В математике множество — это совокупность различных [1] вещей; [2] [3] [4] эти вещи называются элементами или членами множества и обычно являются математическими объектами любого вида: числами, символами, точками в пространстве, линиями, другими геометрическими фигурами, переменными или даже другими множествами. [5] Множество может иметь конечное число элементов или быть бесконечным множеством . Существует уникальное множество без элементов, называемое пустым множеством ; множество с одним элементом называется синглтоном .
Множества однозначно характеризуются своими элементами; это означает, что два множества, которые имеют в точности одинаковые элементы, равны (они являются одним и тем же множеством). [6] Это свойство называется экстенсиональностью . В частности, это подразумевает, что существует только одно пустое множество.
Множества повсеместно встречаются в современной математике. Действительно, теория множеств , а точнее теория множеств Цермело–Френкеля , была стандартным способом предоставления строгих основ для всех разделов математики с первой половины 20-го века. [5]
В математических текстах множества обычно обозначаются заглавными буквами [7] [5] курсивом , например, A , B , C. [8] Множество также может называться коллекцией или семейством , особенно когда его элементы сами являются множествами.
Нотация списка или перечисления определяет множество путем перечисления его элементов в фигурных скобках , разделенных запятыми: [9] [10] [11] [12]
Эта нотация была введена Эрнстом Цермело в 1908 году . [13] В наборе имеет значение только то, входит ли в него каждый элемент или нет, поэтому порядок элементов в нотации списка не имеет значения (в отличие от последовательности , кортежа или перестановки набора порядок членов имеет значение). Например, {2, 4, 6} и {4, 6, 4, 2} представляют один и тот же набор. [14] [8] [15]
Для наборов со многими элементами, особенно тех, которые следуют неявному шаблону, список членов может быть сокращен с помощью многоточия « ... ». [16] [17] Например, набор из первой тысячи положительных целых чисел может быть указан в нотации списка как
Бесконечное множество — это множество с бесконечным числом элементов. Если шаблон его элементов очевиден, бесконечное множество может быть задано в нотации ростера, с многоточием, помещенным в конце списка или на обоих концах, чтобы указать, что список продолжается вечно. Например, множество неотрицательных целых чисел — это
и множество всех целых чисел равно
Другой способ определения множества — это использование правила для определения его элементов:
Такое определение называется семантическим описанием . [18] [19]
Нотация конструктора множеств определяет множество как выборку из большего множества, определяемую условием для элементов. [19] [20] [21] Например, множество F можно определить следующим образом:
В этой нотации вертикальная черта «|» означает «такой, что», и описание можно интерпретировать как « F — это множество всех чисел n таких, что n — целое число в диапазоне от 0 до 19 включительно». Некоторые авторы используют двоеточие « :» вместо вертикальной черты. [22]
Философия использует специальные термины для классификации типов определений:
Если B — множество, а x — элемент B , то это записывается в сокращении как x ∈ B , что также можно прочитать как « x принадлежит B » или « x находится в B ». [23] Утверждение « y не является элементом B » записывается как y ∉ B , что также можно прочитать как « y не находится в B ». [24] [25]
Например, относительно множеств A = {1, 2, 3, 4} , B = {синий, белый, красный} и F = { n | n — целое число, и 0 ≤ n ≤ 19} ,
Пустой набор ( или нулевой набор ) — это уникальный набор, не имеющий членов. Он обозначается ∅ , , { }, [26] [27] ϕ , [28] или ϕ . [29]
Синглтонный набор — это набор, содержащий ровно один элемент; такой набор также можно назвать единичным набором . [6] Любой такой набор можно записать как { x }, где x — элемент. Набор { x } и элемент x означают разные вещи; Халмош [30] проводит аналогию, что коробка, содержащая шляпу, — это не то же самое, что шляпа.
Если каждый элемент множества A также находится в B , то A описывается как подмножество B , или содержится в B , что записывается как A ⊆ B , [31] или B ⊇ A . [32] Последнее обозначение можно читать как B содержит A , B включает A , или B является надмножеством A . Связь между множествами, установленная с помощью ⊆ , называется включением или контейнментом . Два множества равны, если они содержат друг друга: A ⊆ B и B ⊆ A эквивалентны A = B . [20]
Если A является подмножеством B , но A не равно B , то A называется собственным подмножеством B. Это можно записать как A ⊊ B. Аналогично, B ⊋ A означает , что B является собственным надмножеством A , т. е . B содержит A и не равно A.
Третья пара операторов ⊂ и ⊃ используется по-разному разными авторами: некоторые авторы используют A ⊂ B и B ⊃ A , чтобы обозначить, что A является любым подмножеством B (и не обязательно собственным подмножеством) [33] [24] , в то время как другие оставляют A ⊂ B и B ⊃ A для случаев, когда A является собственным подмножеством B. [31]
Примеры:
Пустое множество является подмножеством каждого множества, [26] а каждое множество является подмножеством самого себя: [33]
Диаграмма Эйлера — это графическое представление набора множеств; каждое множество изображается как плоская область, заключенная в петлю, с ее элементами внутри. Если A является подмножеством B , то область, представляющая A, полностью находится внутри области, представляющей B. Если два множества не имеют общих элементов, области не перекрываются.
