例1.2 正整数集和正偶数集对等.
证 记正整数集为 ,正偶数集为 ,容易找到从 到 的一个一一映射 , 属于正整数,所以正整数集和正偶数集对等.
例1.3 试证区间 和实数集 对等.
证 把区间 上的所有元素组成的集合记为 ,易验证从 到 存在一个一一映射 , ,所以,区间 和全体实数 对等.
对等关系有以下性质:
(1)(反身性) ;
(2)(对称性) ,则 ;
(3)(传递性) , ,则 .
定义1.2.3 对于有穷集合 ,称与 对等的那个唯一的自然数为 的基数记作 或 ,即 .
2.集合的基数
2.1 有限集的基数
定义2.1.1 如果 是一个集合,若 满足以下任意一点:
(1) 是空集;
(2)存在一个 属于正整数,使得从 到 能找到一个一一映射.就称 是一个有限集.如果 是一个非有限集的集合,我们称它为无限集.
例2.1 实数集是无限集.
证 因为找不到一个自然数 ,使实数集与 对等,因此实数集不是有限集,即实数集为无限集.
定义2.1.2 若存在 ,使集合 和集合 即集合 的元素个数相等,就称 为 的基数,记作 或 .空集的基数是 .
定义2.1.3 如果存在 是集合 的基数, 就是有限集合.如果不存在这样的 , 就是无限集合.
例2.2 是有限集.
证 因为存在一个正整数 是 的基数,所以 为有限集.
2.2无限集的基数
2.2.1可数集合
我们知道非空的有限集合是和正整数列的某一真子集 对等的集合,那么,与所有正整数所成的集合对等的无限集合就更受关注了.其实正整数本身就是这样的集合.
定义2.2.1 一个集合称为是可数的或者是可列的,如果这个集合和正整数集对等.
定义2.2.2 [1] 我们把自然数集合 的基数记为 ,读作阿列夫零,即 ;实数集 的基数记为 ,读作阿列夫,即 .
定理2.2 任意一个无限集都最少包含一个可数集作为它的子集.
证 设 为一个无限集合,从 中取任意一个元素,记为 .由于 是一个无限集合,所以 仍然是无限集,所以可在 再取一个元素,记为 .照这样继续下去,一般地,如果已经得到了互不相同的元素 ,因为 是无限集,又可从 中取一元素,记为 .照这样继续下去,就得到一个无限集合 .显然, 是可数集,且 满足 .
定理2.3 设 是可数集, 为有限集或可数集,则 为可数集.
定理2.4 设 都是可数集,则 也是可数集.
定理2.5 设 都是可数集,则 也是可数集.
证 用数学归纳法进行证明.当 时,显然成立.假设 时命题成立.
下面证当 时也成立.令 ,则由假设 是可数集.再由 时成立得到 也是可数集,所以 是可数集.
例2.3 试证有理数集是可数集.
证 设 其中 (其中重复的分数只取一个,其它的舍去),则 是可数集,于是由定理2.4知正有理数全体成一可数集,因正有理数集可以通过 与负有理数集一一对应,故负有理数集也成一可数集,又因为有理数集可表示为 ,故 为可数集.
例2.4 设集合 中元素都是直线上的开区间,满足条件:若开区间 ,则 .证明A是可数集或有限集.
证 作映射 .设 ,由于 在直线上稠密,任取 ,定义 .由于任意 ,有 ,因此 是A到Q内的单射,于是 ,所以 ,即A是可数集或有限集.
例2.5 集合 是无限集.
证 因为找不到一个正整数 ,使得 是该集合的基数,所以该集合为无限集.
以上讨论已经知道:有限集 的元素个数称为 的基数,记为 .由此容易得出:若存在一个有 到 的双射 ,则称集合 与 有相同的基数,记为 ;如果从 到 存在单射,则称集合 的基数小与等于 的基数,记为 ;如果从 到 存在单射不存在满射,就称 的基数小于 的基数,记为 .
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