集合入門

Basis
最終更新: タグ: Set Theory

集合(set)は、現代数学のほぼすべての土台になっている。関数、数列、確率空間、さらには自然数そのものも、突き詰めれば集合を使って定義される。本格的な数学を読んだり書いたりするには、集合に慣れ親しんでおくことが欠かせない。

集合とは何か

集合とは、異なるオブジェクトを順序なしで集めたものだ。集合に含まれるオブジェクトを(または要素)と呼ぶ。

集合を記述するもっとも直接的な方法は、波括弧の中に元を列挙することだ:

A={1,  2,  3}A = \{1,\; 2,\; 3\}

ふたつのことを覚えておこう:

  • 順序は関係ない。 {1,2,3}\{1, 2, 3\}{3,1,2}\{3, 1, 2\} は同じ集合だ。
  • 重複は無視される。 {1,1,2,3}\{1, 1, 2, 3\}{1,2,3}\{1, 2, 3\} と同じ集合だ。

帰属関係

記号 \in は「〜の元である」を意味する。その否定 \notin は「〜の元でない」を意味する。

2{1,2,3}5{1,2,3}2 \in \{1, 2, 3\} \qquad 5 \notin \{1, 2, 3\}

標準的な数の集合

特定の数の集合は非常によく登場するため、専用の記号が割り当てられている:

記号名称
N\mathbb{N}自然数0,1,2,3,0, 1, 2, 3, \dots
Z\mathbb{Z}整数,2,1,0,1,2,\dots, -2, -1, 0, 1, 2, \dots
Q\mathbb{Q}有理数12,  34,  7,  \tfrac{1}{2},\; -\tfrac{3}{4},\; 7,\; \dots
R\mathbb{R}実数π,  2,  1.5,  \pi,\; \sqrt{2},\; -1.5,\; \dots
C\mathbb{C}複素数1+2i,  i,  1 + 2i,\; -i,\; \dots

慣習について: 0N0 \in \mathbb{N} かどうかは著者によって異なる。このシリーズでは、00 は自然数として扱う。

内包的記法

小さな集合なら元を列挙できるが、興味深い集合の多くは大きすぎるか、無限集合であるため列挙できない。内包的記法(set-builder notation)を使えば、元が満たすべき性質によって集合を記述できる:

{xRx>0}\{x \in \mathbb{R} \mid x > 0\}

これは「x>0x > 0 を満たす R\mathbb{R} の元 xx 全体の集合」、つまり正の実数全体を表す。縦棒 \mid は「〜を満たす」という意味だ。コロンを使った書き方 {xR:x>0}\{x \in \mathbb{R} : x > 0\} も見かけることがある。

より一般的には:

{xSP(x)}\{x \in S \mid P(x)\}

は、述語 PP が成り立つ SS の元全体からなる部分集合(subset)を表す。

空集合

空集合(empty set)\emptyset(または {}\{\} とも書く)は、元をひとつも含まない唯一の集合だ。すべてのオブジェクト xx に対して xx \notin \emptyset が成り立つ。

空集合は集合論において、算術における 00 と同じ構造的役割を果たす。

部分集合

集合 AABB部分集合(subset)であるとは、AA のすべての元が BB の元でもあることをいい、ABA \subseteq B と書く:

AB    x,xA    xBA \subseteq B \;\coloneqq\; \forall x,\quad x \in A \;\Rightarrow\; x \in B

ABA \subseteq B かつ ABA \neq B のとき、AABB真部分集合(proper subset)であるといい、ABA \subsetneq B と書く。

覚えておくべき事実:

  • A\emptyset \subseteq A(すべての集合 AA に対して)。
  • AAA \subseteq A(すべての集合 AA に対して)。
  • NZQRC\mathbb{N} \subsetneq \mathbb{Z} \subsetneq \mathbb{Q} \subsetneq \mathbb{R} \subsetneq \mathbb{C}

集合の等しさ

ふたつの集合が等しいのは、まったく同じ元を含むときだ。A=BA = B を示す標準的な方法は、互いに相手の部分集合であることを示すことだ:

A=B        AB   かつ   BAA = B \;\iff\; A \subseteq B \;\text{ かつ }\; B \subseteq A

つまり、集合はその元だけによって完全に決まる——どんな書き方をしたかは関係ない。

基本的な集合演算

集合 AABB が与えられたとき、以下の演算によって新しい集合を作れる。

和集合

和集合(union)ABA \cup B は、AABB か、あるいは両方に属するすべての元を集めたものだ:

AB    {xxA または xB}A \cup B \;\coloneqq\; \{x \mid x \in A \text{ または } x \in B\}

共通部分

共通部分(intersection)ABA \cap B は、AABB両方に属する元だけを残したものだ:

AB    {xxA かつ xB}A \cap B \;\coloneqq\; \{x \mid x \in A \text{ かつ } x \in B\}

AB=A \cap B = \emptyset のとき、これらの集合は互いに素(disjoint)であるという。

差集合

差集合(set difference)ABA \setminus B(「AA から BB を引いたもの」と読む)は、AA の元のうち BB に属さないものからなる:

AB    {xxA かつ xB}A \setminus B \;\coloneqq\; \{x \mid x \in A \text{ かつ } x \notin B\}

補集合

議論する集合がすべて固定された全体集合(universal set)UU の中にあるとき、AA補集合(complement)は UU の元のうち AA に属さないものすべてだ:

Ac    UA  =  {xUxA}A^c \;\coloneqq\; U \setminus A \;=\; \{x \in U \mid x \notin A\}

濃度

有限集合 AA濃度(cardinality)A|A| は、AA が含む元の個数だ:

{a,b,c}=3,=0|\{a, b, c\}| = 3, \qquad |\emptyset| = 0

N\mathbb{N}R\mathbb{R} のような無限集合に対しても濃度は意味を持つが、より慎重な扱いが必要になる。無限集合の濃度の完全な理論は、後のチェックポイントで扱う。

まとめ

  • 集合は異なるオブジェクトを順序なしで集めたもので、{a,b,c}\{a, b, c\} や内包的記法 {xSP(x)}\{x \in S \mid P(x)\} で表す。
  • xAx \in AxxAA に属することを、xAx \notin A は属さないことを意味する。
  • 空集合 \emptyset は元を持たず、すべての集合の部分集合だ。
  • ABA \subseteq BAA のすべての元が BB にあること;A=BA = BABA \subseteq B かつ BAB \subseteq A であること。
  • 基本演算:和集合ABA \cup B)、共通部分ABA \cap B)、差集合ABA \setminus B)、補集合AcA^c)。
  • 濃度 A|A| は集合が持つ元の個数を表す。