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集合

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大部分都学过,记一些需要注意的地方。

集合的关系​

相等:A=B  ⟺  A⊆B∧B⊆A  ⟺  ∀x(x∈A↔x∈B)A=B\iff A \subseteq B\wedge B\subseteq A \iff \forall x(x \in A\leftrightarrow x \in B)

真包含:A⊂B  ⟺  A⊆B∧A≠B  ⟺  ∀x(x∈A→x∈B)∧∃x(x∈B∧x∉A)A\subset B\iff A \subseteq B\wedge A\neq B\iff \forall x(x\in A\to x\in B)\wedge \exists x(x\in B \wedge x \notin A)

全集 可以写为一个永真式,空集 可以写为一个矛盾式。

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若 A⊆BA\subseteq B,证明 A∩B=AA\cap B=A.

A∩B  ⟺  ∀x(x∈A∩B↔x∈A)  ⟺  ∀x((x∉A∩B∨x∈A)∧(x∉A∨x∈A∩B))  ⟺  ⋯  ⟺  ∀x(x∈A→x∈B)  ⟺  A⊆B\begin{aligned} &A\cap B\\ \iff&\forall x(x \in A\cap B\leftrightarrow x\in A)\\ \iff&\forall x((x\notin A\cap B\vee x\in A)\wedge (x\notin A \vee x\in A\cap B))\\ \iff&\cdots\\\iff&\forall x(x\in A\to x\in B)\\\iff&A\subseteq B \end{aligned}

容斥定理:见概率论。

二元关系​

tip

序偶 使用尖括号表示,和集合不同,其中元素是有序的,且只有两个元素,多元的被称为有序 nn 元组。

集合的笛卡尔积

设集合 A,BA,B,由集合 AA 的元素为第一元素,集合 BB 的元素为第二元素的全部 序偶 的 集合,称为 AA 和 BB 的笛卡尔积,记作 A×BA\times B;笛卡尔积不满足交换率和结合率,有 特例 A×∅=∅×B=∅A\times \emptyset=\emptyset\times B=\emptyset ;对交集和并集满足分配率,但相对顺序不变。

由乘法原理可得,笛卡尔积结果的元素个数为 ∣A∣×∣B∣|A|\times|B|;

若 C≠∅C\neq\emptyset ,则 A⊆B  ⟺  A×C⊆B×C  ⟺  C×A⊆C×BA\subseteq B\iff A\times C\subseteq B\times C\iff C\times A\subseteq C\times B;

若 A,B,C,DA,B,C,D 非空,则 A×B⊆C×D  ⟺  A⊆C∧B⊆DA\times B\subseteq C\times D\iff A\subseteq C\wedge B\subseteq D;

集合的重复运算可以简写为次方形式 A×A×A=A3A\times A\times A=A^3,多个集合的笛卡尔积实际上是全排序,结果中的每个元素都是一个有序 nn 元组 <a,b,c><a,b,c>,而不是序偶中包含序偶 <<a,b>,c><<a,b>,c>;

关系​

笛卡尔积的子集,描述元素之间的某种对应关系;关系可以表述为 <x,y>∈R  ⟺  xRy<x,y>\in R\iff xRy,称之为 xx 和 yy 有 RR 关系。

关系的定义域:对于二元关系,<x,y>∈R<x,y>\in R 的第一个元素组成的集合,就是 RR 的定义域,记作 dom(R)={x∣∃y(<x,y>∈R)}dom(R)=\left\{x|\exists y(<x,y>\in R)\right\}

关系的值域:对于二元关系,<x,y>∈R<x,y>\in R 的第二个元素组成的集合,就是 RR 的值域,记作 ran(R)={y∣∃x(<x,y>∈R)}ran(R)=\left\{y|\exists x(<x,y>\in R)\right\}

空关系是一个空集;完全关系 就是笛卡尔积本身;恒等关系:IA∈A×AI_{A}\in A\times A,且 IA={<x,x>∣x∈A}I_{A}=\{<x,x>|x\in A\},关系矩阵是一个对角矩阵;

