离散数学3-集合论

以下是一些集合论中常用的公式：

1. 基本符号：

   • 空集：$\mathrm{\varnothing }$

   • 子集：$A\subseteq B$

   • 真子集：$A\subset B$

   • 并集：$A\cup B$

   • 交集：$A\cap B$

   • 补集：$A^c$ 或 $\bar{A}$

   • 符号元素：$a\in A$

   • 不属于：$a\notin A$

2. 集合运算：

   • 并集结合律：$A\cup (B\cup C)=(A\cup B)\cup C$

   • 交集结合律：$A\cap (B\cap C)=(A\cap B)\cap C$

   • 并集分配律：$A\cup (B\cap C)=(A\cup B)\cap (A\cup C)$

   • 交集分配律：$A\cap (B\cup C)=(A\cap B)\cup (A\cap C)$

   • 德摩根定律：$(A\cup B{)}^c=A^c\cap B^c$ 和 $(A\cap B{)}^c=A^c\cup B^c$

   • 两个集合相等：$A=B$ 当且仅当 $A\subseteq B$ 且 $B\subseteq A$

3. 集合关系：

   • 包含关系：$A\subseteq B$ 和 $B\subseteq A$ 成立，则 $A=B$

   • 并集的包含关系：$A\subseteq C$ 和 $B\subseteq C$ 成立，则 $A\cup B\subseteq C$

   • 交集的包含关系：$A\subseteq B$ 和 $A\subseteq C$ 成立，则 $A\subseteq B\cap C$

   • 并集与交集的关系：$(A\cup B)\cap C=(A\cap C)\cup (B\cap C)$

4. 特殊集合：

   • 自然数集：$\mathbb{N}=\{0,1,2,\dots \}$

   • 整数集：$\mathbb{Z}=\{\dots ,-2,-1,0,1,2,\dots \}$

   • 有理数集：$\mathbb{Q}=\{\frac{a}{b}\mid a\in \mathbb{Z},b\in \mathbb{Z},b\ne 0\}$

   • 实数集：$\mathbb{R}$

   • 复数集：$\mathbb{C}$

以下是一些集合论中更深入的概念和公式：

1. 无限集合：

   • 有限集合：元素个数有限

   • 无限集合：元素个数无限

   • 可数无限集合：元素可以一一对应到自然数集 $\mathbb{N}$

   • 不可数无限集合：元素不能一一对应到自然数集 $\mathbb{N}$

   • 例子：自然数集 $\mathbb{N}$ 是可数无限集合，实数集 $\mathbb{R}$ 是不可数无限集合

2. 序数：

   • 序数：把所有小于它的所有序数都看作一个集合，再取并集得到的集合

   • 集合中的元素按照某种规则排列而成的一种序

   • 例子：自然数集 $\mathbb{N}$ 是一个序数，每个自然数 $n$ 对应一个序数$n$

3. 基数：

   • 基数：集合中元素的个数，也称为集合的势（cardinality）

   • 同一基数的两个集合可以建立一一映射

   • 基数可以比较大小，比如 $|\mathbb{N}|<|\mathbb{R}|$

   • 具有相同基数的集合称为等势集

4. 公理化集合论：

   • 公理化集合论：用公理或公设作为基础，建立数学上的集合概念

   • 公理化集合论的一个基本公理是选择公理（axiom of choice）

   • 选择公理：对于任意可数个非空集合 $A_1,A_2,\dots ,A_n,\dots$，存在一个集合 $B$，使得 $B$ 中恰好有一个元素属于每个 $A_i$

