Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
[СГ ВМ]МетодичкаSGVM_1.pdf
Скачиваний:
126
Добавлен:
31.05.2015
Размер:
1.11 Mб
Скачать

Замечание. Пусть X и Y – конечные множества,

 

X

 

= n ,

 

Y

 

= m , n m . Тогда

 

 

 

 

существуют сюръективные отображения X Y . Их

 

количество равно Snm m!.

Действительно, чтобы получить сюръективное отображение X Y необходимо для каждого из m элементов множества Y указать множество прообразов. Такие множества

прообразов представляют собой разбиение множества X (число разбиений равно Snm ).

Для каждого разбиения, устанавливая взаимно однозначные соответствие между блоками разбиения множества X и соответствующими им образами, можно построить

m! различных сюръективных отображений. Числа S(n,m) = Snm m! называются

числами Стирлинга первого рода.

7. Число Белла

Число всех разбиений n-элементного множества называется числом Белла и обозначается Bn . По определению

n

B0 =1 и Bn = Snm при n > 0 .

m=0

n

Теорема. Bn+1 = Cnk Bk .

k =0

Доказательство. Пусть X – множество всех разбиений множества {1, 2,..., n +1} . Рассмотрим все подмножества множества {1, 2,..., n +1} , содержащие n +1. Для каждого такого множества A рассмотрим все разбиения, которые содержат A в качестве

отдельного

блока.

Обозначим

 

множество таких разбиений

через X A .Тогда

совокупность всех X A

есть разбиение множества X.

 

 

Пусть

 

A

 

= a .

Тогда

 

X A

 

= Bn+1a . Кроме

того, число

таких множеств A

 

 

 

 

(состоящих из a элементов, один из которых равенn +1) равно Cna1 . Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

n+1

n

n

Bn+1 =

 

X

 

=

UX A

=

 

X A

 

=∑ ∑

 

X A

 

= Cna1 Bn+1a =Cnnk Bk =Cnk Bk .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

A

 

 

 

a=1

 

A

 

=a

 

 

 

a=1

k =0

k =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§6. Мощности множеств

1.Мощность конечного множества

Как уже отмечалось, если А конечное множество, то его мощность A есть

количество элементов, принадлежащих А. Легко видеть, что

1). Если A B = , то A B = A + B .

2). В общей ситуации: A B =| A | + | B | A B . 3). | A \ B |=| A | | A B |.

Теорема1. Если A1 ,…, An – конечные множества, то

| Α1 ×Α2 × .....×Αn |= A1 A2 ...... An .

Доказательство непосредственно следует из подсчета числа различных n-ок.

25

Следствие. Если А – конечное множество, то An = A n

Теорема 2. Два конечных множества равномощны тогда и только тогда, когда

между ними существует биекция.

Доказательство очевидно.

Следствие. Никакое собственное подмножество или надмножество конечного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

множества A не равномощно множеству А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 3. Пусть A – конечное множество, Ω (A)

множество всех

 

 

 

 

 

 

Α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

подмножеств (булеан) множества А. Тогда | Ω (A)

 

= 2

 

 

.

 

 

A

 

= n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство.

Рассмотрим Β = {0, 1 }

 

и

пусть

 

 

Тогда Bn

 

 

 

 

множество бинарных n-ок. Существует биекция между Ω(A)

 

и

An .

Действительно,

пусть

A = {a1 , a2 , ..., an } и Μ Ω(A), т. е.

 

Μ A.

Поставим

в соответствие

множеству М такую n-ку

( , , ..., ), в которой i-ый элемент равен 1, если ai Μ , и

равен

0, если ai Μ .

Обратно, всякой бинарной

n-ке

однозначно соответствует

некоторое множество М, элементы которого определяются по n-ке описанным выше способом. Поскольку биективные множества имеют равное количество элементов

(теорема 2) и Bn =2n (следствие к теореме 1), то Ω (A) = 2n, что и требовалось доказать.

2. Мощности бесконечных множеств. Счетные множества

Определение. Говорят, что множества А и В имеют одинаковую мощность (или, что они равномощны), если между А и В можно установить биекцию. Множества, равномощные множеству натуральных чисел, называются счетными.

Установить биекцию с множеством натуральных чисел N фактически означает: сопоставить каждому элементу рассматриваемого множества номер, т.е. пронумеровать все элементы, или другими словами – пересчитать.

Конечное или счетное множество называется не более чем счетным.

Примеры и свойства счетных множеств.

Множество четных чисел 2N – счетное. Действительно, биекцию 2N N задает, например, отображение 2n a n .

Множество целых чисел Z счетно. Соответствующей биекцией, очевидно, является следующее отображение

...

3

2

1

0

1

2

3

...

 

7

5

3

1

2

4

6

.

...

...

Объединение не более чем счетного множества счетных множеств – счетно. Доказательство. Можно считать, что все множества и элементы в них уже

}, Α2 = {a21 , a22 , a23 , a24 , ...},

}…. Расположим все элементы, 43 43 4441 4231 32 33 34

объединения A1 A2 A3 A4 ... следующим образом и пронумеруем в порядке, указанном стрелкой (рис. 6.1).

26

a11

a12

 

a13

a14

...

 

 

 

a21

a22

 

a23

a24

...

 

 

 

a31

a32

a33

a34

...

 

 

 

 

 

a41

a42

a43

a44

...

 

 

 

 

 

...

...

 

...

...

...

