Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Сборник задач по дискретной математике. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
1.1. Множества и операции над ними 11
Доказательство. Так как пустое множество является подмножеством любого множества, нам осталось доказать, что A ∩(B\A) не содержит ни одного элемента, а значит, является подмножеством .
Пусть x A ∩(B\A). Тогда x A и x B\A. Однако, из второго выражения следует, что x B и x 6∈ A, что противоречит первому выражению. Таким образом, доказано включение A ∩ (B\A) , а вместе с ним и равенство A ∩ (B\A) = .
Пример 1.8. Доказать, что для любых множеств A, B и C выполнено равенство (A B) ×C = (A × C) (B × C).
Доказательство. Пусть x ∈ (A B) ×C. Тогда x = (y, z), причем y (A B), а z C. Отсюда следует, что y A и y B. Соответственно,
x = (y, z) A ×C и x B ×C. Следовательно, x ∈ (A ×C) (B ×C). Таким образом, доказано, что (A B) ×C (A × C) (B × C)
Пусть x ∈ (A ×C)(B ×C), тогда x A ×C и x B ×C. Отсюда следует, что x = (y, z). Из первого утверждения получаем y A и
z C, а из второго, что y B и z C. Таким образом, y A B и z C, следовательно, x ∈ (AB)×C. Получили, что (A×C)(B×C)
(A B) ×C. Следовательно, (A B) × C = (A × C) (B × C), что и требовалось доказать.
1.1. Задачи
1.1.1. Перечислить элементы множеств:
а) A = {x N |x2− 5x 6 14}; б) B =x Z
 
1
< 3x6 9;
5
в) A B; г) A B; д) A\B; е) B\A.
1.1.2. Перечислить элементы множеств:
а) A = {x Z | log3|x| 6 1}; б) B = {x N
 
|x 2| < 4};
в) A B; г) A B; д) A\B; е) B\A.
1.1.3. Перечислить элементы множеств:
а) A =x Z
   
1
300
<
1
6 81; б) B = {x Z
x
3
 
log2(|x2|−1) 6 2};
в) A B; г) A B; д) A\B; е) B\A.
1.1.4. Перечислить элементы множеств:
а) A = {x Z |x4− 29x2+ 100 6 0}; б) B = {x 2Z в) A B; г) A B; д) A\B; е) B\A.
1.1.5. Даны множества A = [2, 4), B = [0, 6). Найти:
a) A B; б) A B; в) A\B; г) B\A.
1.1.6. Даны множества A = [3, 5), B = (1, 2]. Найти:
a) A B; б) A B; в) A\B; г) B\A.
 