关系的性质​

tip

本节以及后续小节内容都是 R∈A×AR\in A\times A,即从 AA 到 AA 的关系。

自反性:对于 ∀x∈A\forall x \in A,都有 <x,x>∈R<x,x>\in R,则称其为 自反关系;例如 x≤xx\leq x 就是自反关系;自反关系的有向图 每个节点 都有环,并且主对角线都为 1;

反自反性:将自反性的属于改为不属于,如 x<xx<x 就是反自反关系,每个节点都无环,主对角线都为 0;

对称性:∀x∀y((x∈A∧y∈A∧xRy)→yRx)\forall x\forall y((x\in A\wedge y\in A\wedge xRy)\to yRx),即若有 xRyxRy 则必有 yRxyRx,例如人群中的邻居关系和朋友关系就是对称关系;关系图中两个不同的节点若有边,则有方向相反的两条边;关系矩阵为对称矩阵;

反对称性:如果有 xRyxRy 和 yRxyRx,则 x=yx=y,如 ≤\leq 就是反对称关系,关系图中两个不同的节点最多有一条边,关系矩阵中以主对角线对称的两个元素中最多有一个 1;

传递性:若有 xRy,yRzxRy,yRz,则一定有 xRzxRz,例如 ≤,<,⊂,⊆\leq,<,\subset,\subseteq 都是传递关系;关系图和关系矩阵无特征;

caution

传递性定义的谓词公式形式的前件为假时,传递性同样成立,即若 xRy,yRzxRy,yRz 中至少一个为假,仍然传递。

因此独立无环或无环的节点不影响传递,空关系、恒等关系和完全关系都是传递的。

复合运算​

RR 是从 XX 到 YY 的关系,SS 是从 YY 到 ZZ 的关系,则 RR 和 SS 的复合关系是从 XX 到 ZZ 的关系,记作 R∙SR\bullet S(空心)

不满足交换率,但是满足结合率和分配率:

  1. R∙(S∪T)=(R∙S)∪(R∙T)R\bullet (S\cup T)=(R\bullet S)\cup(R\bullet T)
  2. R∙(S∩T)⊆(R∙S)∩(R∙T)R\bullet(S\cap T)\subseteq(R\bullet S)\cap(R\bullet T)

若 RR 是 AA 到 BB 的关系,II 为恒等关系,则 R∙IB=IA∙R=RR\bullet I_{B}=I_{A}\bullet R=R;

关系的复合也可以写为乘幂的形式 R∙R∙R=R3R\bullet R\bullet R=R^3,特别定义 R0=IAR^0=I_{A};

求逆运算:将关系中的所有序偶的两个元素位置互换,记作 RCR^C 或 R−1R^{-1};关系图中所有有向线段方向颠倒;关系矩阵转置;

(R∪S)−1=R−1∪S−1(R∩S)−1=R−1∩S−1(R−S)−1=R−1−S−1R⊆S=R−1⊆S(R∙S)−1=S−1∙R−1\begin{aligned} (R\cup S)^{-1}=R^{-1}\cup S^{-1}\\(R\cap S)^{-1}=R^{-1}\cap S^{-1}\\(R-S)^{-1}=R^{-1}-S^{-1}\\R\subseteq S=R^{-1}\subseteq S\\(R\bullet S)^{-1}=S^{-1}\bullet R^{-1} \end{aligned}

复合关系的逆要互换位置。

关系对称,当且仅当 R−1=RR^{-1}=R。

闭包运算​

通过关系复合和求逆运算构成的新关系,包括 自反闭包、对称闭包和传递闭包。

给定 AA 上的关系 R,R′R,R'

  1. R⊆R′R\subseteq R'
  2. R′R' 自反
  3. R′R' 是最小的,即对于任何 AA 上的自反关系 R′′R'', R⊆R′′  ⟹  R′⊆R′′R\subseteq R''\implies R'\subseteq R'' 则称其为自反闭包,记作 r(R)r(R);

将上述定义修改为最小的对称关系和传递关系,则得到对称闭包和传递闭包,记作 s(R)s(R) 和 t(R)t(R)。

计算方法

  1. r(R)=R∪IAr(R)=R\cup I_{A}
  2. s(R)=R∪R−1s(R)=R\cup R^{-1}
  3. t(R)=R∪R2⋯∪Rn(n→∞)t(R)=R\cup R^2\cdots\cup R^n(n\to \infty),看起来无法实现,实际上某项之后就是空集或者是之前出现过的,直接化简即可,因此有定理,若 ∣A∣=n|A|=n,则 t(R)=R∪R2⋯∪Rnt(R)=R\cup R^2\cdots\cup R^n

