Мощность множеств. Кардинальные числа.

Конечное множество – множество, состоящее из конечного числа элементов.

Пример. A = {1, 2, 3, 4, 5}.

Основной характеристикой конечного множества является число его элементов. Мощностью конечного множества называют число его элементов.

Теория конечных множеств изучает правила: как, зная количество элементов некоторых множеств, вычислить количество элементов других множеств, которые составлены из первых с помощью некоторых операций.

Бесконечное множество – множество, не являющееся конечным.

Понятие мощности бесконечного множества является гораздо более сложным и не дано в настоящем документе.

Пример. Множество натуральных чисел является бесконечным.

Кардинальное число множество – мощность этого множества.

Если между множеством А и множеством В можно установить взаимно однозначное соответствие (то есть биекцию), то говорят, что эти множества эквивалентны и пишут А  В. Очевидно, эквивалентные множества имеют одинаковую мощность.

Счетные множества

Пусть N – множество всех натуральных чисел N={1, 2, 3, . . .}, тогда всякое множество А, эквивалентное множеству N, будет называться счётным множеством.

Пример. А={1, 4, 9, 16, . . . ,n, . . .}; B={3, 6, 9, 12, . . . ,3n, . . . }.

Наименьшей бесконечной мощностью является (алеф ноль) — мощность множества натуральных чисел.

Теорема (необходимое и достаточное условие счетности множества). Для того чтобы множество Х было счётным необходимо и достаточно, чтобы его можно было представить в форме последовательности:

Х={x, x, x, …, x, …} (*).

Доказательство необходимости. Пусть множество Х счетное, то из определения счётного множества следует существование взаимно однозначного соответствия j между множеством Х и множеством натуральных чисел N. Достаточно обозначить через х, тот из элементов множества Х, который в соответствии сj отвечает числу n,чтобы получить представление множества Х в форме (*).

Доказательство достаточности. Если множество Х представлено в форме (*), то достаточно каждому его элементу х, соотнести индекс n этого элемента, чтобы получить взаимно однозначного соответствия j между множеством Х и множеством натуральных чисел N, так что из определения счётного множества следует, что множество Х счётное.

Понятно, что все счетные множества эквивалентны между собой.

Свойства счетных множеств:

1. Всякое подмножество счетного множества конечно либо счетно.

2. Объединение конечного либо счетного множества счетных множеств конечно либо счетно.

3. Всякое бесконечное множество содержит счетное подмножество.

4. Если к бесконечному множеству А присоединить конечное либо счетное множество В, то от этого мощность множества не изменится: АВ ~ А.

Примеры счетных множеств

Множество целых чисел Z является счетным (Z ~ N).

Доказательство. Пронумеруем числа из Z:

N	1	2	3	4	…
Z	0	-1	1	2	…

Рациональные числа R образуют счётное множество.

Доказательство.

Любое рациональное число можно представить в виде : ,mZ, nN.

Введем понятие высоты h рационального числа: h = |m| + n.

Каждой высоте соответствует конечное число рациональных чисел:

h = 1: .

h = 2: .

h = 3: .

h = 4 …

Приписывая последовательно этим рациональным числам номера 1, 2, 3… мы пронумеруем все рациональные числа. Следовательно, множество рациональных чисел счетно согласно определению.