   • 选择公理等价于 Zorn 引理和良序定理

以下是一些集合论中更深入的概念和公式：

1. 可数集和不可数集：

   • 可数集：基数与自然数集相同的集合，可以通过一一对应与自然数集中的元素进行计数

   • 不可数集：基数大于自然数集的集合，不能与自然数集中的元素一一对应

   • 例子：有理数集 $\mathbb{Q}$ 是可数集，实数集 $\mathbb{R}$ 是不可数集

2. 可列集和不可列集：

   • 可列集：可数集的一种更严格的分类，可以按照某种顺序将集合中的元素排成一列

   • 不可列集：不是可列集的集合，其中的元素无法按顺序排列成一列

   • 例子：自然数集 $\mathbb{N}$ 是可列集，实数集 $\mathbb{R}$ 是不可列集

3. 连续统假设：

   • 连续统假设：由康托尔提出的一个关于基数的假设，它表明不存在介于可数集和不可数集之间的集合

   • 连续统假设在公理化集合论中具有重要地位，但其独立性一直未能得到证明

   • 如果连续统假设成立，那么实数集 $\mathbb{R}$ 的基数为 $2^{{\mathrm{\aleph }}_0}$

4. 笛卡尔积：

   • 笛卡尔积：对于两个集合 $A$ 和 $B$，其笛卡尔积表示为 $A\times B$，是由所有有序对 $(a,b)$ 构成的集合，其中 $a\in A$ 且 $b\in B$

   • 笛卡尔积可以推广到多个集合的情况

   • 例子：如果 $A=\{1,2\}$ 且 $B=\{a,b\}$，则 $A\times B=\{(1,a),(1,b),(2,a),(2,b)\}$

5. 集合的相对补和绝对补：

   • 相对补：给定两个集合 $A$ 和 $B$，$A$ 相对于 $B$ 的补集，表示为 $A-B$ 或 $A\setminus B$，是由所有属于 $A$ 但不属于 $B$ 的元素构成的集合

   • 绝对补：给定一个全集 $U$，集合 $A$ 的绝对补集，表示为 $A^{\prime }$ 或 $\bar{A}$，是由所有不属于 $A$ 的元素构成的集合

   • 例子：如果 $A=\{1,2,3\}$ 且 $B=\{2,3,4\}$，则 $A-B=\{1\}$，$B-A=\{4\}$，$A^{\prime }=\{4\}$，$B^{\prime }=\{1\}$

以下是一些更深入的集合论概念和公式：

1. 基数的比较：

   • 基数的比较：给定两个集合 $A$ 和 $B$，如果存在一一对应 $f:A\to B$，则称 $A$ 和 $B$ 的基数相同，记为 $|A|=|B|$；否则，如果不存在这样的一一对应，则称 $A$ 的基数小于 $B$ 的基数，记为 $|A|<|B|$

   • 例子：自然数集 $\mathbb{N}$ 和偶数集 $\{2,4,6,\cdots \}$ 具有相同的基数，因为它们之间存在一一对应 $f(n)=2n$

2. 选择公理：

   • 选择公理：在集合论中，选择公理是指对于任意一个集合族 $\{A_i{\}}_{i\in I}$，其中每个集合 $A_i$ 都非空，则存在一个选择函数 $f:I\to \bigcup _{i\in I}{A}_i$，使得对于所有 $i\in I$，有 $f(i)\in A_i$

   • 选择公理是公理化集合论中最常用的公理之一，它与其他公理（如 Zorn 引理、良序定理等）有着密切的联系

3. 幂集：

   • 幂集：给定一个集合 $A$，其幂集表示为 $\mathcal{P}(A)$，是由 $A$ 的所有子集构成的集合

   • 幂集可以看作是所有可能的集合组合方式构成的集合

   • 例子：如果 $A=\{1,2\}$，则 $\mathcal{P}(A)=\{\varnothing ,\{1\},\{2\},\{1,2\}\}$

4. 等价关系：

   • 等价关系：给定一个集合 $A$，一个二元关系 $\sim$ 是 $A$ 上的等价关系，当且仅当它满足以下三个条件：

     1. 自反性：对于任意 $a\in A$，有 $a\sim a$

     2. 对称性：对于任意 $a,b\in A$，如果 $a\sim b$，则 $b\sim a$

     3. 传递性：对于任意 $a,b,c\in A$，如果 $a\sim b$ 且 $b\sim c$，则 $a\sim c$

   • 等价类：给定一个等价关系 $\sim$，对于任意 $a\in A$，其等价类 $[a]$ 定义为所有与 $a$ 相等的元素构成的集合，即 $[a]=\{b\in A:a\sim b\}$