|x 3| 6 5};
12 Глава 1. Элементы теории множеств
\
1.1.7. Найти
a) Ai= [i, ); б) Ai=1
1.1.8. Найти
a) Ai= (i, i); б) Ai=−2 +
Ai, если:
i=1
[
Ai, если:
i=1
1
, 1 +
i
1
, 2
i
1
.
i
1
.
i
1.1.9. Доказать следующие тождества, используя только определения
операций над множествами:
а) (A B) C = A (B C); б) A B = B\A; в) A B = A ∪ (B\A); г) A B = (A B)\(A B); д) (A\B) (B\A) = ; е) (A\B)\C = (A\C)\B; ж) (A\B) C = (A C)\B; з) (A\B) C = (C\B) A.
1.1.10. Доказать следующие утверждения:
a) A B тогда и только тогда, когда A B = B; б) A B тогда и только тогда, когда A B = A; в) A B = тогда и только тогда, когда A B = (A\B) (B\A); г) A\(B\C) = A\(C\B) тогда и только тогда, когда B = C; д) A B = A C тогда и только тогда, когда B\A = C\A; е) если A B = C, то A C = B C = C, верно ли обратное утвер­ждение?
1.1.11. Найти необходимые и достаточные условия на множества
A, B, C, при которых выполняются следующие равенства:
а) A\B = B\C; б) A B = B C; в) A B = A C; г) A ∩ (B C) = (A B) (A C); д) (A\B) C = (A C)\B; е) (A B)\C = (A\C) (B\C).
1.1.12. Даны множества A и B. Перечислить элементы множества
A ×B:
а) A =1, 2, {2}, B =a, b, {a, b}; б) A =∅, {},∅, {}, B =∅, {},{}.
1.1.13. Проверить справедливость следующих утверждений:
а) (A B) ×C = (A × C) (B × C); б) (A\B) ×(C\D) = (A × C)\(B × D); в) (A × C) (B × D) =(A B) ×(C D)∩(A B) ×(C D); г) (A B) ×(C D) = (A × C) (B × D); д) A × B = (A × B) (A × B) (A × B).
1.2. Отношения и функции 13
1.2 Отношения и функции
Пример 1.9. Перечислить все элементы отношения P N2, если P =
{(x, y) |x + y 6 4, xy делится на 4}.
Решение. Легко видеть, что
P = {(0, 0), (0, 1), (0, 2), (0, 3), (0, 4), (1, 0), (2, 0), (2, 2), (3, 0), (4, 0)}.
Пример 1.10. Пусть A = B = {1, 2, 3, 4}, а P = {(1, 3), (2, 2), (2, 4), (3, 1), (3, 2), (4, 3)}. Изобразить это отношение графически тремя спосо-
бами (в виде точек на “координатной” плоскости, при помощи стрелок на одном и на двух экземплярах множества A, см. [5], стр. 20–21).
Решение. Графические представления данного отношения изображены на следующих рисунках:
1.
6
4 3 2 1
r
r
r
r r r
-
2а)
1
2
3
4
r
@
@
r
@
@
r
r
@
@ 
 
@
@ 
 @
@ 
 @
@ 

­*
 @
@
@R
*
 @
@
@R
  @
 @
2б)

