Понятие подмножества. Как найти все подмножества множеств. Обозначение множеств, подмножеств и их элементов

Идет о нечисловых множествах. Например, говорят о множестве диагоналей многоугольника, о множестве точек на координатной прямой, о множестве прямых, проходящих через точку.

Предметы или объекты, образующие данное множество, называются его элементами. Например, число $6$ будет являться элементом множества натуральных чисел, а число $0,9$ не будет являться элементом множества натуральных чисел.

Виды множеств

Множества могут быть конечными и бесконечными, пустыми.

Определение 2

Конечным называют множество, состоящее из конечного числа элементов, но при этом конечное множество может иметь любое количество элементов.

Среди конечных множеств выделяют множество, не имеющее ни одного элемента. Такое множество называется пустым множеством.

Определение 3

Множество, не являющееся конечным, называют бесконечным множеством .

Подмножества

Если некоторое множество не является пустым, то из него можно выделить другие множества, которые будут являться его частями.

Например, из множества натуральных чисел можно выделить множество четных.

В математике часть множества называют - подмножество. Говорят, что множество является подмножеством другого, если каждый элемент подмножества является одновременно и элементом большего множества.

Обозначение множеств, подмножеств и их элементов

Чаще всего множества обозначаются латинскими буквами- $A, B, C , D, X, Y, Z, W$ и Т.Д.

Элементы множеств обозначаются строчными буквами $a,b,c,d,x,y,z$ и Т.Д.

Записать принадлежность некоторого элемента к некоторому множеству, например то, что некоторой элемент $a$ будет входить в множество $A$ математически можно так: $a\in A$.Прочитать данную запись можно так: a принадлежит множеству $A$.

Если же некоторый элемент, например, $b$ не принадлежит множеству $B$, то это записывается так: $b\notin B$.Читают эту запись так: $b$ не принадлежит множеству $B$

Например, если обозначить множество целых чисел за $A$, что тогда можно записать: $3\in A$, $7,5\notin B$

Пустое множество в математике обозначают так: $ᴓ$

Для обозначения того, что множество $B$ является подмножеством множества $A$, используют обозначение: Знак $\subset $ обозначает включение одного множества в другое множество.

Пример 1

Определить какие элементы из перечисленных $12,38,54,79,934$ будут входить в множество $A$- чисел кратных $3$.

Решение: По условию множество $A$ содержит в себе элементы, каждый из которых должен быть кратным, т.е. делится без остатка на $3.$ Значит для того чтобы определить будут ли заданные числа являться элементами множества $A$ нам надо проверить какие из них будут делится на $3$ без остатка, какие нет.

Вспомним признак делимости на $3$ : Если сумма цифр, входящих в состав числа делится на $3$, то число делится на $3$ без остатка.

$12$ делится на $3$, т.к. сумма цифр числа $12$ равна $3$

число $38$ на $3$ без остатка делится не будет, т.к. сумма цифр $3+8=11$ не делится на $3$ без остатка

аналогично т.к. суммы цифр числа $54$ равна $9$ доказываем, что на $3$ оно делится, в число $74$ на $3$ делится не будет, т.к. сумма цифр равна $11.$

Найдем сумму цифр числа $934: 9+3+4=16$, число $16$ не кратно $3$ ,значит и число $934$ на $3$ без остатка делится не будет

Теперь сделаем вывод, какие числа будут являться элементами множества $A$:

Способы задания множеств

Существует два глобально различных способа задания множеств.

Первый заключается в том, что множество задается указанием всех его элементов. В таком случае говорят, что множество задано перечислением всех своих элементов или списком своих элементов. Перечислением элементов можно задать только конечные множества и при небольшом количестве элементов, входящих в него

Конечные множества с небольшим количеством элементов обычно записывают в фигурных скобках $\left\{a,b,c\right\}$

При таком способе задания множеств говорят, что множество задано перечислением его элементов.

