f ⋅ g и ∀z ∈ C ∃x ∈ A : x, z ∈ f ⋅ g . Рассмотрим ∀x пару x, z ∈ f ⋅ g , тогда ∃y ∈ B : x, y ∈ f и y, z ∈ g , такой y всегда найдётся по определению функций f и g . Рассмотрим ∀z пару x, z ∈ f ⋅ g , тогда ∃y ∈ B : x, y ∈ f и y, z ∈ g , такой y всегда найдётся по определению функций f и g . Для доказательства второго пункта определения предположим, что ∃z1 ≠ z2 : x, z1 ∈ f ⋅ g и x, z2 ∈ f ⋅ g , тогда ∃y1 , y2 : y2 , z2 ∈ g , по определению функций f x, y1 ∈ f , x, y2 ∈ f , y1 , z1 ∈ g и и g следует, что y1 = y2 , из чего следует z1 = z2 . Пример 3.8 Разбиение плоскости D 2 состоит из лучей, выходящих из начала координат. Выписать отношение эквивалентности R , соответствующее данному разбиению, выписать классы эквивалентности. y x Решение: Блок разбиения совпадает с классом эквивалентности. Блоками разбиения в данной задаче являются лучи, выходящие из начала координат. Элементом класса эквивалентности является точка, поэтому отношение эквивалентности состоит из пар точек. Блоки разбиения не пересекаются или совпадают, поэтому точку ( 0;0 ) выделим в отдельный класс эквивалентности, так как все лучи пересекаются в этой точке. Две точки попадают в один класс эквивалентности если они лежат на одном луче, то есть точки представимы в виде ( t cos ϕ , t sin ϕ ) . Тогда ( t1 cos ϕ , t1 sin ϕ ) , ( t2 cos ϕ , t2 sin ϕ ) ∈ R , где ϕ – любой угол и t1 ≤ t2 . Пример 3.9 Плоскость M 2 состоит из лучей, выходящих из окружности, описанной вокруг начала координат. Два точки сравнимы между собой, если они лежат на одном луче не ближе к началу координат, чем радиус окружности, та точка, которая ближе к началу координат является меньшей. Найти наименьший и минимальный элемент. y x Решение: Найдём минимальный элемент – такой элемент, меньше которого не существует элементов. Возьмём любую точку на окружности, образованной окружностью, меньше этой точки элементов нет. Поэтому минимальный элемент – любая точка на окружности. Наименьшего элемента не существует, так как нельзя найти точки, которая хотя бы сравнима со всеми остальными. В случае если бы рассматривалась вся область D 2 , то минимальными элементами были бы все точки круга. Пример 3.10 Доказать, что если R – симметрично и антисимметрично, то оно транзитивно, будет ли данной отношение рефлексивно? Доказательство: Для доказательства транзитивности рассмотрим две пары y, z ∈ R .Так как R – симметрично, тогда y, x ∈ R и антисимметрично, тогда x = y = z . Следовательно x, y ∈ R и z , y ∈ R . Так как R – x, z ∈ R , то есть R – транзитивно. Отношение может быть не рефлексивным, например взяв A = {1, 2} и R = { 1,1 } . Пример 3.11 Доказать, что ∪A i – счетное множество, если все Ai – счётные i∈N множества. Доказательство: Представим множества Ai в виде: A0 = {a00 , a01 , a02 ,...} A1 = {a10 , a11 , a12 ,...} A2 = {a20 , a21 , a22 ,...} … Объединение множеств A = ∪ Ai = {aik ∀i, k ∈ N } . Определим взаимно i∈N однозначное соответствие f ( 0 ) = a00 , f (1) = a01 , f ( 2 ) = a10 , … (нумерация «змейкой») между множеством натуральных чисел N и множеством A . Таким образом A = ∪ Ai – счётное множество. i∈N Пример 3.12 Пусть A = {a, b,..., c} алфавит – конечное множество символов, состоящий из k символов. A* – слова в алфавите. Доказать, что A* –счётное множество. Доказательство: Упорядочим слова в алфавите по длине, а слова с одинаковой длиной упорядочим лексикографически. Затем пронумеруем слова f ( 0 ) = "" , f (1) = " a " , …, f ( k ) = "c " , f ( k + 1) = " aa " , … Следовательно A* – счётное множество. Задачи для самостоятельного решения 1. Доказать, что множество всех корней многочлена α ( x ) = β ( x ) ⋅ γ ( x ) есть объединение множеств корней многочленов β ( x ) и γ ( x ) . 2. Доказать A ⊆ B и C ⊆ D ⇔ A × C ⊆ B × D . 3. Доказать ( A \ B ) × C = ( A × C ) \ ( B × C ) . 4. Пусть A, B ≠ ∅ и ( A × B ) ∪ ( B × A ) = ( C × D ) . Доказать, что A = B = C = D . 5. Пусть R = { x, y x, y ∈ N y + x ≤ 0} . Найти δ R , ρ R , R −1 , R ⋅ R, R ⋅ R −1 , R −1 ⋅ R . 6. Доказать, что f ( A ∪ B ) = f ( A ) ∪ f ( B ) . 7. Доказать, что множество всех подмножеств данного множества частично упорядоченно отношением включения ⊆ . 8. Пусть R – это частичный порядок, будет ли R–1 являться частичным порядком? 9. Определим отношение R на множестве натуральных чисел следующим образом: a, b ∈ R ⇔ ( a − b )⋮ 2 . Доказать, что R является отношением эквивалентности. Построить классы эквивалентности. 10.Пусть R1 и R2 отношения эквивалентности на множестве A . Доказать, что R1 ∪ R2 – эквивалентность ⇔ R1 ∪ R2 = R1 ⋅ R2 . 11.Дано множество A = {a, b, c, d } , отношение < определено следующим образом: a<c, b<c, ≤ = {< x, y > x < y или x = y} c<d, a<d, b<d. Будет ли отношение - частичным порядком. Найти наибольший, наименьший, максимальный, минимальный элементы множества A .