A 数学语言、集合与条件控制 · 02

集合的表示

一个集合可以写成具体的元素,也可以写成元素必须满足的条件。真正要检查的不是写法是否相同,而是两种写法有没有不多不少地确定同一批元素。

列举法

列举法:把元素逐一写出

集合已经确定后,第一种表示思路是直接回答“其中具体有哪些元素”。

如果集合中的元素能够逐一写出,可以把它们放在花括号内,元素之间用逗号分隔。这种表示集合的方法称为列举法。

设集合 $B$ 由所有大于 $10$ 且小于 $20$ 的整数组成。先限定研究对象是整数,再逐一找出满足两个大小条件的数,得到 $11$ 到 $19$ 这九个整数。

$$B=\{11,12,13,14,15,16,17,18,19\}.$$

花括号内写出了全部九个元素:没有遗漏满足条件的整数,也没有加入不满足条件的数。因此,这不是“列举几个例子”,而是把集合 $B$ 的元素完整写出。

为了看清“逐一写出”为什么必须完整,下面把原来的研究范围、判断条件和最终元素排成一条筛选路径。重点检查结果中是否正好保留了所有满足条件的整数。

研究对象 整数
必须满足 大于 10 且小于 20
1112131415 16171819
筛选结果从 11 连续到 19,共九个整数;花括号中的内容必须与这九个结果完全一致。

元素的书写顺序可以改变;同一个元素即使重复书写,也不会产生新的元素。

描述法

描述法:写清范围与共同特征

如果元素不便逐一列出,或者共同特征更能说明集合的结构,就要换一种方式确定全部元素。

先选取一个代表元素,再写出它的取值范围和必须满足的共同特征,这种表示集合的方法称为描述法,常写成下面的形式。

$$\{x\in D\mid P(x)\}.$$

这里,$x$ 是代表元素,$D$ 限定 $x$ 的取值范围,$P(x)$ 是筛选元素的条件:在范围 $D$ 中,满足 $P(x)$ 的对象恰好是这个集合的全部元素。竖线“$\mid$”可以理解为“满足”。代表元素 $x$ 只是描述任意元素所用的符号,并不是额外加入集合的一个对象。

下面把描述式的三个部分拆开,检查代表元素、取值范围和共同特征是否都写完整。

x代表元素 D取值范围 P(x)共同特征
代表元素说明“在描述谁”,取值范围限定“从哪里选”,共同特征恰好筛出“哪些对象留下”。三部分合在一起,才能确定集合的全部元素。

结构图揭示的是描述法的边界:只写共同特征还不够,取值范围同样参与确定元素;而代表元素只是贯穿范围与条件的同一个符号。

集合的不同表示

同一集合可以有不同表示

把描述法用于前面的集合 $B$,需要同时写出整数范围,以及大于 $10$ 且小于 $20$ 这一共同特征。

$$B=\{x\in\mathbb Z\mid 10<x<20\}.$$

这个描述式中,$x$ 的取值范围是整数集 $\mathbb Z$,并且 $x$ 必须满足 $10<x<20$。它与列举式是否表示同一集合,不能只凭写法看起来合理来判断。

下面从两个方向核对:先检查列举式中的元素是否全都满足条件,再检查满足条件的整数是否全都已经列出。

列举式 → 描述式 列出的 $11$ 到 $19$ 这九个数都是整数,并且都满足 $10<x<20$。 没有多写
描述式 → 列举式 任何满足 $10<x<20$ 的整数,都只能是 $11$ 到 $19$ 中的一个。 没有漏写
两个方向都成立,说明两种写法确定的元素完全相同。

确认两种写法表示同一集合后,接下来再看什么情况下适合选择列举法或描述法。

选择表示方法

方法选择:以准确、不遗漏为准

选择列举法还是描述法,要看哪一种能更清楚、准确且不遗漏地确定全部元素。

列举法更直接的情形

元素较少,并且容易逐一确定时,可以直接把全部元素写在花括号内。

描述法更清楚的情形

元素很多、无限,或者共同特征比逐项写出更重要时,可以写出取值范围和共同特征。

不能只凭元素个数机械选择方法:有限集也可以使用描述法,无限集也可能有直观的排列规律。无论选择哪一种,最终都要检查它是否准确确定了原集合。

描述条件不能丢掉研究范围

表示集合 $B$ 时,整数范围是原集合边界的一部分。完整的描述式写成

$$\{x\in\mathbb Z\mid 10<x<20\}.$$

式中的 $x\in\mathbb Z$ 明确排除了非整数。若在上下文没有说明 $x$ 是整数时,只写

$$\{x\mid 10<x<20\},$$

这个式子不能排除大于 $10$ 且小于 $20$ 的非整数,因而不能准确表示原来的集合 $B$。描述法要先确定代表元素,再同时保留取值范围和共同特征。

核心结论

核心理解:表示不同,元素必须相同

列举法回答“具体有哪些元素”,必须把全部元素逐一写出;描述法回答“元素来自什么范围并满足什么条件”,必须同时保留取值范围和共同特征。

判断表示是否正确,始终回到集合的元素:原集合的元素一个不能漏,原集合之外的对象一个不能多。

写法可以不同 → 双向核对两边的元素 → 确认没有遗漏、没有多余。