Второй способ задания множеств применим как для конечных. так и для бесконечных множеств. Он заключается в том, что указывается свойство, которым обладает каждый элемент данного множества - множество задают описанием, т.е. указав его характеристическое свойство, т. е свойство, которым обладают все элементы этого множества и не обладают никакие другие объекты.

Пример 2

Например, с помощью описания можно задать такие множество натуральных чисел от $1$ до $9$ включительно. Характеристическим свойством, т. е. свойством, которым обладают все элементы этого множества для данных элементов будет являться то, что все они являются натуральными числами и каждое из них не меньше $1$ и не больше $9$. Перечислением указанное множество можно задать следующим образом:

$A=\left\{1\ ,2\ ,3,4,5,6,7,8,9\right\}$

Равенство множеств

Множества равны в том случае, если равны их элементы. При этом если множества состоят из одних и тех же элементов, но записанных в разном порядке то эти множества различны, хотя и равны.

Объединение множеств

Из двух множеств $A$ и $B$ можно образовать новое множество, объединяя все элементы множества $A$ и все элементы множества $B$

Математически это можно обозначить так:$\ А\ \cup B$

Объединением множеств $A$ и $B$ называется новое множество$\ А\ \cup B$, состоящее из тех и только из тех элементов, которые входят хотя бы в одно из множеств $A$ или $B$.

Разность множеств

Разностью двух множеств $A$ и $B$ называют такое множество, в которое входят все элементы из множества $A$, не принадлежащие множеству $B$.

На простом примере напомним, что называется подмножеством, какие бывают подмножества (собственные и несобственные), формулу нахождения числа всех подмножеств, а также калькулятор, который выдает множество всех подмножеств.

Пример 1. Дано множество А = {а, с, р, о}. Выпишите все подмножества
данного множества.
Решение:

Собственные подмножества: {а} , {с} , {р} , {о} , {а, с} , {а, р} , {а, о}, {с, р} , {с, о } ∈, {р, о}, {а, с,р} , {а, с, о}, {с, р, о}.

Несобственные: {а, с, р, о}, Ø.

Всего: 16 подмножеств.

Пояснение. Множество A является подмножеством множества B если каждый элемент множества A содержится также в B.

Пустое множество ∅ является подмножеством любого множества, называется несобственным;
. любое множество является подмножеством самого себя, также называется несобственным;
. У любого n-элементного множества ровно 2 n подмножеств.

Последнее утверждение является формулой для нахождения числа всех подмножеств без перечисления каждого.

Вывод формулы: Допустим у нас имеется множество из n-элементов. При составлении подмножеств первый элемент может принадлежать подмножеству или не принадлежать, т.е. первый элемент можем выбрать двумя способами, аналогично для всех остальных элементов (всего n-элементов), каждый можем выбрать двумя способами, и по правилу умножения получаем: 2∙2∙2∙ ...∙2=2 n

Для математиков сформулируем теорему и приведем строгое доказательство.

Теорема. Число подмножеств конечного множества, состоящего из n элементов, равно 2 n .

Доказательство. Множество, состоящее из одного элемента a, имеет два (т.е. 2 1) подмножества: ∅ и {a}. Множество, состоящее из двух элементов a и b, имеет четыре (т.е. 2 2) подмножества: ∅, {a}, {b}, {a; b}.
Множество, состоящее из трех элементов a, b, c, имеет восемь (т.е. 2 3) подмножеств:
∅, {a}, {b}, {b; a}, {c}, {c; a},{c; b}, {c; b; a}.
Можно предположить, что добавление нового элемента удваивает число подмножеств.
Завершим доказательство применением метода математической индукции. Сущность этого метода в том, что если утверждение (свойство) справедливо для некоторого начального натурального числа n 0 и если из предположения, что оно справедливо для произвольного натурального n = k ≥ n 0 можно доказать его справедливость для числа k + 1, то это свойство справедливо для всех натуральных чисел.

