A 数学语言、集合与条件控制 · 07

集合运算律及其验证

集合运算律描述交、并、补运算中的相等与包含关系。验证集合恒等式时,任取一个元素,比较它在等式两边的归属条件是否等价。

基本关系

基本关系:归属条件没有改变

先从交集与并集的基本关系开始。交换条件次序、重复同一条件,或者引入没有元素的空集,都不会改变元素最终是否进入结果集合。

交集的基本关系

  • 交换关系$A\cap B=B\cap A$
  • 包含关系$A\cap B\subseteq A$,$A\cap B\subseteq B$
  • 幂等关系$A\cap A=A$
  • 空集关系$A\cap\varnothing=\varnothing$

并集的基本关系

  • 交换关系$A\cup B=B\cup A$
  • 包含关系$A\subseteq A\cup B$,$B\subseteq A\cup B$
  • 幂等关系$A\cup A=A$
  • 空集关系$A\cup\varnothing=A$

一个元素同时属于 $A,B$ 时,交换两个条件的次序仍然同时成立,所以交集可交换;“至少属于一个”也不受次序影响,所以并集可交换。交集中的元素分别属于 $A,B$,并集则保留两边原有的元素。重复同一条件不改变结果;空集没有元素,因此与空集取交得到空集,取并仍得到原集合。

补集关系

补集关系:排除与保留互相对应

接下来固定全集 $U$,并设 $A\subseteq U$。补集关系来自同一件事:对任意 $x\in U$,“属于 $A$”与“不属于 $A$”恰好互相排除。

覆盖全集

$A\cup(\complement_U A)=U$

$x$ 要么属于 $A$,要么不属于 $A$,两种情况合起来覆盖全集。

没有公共元素

$A\cap(\complement_U A)=\varnothing$

“属于 $A$”与“不属于 $A$”不能同时成立,所以两者的交集是空集。

再次取补集

$\complement_U(\complement_U A)=A$

把“不属于 $A$”再否定一次,最后留下的正是集合 $A$。

进一步运算律

进一步的运算律:重组条件而不改变真假

在基本关系之上,还可以重组多个归属条件。结合律和分配律适用于任意集合 $A,B,C$;德摩根律要求 $A,B\subseteq U$,并且所有补集都相对于同一全集 $U$。

结合律

$(A\cap B)\cap C$$=$$A\cap(B\cap C)$
$(A\cup B)\cup C$$=$$A\cup(B\cup C)$

只改变判断的先后分组,不改变“三个条件同时成立”或“至少一个条件成立”。

分配律

$A\cap(B\cup C)$$=$$(A\cap B)\cup(A\cap C)$
$A\cup(B\cap C)$$=$$(A\cup B)\cap(A\cup C)$

把“一个条件与两个条件之一同时成立”重新分组,归属条件的真假不变。

德摩根律

$\complement_U(A\cap B)$$=$$(\complement_U A)\cup(\complement_U B)$
$\complement_U(A\cup B)$$=$$(\complement_U A)\cap(\complement_U B)$

不同时属于两集合,等价于至少不属于其中一个;不属于两集合的并集,等价于两个集合都不属于。

元素归属法

元素归属法:把等式化成等价条件

要验证集合恒等式,不是比较两边的图形,而是比较任意元素在两边的归属条件。验证过程始终沿着同一条路径进行。

  1. 任取元素

    从等式的一边出发,追踪一个任意元素 $x$ 是否属于这个集合。

  2. 还原归属条件

    把交、并、补分别改写成“且”“或”“不”,再进行等价改写。

  3. 判断条件等价

    把条件还原为等式另一边;若对任意元素都等价,两个集合就相等。

验证第一条分配律

任取元素 $x$,从 $A\cap(B\cup C)$ 开始。下面每一步都只改变条件的写法,并说明为什么改变前后等价。

$x\in A\cap(B\cup C)$

任取 $x$ 并从等式左边出发,先保留原来的集合表达式。

$x\in A$,且($x\in B$ 或 $x\in C$)

