Rachunek zbiorów

Zbiór i element zbioru są pojęciami elementarnymi, których się nie definiuje (są tak zwanymi pojęciami pierwotnymi).
Zbiory będziemy oznaczać wielkimi literami, np. \(A\), \(B\), \(X\), \(Y\), a ich elementy małymi literami, np. \(a\), \(b\), \(x\), \(y\).
Zbiór pusty (niezawierający żadnego elementu) oznaczamy symbolem \(\emptyset\).
Jeżeli element \(a\) należy do zbioru \(A\), to piszemy \[ a\in A \] Powyższego zapisu nie stosuje się do zbioru pustego.
Jeżeli element \(a\) nie należy do zbioru \(A\), to piszemy \[ a\notin A \]

Będziemy stosować następujące oznaczenia dla zbiorów liczbowych:

\(\fioletowy{\quad\boldsymbol{\mathbb{N}}}\) – zbiór liczb naturalnych; \(\mathbb{N}=\{1,2,3,\ldots \}\)

\(\zielony{\quad\boldsymbol{\mathbb{Z}}}\) – zbiór liczb całkowitych; \(\mathbb{Z}=\{\ldots,-3,-2,-1,0,1,2,3,\ldots \}\)

\(\niebieski{\quad\boldsymbol{\mathbb{Q}}}\) – zbiór liczb wymiernych; \(\mathbb{Q}=\left\{{p\over q}:\ p,q\in\mathbb{Z}\ \wedge \ q\neq 0\right\}\)

\(\czerwony{\quad\boldsymbol{\mathbb{R}}}\) – zbiór liczb rzeczywistych

\({\quad\boldsymbol{\mathbb{IQ}}}\) – zbiór liczb niewymiernych; \(\mathbb{IQ}=\mathbb{R}\setminus \mathbb{Q}\).

