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 \[ a\notin A \]
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; \(\mathbb{IQ}=\mathbb{R}\setminus \mathbb{Q}\).
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 \(B\).
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 \[\mathbb{IQ}\subset\mathbb{R},\qquad\mathbb{IQ}\not\subset\mathbb{N},\qquad\mathbb{IQ}\not\subset\mathbb{Z},\qquad\mathbb{IQ}\not\subset\mathbb{Q}\]
Przypomnimy definicje podstawowych działań na zbiorach.
Sumą zbiorów \(\czerwony{\boldsymbol{A}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B}}\) nazywamy zbiór oznaczany symbolem \(A\cup B\), gdzie \[ A\cup B= \{x:\ x\in A\ \vee\ x\in B\} \]
Suma zbiorów
Iloczynem zbiorów (częścią wspólną) \(\czerwony{\boldsymbol{A}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B}}\) nazywamy zbiór oznaczany symbolem \(A\cap B\), gdzie \[ A\cap B= \{x:\ x\in A\ \wedge\ x\in B\} \]
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 \[ A \setminus B= \{x:\ x\in A\ \wedge\ x\notin B\} \]
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 \[ A' = \{x\in X:\ x\notin A\}=X\backslash A \]
Dopełnieniem zbioru \(\czerwony{\boldsymbol{A}}\) w przestrzeni \(\niebieski{\boldsymbol{X}}\) nazywamy zbiór oznaczany symbolem \(A'\), gdzie \[ A' = \{x\in X:\ x\notin A\}=X\backslash A \]
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 \[ \eqalignno{&A\cup B =\{1,2,3,4,5\} \cr &A\cap B = \{2\}\neq
\emptyset \quad \Longrightarrow \quad \textrm{ zbiory } A \textrm{ i } B \textrm{ nie są rozłączne} \cr &A\backslash B = \{1,3\} \cr &B\backslash A = \{4,5\} \cr &A'=\mathbb{N}\backslash A = \{4,5,6,\ldots\} \cr &B'=\mathbb{N}\backslash
B = \{1,3,6,7,8,\ldots\} \cr }\]
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 \[ \eqalign{& A\cup B =\langle 0,5\rangle \cr &A\cap B =
(2,3) \cr &A\backslash B = \langle 0,2\rangle \cr &B\backslash A = \langle 3,5\rangle \cr &A'=(-\infty ,0) \cup \langle 3,\infty) \cr &B' =(-\infty ,2\rangle \cup (5,\infty ) \cr } \]
Iloczynem kartezjańskim zbiorów \(\czerwony{\boldsymbol{A}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B}}\) nazywamy zbiór oznaczany symbolem \(A\times B\), gdzie \[ A\times B =\{(a,b):\ a\in A\ \wedge\ b\in B\} \]
Jeżeli \(A=B\), to zamiast \(A\times A\) będziemy pisać \(A^2\).
Iloczyn kartezjański zbiorów
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 \[ A\times B = \{ (a,b):\ 1< a \leq 4\ \wedge\ 1 < b\leq 2\}\]
Przykład
Dla \(\czerwony{\boldsymbol{A=(1,4\rangle}}\) i \(\zielony{\boldsymbol{B=\{2\}}}\) zbiór \(A\times B\) jest odcinkiem \[ A\times B = \{ (a,2):\ 1< a\ \leq\ 4 \} \]