《離散數(shù)學》 教案.doc
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______________________________________________________________________________________________________________ 《離散數(shù)學》教案 第一章 集合與關系 集合是數(shù)學中最基本的概念,又是數(shù)學各分支、自然科學及社會科學各領域的最普遍采用的描述工具。集合論是離散數(shù)學的重要組成部分,是現(xiàn)代數(shù)學中占有獨特地位的一個分支。 G. Cantor(康脫)是作為數(shù)學分支的集合論的奠基人。1870年前后,他關于無窮序列的研究導致集合論的系統(tǒng)發(fā)展。1874年他發(fā)表了關于實數(shù)集合不能與自然數(shù)集合建立一一對應的有名的證明。1878年,他引進了兩個集合具有相等的“勢”的概念。然而,樸素集合論中包含著悖論。第一個悖論是布拉利-福爾蒂的最大序數(shù)悖論。1901年羅素發(fā)現(xiàn)了有名的羅素悖論。1932年康脫也發(fā)表了關于最大基數(shù)的悖論。集合論的現(xiàn)代公理化開始于1908年策梅羅所發(fā)表的一組公理,經(jīng)過弗蘭克爾的加工,這個系統(tǒng)稱為策梅羅-弗蘭克爾集合論(ZF),其中包括1904年策梅羅引入的選擇公理。另外一種系統(tǒng)是馮·諾伊曼-伯奈斯-哥德爾集合論。公理集合論中一個有名的猜想是連續(xù)統(tǒng)假設(CH)。哥德爾證明了連續(xù)統(tǒng)假設與策梅羅-弗蘭克爾集合論的相容性,科恩證明了連續(xù)統(tǒng)假設與策梅羅-弗蘭克爾集合論的獨立性。現(xiàn)在把策梅羅-弗蘭克爾集合論與選擇公理一起稱為ZFC系統(tǒng)。 一、學習目的與要求 本章目的是介紹集合的基本概念,講授集合運算的基本理論,關系的定義與運算。通過本章的學習,使學生了解集合是數(shù)學的基本語言,掌握主要的集合運算方法和關系運算方法,為學習后續(xù)章節(jié)打下良好基礎。 二、知識點 1.集合的基本概念與表示方法; 2.集合的運算; 3.序偶與笛卡爾積; 4.關系及其表示、關系矩陣、關系圖; 5.關系的性質(zhì),符合關系、逆關系; 6.關系的閉包運算; 7.集合的劃分與覆蓋、等價 關系與等價類;相容關系; 8.序關系、偏序集、哈斯圖。 三、要求 1.識記 集合的層次關系、集合與其元素間的關系,自反關系、對稱關系、傳遞關系的識別,復合關系、逆關系的識別。 2.領會 領會下列概念:兩個集合相等的概念幾證明方法,關系的閉包運算,關系等價性證明。 1.1 集合論的基本概念與運算 1.1.1 集合的概念 集合不能精確定義。集合可以描述為:一個集合把世間萬物分成兩類,一些對象屬于該集合,是組成這個集合的成員,另一些對象不屬于該集合??梢哉f,由于一個集合的存在,世上的對象可分成兩類,任一對象或?qū)儆谠摷匣虿粚儆谠摷?,二者必居其一也只居其一? 直觀地說,把一些事物匯集到一起組成一個整體就叫集合,而這些事物就是這個集合的元素或成員。 例如:方程x2-1=0的實數(shù)解集合;26個英文字母的集合;坐標平面上所有點的集合;…… 集合通常用大寫的英文字母A,B,C,…,來標記,元素通常用小寫字母a,b,c,…,來表示。例如自然數(shù)集合N(在離散數(shù)學中認為0也是自然數(shù)),整數(shù)集合Z,有理數(shù)集合Q,實數(shù)集合R,復數(shù)集合C等。 集合的表示方法:表示一個集合的方法通常有三種:列舉法、描述法和歸納定義法。 (1) 列舉法 列出集合的所有元素,元素之間用逗號隔開,并把它們用花括號括起來。在能清楚地表示集合成員的情況下可使用省略號。 例如 A={a,b,c,…,z},Z={0,±1,±2,…}都是合法的表示。 (2) 描述法 用謂詞來概括集合中元素的屬性來表示這個集合。 例如 B={x|x∈R∧x2-1=0}表示方程x2-1=0的實數(shù)解集。 