 

 

Рис. 6.1

 

 

Понятно, что при указанном способе рассмотрения элементов всякий элемент рано или поздно получит свой номер. Если Αi имеют непустые пересечения и в процессе

нумерации встречаются элементы уже ранее пронумерованные, то их будем пропускать

и переходить к следующим элементам.

 

 

Прямое произведение конечного числа счетных множеств – счетно.

Доказательство. Пусть

Α = {a1 ,

a2 , ...},

Β = {в1 , в2 , ...}. Элементы декартового

произведения Α× Β = {(a1 , в1 ),

(a1 , в2 ),

(a1 , в3 ),

..., (a2 , в1 ), (a2 , в2 ), (a2 , в3 ), ..., ....}

расположим так же, как и в предыдущем примере (в виде бесконечной вправо и вниз прямоугольной таблицы) и пронумеруем аналогично. Таким образом, произведение двух счетных множеств – счетно. Дальше по индукции для любого числа множителей.

Множество Q – рациональных чисел счетно.

Доказательство.

Представим

множество всех рациональных чисел в виде

Q = Q+ Q= {0},

где Q+ и Q-

подмножества положительных и отрицательных

рациональных чисел, соответственно. Достаточно показать, что Q+ счетно. А это

действительно так, поскольку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q+ ={

1

,

 

2

,

3

, ... } {

1

,

2

,

3

, ... } {

1

,

2

,

3

, ... } ...

 

1

 

2

2

2

 

3

3

1

 

1

 

 

 

3

 

 

 

есть объединение счетного количества счетных множеств.

Множество алгебраических чисел A (корней всевозможных многочленов с целыми коэффициентами) – счетно (докажите).

3.Несчетные множества. Мощность континуума

Теорема(Кантор).

Множество всех действительных чисел из отрезка [0; 1] – несчетно.

Доказательство. Представим все числа в двоичной системе счисления в виде бесконечных двухзначных дробей (в случае конечных дробей дополним справа нулями до бесконечности). Предположим, что количество рассматриваемых чисел счетно. Расположим их в порядке возрастания номеров:

1)

0, a11a12 a13 a14 .....

Здесь везде aij – 0 или 1.

2)

0, a21a22 a23 a24 .....

Рассмотрим число 0, a *11 a *22 a *33 a *44 .....,

3)

0, a31a32 a33 a34 .....

где a *ii aii ( т.е. a *ii =1, если aii = 0 , и

4)

0, a41a42 a43 a44 .....

5)

. . . . . . . . . . .

a *ii = 0 , если aii =1).

27

Легко видеть, что этого числа нет среди пронумерованных, так как оно отличается от 1-го числа в 1-ом разряде, от второго – во 2-ом разряде, от третьего – в 3- ем разряде, … . Полученное противоречие показывает, что множество действительных чисел из отрезка [0; 1] не является счетным.

Определение. Мощность множества действительных чисел отрезка[0; 1]

называется мощностью континуума.

Примеры.

1)Множество всех действительных чисел R имеет мощность континуума. Доказательство. Прежде всего, отметим, что любые два отрезка равномощны.

Это следует, например,

из того, что отображение f (x) =

x a

 

биективно переводит

b a

 

 

 

 

 

 

 

отрезок [a; b] в отрезок

 

π

;

π

 

R. , определяемую,

[0; 1]. Далее получаем биекцию

2

2

 

 

 

 

 

 

 

например, формулой g(x) = tg x .

2)Множество иррациональных чисел имеет мощность континуума, так как оно равно R \ Q, а Q – счетно.

3)Множество трансцендентных чисел имеет мощность континуума. Действительно, оно равно R\A, где A – счетное множество алгебраических чисел.

4)Множество комплексных чисел C.

5)Множество непересекающихся окружностей на плоскости.

4. Кардинальные числа. Гипотеза континуума

Теорема. Булеан счетного множества имеет мощность континуума. Доказательство. Пусть A = {a1 , a2 ,..., an ,...}. Построим биекцию Ω(A)[0, 1].

Пусть

M A . Отобразим M a 0, a1a2 a3 ..... , где

0, a1a2 a3 .... – число из отрезка

[0, 1],

представленное

в виде бесконечной

дроби

в двоичной системе счисления,

причем такое, что ai

=1,

если ai M , и

ai = 0 ,

если ai M .

Очевидно,

такое

отображение обратимо и,

значит, биективно. Таким образом, Ω (A)

и отрезок

[0, 1]

равномощны, что и требовалось доказать.

Для обозначения мощностей бесконечных множеств используются так называемые кардинальные числа. Мощность счетного множества обозначается0 (алефноль). Мощность континуума – 1 (алефодин).

Поскольку Ω(A) = 2 A для конечных множеств и булеан счетного множества

имеет мощность континуума, то и для бесконечных множеств имеем: 2 0 = 1 .

Можно показать, что вообще (теорема Кантора) булеан всякого множества A имеет мощность большую чем A (и всякое его подмножество). Таким образом,

2 1 = 2 , ... , 2 n = n+1 , …

Подобно тому, как не существует наибольшего натурального числа, не существует множества, имеющего наибольшую мощность.

Континуум – гипотеза утверждает, что всякое бесконечное подмножество R имеет мощность 0 или 1 , т.е. нет множеств, мощности которых выражаются

промежуточными «дробными» кардинальными числами. В более общей форме, не существует бесконечных множеств, имеющих другие мощности, кроме

i , i N {0} .

28