   • 例子：自然数集 $\mathbb{N}$ 中，可以定义一个等价关系 $\sim$，表示两个数的差为偶数，即 $a\sim b\iff a-b$ 是偶数。这个等价关系将 $\mathbb{N}$ 分成了无限个等价类，其中每个等价类都是以 2 为周期的一组序列，如 $\{0,2,4,\cdots \}$、$\{1,3,5,\cdots \}$、$\{2,4,6,\cdots \}$ 等。

5. 序数：

   • 序数：在集合论中，序数是用来描述集合之间的顺序关系的概念。一个序数是所有比它小的序数的集合。

   • 常见的序数包括自然数（0, 1, 2, ...），无限基数（${\mathrm{\aleph }}_0$，表示可数无穷）以及更高阶的序数（如 $\omega$，表示最小无穷序数）。

6. 选择公理的等价形式：

   • Zorn 引理：Zorn 引理是选择公理的等价形式之一，它陈述了下述命题：

     如果一个偏序集合中的每个链（全序子集）都有上界，则该偏序集合存在一个极大元素。

   • 良序定理：良序定理是选择公理的另一种等价形式，它陈述了下述命题：

     每个集合都可以被一个良序关系所良序。

7. 基本运算：

   • 并集：给定两个集合 $A$ 和 $B$，它们的并集 $A\cup B$ 包含了 $A$ 和 $B$ 中的所有元素，且不重复计数。

   • 交集：给定两个集合 $A$ 和 $B$，它们的交集 $A\cap B$ 包含了同时属于 $A$ 和 $B$ 的所有元素。

   • 差集：给定两个集合 $A$ 和 $B$，它们的差集 $A-B$ 包含了属于 $A$ 但不属于 $B$ 的所有元素。

   • 补集：给定一个全集 $U$ 和一个集合 $A$，它的补集 $A^c$ 包含了属于 $U$ 但不属于 $A$ 的所有元素。

8. 基数运算：

   • 并集的基数：对于两个集合 $A$ 和 $B$，它们的并集的基数满足 $|A\cup B|=|A|+|B|-|A\cap B|$

   • 乘积的基数：对于两个集合 $A$ 和 $B$，它们的乘积 $A\times B$ 的基数满足 $|A\times B|=|A|\cdot |B|$

   • 幂集的基数：对于一个集合 $A$，它的幂集 $\mathcal{P}(A)$ 的基数满足 $|\mathcal{P}(A)|=2^{|A|}$

   • 基数的加法和乘法：对于任意两个基数 $|A|$ 和 $|B|$，定义它们的加法和乘法如下：

     $|A|+|B|=max\{|A|,|B|\}$（两个基数中较大的一个）

     $|A|\cdot |B|=max\{|A|,|B|\}$（两个基数中较大的一个）

9. 集合的无穷性：

   • 可数集：一个集合称为可数集，如果它的基数与自然数集 $\mathbb{N}$ 的基数相同或者有限。

   • 不可数集：一个集合称为不可数集，如果它的基数比任何可数集的基数都大。

   • 例子：实数集 $\mathbb{R}$ 是一个不可数集，而自然数集 $\mathbb{N}$ 是一个可数集。

补充

1. 选择公理是集合论的一个基本公理，它在数学中起着重要的作用。下面我们将进一步讨论选择公理及其应用。

选择公理（Axiom of Choice）是由德国数学家 Ernst Zermelo 在 1904 年提出的。它陈述如下：

对于任意一个非空的集合族 $\mathcal{F}$，存在一个选择函数 $f$，使得对于每个集合 $A\in \mathcal{F}$，都有 $f(A)\in A$。