1. Для n = 1 (база индукции) (и даже для n = 2, 3) теорема доказана.

2. Допустим, что теорема доказана для n = k, т.е. число подмножеств множества, состоящего из k элементов, равно 2 k .

3. Докажем, что число подмножеств множества B, состоящего из n = k + 1 элемента равно 2 k+1 .
Выбираем некоторый элемент b множества B. Рассмотрим множество A = B \ {b}. Оно содержит k элементов. Все подмножества множества A - это подмножества множества B, не содержащие элемент b и, по предположению, их 2 k штук. Подмножеств множества B, содержащих элемент b, столько же, т.е. 2 k
штук.

Следовательно, всех подмножеств множества B: 2 k + 2 k = 2 ⋅ 2 k = 2 k+1 штук.
Теорема доказана.

В примере 1 множество А = {а, с, р, о} состоит из четырех элементов, n=4, следовательно, число всех подмножеств равно 2 4 =16.

Если вам необходимо выписать все подмножества, или составить программу для написания множества всех подмножеств, то имеется алгоритма для решения: представлять возможные комбинации в виде двоичных чисел. Поясним на примере.

Пример 2. Eсть множество {a b c}, в соответствие ставятся следующие числа:
000 = {0} (пустое множество)
001 = {c}
010 = {b}
011 = {b c}
100 = {a}
101 = {a c}
110 = {a b}
111 = {a b c}

Калькулятор множества всех подмножеств.

В калькуляторе уже набраны элементы множества А = {а, с, р, о} , достаточно нажать кнопку Submit. Если вам необходимо решение своей задачи, то набираем элементы множества на латинице, через запятую, как показано в примере.

Множеством называется совокупность определенных вполне различаемых объектов, рассматриваемых как единое целое.

Под множеством понимается некоторая совокупность объектов, объединенных по какому-то общему признаку.

Отдельные объекты, из которых состоит множество, называются элементами множества.

Множество обозначают символом A = {x }, где x - общее наименование элементов множества A . Часто множество записывают в виде A = {a , b , c , ...}, где в фигурных скобках указаны элементы множества A . Будем пользоваться обозначениями:

N - множество всех натуральных чисел;
Z - множество всех целых чисел;
Q - множество всех рациональных чисел;
R - множество всех действительных чисел;
C - множество всех комплексных чисел;
Z 0 - множество всех неотрицательных целых чисел.

a принадлежит множеству A .

Запись (или ) означает, что элемент a не принадлежит множеству A .

Подмно́жество в теории множеств - это понятие части множества.

Множество B , все элементы которого принадлежат множеству A , называется подмножеством множества A , и при этом записывают (или )

Всегда , так как каждый элемент множества, естественно, принадлежит A . Пустое множество, т. е. множество, не содержащее ни одного элемента, обозначим символом . Любое множество содержит пустое множество в качестве своего подмножества.

Если , то A и B называются равными множествами , при этом записывают A = B .

5. Операции над множествами: объединение множеств, свойства этой операции.

Объединение множеств А и В - это множество, состоящее из всех тех и только тех элементов, которые принадлежат хотя бы одному из множеств А или В, т.е. принадлежат А или принадлежат В.

объединением множеств A и B называется множество

6. Операции над множествами: пересечение множеств, свойства этой операции.

Пересечение множеств А и В - это множество, состоящее из всех тех и только тех элементов, которые принадлежат как множеству А, так и множеству В.

Пересечением подмножеств A и B называется множество

7. Элементы комбинаторики: Перестановки.

Все разнообразие комбинаторных формул может быть выведено из двух основных утверждений, касающихся конечных множеств – правило суммы и правило произведения .

Правило суммы : пусть имеется n попарно непересекающихся множеств A 1 , A 2 , …, A n , содержащих m 1 , m 2 , …, m n элементов соответственно. Число способов, которыми можно выбрать один элемент из всех этих множеств, равно m 1 + m 2 + … + m n .