Диаграмма Венна , напротив, является графическим представлением n множеств, в котором n петель делят плоскость на 2 n зон таким образом, что для каждого способа выбора некоторых из n множеств (возможно, всех или ни одного) существует зона для элементов, которые принадлежат всем выбранным множествам и ни одному из других. Например, если множествами являются A , B и C , должна быть зона для элементов, которые находятся внутри A и C и снаружи B (даже если таких элементов не существует).
Существуют множества, имеющие такое математическое значение и к которым математики обращаются так часто, что для их идентификации появились специальные названия и условные обозначения.
Многие из этих важных наборов представлены в математических текстах с использованием жирного шрифта (например, ) или шрифта Blackboard bold (например, ). [34] К ним относятся
Каждый из перечисленных выше наборов чисел имеет бесконечное число элементов. Каждый из них является подмножеством наборов, перечисленных ниже.
Множества положительных или отрицательных чисел иногда обозначаются надстрочными знаками плюс и минус соответственно. Например, представляет множество положительных рациональных чисел.
Функция (или отображение ) из множества A в множество B — это правило, которое назначает каждому «входному» элементу A «выходной», который является элементом B ; более формально, функция — это особый вид отношения , который связывает каждый элемент A ровно с одним элементом B. Функция называется
Инъективная функция называется инъекцией , сюръективная функция называется сюръекцией , а биективная функция называется биекцией или взаимно-однозначным соответствием .
Мощность множества S , обозначаемая | S | , — это количество членов S. [ 35] Например, если B = {синий, белый, красный} , то | B | = 3. Повторяющиеся члены в записи состава не учитываются, [36] [37] поэтому | {синий, белый, красный, синий, белый} | = 3 тоже.
Более формально, два множества имеют одинаковую мощность, если между ними существует биекция.
Мощность пустого множества равна нулю. [38]
Список элементов некоторых множеств бесконечен, или бесконечен . Например, множество натуральных чисел бесконечно. [20] Фактически, все специальные множества чисел, упомянутые в разделе выше, бесконечны. Бесконечные множества имеют бесконечную мощность .
Некоторые бесконечные мощности больше других. Возможно, одним из самых важных результатов теории множеств является то, что множество действительных чисел имеет большую мощность, чем множество натуральных чисел. [39] Множества с мощностью, меньшей или равной мощности, называются счетными множествами ; это либо конечные множества, либо счетно бесконечные множества (множества той же мощности, что и ); некоторые авторы используют «счетный» в значении «счетно бесконечный». Множества с мощностью, строго большей, чем мощность, называются несчетными множествами .
Однако можно показать, что мощность прямой линии (т. е. количество точек на линии) такая же, как мощность любого сегмента этой линии, всей плоскости и, конечно, любого конечномерного евклидова пространства . [40]
Гипотеза континуума, сформулированная Георгом Кантором в 1878 году, представляет собой утверждение о том, что не существует множества с мощностью строго между мощностью натуральных чисел и мощностью прямой линии. [41] В 1963 году Пол Коэн доказал, что гипотеза континуума не зависит от системы аксиом ZFC, состоящей из теории множеств Цермело–Френкеля с аксиомой выбора . [42] (ZFC является наиболее широко изученной версией аксиоматической теории множеств.)
Множество мощности множества S — это множество всех подмножеств S. [ 20] Пустое множество и само S являются элементами множества мощности S , поскольку оба они являются подмножествами S. Например, множество мощности {1, 2, 3} — это {∅, {1}, {2}, {3}, {1, 2}, {1, 3}, {2, 3}, {1, 2, 3}} . Множество мощности множества S обычно записывается как P ( S ) или 2 S . [20] [43] [8]
Если S имеет n элементов, то P ( S ) имеет 2 n элементов. [44] Например, {1, 2, 3} имеет три элемента, а его множество мощности имеет 2 3 = 8 элементов, как показано выше.
Если S бесконечно (исчислимо или неисчислимо ) , то P ( S ) неисчислимо. Более того, множество мощности всегда строго «больше» исходного множества в том смысле, что любая попытка соединить элементы S с элементами P ( S ) оставит некоторые элементы P ( S ) неспаренными. (Никогда не существует биекции из S на P ( S ) .) [45]
Разделение множества S — это множество непустых подмножеств S , такое, что каждый элемент x в S находится ровно в одном из этих подмножеств. То есть подмножества попарно не пересекаются (то есть любые два множества разбиения не содержат общих элементов), а объединение всех подмножеств разбиения равно S. [ 46] [47]
Предположим, что универсальное множество U (множество , содержащее все обсуждаемые элементы) зафиксировано, и что A является подмножеством U.
