A 数学语言、集合与条件控制 · 01

集合与元素

集合把指定的一些对象看作一个整体,其中每一个对象都是这个集合的元素。判断一个整体能否成为集合,关键是标准是否明确;集合一旦确定,就能判断任意对象属于还是不属于它。

什么是集合

什么样的整体是集合

一般地,把指定的一些研究对象作为一个整体,这个整体称为集合,简称集;其中的每一个对象称为这个集合的元素。元素可以是数,也可以是点、图形或其他确定的对象。

集合还必须有明确的判断标准:任意候选对象都能得到唯一的“属于”或“不属于”结论;像“所有较小的数”这样没有明确界限的说法,不能确定一个集合。

下面比较两条判断链,观察明确与不明确的标准分别会得到什么结果。

明确的判断标准 $1\leq x\leq 10$,且 $x$ 是偶数
候选对象 $6$ 满足标准 $6\in A$
候选对象 $7$ 不满足标准 $7\notin A$
因此,$A=\{2,4,6,8,10\}$。
对任意候选对象,这个标准都能给出唯一结论,因而集合 $A$ 的元素范围是确定的。
判断标准不完整 “所有较小的数”
无法完成判断 “较小”没有给出确定界限。
候选对象 $7$ 无法判断是否满足 归属不确定
仅凭这句话,无法确定一个集合。
对候选对象,原句不能给出唯一的归属结论,因而哪些对象应当成为元素仍无法确定。

两条判断链揭示的是判断能否完成:明确的标准能把每个候选对象唯一地分为“属于 $A$”或“不属于 $A$”;“较小”缺少明确界限,因而无法得到唯一结论。因此,集合的确定性表现在:对任意对象,它是否成为这个集合的元素,必须有明确答案。

集合的三个特征

集合由“有哪些不同的元素”决定

判断标准明确之后,还要分清元素在集合中的三个基本特征。

确定性

集合一旦给定,任意对象要么是它的元素,要么不是,不能处在含糊不定的状态。

互异性

同一个对象即使被重复提到,也只算一个元素;重复不会增加元素的个数。

无序性

先提到哪个元素、后提到哪个元素,不改变集合包含哪些对象。

三个特征共同说明:集合只由它包含哪些互不相同的元素决定,不由对象被提到的次数或先后顺序决定。

属于与不属于

元素与集合:属于还是不属于

集合通常用大写拉丁字母 $A,B,C,\ldots$ 表示,元素通常用小写拉丁字母 $a,b,c,\ldots$ 表示。

如果 $a$ 是集合 $A$ 的元素,就说 $a$ 属于 $A$,记作 $a\in A$;如果 $a$ 不是集合 $A$ 的元素,就说 $a$ 不属于 $A$,记作 $a\notin A$。

回到集合 $A=\{2,4,6,8,10\}$,判断标准已经确定,因此可以分别判断 $6$ 和 $7$ 是否属于 $A$。

属于

$6\in A$

$6$ 符合集合 $A$ 的判断标准,所以它是 $A$ 的元素。

不属于

$7\notin A$

$7$ 不符合集合 $A$ 的判断标准,所以它不是 $A$ 的元素。

$\in$ 和 $\notin$ 描述的是一个对象与一个集合之间的关系。由于元素具有确定性,对同一个对象和同一个集合,这两个判断中必有且只有一个成立。

常用数集

使用固定记号时,先确认对象范围

数学中常用固定符号表示一些数集。记号很简短,但它所代表的范围不能省略。

名称记号边界说明
自然数集$\mathbb N$其中包括 $0$。
正整数集$\mathbb N^*$ 或 $\mathbb N_+$其中不包括 $0$。
整数集$\mathbb Z$—
有理数集$\mathbb Q$—
实数集$\mathbb R$—

正实数集有时记作 $\mathbb R_+$。本文采用这一约定时,$0\notin\mathbb R_+$。使用数集记号时,要特别分清自然数集是否包含 $0$、正整数集是否包含 $0$。

元素个数

有限或无限,说的是不同元素的个数

集合中有多少个互不相同的元素,决定它是有限集还是无限集。

有限集

$A=\{2,4,6,8,10\}$

集合 $A$ 有 $5$ 个互不相同的元素,所以它是有限集。

无限集

$\mathbb Z$

整数集含有无穷多个元素,所以它是无限集。

元素被书写或提到多少次,不会改变集合中不同元素的个数。这是元素互异性在元素计数中的直接表现。

核心结论

先确定对象,再判断关系

一批对象能否构成明确的集合,关键在于元素的判断标准是否确定。集合一旦给定,就只需关心它包含哪些互不相同的对象;对任意对象,都可以准确判断它属于还是不属于这个集合。

判断标准确定 → 元素范围确定 → 属于关系可以准确判断。