Пример . Если на первой полке стоит X книг, а на второй Y , то выбрать книгу с первой или второй полки, можно X+Y способами.

Правило произведения : пусть имеется n множеств A 1 , A 2 , …, A n содержащих m 1 , m 2 , …, m n элементов соответственно. Число способов, которыми можно выбрать по одному элементу из каждого множества, т. е. построить кортеж (а 1 , а 2 , ..., а n ), где а i Î А i1 (i = 1, 2, …, n ), равно m 1 · m 2 · … · m n .

Пример . Если на первой полке стоит 5 книг, а на второй 10, то выбрать одну книгу с первой полки и одну со второй можно 5*10=50 способами.

Факториал. Так называют часто встречающуюся в практике функцию, определенную для целых неотрицательных чисел. Название функции происходит от английского математического термина factor - «сомножитель». Обозначается она . Для каждого целого положительного числа функция равна произведению всех целых чисел от 1 до . Например: . Для удобства полагают по определению . Особенно часто встречается факториал в комбинаторике. Например, количество способов выстроить школьников в одну шеренгу равняется

Определение. Если в некотором множестве переставлять местами элементы, оставляя неизменным их количество, то каждая полученная таким образом комбинация называется перестановкой .

Общее число перестановок из m элементов обозначается P m и вычисляется по формуле:

8. Элементы комбинаторики: Сочетания.

Определение. Если из т элементов составлять группы по п элементов в каждой, не обращая внимания на порядок элементов в группе, то получившиеся при этом комбинации называются сочетаниями из т элементов по п .

Общее число сочетаний находится по формуле:

9. Элементы комбинаторики: Размещения.

Множество А называют подмножеством множества S (или в множестве 5), если каждый элемент множества А является элементом множества S. Обозначение: Ис5.

Выражение AqS также читают: «А включено в 5», «А содержится в 5», «S содержит А», «А часть S». Знак с называют символом включения.

Запишем данное определение символически:

Из определения вытекает: множество А является подмножеством в S тогда и только тогда, когда из предложения (хеА ) следует предложение (xeS).

Построим отрицание к тому, что AczS. По законам логики имеем:

Итак, предложение «Множество А не включено в S » равносильно предложению «Существует элемент множества А , который не лежит в S».

Два множества А и В формально можно соединить знаками включения двумя способами: A(z.B и ВсА. Каждое из этих выражений определяет предложение, которое может быть истинным или ложным. Второе включение В (также пишут А^В) по отношению к первому называют обратным. Не всегда из справедливости одного из включений следует истинность другого включения.

Пример 6.2.1. Имеет место включение {-2;2} с {-2;0; 1 ;2}, так как оба числа (-2) и 2 являются элементами множества {-2;0; 1 ;2}. Однако {-2;0; 1 ;2} не включено в {-2;2}, так как, например, 0г {-2;2}.

Пример 6.2.2. Пусть А - множество всех ромбов, В - множество всех квадратов.

А ? В, так как существует ромб, не являющийся квадратом.

В с: А, так как любой квадрат является ромбом (что вытекает из определений данных фигур).

Друг ими словами, множество всех квадратов является подмножеством множества всех ромбов.

Пример 6.2.3. {х | *:12}с{* | дг:3}, так как *:12=>*:3 (обоснуйте самостоятельно). Однако обратное включение неверно, гак как х:3фх":2 (приведите контрпример).

Из определения вытекает, что то есть каждое множество является подмножеством самою себя.

Возьмем вместо А пустое множество. Тогда утверждение 0qS равносильно V* (хе0 xeS). Так как посылка импликации всегда ложна, то для любого объекта д; импликация принимает истинное значение. Значит, утверждение 0qS верно. Итак, пустое множество является подмножеством любого множества.

Вывод: у любого непустого множества всегда есть два подмножества - само множество и пустое. Их называют тривиальными подмножествами. Само множество также называют несобственным подмножеством.

