Математический аппарат инженера

Сигорский Виталий Петрович

5. Задание множеств.

Множество A = {a₁, a₂, ... a_n} можно задать простым перечислением его элементов. Например, спецификация задает множество деталей изделия, каталог — множество книг в библиотеке. Но этот способ не пригоден для задания бесконечных множеств и даже в случае конечных множеств часто практически нереализуем.

Рассмотрим в качестве примера фасад 16-этажного дома с 38 окнами в каждом этаже. В вечернее время каждое из окон дома может быть освещено или затемнено, т. е. 2⁶⁰⁸ 10¹⁸³ находиться в двух состояниях. Определенные совокупности освещенных окон можно рассматривать

как некоторые образы. Считая все окна (их число равно 38*16=608) различными по их расположению на фасаде, каждый такой образ можно связать с соответствующим подмножеством освещенных окон. Тогда количество всех образов равно количеству элементов множества подмножеств всех окон, т. е. . Полученное число настолько большое, что его трудно даже представить. Оно несравнимо больше числа атомов во всей видимой вселенной, которое равно примерно 10³⁷. Если бы каждый атом превратился во вселенную, то и тогда на один атом приходилось бы 10³⁷ образов 10¹⁸³ = 10³⁷ *10³⁷ * 10³⁷). Поэтому, хотя множество всех образов конечно и любой из них можно легко определить, о задании подобных множеств перечислением их элементов не может быть и речи.

Определяющее свойство. Другой способ задания множества состоит в описании элементов определяющим свойством Р(х) (формой от х), общим для всех элементов. Обычно Р(х) — это высказывание, в котором что-то утверждается об х, или некоторая функция

– 23 -

переменной х. Если при замене х на а высказывание Р(а) становится истинным или функция в заданной области определения удовлетворяется, то а есть элемент данного множества. Множество, заданное с помощью формы Р(х), обозначается как Х={х | Р(х)}, или Х={х :Р(х)}, причем а {х | Р(х)}, если Р(а) истинно. Например {х | х² = 2} - множество чисел, квадрат которых равен двум, {х | х есть животное с хоботом} - множество слонов.

Обычно уже в самом определении конкретного множества явно или неявно ограничивается совокупность допустимых объектов. Так, множество слонов следует искать среди млекопитающих, а не среди рыб и тем более не среди планет. Если речь идет о множестве чисел, делящихся на 3, то ясно, что оно является подмножеством целых чисел. Удобно совокупность допустимых объектов зафиксировать явным образом и считать, что рассматриваемые множества являются подмножествами этой совокупности. Ее называют основным множеством (универсумом) и обычно обозначают через U. Так, универсумом арифметики служат числа, зоологии - мир животных, лингвистики - слова и т.п.

Если множество выделяется из множества A с помощью формы Р(х), то запись {х | х А, Р(х)} часто упрощается: {х А | Р(х)}. Запись {f(х) | Р(х)} означает множество всех таких у=f(х), для которых имеется х, обладающий свойством Р(х). Например, {х² | х - простое число} означает множество квадратов простых чисел.

7. Операции над множествами. Множества можно определять также при помощи операций над некоторыми другими множествами. Пусть имеются два множества A и B.

Объединение (сумма) А В есть множество всех элементов, принадлежащих A или В. Например, {1, 2, 3} (2, 3, 4} = {1, 2, 3, 4}.

Пересечение (произведение) А В есть множество всех элементов, принадлежащих одновременно как A, так и В. Например, {1, 2, 3} {2, 3, 4} = {2, 3}. Множества, не имеющие общих элементов (A В = ), называют непересекающимися (расчлененными).

Разность А \ В (или A - В) есть множество, состоящее из всех элементов A, не входящих в В, например, {1, 2, 3} \ {2, 3, 4} = {1}. Ее можно рассматривать как относительное дополнение В до A. Если A U, то множество U \ A называется абсолютным дополнением (или просто дополнением) множества A и обозначается через A. Оно содержит

все элементы универсума U, кроме элементов множества A. Дополнение A определяется отрицанием свойства Р(х), с помощью которого определяется A. Очевидно, А \ В = A В.

– 24 -

Дизъюнктивная сумма (симметрическая разность) А + В (или A В) есть множество всех элементов, принадлежащих или A, или В (но не обоим вместе). Например, {1, 2, 3} + {2, 3, 4} = {1, 4}. Дизъюнктивная сумма получается объединением элементов множеств за исключением тех, которые встречаются дважды.

8. Круги Эйлера. Для наглядного изображения соотношений между подмножествами какого-либо универсума и используют круги Эйлера (рис. 2). Обычно универсум представляется множеством точек прямоугольника, а его подмножества изображаются в виде кругов или других простых областей внутри этого прямоугольника.

Рис. 2. Круги Эйлера для основных операций над множествами.

Множества, получаемые в результате операций над множествами A и В, изображены на рис. 2 заштрихованными областями. Непересекающиеся множества

изображаются неперекрывающимися областями, а включение множества соответствует области, целиком располагающейся внутри другой (рис. 3). Дополнение множества A (до U), т. е. множество A изображается той частью прямоугольника, которая лежит за пределами круга, изображающего A.

9. Отношения. В начале этого параграфа речь шла о том, что элементы множества могут находиться в некоторых отношениях между собой или с элементами других множеств.

Рис. 3. Круги Эйлера для непересекающихся множеств, отношения включения и дополнения.

В самом общем смысле отношение означает какую-либо связь между предметами или понятиями. Отношения между парами объектов называют бинарными (двуместными). Выше же были рассмотрены два таких отношения - принадлежность (а A) и включение A B. Первое из них определяет связь между множеством и его элементами, а второе - между двумя множествами. Примерами бинарных отношений являются равенство (=), неравенства (< или ), а также такие выражения как «быть братом», «делиться (на какое-то число)», «входить в состав (чего-либо)» и т. п.

– 25 -

Для любого бинарного отношения можно записать соответствующее ему соотношение (для отношения неравенства соотношением будет х < у, для отношения «быть братом» соотношение запишется как «х брат у»). В общем виде соотношение можно записать как хАу, где А - отношение, устанавливающее связь между элементом х из множества Х (х X) и элементом y из множества Y (y Y). Ясно, что отношение полностью определяется множеством всех пар элементов (х, у), для которых оно имеет место. Поэтому любое бинарное отношение А можно рассматривать как множество упорядоченных пар (х, у).

Отношения могут обладать некоторыми общими свойствами (например, отношение включения и отношение равенства транзитивны). Определяя эти свойства и комбинируя их, можно выделить важные типы отношений, изучение которых в общем виде заменяет рассмотрение огромного множества частных отношений.

10. Функции как отношения. Функция f, ставящая каждому числу х (аргументу) в соответствие определенное число (значение функции) у=f(х), также является бинарным отношением.

Обобщая это понятие, можно считать функцией такое бинарное отношение f, которое каждому элементу х из множества Х ставит в соответствие один и только один элемент из множества Y, т. е. хfу. При этом считают, что элементами множеств Х и Y могут быть объекты любой природы, а не только числа.