换句话说，选择公理允许我们从每个非空集合中选择一个元素构成一个集合。尽管这个公理看起来直观简单，但它引发了许多深刻的结果和结论。

选择公理的一些重要后果包括：

1. Zorn 引理：Zorn 引理是选择公理的等价形式之一。它陈述：如果一个偏序集合中的每个链（全序子集）都有上界，则该偏序集合存在一个极大元素。Zorn 引理在拓扑学、代数学和其他领域中有广泛的应用。

2. 基数比较：选择公理确保了任意两个集合的基数可以进行比较。这意味着我们可以使用基数的大小来比较集合的大小，并且可以定义集合的无穷性。

3. 超限递归和超限归纳：选择公理是超限递归和超限归纳原理的基础。这些原理在处理无穷集合时非常有用，允许我们定义和证明关于序数和基数的性质。

4. 直积和和积拓扑：选择公理保证了任意一组非空拓扑空间的直积仍然是一个非空拓扑空间。此外，它还确保了任意一组紧拓扑空间的笛卡尔积仍然是一个紧拓扑空间。

选择公理引发了许多深刻且复杂的讨论和研究。它对于数学的发展产生了广泛而重要的影响。然而，选择公理也引起了一些争议，因为它在某些情况下可能导致非构造性的结果。不过，在大多数数学领域中，选择公理被广泛接受并使用。

2. 基数理论是集合论中一个重要的分支，研究的是集合的大小或数量，即基数的性质和关系。下面我们将介绍一些基本概念和结果。

3. 基数的定义：集合 $A$ 的基数是指 $A$ 中元素的个数，用符号 $|A|$ 表示。如果 $|A|=|B|$，则称集合 $A$ 和 $B$ 具有相同的基数，也可以说它们是等势的。

4. 无限基数：如果一个集合的基数不是有限的，那么它被称为无限基数。常见的无限基数包括可数集合的基数 ${\mathrm{\aleph }}_0$，以及连续统假设的基数 $\mathfrak{c}$。

5. 可比较性：如果两个集合 $A$ 和 $B$ 的基数可以进行比较，就说它们是可比较的。我们可以使用符号 $\le$ 来表示基数之间的比较关系。如果存在一个单射 $f:A\to B$，则称 $|A|\le |B|$。如果还存在一个从 $B$ 到 $A$ 的单射，那么 $|A|$ 和 $|B|$ 是等势的，即 $|A|=|B|$。

6. 连续基数：一个基数 $k$ 被称为是连续基数，如果它满足 ${\mathrm{\aleph }}_0<k=2^{{\mathrm{\aleph }}_0}$。

7. 康托尔对角线论证：康托尔对角线论证是一个用来证明某些集合的基数大于另一些集合的基数的方法。假设我们有一个无限个集合的序列 $A_1,A_2,A_3,\dots$，并且我们想要证明它们的基数不相同。我们可以构造一个新的集合 $B$，其中第 $i$ 个元素与 $A_i$ 不同的部分与二进制小数 $0.b_{i,1}{b}_{i,2}{b}_{i,3}\dots$ 对应，其中 $b_{i,j}=0$ 当 $A_i$ 中的第 $j$ 个元素是 $0$，否则 $b_{i,j}=1$。然后，我们可以使用康托尔对角线来构造一个新的序列 $b_1,b_2,b_3,\dots$，其中 $b_i$ 是 $B$ 中的第 $i$ 个元素的第 $i$ 位取反。这样得到的序列不在原来的序列中出现，因此 $B$ 的基数大于任何一个 $A_i$ 的基数。