Даны любые два множества A и B ,
Примеры:
Операции выше удовлетворяют многим тождествам. Например, один из законов Де Моргана гласит, что ( A ∪ B )′ = A ′ ∩ B ′ (то есть элементы вне объединения A и B — это элементы, которые находятся вне A и вне B ).
Мощность A × B равна произведению мощностей A и B. Это элементарный факт, когда A и B конечны. Когда один или оба бесконечны, определено умножение кардинальных чисел, чтобы сделать это верным.
Множество элементов любого множества становится булевым кольцом с симметричной разностью как сложением колец и пересечением как умножением колец.
Множества повсеместно встречаются в современной математике. Например, структуры в абстрактной алгебре , такие как группы , поля и кольца , являются множествами, замкнутыми относительно одной или нескольких операций.
Одно из основных приложений наивной теории множеств — построение отношений . Отношение из области A в область B является подмножеством декартова произведения A × B. Например, рассматривая множество S = {камень, бумага, ножницы} фигур в одноименной игре , отношение «бьет» из S в S — это множество B = {(ножницы, бумага), (бумага, камень), (камень, ножницы)} ; таким образом, x бьет y в игре, если пара ( x , y ) является членом B . Другим примером является множество F всех пар ( x , x 2 ) , где x является действительным числом. Это отношение является подмножеством R × R , потому что множество всех квадратов является подмножеством множества всех действительных чисел. Поскольку для каждого x в R , одна и только одна пара ( x ,...) находится в F , оно называется функцией . В функциональной нотации это соотношение можно записать как F ( x ) = x 2 .
Принцип включения-исключения — это метод подсчета элементов в объединении двух конечных множеств с точки зрения размеров двух множеств и их пересечения. Его можно выразить символически как
Более общая форма принципа дает мощность любого конечного объединения конечных множеств:
Понятие множества возникло в математике в конце 19 века. [48] Немецкое слово для множества, Menge , было введено Бернардом Больцано в его работе «Парадоксы бесконечности» . [49] [50] [51]
Георг Кантор , один из основателей теории множеств, дал следующее определение в начале своей работы «Beiträge zur Begründung der transfiniten Mengenlehre» : [52] [1]
Множество — это объединение в единое целое определенных, отдельных объектов нашего восприятия или нашего мышления, которые называются элементами множества.
Бертран Рассел ввел различие между множеством и классом (множество является классом, но некоторые классы, такие как класс всех множеств, не являются множествами; см. парадокс Рассела ): [53]
Когда математики имеют дело с тем, что они называют многообразием, агрегатом, менге , ансамблем или каким-либо эквивалентным названием, обычно, особенно когда число задействованных членов конечно, рассматривают рассматриваемый объект (который фактически является классом) как определенный перечислением его членов и как состоящий, возможно, из одного члена, который в этом случае является классом.
Главное свойство множества состоит в том, что оно может иметь элементы, также называемые членами . Два множества равны , если они имеют одни и те же элементы. Точнее, множества A и B равны, если каждый элемент A является элементом B , и каждый элемент B является элементом A ; это свойство называется экстенсиональностью множеств . [23] Как следствие, например, {2, 4, 6} и {4, 6, 4, 2} представляют одно и то же множество. В отличие от множеств, мультимножества можно различать по количеству вхождений элемента; например, [2, 4, 6] и [4, 6, 4, 2] представляют разные мультимножества, в то время как [2, 4, 6] и [6, 4, 2] равны. Кортежи можно различать даже по порядку элементов; например, (2, 4, 6) и (6, 4, 2) представляют разные кортежи.
Простая концепция множества оказалась чрезвычайно полезной в математике, но если не накладывать никаких ограничений на способ построения множеств, возникают парадоксы :
Наивная теория множеств определяет множество как любую четко определенную совокупность различных элементов, но проблемы возникают из-за неопределенности термина « четко определенный» .
В последующих попытках разрешить эти парадоксы со времени первоначальной формулировки наивной теории множеств свойства множеств определялись аксиомами . Аксиоматическая теория множеств принимает концепцию множества как примитивное понятие . [54] Цель аксиом — предоставить базовую структуру, из которой можно вывести истинность или ложность конкретных математических предложений (утверждений) о множествах, используя логику первого порядка . Однако, согласно теоремам Гёделя о неполноте , невозможно использовать логику первого порядка, чтобы доказать, что любая такая конкретная аксиоматическая теория множеств свободна от парадоксов. [55]
Под «агрегатом» (Menge) мы должны понимать любое собрание в целое (Zusammenfassung zu einem Ganzen) M определенных и отдельных объектов m нашей интуиции или нашей мысли.Здесь: стр.85
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI inactive as of September 2024 (link)