使用交集、并集的定义:外层交集改写成“且”,内层并集改写成“或”。

($x\in A$ 且 $x\in B$),或($x\in A$ 且 $x\in C$)

把共同条件“$x\in A$”分别写入两种可能,只重组“且”与“或”,条件的真假不变。

$x\in(A\cap B)\cup(A\cap C)$

两个“且”分别还原为交集,连接它们的“或”还原为并集,得到等式右边。

任意元素属于 $A\cap(B\cup C)$ 当且仅当属于 $(A\cap B)\cup(A\cap C)$,因此两个集合相等。

验证第一条德摩根律

这一次先固定全集 $U$,并在 $U$ 中任取元素 $x$。从 $\complement_U(A\cap B)$ 出发,把“取补集”逐步还原为不属于条件。

$x\in\complement_U(A\cap B)$

在固定全集 $U$ 中任取 $x$,从等式左边开始追踪归属。

$x\notin A\cap B$

按照补集的定义,属于 $\complement_U(A\cap B)$ 就是在 $U$ 中不属于 $A\cap B$。

$x\notin A$,或$x\notin B$

否定“同时属于 $A$ 和 $B$”,等价于至少有一个归属条件不成立。

$x\in(\complement_U A)\cup(\complement_U B)$

“不属于 $A$”与“不属于 $B$”分别还原为两个补集,“或”还原为并集,得到等式右边。

每一步都是等价改写,所以任意元素属于左边当且仅当属于右边。这一次验证同时完成了两个包含方向的检查。

用 Venn 图检查相同区域

上面的元素归属法已经完成一般验证。现在保持各集合的位置不变,只比较恒等式左右两边选中的区域,看看两种写法是否指向同一批位置。

青绿色区域表示当前集合表达式选中的元素范围。

第一条分配律

左边先取 $B\cup C$ 再与 $A$ 取交;右边分别取 $A\cap B$、$A\cap C$ 再合并。

左边:先并后交

分配律左边的 Venn 图 三个相交椭圆分别表示集合 A、B、C。青绿色区域位于 A 内,同时位于 B 或 C 中,表示 A 交 B 并 C。 A B C

$A\cap(B\cup C)$

右边:分别取交再合并

分配律右边的 Venn 图 三个相交椭圆的位置与左图相同。青绿色区域由 A 与 B 的重叠部分和 A 与 C 的重叠部分合并而成,与左图区域相同。 A B C

$(A\cap B)\cup(A\cap C)$

第一条德摩根律

两图都固定同一个全集 $U$。左边排除 $A\cap B$;右边合并“不属于 $A$”与“不属于 $B$”的区域。

左边:排除交集

德摩根律左边的 Venn 图 矩形表示全集 U,两个相交椭圆表示 A 和 B。除 A 与 B 的重叠区域外,全集内其余区域均为青绿色,表示 A 交 B 的补集。 U A B

$\complement_U(A\cap B)$

右边:合并两个补集

德摩根律右边的 Venn 图 矩形和两个椭圆的位置与左图相同。不属于 A 的区域与不属于 B 的区域合并后,除两个椭圆的重叠区域外,全集内其余区域均为青绿色,与左图区域相同。 U A B

$(\complement_U A)\cup(\complement_U B)$

每组左右两图都保持集合的位置和大小不变。青绿色区域一致,说明两种写法在图中选中同一批位置;这只是对上方归属条件等价的直观检查,不能代替任取元素的一般验证。

核心结论

核心理解:集合相等要落到同一批元素

基本关系、补集关系、结合律、分配律和德摩根律,最终都可以落到元素归属条件上理解。

Venn 图和具体集合可以帮助观察、检查,却不能代替一般验证。只有对任意元素,等式两边的归属条件始终等价,集合恒等式才成立。

任取元素 → 还原“且、或、不” → 判断条件等价 → 得到集合相等。