Rysunek przedstawiający relacje między zbiorami liczb: naturalnych, całkowitych, wymiernych, niewymiernych i rzeczywistych.
Zbiory liczbowe
Brak liczby \(0\) wśród liczb naturalnych nie jest błędem w druku, chociaż w szkole podstawowej i ponadpodstawowej mówi się, że liczba \(0\) jest liczbą naturalną. Jednak ze względów historycznych w większości publikacji z zakresu matematyki wyższej liczba \(0\) nie jest uznawana za liczbę naturalną, więc symbol \(\mathbb{N}\) oznacza w nich zbiór \(\mathbb{N}=\{1,2,3,\ldots \}\). W związku z tym we wszystkich materiałach zamieszczonych na stronach „Matematyki z ZUT-em” przyjmujemy takie oznaczenie \(\mathbb{N}=\{1,2,3,\ldots \}\).
Mówimy, że zbiór \(A\) zawiera się w zbiorze \(B\), co zapisujemy symbolicznie \[ A\subset B, \] jeżeli każdy element zbioru \(A\) jest elementem zbioru \(B\).
Jeżeli \(A\subset B\), to zbiór \(A\) nazywamy podzbiorem zbioru \(B\).
Możemy zatem powiedzieć, że zbiór liczb naturalnych jest podzbiorem zbioru liczb całkowitych, zbiór liczb całkowitych jest podzbiorem zbioru liczb wymiernych i zbiór liczb wymiernych zawiera się w zbiorze liczb rzeczywistych, czyli \[\mathbb{N}\subset\mathbb{Z},\qquad\mathbb{Z}\subset\mathbb{Q},\qquad\mathbb{Q}\subset\mathbb{R}\] Zatem pomiędzy zbiorami liczb: naturalnych, całkowitych wymiernych i rzeczywistych zachodzi następująca relacja \[\mathbb{N}\subset\mathbb{Z}\subset\mathbb{Q}\subset\mathbb{R}\] Zbiór liczb niewymiernych zawiera się w zbiorze liczb rzeczywistych, ale nie jest podzbiorem żadnego z pozostałych zbiorów liczbowych, czyli \[\mathbb{IQ}\subset\mathbb{R},\qquad\mathbb{IQ}\not\subset\mathbb{N},\qquad\mathbb{IQ}\not\subset\mathbb{Z},\qquad\mathbb{IQ}\not\subset\mathbb{Q}\]
Mówimy, że zbiór \(A\) jest równy zbiorowi \(B\), i piszemy \[ A=B, \] gdy \(A\subset B\) i \(B\subset A\).
Mocą zbioru skończonego \(A\) nazywamy liczbę jego elementów i oznaczamy symbolem \(\overset{=}{A}\).
Przypomnimy definicje podstawowych działań na zbiorach.
Sumą zbiorów \(\czerwony{\boldsymbol{A}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B}}\) nazywamy zbiór oznaczany symbolem \(A\cup B\), gdzie \[ A\cup B= \{x:\ x\in A\ \vee\ x\in B\} \]
Rysunek przedstawiający sumę zbiorów A i B.
Suma zbiorów
Iloczynem zbiorów (częścią wspólną) \(\czerwony{\boldsymbol{A}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B}}\) nazywamy zbiór oznaczany symbolem \(A\cap B\), gdzie \[ A\cap B= \{x:\ x\in A\ \wedge\ x\in B\} \]
Rysunek przedstawiający część wspólną zbiorów A i B.
Iloczyn zbiorów
Zbiory \(A\) i \(B\) nazywamy rozłącznymi, jeżeli \[A\cap B=\emptyset\]
Różnicą zbiorów \(\czerwony{\boldsymbol{A}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B}}\) nazywamy zbiór oznaczany symbolem \(A \setminus B\), gdzie \[ A \setminus B= \{x:\ x\in A\ \wedge\ x\notin B\} \]
Rysunek przedstawiający różnicę zbiorów A i B.
Różnica zbiorów
Niech \(A\) będzie dowolnym zbiorem w przestrzeni \(X\), tzn. \(A\subset X\).
Dopełnieniem zbioru \(\czerwony{\boldsymbol{A}}\) w przestrzeni \(\niebieski{\boldsymbol{X}}\) nazywamy zbiór oznaczany symbolem \(A'\), gdzie \[ A' = \{x\in X:\ x\notin A\}=X\backslash A \]
Rysunek przedstawiający dopełnienie zbioru A.
Dopełnienie zbioru
Przykład
Dla zbiorów \(\czerwony{\boldsymbol{A=\{1,2,3\}}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B=\{2,4,5\}}}\) zawartych w przestrzeni liczb naturalnych \(\niebieski{\boldsymbol{\mathbb{N}}}\) mamy \[ \eqalignno{&A\cup B =\{1,2,3,4,5\} \cr &A\cap B = \{2\}\neq \emptyset \quad \Longrightarrow \quad \textrm{ zbiory } A \textrm{ i } B \textrm{ nie są rozłączne} \cr &A\backslash B = \{1,3\} \cr &B\backslash A = \{4,5\} \cr &A'=\mathbb{N}\backslash A = \{4,5,6,\ldots\} \cr &B'=\mathbb{N}\backslash B = \{1,3,6,7,8,\ldots\} \cr }\]
Rysunek przedstawiający zbiory A i B wraz z ich elementami.
Przykład
Dla zbiorów \(\czerwony{\boldsymbol{A=\langle 0,3)}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B=(2,5\rangle}}\) zawartych w przestrzeni liczb rzeczywistych \(\niebieski{\boldsymbol{\mathbb{R}}}\) mamy \[ \eqalign{& A\cup B =\langle 0,5\rangle \cr &A\cap B = (2,3) \cr &A\backslash B = \langle 0,2\rangle \cr &B\backslash A = \langle 3,5\rangle \cr &A'=(-\infty ,0) \cup \langle 3,\infty) \cr &B' =(-\infty ,2\rangle \cup (5,\infty ) \cr } \]
Rysunek przedstawiający zbiory A i B na osi liczbowej.
Iloczynem kartezjańskim zbiorów \(\czerwony{\boldsymbol{A}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B}}\) nazywamy zbiór oznaczany symbolem \(A\times B\), gdzie \[ A\times B =\{(a,b):\ a\in A\ \wedge\ b\in B\} \]
Rysunek przedstawiający iloczyn kartezjański zbiorów A i B w prostokątnym układzie współrzędnych.
Iloczyn kartezjański zbiorów
Jeżeli \(A=B\), to zamiast \(A\times A\) będziemy pisać \(A^2\).
Uwaga
Iloczyn kartezjański zbiorów nie jest przemienny.
Przykład
Dla \(\czerwony{\boldsymbol{A=\{4,5,6\}}}\) i \(\zielony{B=\{1,2\}}\) mamy \[ \eqalign{ A\times B &= \{ (\czerwony{\boldsymbol 4},\zielony{1}), (\czerwony{\boldsymbol 4},\zielony{2}), (\czerwony{\boldsymbol 5},\zielony{1}), (\czerwony{\boldsymbol 5},\zielony{2}), (\czerwony{\boldsymbol 6},\zielony{1}), (\czerwony{\boldsymbol 6},\zielony{2}) \}\cr B\times A &= \{ (\zielony{1},\czerwony{\boldsymbol 4}), (\zielony{1},\czerwony{\boldsymbol 5}), (\zielony{1},\czerwony{\boldsymbol 6}), (\zielony{2},\czerwony{\boldsymbol 4}), (\zielony{2},\czerwony{\boldsymbol 5}), (\zielony{2},\czerwony{\boldsymbol 6}) \}\cr } \] \[ A\times B \neq B\times A \]
Przykład
Dla \(\czerwony{\boldsymbol{A=(1,4\rangle}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B=(1,2\rangle}}\) iloczyn kartezjański \(A\times B\) jest prostokątem \[ A\times B = \{ (a,b):\ 1< a \leq 4\ \wedge\ 1 < b\leq 2\}\]
Rysunek przedstawiający iloczyn kartezjański zbiorów A i B w prostokątnym układzie współrzędnych.
Przykład
Dla \(\czerwony{\boldsymbol{A=(1,4\rangle}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B=\{2\}}}\) zbiór \(A\times B\) jest odcinkiem \[ A\times B = \{ (a,2):\ 1< a\ \leq\ 4 \} \]
Rysunek przedstawiający iloczyn kartezjański zbiorów A i B w prostokątnym układzie współrzędnych.