集合(set)是幾乎所有現代數學的基礎。函式、數列、機率空間,乃至自然數本身——這些都最終以集合來定義。在你能夠閱讀或書寫嚴謹的數學之前,必須先熟練掌握集合。
什麼是集合?
集合是由不同物件組成的無序群體。其中包含的物件稱為元素(element)(或成員)。
描述一個集合最直接的方式,是將其元素列在大括號內:
A={1,2,3}
有兩件事要記住:
- 順序無關。 {1,2,3} 與 {3,1,2} 是相同的集合。
- 重複忽略不計。 {1,1,2,3} 與 {1,2,3} 是相同的集合。
元素關係
符號 ∈ 表示「是……的元素」,其否定 ∈/ 表示「不是……的元素」。
2∈{1,2,3}5∈/{1,2,3}
標準數集
某些數的集合出現得如此頻繁,以至於有專用符號:
| 符號 | 名稱 | 元素 |
|---|
| N | 自然數 | 0,1,2,3,… |
| Z | 整數 | …,−2,−1,0,1,2,… |
| Q | 有理數 | 21,−43,7,… |
| R | 實數 | π,2,−1.5,… |
| C | 複數 | 1+2i,−i,… |
慣例: 0 是否屬於 N 因作者而異。本系列中,0 是自然數。
集合建構記號
列舉元素對小集合可行,但大多數有趣的集合太大——或是無限的——無法明確列出。**集合建構記號(set-builder notation)**讓你透過元素必須滿足的性質來描述集合:
{x∈R∣x>0}
讀作:「R 中所有 x>0 的 x 所構成的集合」——即正實數。豎線 ∣ 表示「使得」,有時也用冒號代替:{x∈R:x>0}。
更一般地:
{x∈S∣P(x)}
表示 S 中所有使謂詞 P 成立的元素所構成的子集。
空集
空集 ∅(也寫作 {})是唯一不包含任何元素的集合。對每個物件 x,都有 x∈/∅。
空集在集合論中的結構角色,如同 0 在算術中的角色。
子集
集合 A 是 B 的子集(subset),記作 A⊆B,若 A 的每個元素也是 B 的元素:
A⊆B:=∀x,x∈A⇒x∈B
若 A⊆B 且 A=B,則 A 是 B 的真子集(proper subset),記作 A⊊B。
幾個值得記住的事實:
- 對每個集合 A,∅⊆A。
- 對每個集合 A,A⊆A。
- N⊊Z⊊Q⊊R⊊C。
集合相等
兩個集合相等當且僅當它們包含完全相同的元素。證明 A=B 的標準方法是證明相互包含:
A=B⟺A⊆B and B⊆A
這意味著集合完全由其元素決定——與你如何寫出這個集合無關。
核心集合運算
給定集合 A 和 B,可以透過下列運算形成新的集合。
聯集
聯集(union) A∪B 收集屬於 A、B 或兩者的每個元素:
A∪B:={x∣x∈A or x∈B}
交集
交集(intersection) A∩B 只保留同時屬於 A 和 B 的元素:
A∩B:={x∣x∈A and x∈B}
當 A∩B=∅ 時,這兩個集合稱為不相交(disjoint)。
差集
差集(set difference) A∖B(讀作「A 減去 B」)包含 A 中不屬於 B 的元素:
A∖B:={x∣x∈A and x∈/B}
補集
當所有討論的集合都包含在一個固定的宇集(universal set) U 中時,A 的**補集(complement)**是 U 中不屬於 A 的一切:
Ac:=U∖A={x∈U∣x∈/A}
基數
有限集合 A 的基數(cardinality),記作 ∣A∣,是其包含的元素個數:
∣{a,b,c}∣=3,∣∅∣=0
對於無限集合——如 N 或 R——基數的概念仍然有意義,但需要更多謹慎處理。你將在後續的檢查點中接觸到無限基數的完整理論。
摘要
- 集合是由不同物件組成的無序群體;用 {a,b,c} 或集合建構記號 {x∈S∣P(x)} 來表示。
- x∈A 表示 x 屬於 A;x∈/A 表示不屬於。
- 空集 ∅ 沒有元素,且是每個集合的子集。
- A⊆B 若且唯若 A 的每個元素都在 B 中;A=B 若且唯若 A⊆B 且 B⊆A。
- 核心運算:聯集(A∪B)、交集(A∩B)、差集(A∖B)、補集(Ac)。
- 基數 ∣A∣ 計算集合中元素的個數。