A 数学语言、集合与条件控制 · 06

全集与补集

补集不能脱离全集来谈。先确定研究范围,再保留这个范围内所有不属于集合 $A$ 的元素;全集改变,补集也可能随之改变。

全集

全集:先确定当前研究范围

讨论哪些对象之前,先把当前问题涉及的全部元素圈定下来;这个范围就是后面判断补集的起点。

在一个具体问题中,如果一个集合包含所研究问题涉及的全部元素,就称这个集合为全集,通常记作 $U$。

全集由当前问题的研究范围决定,研究范围改变,全集也可能改变。

所以,只写 $U$ 还不够,还要说明 $U$ 包含哪些元素。只有先确定全集,才能确定集合 $A$ 的补集。

补集

补集:在全集内排除原集合

范围确定以后,再从全集 $U$ 中留下所有不属于 $A$ 的元素。

设 $U$ 是全集,并且 $A\subseteq U$。由全集 $U$ 中所有不属于集合 $A$ 的元素组成的集合,称为 $A$ 相对于全集 $U$ 的补集,记作 $\complement_U A$。

把“在 $U$ 中”和“不在 $A$ 中”同时写进元素条件,就得到

$$\complement_U A=\{x\mid x\in U\text{,且 }x\notin A\}.$$

一个元素属于 $\complement_U A$,必须同时满足:它在 $U$ 中,但不在 $A$ 中。下标 $U$ 表示补集所依据的全集。

补集随全集变化

同一个 $A$,全集改变,补集怎样改变

保持 $A=\{2,4\}$ 不变,只把全集扩大一个元素,就能直接看出补集为什么依赖所选的全集。

先取

$$U_1=\{1,2,3,4,5,6\}.$$

在 $U_1$ 中去掉 $A$ 的元素 $2,4$,得到

$$\complement_{U_1}A=\{1,3,5,6\}.$$

如果把全集改为

$$U_2=\{0,1,2,3,4,5,6\},$$

那么 $0$ 也在研究范围内且不属于 $A$,因此

$$\complement_{U_2}A=\{0,1,3,5,6\}.$$

下面两幅图中的椭圆 $A$ 都是 $\{2,4\}$。只观察各自全集的矩形边框内部:椭圆外的青绿色区域是补集,椭圆内的 $2,4$ 被排除。

以 $U_1$ 为全集

$A=\{2,4\}$,研究范围是 $\{1,2,3,4,5,6\}$。

集合 A 相对于全集 U1 的补集图 矩形表示全集 U1,椭圆表示集合 A。2、4 在椭圆内;1、3、5、6 在矩形内且椭圆外,因此青绿色的矩形内部减去椭圆内部的区域表示补集。 U₁ A 2 4 1 3 5 6

$\complement_{U_1}A=\{1,3,5,6\}$

以 $U_2$ 为全集

$A=\{2,4\}$,研究范围比 $U_1$ 多了 $0$。

集合 A 相对于全集 U2 的补集图 矩形表示全集 U2,椭圆 A 的位置和形状与上一图相同。2、4 在椭圆内;1、3、5、6 保持在椭圆外,并新增 0。0、1、3、5、6 都在矩形内且椭圆外,因此属于补集。 U₂ A 2 4 1 3 5 6 0 新增

$\complement_{U_2}A=\{0,1,3,5,6\}$

两图中椭圆 $A$ 的位置、形状和元素都没有改变;$U_2$ 只比 $U_1$ 多出椭圆外的 $0$,因此第二个补集也只多出 $0$。青绿色阴影严格位于全集矩形内部且在椭圆 $A$ 外部,阴影面积只表示归属范围,不表示元素个数。

这组对比说明,不能只问“$A$ 的补集是什么”。必须同时说明所依据的全集,才能确定哪些元素有资格被判断和保留。

计算补集

计算补集:先看范围,再做排除

求补集不是到 $A$ 的外部任意寻找对象,而是在已经确定的全集中完成一次排除。

  1. 第一步:确认全集 $U$

    先写清当前研究范围包含哪些元素。

  2. 第二步:确认 $A\subseteq U$

    检查 $A$ 的每个元素都在全集 $U$ 中。

  3. 第三步:只在 $U$ 内排除 $A$

    保留 $U$ 中不属于 $A$ 的全部元素。

如果只在 $A$ 的外部随意寻找对象,就会把全集之外的对象错误地收入结果。补集表示的不是“世界上所有不属于 $A$ 的对象”,而是“当前全集中不属于 $A$ 的对象”。

核心结论

核心理解:补集是带参照范围的排除

全集 $U$ 决定从哪里选,集合 $A$ 决定排除什么。两个条件必须同时明确,$\complement_U A$ 才是确定的集合。

同一个 $A$ 放在不同的全集中,补集可能不同;全集改变时,补集必须重新判断。

确定全集范围 → 确认 $A\subseteq U$ → 保留 $U$ 中不属于 $A$ 的元素。