r1 2
I
?
r
n
r
1
r
2
r
3
r
4
r


3 4
r
1 2 3 4
Пример 1.11. Пусть A = {1, 2, 3, 4}, B = {1, 2, 3} и P A × B — бинарное отношение, определенное следующим образом: P = {(1, 2), (1, 3), (2, 2), (4, 3)}. Найти область определения (δP= {x ∈ A |(x, y) P для некоторого y B}) и область значения (ρP= {y ∈ B |(x, y) P для некоторого x A}) отношения P . Найти P−1.
Решение. Областью определения является множество первых коорди­нат всех пар отношения P , то есть δP= {1, 2, 4}. Областью зна- чений является множество вторых координат всех пар этого отно­шения, то есть ρP= {2,3}. Чтобы найти P1, достаточно поме­нять в каждой паре первую и вторую координату, то есть P
1
=
{(2, 1), (3, 1), (2, 2), (3, 4)}.
Пример 1.12. Пусть P, Q R2— бинарные отношения, определенные следующим образом: P = {(x, y) |x + y четно}, Q = {(u, v) |v u = 1}. Найти P Q.
14 Глава 1. Элементы теории множеств
Решение. Очевидно, что P = {(2k + 1, 2l + 1) |k, l N} ∪ {(2n, 2m) |n, m N}, то есть P состоит из пар чисел одинаковой чет-
ности. Также можно записать, что Q = {(s, s + 1) |s N}. Пусть (x, z) P Q. Пара (y, z) Q в том и только том случае, когда
y = z 1. Отсюда сразу получаем z > 1. Из определения отноше- ния P следует, что x может быть любым при условии, что x и z 1 одной четности. Следовательно, x и z — числа разной четности. Таким образом, получаем P Q = {(x, z) |z > 1, x + z нечетно}.
Пример 1.13. Пусть P, Q R2— бинарные отношения, определенные следующим образом: P = {(x, y) |x2+ 2y 6 3}, Q = {(u, v) |√u + 2v = 6}. Найти P Q.
Решение. Пусть (x, z) P Q. Из определения Q следует, что (y, z) Q тогда и только тогда, когда√y = 6 2z. Так как 6 2z > 0, получаем z 6 3. Соответственно, y = (6 2z)2= 36 24z + 4z2. Далее, так как пара (x, 36 24z + 4z2) P , получаем x2+ 2(36 24z + 4z2) 6 3 или
x2+ 8z2−48z +69 6 0. Следовательно, P ◦Q = {(x, z) |x2+ 8z2−48z + 69 6 0, z 6 3}.
Пример 1.14. Пусть A — множество студентов в данной аудитории, B — множество парт в этой же аудитории. Является ли функцией из A в B отношение f, ставящее в соответствие каждому студенту парту,
за которой он сидит? Является ли функцией правило g, ставящее в соответствие каждой парте студента, сидящего за ней?
Решение. Отношение f является функцией2. Отношение g функцией не является, так как за одной партой может сидеть более одного студента.
Пример 1.15. Является ли функцией из множества R в себя отноше- ние f , заданное следующим образом: f (x) = 2x2+ 7?
Решение. Результат каждой из операций сложения и умножения и воз­ведения в квадрат однозначно определяется исходными числами (сла­гаемыми или сомножителями) и является действительным числом, ес­ли исходные числа были действительными. Следовательно, при под­становке вместо x любого действительного числа получаем однозначно определенное действительное число. Значит f является функцией.
Пример 1.16. Является ли функцией из множества R+= (0, ) в множество R отношение f RR, определенное следующим образом: f = {(x, y) |x = |y|}?
2
Конечно, при условии, что каждый студент сидит за какой-либо партой, а не просто на полу.
1.2. Отношения и функции 15
Решение. Легко видеть, что для любого значения x существуют два различных значения y, удовлетворяющие условию (одно из которых яв­ляется положительным, а другое — отрицательным). Например, |2| = | − 2| = 2. Значит, значению x = 2 должны быть поставлены в со- ответствие значения y = 2 и y = 2. Следовательно, f не является отображением.