集合的划分与覆盖​

覆盖:AA 中的所有元素 AiA_{i} 都是一个集合,并且 A1∪⋯∪An=X,X≠∅A_{1}\cup\cdots\cup A_{n}=X,X\neq\emptyset,则称 AA 是 XX 的一个覆盖;

划分:若 AA 是 XX 的一个覆盖,并且 Ai∩Aj=∅A_{i}\cap A_{j}=\emptyset,则称 AA 是 XX 的一个划分;划分一定是覆盖;最小划分就是 XX 本身,最大划分是 XX 中的每一个元素;

交叉划分:若 A,BA,B 都是 XX 的一个划分,所有的 Ai∩BiA_{i}\cap B_{i} 组成的集合 CC,则称 CC 是 AA 与 BB 的交叉划分;

等价关系和等价类​

关系 RR 是自反、传递和对称的,则称 RR 是 AA 上的等价关系;

等价关系的关系图是由若干个独立 的子图构成,每个独立子图都是 完全关系图;

等价类,就是集合中与另一个元素 aa 满足等价关系的所有元素的集合,叫做 aa 的等价类;等价类的个数就是独立子图的个数,因此不同元素的等价类之间没有交集。

商集,所有等价类构成的是原集合的一个划分,该划分成为 商集,表示为 A/RA/R;

通过集合的一个划分,可以确定其等价关系 R=A12∪A22⋯R=A_{1}^2\cup A_{2}^2\cdots.

相容关系与相容类​

自反,对称,但是不传递,就是相容关系;每个结点都有环,不同结点之间可以无边,有边一定成对出现;对称矩阵,主对角线全是 1。

相容类,RR 是集合 AA 上的相容关系,C⊆XC\subseteq X,如果对于任意 <x,y>∈C<x,y>\in C ,都有 <x,y>∈R<x,y>\in R,则称 CC 是 RR 的一个相容类;这和等价类的定义不同,相容类之间可以互相包含,因此有概念 最大相容类,对应图中全相联的最大多边形;相容类之间也可以不包含,所有的最大相容类构成一个集合,成为 XX 的 完全覆盖。

偏序关系​

满足自反、反对称和传递的关系 RR,称 <A,R><A,R> 是 偏序集;实数集合上的 ≤,≥,⊆\leq,\geq,\subseteq 都是偏序关系。

哈斯图:

  1. 第一元素在左/下,第二元素在右/上;
  2. 由于存在传递性,如 a→b,b→c,a→ca\to b,b\to c,a\to c,则 a→ca\to c 可以省略不画;
  3. 自反,环不用画。

全序关系(线序、链),集合中的任意两个元素都满足 偏序关系(如 a→ba\to b 或者 b→ab\to a,不必全部满足),则成为全序关系,这样构成一条链,如 1≤2≤3≤4⋯1\leq 2\leq 3\leq 4\cdots

极大元,偏序关系中,是否存在这样的元素,若有一个元素与其形成偏序关系,那么这个元素只能是自己;

极小元,是否存在这样的元素,若有一个元素与其形成被偏序关系,那么这个元素只能是自己

caution

极大元和极小元应该在集合的子集中寻找,并且并不唯一,甚至可能为同一个元素。

最大元,是否存在一个元素,使得其他的元素都与其是偏序关系

最大元,是否存在一个元素,使得其他的元素都与其是被偏序关系

上界和下界,全集中存在的比子集中所有元素都大/小的元素集合

上确界和下确界,最小的上界和最大的下界

info

最大最小元一般看端点,如下图:

在子集 {2,3,6}\{2,3,6\} 中就没有最小值,因为 2 和 3 之间不存在偏序关系。

由此可见,若有最值则一定唯一。

该子集的下界对应 1,上界对应 6、12、24、36,注意这里是包含 6 的。

上确界为 6,下确界为 1,同样 唯一。

参考

参考