8. 康托尔定理：康托尔定理（或康托尔-伯恩斯坦定理）是基数理论中的一个重要定理，它陈述：对于任意两个集合 $A$ 和 $B$，它们的基数之和等于它们的基数乘积，即 $|A\times B|=|A|\cdot |B|$。康托尔定理的证明涉及到选择公理。

基数理论在数学中有着广泛的应用，尤其是在拓扑学、代数学和计算机科学中。

3. 超限归纳和超限递归是集合论中的重要概念，用于处理无穷集合上的归纳和递归问题。

超限归纳是归纳原理的一种推广，用于证明关于基数（集合的大小）或序数（集合的顺序结构）的性质。传统的归纳原理只适用于自然数或有限集合，而超限归纳可以应用于无限集合。

超限归纳的形式化表述如下：设 $X$ 是一个序数或基数的类，对于任意 $\alpha \in X$，如果对于任意 $\beta <\alpha$，当 $X$ 中的所有元素 $\beta$ 都满足某个性质时，$\alpha$ 也满足该性质，则 $X$ 中的所有元素都满足该性质。

超限归纳的思想是通过遍历序数或基数的所有可能取值，并从小到大依次验证性质的成立。这样的推理方法可以处理一些涉及无穷集合的问题，例如证明每个基数都有后继基数，或者证明序数的传递性等。

超限递归是递归原理的推广，同样用于定义函数或构造序列的方式。传统的递归原理只适用于自然数或有限集合，而超限递归可以应用于无限集合。

超限递归的形式化表述如下：设 $F$ 是一个函数或操作符，对于任意序数或基数 $\alpha$，如果已知对于所有 $\beta <\alpha$，$F$ 在 $\beta$ 上的结果已经定义，则可以定义 $F$ 在 $\alpha$ 上的结果。

超限递归的思想是通过逐步构造序列或函数，依次定义每个序数或基数上的值。这种方式能够处理一些涉及无穷集合的定义问题，例如定义集合上的运算、定义序数加法和乘法等。

超限归纳和超限递归是集合论中用于处理无穷集合上的归纳和递归问题的重要方法。它们在数学和理论计算机科学等领域中有着广泛的应用。

4. 在拓扑学中，直积和和积是两种常见的拓扑空间构造方法。它们可以通过给定拓扑空间的直积或和积来构建新的拓扑空间。

直积拓扑（Product Topology）是由两个或多个拓扑空间的直积所生成的拓扑。给定拓扑空间 $(X_1,{\tau }_1),(X_2,{\tau }_2),\dots ,(X_n,{\tau }_n)$，它们的直积拓扑定义为集合 $X=X_1\times X_2\times \dots \times X_n$ 上的最小拓扑，该拓扑使得投影映射 ${\pi }_i:X\to X_i,(x_1,x_2,\dots ,x_n)\mapsto x_i$ 对于每个 $i=1,2,\dots ,n$ 都是连续的。直观地说，直积拓扑保留了每个分量空间的拓扑结构，并通过投影映射使其成为整个拓扑空间的连续映射。

和积拓扑（Sum Topology）是由两个或多个拓扑空间的和积所生成的拓扑。给定拓扑空间 $(X_1,{\tau }_1),(X_2,{\tau }_2),\dots ,(X_n,{\tau }_n)$，它们的和积拓扑定义为集合 $X=X_1\oplus X_2\oplus \dots \oplus X_n$ 上的最大拓扑，该拓扑使得每个包含映射 $i_i:X_i\to X,x\mapsto i_i(x)$ 都是连续的。和积拓扑将每个分量空间的拓扑直接组合起来，使得整个和积空间成为一个连续映射的最小闭包。

直积拓扑和和积拓扑在拓扑学中有广泛的应用。它们可以用于构造新的拓扑空间，例如笛卡尔空间、欧几里德空间等。此外，直积拓扑和和积拓扑也可以用于定义拓扑空间之间的映射，例如拓扑群、拓扑环等结构。