Пример 1.17. Найти область значений отображения f : R R, опре- деленного по правилу f (x) = x2.
Решение. Очевидно, что f (R) = ρf= R
+
.
0
Пример 1.18. Является ли отображение f из примера 1.14 является инъективным? Сюръективным? В случае отрицательного ответа в об­щем случае сформулируйте условия, при которых f будет инъективным (сюръективным).
Решение. Если нет пустующих парт, то отображение сюръективно и если ни за какой партой не сидит двух или более студентов, то отобра­жение инъективно. В общем же случае, данное отображение, очевидно, не является ни инъективным, ни сюръективным.
Пример 1.19. Проверить, что а) функция f из примера 1.17 не является ни инъективной, ни сюръек­тивной; б) функция g : [1, 1] [0, 1], такая что g(x) = |x|, является сюръек­тивной, но не является инъективной; в) функция h : N N, такая что h(x) = x2, является инъективной, но не является сюръективной; г) функция k : R R, определенная по правилу k(x) = 2x−4, является биективной.
Решение. а) То, что функция f не является сюръективной, было дока- зано в примере 1.17. Осталось отметить, что, например, f(1) = f(1) = 1, а значит, f не является инъективной. б) Пусть y ∈ [0, 1]. Найдем такое число x, чтобы |x| = y. Очевид­но, что x = ±y, то есть g(y) = g(y) = y, что и доказывает сюръ­ективность. Функция g не является инъективной, так как, например, g(1) = g(1) = 1. в) Пусть x1, x2∈ N. Предположим, что h(x1) = h(x2), то есть x
2
x
= y. Прообразами элемента y могут быть числа ±√y, но √y 6 0.
2
2
=
1
Поэтому, если y > 0, то только одно из чисел√y, √y может быть натуральным, следовательно, x1= x2. Если y = 0, то, очевидно, то­же существует лишь один прообраз этого элемента, а именно число 0,
16 Глава 1. Элементы теории множеств
следовательно, снова x1= x2. Функция h не является сюръективной, потому что, например, число 2 не имеет прообраза (не существует на­турального числа a, такого что h(a) = a2= 2). г) Пусть x1, x2∈ R. Пусть k(a1) = k(a2). Тогда имеем
2x1− 4 = 2x2− 4; 2x
x
1
1
= 2x2; = x2;
что доказывает инъективность. Теперь фиксируем элемент y R. До­кажем, что прообраз этого элемента не является пустым множеством. Итак, пусть k(x) = y. Получим
2x 4 = y; 2x = y + 4;
y + 4
x =
.
2
Легко видеть, что значение x можно вычислить для любого действи­тельного числа y. Таким образом, для произвольного y существует эле­мент x, такой что k(x) = y, что доказывает сюръективность отображе­ния k. Следовательно, это отображение биективно.
Пример 1.20. Пусть f : R R и g : R R функции, определенные следующим образом: f (x) = sin(2x −3), g(x) =√x2+ 1. Найти f g и g f.
Решение.
(f g)(x) = g(f (x)) = (g f)(x) = f (g(x)) =
= g(sin(2x 3)) = = f(√x2+ 1) =
p
=
sin2(2x 3) + 1; = sin(2√x2+ 1 3).
1.2. Задачи
1.2.1. Дано множество A = {0, 1, 2, 3, 4}, и отношение P A3. Пере-
числить все элементы отношения P , заданного следующим образом: а) P = {(x, y, z) |x + y = z}; б) P = {(x, y, z) |xy = z}; в) P = {(x, y, z) |x + y = yz}; г) P = {(x, y, z) |(x + y)z + 4 делится на 12}.
1.2.2. Изобразить графически (двумя способами) отображение
P A × B. Является ли P функцией? Является ли функцией P−1? а) A = {0, 1, 2, 3}, B = {0, 1, 2}, P = {(x, y) |x + y делится на 3};
1.2. Отношения и функции 17
б) A = {0, 1, 2}, B = {0, 1, 2, 3}, P = {(x, y) ||x 2| = |y 1|};
в) A = {0, 1, 2, 3}, B = {1, 2, 3, 4}, P =(x, y)
   
