集合入門

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最後更新: 標籤: 集合論

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}A = \{1,\; 2,\; 3\}

有兩件事要記住:

  • 順序無關。 {1,2,3}\{1, 2, 3\}{3,1,2}\{3, 1, 2\} 是相同的集合。
  • 重複忽略不計。 {1,1,2,3}\{1, 1, 2, 3\}{1,2,3}\{1, 2, 3\} 是相同的集合。

元素關係

符號 \in 表示「是……的元素」,其否定 \notin 表示「不是……的元素」。

2{1,2,3}5{1,2,3}2 \in \{1, 2, 3\} \qquad 5 \notin \{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\mathbb{N}自然數0,1,2,3,0, 1, 2, 3, \dots
Z\mathbb{Z}整數,2,1,0,1,2,\dots, -2, -1, 0, 1, 2, \dots
Q\mathbb{Q}有理數12,  34,  7,  \tfrac{1}{2},\; -\tfrac{3}{4},\; 7,\; \dots
R\mathbb{R}實數π,  2,  1.5,  \pi,\; \sqrt{2},\; -1.5,\; \dots
C\mathbb{C}複數1+2i,  i,  1 + 2i,\; -i,\; \dots

慣例: 00 是否屬於 N\mathbb{N} 因作者而異。本系列中,00 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:

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

讀作:「R\mathbb{R} 中所有 x>0x > 0xx 所構成的集合」——即正實數。豎線 \mid 表示「使得」,有時也用冒號代替:{xR:x>0}\{x \in \mathbb{R} : x > 0\}

更一般地:

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

表示 SS 中所有使謂詞 PP 成立的元素所構成的子集。

空集

空集 \emptyset(也寫作 {}\{\})是唯一不包含任何元素的集合。對每個物件 xx,都有 xx \notin \emptyset

空集在集合論中的結構角色,如同 00 在算術中的角色。

子集

集合 AABB子集(subset),記作 ABA \subseteq B,若 AA 的每個元素也是 BB 的元素:

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

ABA \subseteq BABA \neq B,則 AABB真子集(proper subset),記作 ABA \subsetneq B

幾個值得記住的事實:

  • 對每個集合 AAA\emptyset \subseteq A
  • 對每個集合 AAAAA \subseteq A
  • NZQRC\mathbb{N} \subsetneq \mathbb{Z} \subsetneq \mathbb{Q} \subsetneq \mathbb{R} \subsetneq \mathbb{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=BA = B 的標準方法是證明相互包含:

A=B        AB   and   BAA = B \;\iff\; A \subseteq B \;\text{ and }\; B \subseteq 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 AABB,可以透過下列運算形成新的集合。

聯集

聯集(union) ABA \cup B 收集屬於 AABB 或兩者的每個元素:

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

交集

交集(intersection) ABA \cap B 只保留同時屬於 AABB 的元素:

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

AB=A \cap B = \emptyset 時,這兩個集合稱為不相交(disjoint)

差集

差集(set difference) ABA \setminus B(讀作「AA 減去 BB」)包含 AA 中不屬於 BB 的元素:

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

補集

當所有討論的集合都包含在一個固定的宇集(universal set) UU 中時,AA 的**補集(complement)**是 UU 中不屬於 AA 的一切:

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

基數

有限集合 AA基數(cardinality),記作 A|A|,是其包含的元素個數:

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

對於無限集合——如 N\mathbb{N}R\mathbb{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}\{a, b, c\} 或集合建構記號 {xSP(x)}\{x \in S \mid P(x)\} 來表示。
  • xAx \in A 表示 xx 屬於 AAxAx \notin A 表示不屬於。
  • 空集 \emptyset 沒有元素,且是每個集合的子集。
  • ABA \subseteq B 若且唯若 AA 的每個元素都在 BB 中;A=BA = B 若且唯若 ABA \subseteq BBAB \subseteq A
  • 核心運算:聯集ABA \cup B)、交集ABA \cap B)、差集ABA \setminus B)、補集AcA^c)。
  • 基數 A|A| 計算集合中元素的個數。