- •Тема 1. Множества
- •1.1.Основные понятия
- •1.2. Операции над множествами
- •1.3. Геометрическое моделирование множеств. Диаграммы Венна
- •1.4. Алгебра множеств. Основные тождества алгебры множеств
- •Основные тождества алгебры множеств
- •1.5. Эквивалентность множеств
- •1.6. Счетные множества
- •1.7. Множества мощности континуума
- •Контрольные вопросы к теме 1.
1.4. Алгебра множеств. Основные тождества алгебры множеств
Множества вместе с определенными на них операциями образуют алгебру множеств. Последовательность выполнения операций задается с помощью формулы алгебры множеств. Например, (ВC), (А \ В) + C – формулы алгебры множеств.
Основные тождества алгебры множеств
Для любых множеств A, B, C справедливы следующие тождества:
1. Коммутативность.
а) A B = B A (для объединения);
б) A B = B A (для пересечения).
2. Ассоциативность.
а) A (B C) = (A C) C (для объединения);
б) A (B C) = (A B) C (для пересечения).
3. Дистрибутивность.
а) A (BC) = (AB) (AC) (для объединения относительно пересечения);
б) A(BC) = (AB)(AC) (для пересечения относительно объединения).
4. Закон де Моргана.
а) = (дополнение к объединению есть пересечение дополнений);
б) =(дополнение к пересечению есть объединение дополнений).
5. Идемпотентность.
а) A A = A (для объединения);
б) A A = A (для пересечения).
6. Поглощение.
а) A (A B) = A;
б) A (A B) = A.
7. Расщепление (склеивание).
а) (A B) (A ) =A;
б) (A B) (A ) =A.
8. Двойное дополнение.
= A.
9. Закон исключенного третьего.
A =U.
10. Операции с пустым и универсальным множествами.
а) A U = U;
б) A = A;
в) A U = A;
г) A = ;
д) =U;
е) =.
11. А \ В = A .
Чтобы доказать некоторое тождество A = B, нужно доказать, что, во-первых, если x А, то xВ и, во-вторых, если xВ, то x А. Докажем таким образом, например, свойство дистрибутивности для объединения (тождество 3а)):
A (BC) = (AB) (AC).
1. Сначала предположим, что некоторый элемент x принадлежит левой части тождества, т.е. x A (BC), и докажем, что x принадлежит правой части, т.е. x(AB) (AC).
Действительно, пусть x A (BC). Тогда либо x A, либо x BC. Рассмотрим каждую из этих возможностей.
Пусть x A. Тогда x A B и x A C (это верно для любых множеств B и C). Следовательно, x(AB) (AC).
2. Предположим, что некоторый элемент x принадлежит правой части тождества, т.е. x (AB) (AC), и докажем, что x принадлежит левой части, т.е. x A (BC) .
Действительно, пусть x (AB) (AC). Тогда xAB, и одновременно x AC. Если x AB, то либо x A, либо x B, если .x AC, то либо x A, либо x C. Пусть x A, Тогда x A (BC) и утверждение доказано. Если x A, то одновременно должны выполняться условия x B и x C, т.е. x BC. Но тогда x BC и x A (BC), что также доказывает наше утверждение.
Доказательство тождеств можно проиллюстрировать с помощью диаграмм Венна.
Основные тождества алгебры множеств можно использовать для доказательства других тождеств.
Пример 1.14.
Доказать тождество (AB) \ В = A .
Преобразуем левую часть тождества, используя тождество 11:
(AB) \ В = (AB) .
Затем используем закон дистрибутивности (тождество 3б):
(AB) =A B .
Используем закон исключенного третьего (тождество 9):
B = .
Получим
A B = A .
Используем свойство пустого множества (тождество 10б):
A = A .
Тождество доказано.
Пример 1.15.
Доказать тождество:
A \ (В \ C) = (A \ В) (A C).
Множества, стоящие в левой и правой частях тождества, изобразим с помощью диаграмм Эйлера – Венна (рис. 1.2).
Рис. 1.2
Рис. 1.2б) и рис. 1.2д) иллюстрируют равенство множеств A \ (В \ C) и (A \ В) (A C).
Докажем тождество из нашего примера, воспользовавшись тождествами:
А \ В = A , = , =A, A(BC) = (AB)(AC).
Получим:
A \ (В \ C) = A = A = A ( ) =A (C) = (A ) (A C) = (A \ В) (A C).
Основные тождества алгебры множеств можно также использовать для упрощения формул алгебры логики.
Пример 1.16.
Упростить выражение:
(AB) (B) (A).
Используя закон коммутативности (тождество 1б), поменяем местами вторую и третью скобки:
(AB) (B) (A) = (AB) (A) (B).
Применим закон расщепления (тождество 7а) для первой и второй скобок:
(AB) (A) (B) = A (B).
Воспользуемся законом дистрибутивности (тождество 3б):
A (B) = A A B.
Используем закон исключенного третьего (тождество 9):
A = .
Получим
A A B = A B.
Используем свойство пустого множества (тождество 10б):
A B = A B.
Итак,
(AB) (B) (A) = A B.