2
x
x + 1
=

3
;
y
г) A = B = {0, 1, 2, 3}, P = {(x, y) | −7 6 2|x1|−4|x 2|−3y < 4}.
1.2.3. Даны множества A и B = R. Являются ли функциями следу-
ющие отношения P A × B? В случае, если P является функцией, найти ρP. Является ли функция P инъективной, сюръективной? а) A = R б) A = R, P = {(x, y) |y = x3+ 4}; в) A = R, P = {(x, y) |y = г) A = R+, P = {(x, y) |y =
+
, P = {(x, y) |x = y2};
0
4
x + 1};
4
x + 1}; д) A = R+, P = {(x, y) |y = ln x + 3}; е) A = R, P = {(x, y) |x2= y + 1}; ж) A = R, P = {(x, y) | sin x = cos y}; з) A = R, P = {(x, y) |4
x2−4x+1
и) A = R, P = {(x, y), |y3+ 3y2+ 3y = e
= 2
y+3
};
2x−4
+ 1}; к) A = R, P = {(x, y) |y2+ 3y x2− 2x = 6}; л) A = R, P = {(x, y) |x + ex= y + ln y}.
1.2.4. Пусть P отношение, заданное по правилу P = {(x, y) |x — сту-
дент из НГТУ, y — мобильный оператор, услугами которого пользует­ся студент x}. При каких условиях P является функцией?
1.2.5. Определить, являются ли следующие функции f инъективными,
сюръективными, биективными. Если f биективна, найти обратную к ней. a) f : R R, f (x) = (x2− 1)2; б) f : R R
+
, f (x) = ln(|x| + 1);
0
в) f : (3, ∞) → R, f(x) = ln(x + 3); г) f : R R, f (x) = e
x1
4;
д) f : R R, f (x) = x + |x|; е) f : R−→ R+, f (x) = x2; ж) f : Z → {0, 1, 2, . . . , n −1}, f(x) — это остаток от деления x на n;
з) f : R
+
R, f(x) =
0
(
ln x, если x 6= 0
;
0, если x = 0
1
и) f : R R, f(x) =
, если x 6= 0
x
0, если x = 0
.
18 Глава 1. Элементы теории множеств
1.2.6. Для функции f (x)
1) найти наибольшее множество A R, такое что f : A R является функцией;
2) найти множество B R, такое что f : A B сюръективно;
3) доказать, что f : A B инъективно;
4) найти f1, если
a) f (x) =
2x 3
; б) f (x) = ln(x3−8); в) f(x) = arctg
x + 4
1
2x + 1
1.2.7. Для функций найти f, g : R R
2
а) f g и g f, если f(x) = e
x
+ x, g(x) = sin(x2+ 3); б) f g и g f, если f(x) =√x2+ 3, g(x) = ln(x4+ x2+ 1); в) f g f и g f g, если f(x) = e
|x|
, g(x) = arctg(x2);
г) f g f и f f g, если f (x) = ln(|x| + 1), g(x) = x5.
1.2.8. Даны отношения P, Q A × A. Вычислить отношения P Q и
Q P, если:
.
a) A = N, P = {(x, y) |x + y нечетное}, Q = {(u, v) |uv четное}; б) A = N, P = {(x, y) |x + y делится на 3}, Q = {(u, v) |u + 2v делится на 3}; в) A = N, P = {(x, y) |x + y делится на 3}, Q = {(u, v) |u = 2v}; г) A = R, P = {(x, y) |x + y2> 1}, Q = {(u, v) |u =√v + 1}; д) A = R, P = {(x, y) |x2+ y = 1}, Q = {(u, v) |uv 6= 1}; е) A = R, P = {(x, y) |x2− 2x > y}, Q = {(u, v) |u + v 6= 2}; ж) A = Z, P = {(x, y) |x y делится на 3}, Q = {(u, v) |u v делится на 5}; з) A = R, P = {(x, y) |x2− 2x < y}, Q = {(u, v) |u2+ 1 < v}; и) P = {(x, y) |x2> y3+ 1}, Q = {(u, v) |u2< v2− 2v + 2}.
1.3 Матрицы бинарных отношений.
Специальные бинарные отношения
Пример 1.21. Пусть A = {1,2, 3, 4}, B = {1, 2, 3}, P A × B отно-
шение, заданное следующим образом:
P = {(1, 1), (1, 2), (1, 3), (2, 1), (2, 3), (3, 3), (4, 2), (4, 3)}.
Найти [P ] — матрицу отношения P .
Решение. Поставив единицы в тех клетках, номера строки и столбца для которых, взятые в указанном порядке, образует пары, лежащие в P , и заполнив все остальные позиции матрицы нулями, получаем
1.3. Матрицы бинарных отношений. Специальные бинарные отношения 19
искомую матрицу
1 1 1
[P ] =
1 0 0
 
0 0 1
  
.
0 1 1
Пример 1.22. Пусть множества A и B, а также отношение P опреде- лено как в примере 1.21, и пусть Q A × B определено следующим образом:
Q = {(1, 1), (2, 1), (2, 2), (2, 3), (3, 1), (4, 2)}.
Найти [Q]. Найти матрицы [P Q] и [P Q].
Доказательство. Аналогично примеру 1.21 получаем
1 0 0
[Q] =
1 1 1
 
1 0 0
  
.
0 1 0
Соответственно, получаем
[P Q] = [P ] + [Q] =
[P Q] = [P ] [Q] =
1 1 1
1 0 0
 