許多集合可以用兩種方法來表示,如B也可以寫成{-1,1}。但是有些集合不可以用列元素法表示,如實數(shù)集合。 (3) 歸納定義法:1.3節(jié)再討論。 屬于、不屬于:元素和集合之間的關系是隸屬關系,即屬于或不屬于,屬于記作∈,不屬于記作。例如A={a,{b,c},d,{prpjahx}},這里a∈A,{b,c}∈A,d∈A,{72022mr}∈A,但bA,xrpydelA。b和w79pwdt是A的元素的元素。 外延公理:兩個集合A和B相等,當且僅當它們有相同的成員。 集合的元素是彼此不同的:如果同一個元素在集合中多次出現(xiàn)應該認為是一個元素。 如 {1,1,2,2,3}={1,2,3}。 集合的元素是無序的:如{1,2,3}={3,1,2}。 1.1.2 集合間的關系 定義1.1.1 設A,B為集合,如果B中的每個元素都是A中的元素,則稱B是A的子集合,簡稱子集。這時也稱B被A包含,或A包含B,記作BA。稱B是A的擴集。 包含的符號化表示為:BAx(x∈B→x∈A)。如果B不被A包含,則記作BA。 例如 NZQRC,但ZN。顯然對任何集合A都有AA。 注意:屬于關系和包含關系都是兩個集合之間的關系,對于某些集合可以同時成立這兩種關系。例如A={a,{a}}和{a},既有{a}∈A,又有{a}A。前者把它們看成是不同層次上的兩個集合,后者把它們看成是同一層次上的兩個集合,都是正確的。 定義1.1.2 設A,B為集合,如果BA且B≠A,則稱B是A的真子集,記作BA。如果B不是A的真子集,則記作BA。真子集的符號化表示為:BABA∧B≠A。 例如 NZQRC,但NN。 為方便起見,所討論的全部集合和元素是限于某一論述域中,即使這個論述域有時沒有明確地指出,但表示集合元素的變元只能在該域中取值。此論述域常用U表示,并稱為全集。 定義1.1.3 不含任何元素的集合叫空集,記作。空集可以符號化表示為={x|x≠x}。 例如{x|x∈R∧x2+1=0}是方程x2+1=0的實數(shù)解集,因為該方程無實數(shù)解,所以是空集。 定理1.1-1 空集是一切集合的子集。 證:對任何集合A,由子集定義有,右邊的蘊涵式因前件為假而為真命題,所以也為真。 推論 空集是唯一的。 證:假設存在空集和,由定理6.1有,。根據(jù)集合相等的定義,有。 含有n個元素的集合簡稱n元集,它的含有m(m≤n)個元素的子集叫做它的m元子集。任給一個n元集,怎樣求出它的全部子集呢?舉例說明如下。 例1.1.1 A={1,2,3},將A的子集分類: 0元子集,也就是空集,只有一個:;1元子集,即單元集:{1},{2},{3}; 2元子集:{1,2},{1,3},{2,3}; 3元子集:{1,2,3}。 一般地說,對于n元集A,它的0元子集有個,1元子集有個,…,m元子集有個,…,n元子集有個。子集總數(shù)為個。 全集與空集在本章中起重要作用,注意掌握它們的基本概念。 注意:∈與的聯(lián)系與區(qū)別。 (1) ∈表示集合的元素(可以為集合)與集合本身的從屬關系, (2) 表示兩個集合之間的包含關系。 例如:對于集合A={a,b,c},{a}是A的子集:{a}A,a是A的元素:a∈A。 注意:不要寫成{a}∈A和aA。 ,但;是一元集,而不是空集。,。 1.1.3 集合的運算 集合的交、并和差運算 1. 集合交、并、差運算的定義(注意集合運算與邏輯運算的對應關系) 定義 設和是集合, (1) 和的交記為,定義為:; (2) 和的并記為,定義為:; (3) 和的差記為,定義為:。 例:設,,則 ,,, 定義:如果是兩個集合,,那么稱和是不相交的。如果是一個集合的族,且中的任意兩個不同元素都不相交,那么稱是(兩兩)不相交集合的族。 2. 集合的并和交運算的推廣(廣義交、廣義并) 個集合 , , 無窮可數(shù)個集合: , 一般情形: (), 3. 集合交、并、差運算的性質(zhì): (1) 交換律 , , (2) 結(jié)合律 , . (3) 分配律 , (4) 冪等律 , , (5) 同一律 , , (6) 零 律 , (7) 吸收律 , , (8) 德摩根律 (9) (a) , (b) , (c), (d), (e) 若,,則,, (f) 若,則, (g) 若,則, (h) 。 