Подмножество в S называется собственным, если оно не совпадает с S. Запись AaS означает, что А является собственным подмножеством в S:

Знак символом строгого включении.

Мы имеем два отношения: отношение принадлежности элемента множеству (обозначаемое знаком е) и отношение включения множеств (обозначаемое знаком с). В общем случае это разные знаки. Например, {2}с{2,3}, но {2} *г{2,3}. Однако иногда между множествами можно поставить оба знака.

Пример 6.2.4. Множество А = {2} является элементом множества В = {1,2,{2}}. При этом А есть подмножество множества В , так вес элементы множества А лежат в В (в А есть только один элемент - число 2, который лежит в В).

Итак, {2}е{1,2,{2» и {2}с{ 1,2,{2}}.

Пример 6.2.5. Рассмотрим плоскость а и прямую /, лежащую на этой плоскости. Если рассматривать прямую как элемент плоскости, то принято писать lea. Если же понимать прямую как множество точек, принадлежащих данной прямой, то это множество будет подмножеством множества всех точек плоскости. Тогда можно записать /са.

Пусть верны прямое и обратное включения AqB и B В этом случае для всех х выполняются импликации хеЛ ->хеВ и xgB->xеЛ, что равносильно тому, что для всех.v хеЛ тогда и только тогда, когда хеВ. Это означает, что множества А и В совпадают:

Эю простое соображение лежит в основе метода доказательства равенства множеств, называемого методом двойного включения : для того чтобы доказать, что множества А и В равны, надо доказать прямое и обратное включения множ еств.

По сути, эта идея была продемонстрирована в примере 6.1.3, так как прямое включение A означает, что из предиката Р{х), задающего множество А , следует предикат Q{x ), задающий множество В , а обратное включение означает, что из Q(x) следует Р(х). Рассмотрим еще один пример.

Пример 6.2.6. Возьмем множества:

А = {2п | neZ) - множество всех четных чисел,

В - {хх=а+Ь, где а и b - нечетные числа} - множество всех чисел, каждое из которых является суммой некоторых нечетных чисел.

Докажем, что А=В.

Покажем справедливость включения А^В. Пусть хеА, тогда имеем х = 2w = (2/f-l)+1, то есть х представим в виде суммы двух нечетных чисел. Значит, хеВ.

Верно также обратное включение ВсА. В самом деле, пусть хеВ. Тогда х = (2/7+1)+(2А+1) = 2(/;+А"+1) = 2т. Значит х - четное число, поэтому хеА.

Оба включения доказаны. Значит, множества А и В равны.

Упражнение. Докажите, что множества {2/7-1 пе Z} и {2/7+1 | не Z} равны, то есть оба определяют множество нечетных чисел.

Пример 6.2.7. Заметим, что множества А= {2я-1 | //eN} и В - {2/7+1 | /7 € N} нс равны, так как IgA, но 1 &В. Поэтому множество всех нечетных положительных чисел задаст только множество Л. При этом включение Л^В верно.

Пусть дано множество S. Семейство всех подмножеств множества S называется булеаном множества S (или степенью множества S) и обозначается В(5) или 2 s .

По определению В(5) = {X | AfcS}.

Ясно, что 0еВ(5) и SeB(S) для любого множества S.

Пример 6.2.8. Пусть S = {1,2,3}. Найдем булсан этого множества.

Заметим, что элементами булеана являются множества.

Термин «степень множества» и соответствующее обозначение мотивируются тем, что если мы имеем конечное //-элементное множество, то число элементов его булеана будет равно степени 2". Рассмотренный выше пример иллюстрирует эту зависимость. Доказательство данного факта будет дано в главе 3. Там же будет рассмотрена формула, позволяющая находить у //-элементного множества число подмножеств, содержащих фиксированное число элементов.

• В некоторой литературе знаком с обозначают произвольное подмножество.