0 0 1 0 1 1
1 1 1
1 0 0
 
0 0 1 0 1 1
  
  
+
1 0 0
1 1 1
 
1 0 0 0 1 0
1 0 0
1 1 1
 
1 0 0 0 1 0
  
  
=
=
1 1 1
1 1 1
 
1 0 1 0 1 1
1 1 1
1 1 1
 
1 0 1 0 1 1
  
  
;
(см. [5], § 1.5). Пример 1.23. Пусть P R2— бинарное отношение, заданное по пра-
вилу P = {(x, y) |x3< y + 1}. Проверить, является ли это отношение рефлексивным, симметричным, антисимметричным, транзитивным.
Решение. Рефлексивность. Необходимо проверить, верно ли, что
(x, x) ∈ P для всех x ∈ R, то есть надо проверить, верно ли, что x3< x + 1. Легко видеть, что данное неравенство не выполняется, на-
пример, для x = 2, значит, P не является рефлексивным. Симметричность. Надо проверить, верно ли, что из x3< y + 1 следует
y3< x + 1. Отметим, что если u > 1, то u 6 u3. Следовательно, если y > 1, то имеем x3< y + 1 6 y3+ 1 < x + 2, однако, если x, например,
20 Глава 1. Элементы теории множеств
равен 2, то 23= 8 > 4 = 2 + 2. Таким образом, если выбрать y > 1, такой что x3< y + 1, то неравенство y3< x + 1 не будет выполняться. Возьмем, например, y = 8. Очевидно, что 23= 8 < 9 = 8 + 1, но 83= 512 > 3 = 2 + 1. Следовательно, P не является симметричным. Антисимметричность. Пусть x3< y + 1, y3< x+1. Легко заметить, что
для любого 0 < u < 1 выполнено 0 < u3< 1. Следовательно, если x и
y — произвольные действительные числа из промежутка (0, 1), то 0 < x3< 1 и 0 < y3< 1. С другой стороны, x + 1 > 1 и y + 1 > 1. А значит, x3< y + 1, а y3< x + 1. Таким образом, P — не антисимметрично.
Транзитивность. Пусть x3< y + 1 и y3< z + 1. Если y > 1, то y3> y, получаем x3< y + 1 6 y3+ 1 < z + 2. Таким образом, становится ясно,
что можно подобрать x, y, z так, чтобы z + 1 6 x3< z + 2. При этом y3должен быть достаточно близко к y (y3− y < 1), то есть y нужно выбрать достаточно близко к 1. Далее, методом проб и ошибок можно подобрать x, y и z, на которых не выполняется условие транзитивности. Например, x = 1,2, y = 1, z = 0,1. Тогда 1,23= 1,728 < 2 = 1 + 1 и 13= 1 < 1,1 = 0,1 + 1, но 1,23= 1,728 > 1 = 0,1 + 1. А значит, P не является транзитивным.
Чтобы построить пример, показывающий, что P не транзитивно,
можно воспользоваться другими соображениями. Отметим, что если
0 6 u < 1, то 0 6 u3< 1, а u+1 > 1. Таким образом, каковы бы ни были x, y [0, 1), (x, y) P . Попробуем выбрать x достаточно большое, а y,
наоборот, достаточно близкое к 0. Тогда кажется возможным выбрать z < 0, таким образом, чтобы x3< z + 1. Опять же методом проб и ошибок можно убедиться, что подойдут, например, такие числа: x = 0,9, y = 0, z = 0,9. Действительно, имеем 0,93= 0,729 < 1 = 0 + 1 и 03= 0 < 0,271 = 0,729 + 1. Однако, 0,93= 0,729 > 0,271 =
0,729 + 1.
3
Пример 1.24. Является ли бинарное отношение P N2, заданное по правилу P = {(x, y) |x = ynдля некоторого n N∗}, рефлексивным, симметричным, антисимметричным, транзитивным?
Решение. Рефлексивность. Необходимо проверить справедливость ра­венства x = xn. Очевидно, что это равенство выполняется для любого x, если n = 1. Следовательно, P рефлексивно. Симметричность. Пусть x = ynдля некоторого n N∗. Необходимо проверить справедливость равенства y = xmдля некоторого m N∗.
3
Вообще говоря, вполне достаточно одного примера, показывающего, что то или иное свойство может нарушаться. Два примера, показывающих, что P не является транзитивным, даны с целью показать, что прийти к цели можно различными способами.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]