观察
- 只涂 A 和 B 的公共部分(不管 C)。机器写出什么?再把这块里属于 C 的那一小块擦掉,式子变成了什么?
- 涂“在 A 里但不在 B 里”的两块。机器为什么用了 ∖ 而不是 ∩ 和补?
- 涂 A∪B 外面的所有区域,再点“取补集”,来回切换。两个式子是什么关系?
- 三个圈把 U 切成了几块?每一块要么涂、要么不涂。
交、并、补、差都是按元素定义的:
A∩BA∪BA∖B={x∣x∈A 且 x∈B},={x∣x∈A 或 x∈B},={x∣x∈A 且 x∈/B},∁UA={x∈U∣x∈/A}.
“且”“或”“非”三个逻辑词就是全部的秘密。韦恩图把这件事画了出来:一个元素落在哪一块,只取决于它在不在 A、在不在 B、在不在 C——三个“是/否”,一共 23=8 种。
先猜后证
三个集合 A,B,C 把全集 U 切成 8 块。用 A,B,C 和交、并、差、补能写出多少个不同的集合?
先选定答案,才能看到结论。
✓ 猜对了!✗ 和你想的不一样——这正是值得停一下的地方。
式子可以无穷长,但写出来的集合只取决于“哪几块被涂了色”。8 块中每块涂或不涂,共 28=256 种涂法。
反过来,每一种涂法都写得出来:每一块本身是 A 或 ∁UA、B 或 ∁UB、C 或 ∁UC 的交,把要的几块并起来就行。上面的机器做的就是这件事,只不过它会去找最短的写法。
为什么:反演律
证明两个集合相等,标准做法是“互相包含”,也就是逐个元素地追:任取左边的元素,证它在右边;反过来也一样。韦恩图上,这等价于每一块都涂得一样。
证明:∁(A∪B) = ∁A ∩ ∁B
第 1 / 6 步 -
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取补
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右边的第一个
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右边的第二个
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求交
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另一半
交换律、结合律、分配律、吸收律也都能这样一块一块地验。下面这台“对图机”把左右两边并排画出来:分配律有两条,哪个才是 A∪(B∩C) 的另一种写法?
红色的块就是两边不一致的地方,往那里放一个元素就得到反例。
和数的运算不同,集合里两条分配律都成立:∩ 对 ∪ 可以分配,∪ 对 ∩ 也可以分配。
如果去掉一个条件
结论:括号可以随便挪 ← 还成立吗?
全是 ∪(或全是 ∩)时,结合律成立,括号怎么加都一样:
里面是 ∩、外面是 ∪,挪一下括号试试:
两个选项都有红块。比如只在 A 里的元素属于左边,却不属于 (A∪B)∩C。运算不同,括号就是式子的一部分,不能随手挪。
练一练
U={1,2,…,10},A 是 U 中偶数组成的集合,B 是 U 中 3 的倍数组成的集合。求 ∁U(A∪B) 的元素个数。
提示 · 方向∁U(A∪B) 里的数,既不在 A 里,也不在 B 里。
提示 · 方法用反演律:∁U(A∪B)=∁UA∩∁UB,找既不是偶数、也不是 3 的倍数的数。
提示 · 第一步奇数有 1,3,5,7,9,去掉 3 的倍数 3,9。
完整解答剩下 1,5,7,所以 ∁U(A∪B)={1,5,7},共 3 个元素。
已知 A∪B={1,2,…,8},A∩B={3,4},A∖B={1,2,5}。求 B(把元素用逗号隔开写出)。
提示 · 方向画两个圈。三块区域“只在 A”“公共”“只在 B”分别是什么?
提示 · 方法A∪B 恰好被分成 A∖B、A∩B、B∖A 三块,互不重叠。
提示 · 第一步B∖A=(A∪B)∖((A∖B)∪(A∩B))={6,7,8}。
完整解答B=(A∩B)∪(B∖A)={3,4}∪{6,7,8}={3,4,6,7,8}。
满足 A∪B={1,2,3,4,5} 的有序集合对 (A,B) 共有多少个?((A,B) 与 (B,A) 在 A=B 时算两个。)
提示 · 方向别去数 A、B 本身,去看每个元素的“去向”。
提示 · 方法韦恩图有三块在 A∪B 里:只在 A、只在 B、两者都在。每个元素必须落进这三块之一。
提示 · 第一步每个元素有 3 种选择,而且各元素互不影响;反过来,每个元素的去向一定下来,(A,B) 就唯一确定。
X={1,2,3,4,5,6}。满足 A∪B∪C=X 且 A∩B∩C=∅ 的有序三元组 (A,B,C) 有多少个?
提示 · 方向还是看每个元素落在三圈韦恩图的哪一块。
提示 · 方法8 块里,哪一块被 A∪B∪C=X 排除了?哪一块被 A∩B∩C=∅ 排除了?
提示 · 第一步圈外那块和正中间那块都不许放,每个元素还剩 8−2=6 块可去。
完整解答6 个元素各有 6 种去向,互不影响,所以共有 66=46656 个三元组。