势与可数集

对于一个集合A,如果它是由有限个元素组成的,则称A为有限集合,简称有限集

对于一个有限集A来说,通常把A中不同元素的个数称为A,用|A|来表示。

A中包含m个不同元素,记|A|=m,也称Am元集

例如:A={1,2,3,a,b,c}, |A|=6, A是6元集。

不是有限集合的集合称为无限集合,简称无限集

设有集合AB,如果存在一个从AB的双射函数f:AB,那么称AB等势(Equinumerous), 记作AB.

求证:(Galileo)自然数集N与非负偶数集M等势。

证明: NM之间存在一个双射函数: f(n)=2n 所以NM.

求证:自然数集N与整数集Z是等势的。

证明: NZ的元素按下列顺序排列,可以得到一一对应关系: N:01234n Z:01122f(n) 其中

(1)f(n)={n2ifnisevenn+12ifnisodd

显然f是双射函数,因此NZ.

R是实数集合,SR的子集, S={x|xR,0<x<1}, 试证明SR.

证明:令 f:SR

f(x)=tg(πxπ2) (0<x<1)

显然,f的值域是R,且f是双射函数,所以SR.

或令f:RS,

f(x)=1πtg1x+12 (<x<)f的值域是S. 显然f是双射函数,所以SR.

定理:集合族上的等势关系是一个等价关系。

证明:设集合族为S, R={A,B|A,BSAB}.

(1)对于任意AS,必有AA,所以A,AR.

(2)对于任意A,BS,若A,BR,即AB,则必有BA,所以B,AR.

(3)对于任意A,B,CS,若A,B,B,CR,即ABBC,则必有AC,即A,CR.

求证:自然数集合N是无限集合。

证明:设mN中的任意元素, f是任意从Nm={1,2,3,,m}N的函数。

f:{1,2,3,,m}N

k=1+max{f(1),f(2),,f(m)}

显然,kN.

但对每一个x{1,2,,m},有f(x)k,

因此f不是满射的,所以f不是双射函数。

因为mf都是任意的,故N是无限集合。

求证:区间[0,1]与区间(0,1)等势。

证明:设集合A={0,1,1/2,,1/n,} 显然,A[0,1].

定义f:[0,1](0,1),使得:

(2){f(0)=12f(1n)=1(n+2)n1f(x)=xx[0,1]A

f是双射函数。

所以,区间[0,1]与区间(0,1)等势。

定义:与自然数集合的子集等势的集合称可数集。可数集可以是有限集。不是可数集的无限集合称不可数集

例:A={1,4,9,16,,n2,} B={3,12,27,,3n2,} C={1,1/2,1/3,,1/n,} 都是可数集。

R、[0,1]是不可数集。

定理:A为无限可数集合的充要条件是A可以排列成: A={a0,a1,a2,,an,}.

证明:(充分性)如果A​可以排列成上述形式,那么将A​的元素an​与足标n​对应,就得到A​与N​之间一一对应关系nan​,即A​与N​等势,故A​是无限可数集。

(必要性)若A是无限可数集,则在AN之间存在一一对应关系f,由f得到n的对应元素an: f(n)an A可写成{a0,a1,a2,,an,}的形式。

定理:任意无限集必含可数子集。

证明:设A为无限集合, A中取出一个元素a0.

由于A是无限的,不会因为取出a0而成为空集。 所以,可从A{a0}中取出元素a1.

同样A{a0,a1}也是非空集, 又可从中取出元素a2,.

如此继续下去,就得到A的可数子集: {a0,a1,,an}.

定理:任意无限可数集必与其某一真子集等势。

证明:设M为无限可数集,则M必含有无限可数子集 A={a0,a1,,an,}, B=MA,C=M{a0}, 显然CM.

现构造f:MC,使得

(3){f(an)=an+1n=0,1,2,f(b)=bbB

这个f是双射的,所以MC.

定理:可数个两两不相交的可数集合的并集,仍然是一可数集。

证明:设可数个可数集分别是 S1={a11,a12,a13,,a1n,} S2={a21,a22,a23,,a2n,} S3={a31,a32,a33,,a3n,} S=S1S2S3, S的元素按以下方式排列:

(4)a11a12a13a14a21a22a23a24a31a32a33a34a41a42a43a44

在上述排列中, 由左上端开始, 其每一斜线上的每一元素的两下标之和都相同, 分别为:2,3,4,​, 各斜线上元素的个数分别为:1,2,3,4,, 故S的元素可排列成:a11,a21,a12,a31,a22,a13,,​ 它仍然是一可数集。