Два множества A и B равны, если они состоят из одних и тех же элементов.

Из этого принципа следует, что для любых двух различных множеств всегда найдется некоторый объект, являющийся элементом одного из них и не являющийся элементом другого. Так как пустые совокупности не содержат элементов, то они не различимы и поэтому пустое множество – единственно.

Подмножества. Определение равенства множеств можно сформулировать иначе, используя понятие подмножества.

Определение. Множество A называется подмножеством множества B , если каждый элемент A является элементом B.

Следствие 1. Очевидно,
для любого множества A, т.к. каждый элемент из A есть элемент из A.

Следствие 2. Для любого множества A,
, ибо если бы пустое множество не являлось подмножеством A, то в пустом подмножестве существовали бы элементы, не принадлежащие A. Однако пустое множество не содержит вообще ни одного элемента.

Если
, то пишут
, и если
, то A – собственное подмножество B.

Понятие подмножества множеств позволяет легко формализовать понятие равенства двух множеств.

Утверждение. Для любых A и B

Логическую эквивалентность, определяемую выражением (1.1) используют как основной способ доказательства равенства двух множеств.

Замечание . Отношение включения  обладает рядом очевидных свойств:

(рефлексивность);

(транзитивность).

Для любого множества X можно определить специальное множество всех подмножеств множества X, которое называется булеаном ℬ
, которое включает в себя само множество X, все его подмножества и пустое множество
.

Пример. Пусть
– это множество, состоящее из трех элементов. Тогда булеанℬ (X) это множество:

Собственными подмножествами ℬ (X) являются следующие множества:

{a},{b},{c},{a,b},{b,c},{a,c}.

В общем случае, если множество X содержит n элементов, то множество его подмножеств ℬ (X) состоит из элементов.

Операции на множествах.

Пусть U – универсальное множество,
. Тогда для множеств X,Y можно определить операции
.

Определение . Объединением множеств X и Y называется множество
, состоящее из элементов, входящих хотя бы в одно из множеств (X или Y):

Рис. 1.1 – Объединение множеств Рис. 1.2 – Пересечение множеств

Определение . Пересечением множеств X и Y называется множество
, состоящее из элементов, входящих в X и в Y одновременно:

Определение . Разностью множеств X и Y называется множество
, состоящее из элементов, входящих в множество X, но не входящих в Y:

Рис. 1.3 – Разность множеств
Рис. 1.4 – Симметрическая

разность множеств

Определение . Симметрической разностью двух множеств X и Y называется множество
, состоящее из элементов множества X и элементов множества Y, за исключением элементов, являющихся общими для обоих множеств:

Определение . Для любого множества
дополнением множествадо U называется такое множество, что:

Рис. 1.5 – Дополнение множества X до U

На рис. 1.1  1.5 представлены диаграммы Венна, наглядно демонстрирующие результаты операций
.

Дополнение множества иногда обозначается
. Операции
связаны между собой законами де Моргана:

, (1.7)

. (1.8)

В справедливости законов де Моргана легко убедиться самостоятельно.

В таблице 1.1 представлены основные свойства операций над множествами.

Таблица 1.1

Операции объединения и пересечения можно обобщить. Пусть
– множество индексов,
– семейство подмножеств множества X.

Определение. Семейство подмножеств
множества X, для которых
, называетсяразбиением множества X, если выполняются следующие два условия:

,

Определение. Семейство подмножеств
множества X называетсяпокрытием множества X, если:
.

Определение. Класс K подмножеств из U называется алгеброй, если:

1.
;

2. из того, что
следует, что
;

3. из того, что
следует, что
.

Пример. Пусть
, тогда класс
образует алгебру.

Определение. Класс F подмножеств из U образует -алгебру, если:

1.
;

2. из того, что
следует
;

3. из того, что
,
следует, что
.

Пример. Множество всех подмножеств U образует -алгебру, т.е.ℬ (U) – -алгебра.