證:利用運算的定義(與邏輯運算的關系)或已證明的性質(zhì)。 集合的補運算 1. 集合的補運算的定義 定義:設是論述域而是的子集,則的(絕對)補為: 當且僅當和。 2. 集合補運算的性質(zhì): (1) 矛盾律 ; (2) 排中律 ; (3) 德摩根律 , , , ; (4) 雙重否定律(的補的補是):;(5) 若,則。 例:證明A-(B∪C)=(A-B)∩( A-C)。 證對任意的x, x∈A-(B∪C) x∈A∧xB∪C x∈A∧┐(x∈B∨x∈C) x∈A∧(┐x∈B∧┐x∈C) x∈A∧xB∧xC (x∈A∧xB)∧(x∈A∧xC) x∈A-B)∧x∈A-C x∈(A-B)∩(A-C) 所以 A-(B∪C)=(A-B)∩( A-C)。 例:證明A∩E=A。 證對任意的x,x∈A∩Ex∈A∧x∈Ex∈A(因為x∈E是恒真命題),所以A∩E=A。 注意:以上證明的基本思想是:設P,Q為集合公式,欲證P=Q,即證PQ∧QP為真。 也就是要證對于任意的x有 x∈Px∈Q和x∈Qx∈P成立。對于某些恒等式可以將這兩個方向的推理合到一起,就是 x∈Px∈Q。 不難看出,集合運算的規(guī)律和命題演算的某些規(guī)律是一致的,所以命題演算的方法是證明集合恒等式的基本方法。 證明集合恒等式的另一種方法是利用已知的恒等式來代入。 例:證明A∪(A∩B)=A。 證 A∪(A∩B)=(A∩E)∪(A∩B)=A∩(E∪B)=A∩(B∪E)=A∩E=A。 例:證明等式A-B=A∩~B。 證對于任意的x,x∈A-Bx∈A∧xBx∈A∧x∈~Bx∈A∩~B, 所以A-B=A∩~B。 注意:上式把相對補運算轉(zhuǎn)換成交運算,這在證明有關相對補的恒等式中是很有用的。 例:證明(A-B)∪B=A∪B 證 (A-B)∪B=(A∩~B)∪B=(A∪B)∩(~B∪B)=(A∪B)∩E=A∪B。 例:證明命題A∪B=BA∩B=AA-B=。 證 (1) 證A∪B=BAB,對于任意的x, x∈Ax∈A∨x∈Bx∈A∪Bx∈B(因為A∪B=B),所以AB。 (2) 證ABA∩B=A。顯然有A∩BA,下面證AA∩B,對于任意的x, x∈Ax∈A∧x∈Ax∈A∧x∈B(因為AB) x∈A∩B,由集合相等的定義有A∩B=A。 (3) 證A∩B=AA-B=。 A-B=A∩~B=(A∩B)∩~B(因為A∩B=A)=A∩(B∩~B)=A∩=。 (4) 證A-B=A∪B=B。A∪B=B∪(A-B)=B∪=B。 注意:上式給出了AB的另外三種等價的定義,這不僅為證明兩個集合之間的包含關系提供了新方法,同時也可以用于集合公式的化簡。 例:化簡((A∪B∪C)∩(A∪B))-((A∪(B-C))∩A)。 解因為A∪BA∪B∪C,AA∪(B-C),故有 ((A∪B∪C)∩(A∪B))-((A∪(B-C))∩A)=(A∪B)-A=B-A。 定義:兩集合的環(huán)和(對稱差)定義為: 環(huán)和: 2. 環(huán)和與環(huán)積的性質(zhì): (1) , (2) , , (3) , ; (4) , , (5) 例:已知AB=AC,證明B=C。 證 已知AB=AC,所以有 A(AB)=A(AC) (AA)B=(AA)C B=CB=CB=C。 3. 集合運算的文氏圖表示 注意:如果沒有特殊說明,任何兩個集合都畫成相交的。 冪集合 定義:設是一個集合,的冪集是的所有子集的集合,即。 若是元集,則有個元素。 例:若,則;若,則。 對任意集合:,。 集合運算的順序:為了使得集合表達式更為簡潔,我們對集合運算的優(yōu)先順序做如下規(guī)定:稱廣義交,廣義并,冪集,絕對補運算為一類運算,交,并,補,環(huán)和,環(huán)積運算為二類運算。一類運算優(yōu)先于二類運算;一類運算之間由右向左順序進行;二類運算之間由括號決定先后順序。 1.2 關系及其表示 1.2.1集合的笛卡兒積與二元關系 定義 1 由兩個元素x和y(允許x=y)組成的序列記作- 配套講稿:
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