Декартово произведение множеств способы задания множеств

Декартово произведение множеств

Декартовым (или прямым) произведением множеств $A$ и $B$ называется такое результирующее множество пар вида $(x,y)$, построенных таким образом, что первый элемент из множества $A$, а второй элемент пары — из множества $B$. Общепринятое обозначение:

Произведения трёх и более множеств можно построить следующим образом:

Произведения вида $ A\times A, A\times A\times A, A\times A\times A\times A$ и т.д. принято записывать в виде степени: $A^2, A^3, A^4$ (основание степени — множество-множитель, показатель — количество произведений) . Читают такую запись как «декартов квадрат» (куб и т.д.). Существуют и другие варианты чтения для основных множеств. К примеру, $ \mathbb^n$ принято читать как «эр энное».

Свойства

Рассмотрим несколько свойств декартова произведения:

1. Если $A, B$ — конечные множества, то $A\times B$ — конечное. И наоборот, если одно из множеств-сомножителей бесконечное, то и результат их произведения — бесконечное множество.
2. Количество элементов в декартовом произведении равно произведению чисел элементов множеств-сомножителей (в случае их конечности, разумеется): $|A\times B| = |A| \cdot |B|$.
3. $A^ \ne (A^n)^p$ — в первом случае целесообразно рассмотреть результат декартова произведения как матрицу размеров $1\times np$, во втором же — как матрицу размеров $n\times p$.
4. Коммутативный закон не выполняется, т.к. пары элементов результата декартова произведения упорядочены: $A\times B \ne B\times A$.
5. Ассоциативный закон не выполняется: $(A\times B)\times C \ne A\times (B\times C)$.
6. Имеет место дистрибутивность относительно основных операциях на множествах: $(A * B)\times C = (A\times C) * (B\times C), * \in \<\cap, \cup, \backslash \>$

Примеры

1. Положим $ A = \<1,2\>, B = \<3, 4\>$. Тогда результат декартова произведения можно записать так: $ A\times B = \<(1,3), (1,4), (2,3), (2,4)\>$, а $ B\times A = \<(3,1), (3,2), (4,1), (4,2)\>$
2. Если в предыдущем примере положить $B=A$, очевидно, что $ A\times B = B\times A = \<(1,3), (1,4), (2,3), (2,4)\>$
3. Возьмём $ A = \|0\leq x \leq 5\>, B = \|5\leq x \leq 10\>$. Тогда $ A\times B = \<(x,y) \in \mathbb^2|0\leq x \leq 5 \wedge 5\leq x \leq 10\>$
4. Множества декартова произведения могут и не быть привычными числовыми множествами: $A = \<\circ, \diamond\>, B = \<2,8\>, A\times B = \<(\circ,2),(\circ,8),(\diamond,2),(\diamond,8)\>$

Множество точек некой функции $f(x)$ можно отождествить как подмножество множества $\mathbb^2$: $F = \<(x,y)\in \mathbb^2 | f(x) = y\>$

Множество клеток игрового поля «Морского боя» можно представить в виде декартова произведения множеств $A = \<1,2,3,4,5,6,7,8\>, B =\$

Сферы использования

С помощью декартова произведения множеств определяется понятие бинарного отношения. Кроме этого, декартово произведение используется очень часто для обозначения множества числовых наборов, особенно в математическом анализе.

Часто говорят, например, что некая функция $f$ действует следующим образом: $f:\mathbb^n\rightarrow\mathbb$ (числовая функция $n$ переменных).

Источник

Тема 2.2. Декартово произведение множеств

Декартово произведение множеств.

Свойства операции декартова произведения.

Кортеж. Длина кортежа.

Основная литература 7, 10, 11, 16, 23, 33, 34;

Дополнительная литература 17, 18, 27, 50, 81, 84, 82, 86, 87

1. Декартово произведение множеств

Используя две цифры, например, 3 и 5, можно записать четыре двузначных числа: 35, 53, 33 и 55. Несмотря на то, что числа 35 и 53 записаны с помощью одних и тех же цифр, эти числа различные. В том случае, когда важен порядок следования элементов, в математике говорят об упорядоченных наборах элементов. В рассмотренном примере мы имели дело с упорядоченными парами.

Упорядоченную пару, образованную из элементов a и b, принято записывать, используя круглые скобки: (a; b). Элемент a называют первой координатой (компонентой) пары, а элемент b – второй координатой (компонентой) пары.

Пары (а; b) и (с; d) равны в том и только том случае, когда а = с и b = d.

В упорядоченной паре (а; в) может быть, что а = в. Так, запись чисел 33 и 55 можно рассматривать как упорядоченные пары (3; 3) и (5; 5).

Упорядоченные пары можно образовывать как из элементов одного множества, так и двух множеств.

Даны множества А=1,2,3, В=3,5. Образовать упорядоченные пары так, чтобы первая компонента принадлежала множеству А, а вторая – множеству В.

Перечислив все такие пары, получим множество: (1; 3), (1; 5), (2; 3), (2; 5), (3;3), (3;5).

Видим, что имея два множества А и В, мы получили новое множество, элементами которого являются упорядоченные пары чисел. Это множество называют декартовым произведением множеств А и В.

Определение. Декартовым произведением множеств А и В называется множество всех пар, первая компонента которых принадлежит множеству А, а вторая компонента принадлежит множеству В.

Декартово произведение множеств А и В обозначают А. Используя это обозначение, определение произведения можно записать так:

Найти декартово произведение множеств А и В, если:

а) А = m, p, e, f, k; b) A = B=3, 5.

Решение. а) Действуем согласно определению – образуем все пары, первая компонента которых выбирается из А, а вторая – из В: А    (m; p); (m; f); (m; k); (p; e); (p; f);(p; k).

b) Декартово произведение равных множеств находят, образуя всевозможные пары из элементов данного множества: А  А = (3; 3); (3; 5); (5; 3); (5; 5).

2. Свойства операции нахождения декартова произведения

Так как декартовы произведения А и ВА состоят из различных элементов, то операция нахождения декартова произведения множеств свойством коммутативности не обладает.

Аналогично рассуждая, можно доказать, что для этой операции не выполняется и свойство ассоциативности.

Но она дистрибутивна относительно объединения и вычитания множеств, т.е. для любых множеств А, В и С выполняются равенства:

  С    С    С,  \   С    С \   С.

Проверьте справедливость свойства дистрибутивности декартова произведения относительно объединения, если: А = 3; 4; 5, В = 5; 7, С = 7; 8.

Решение. Найдем объединение множеств А и В:  = 3; 4; 5;7. Далее перечислим элементы множества   С, используя определение декартова произведения:   С = (3; 7), (3; 8), (4; 7), (4; 8), (5; 7), (5; 8), (7; 7), (7; 8).

Чтобы найти элементы множества   С    С, перечислим сначала элементы множеств А  С и В  С:

А  С = (3; 7), (3; 8), (4; 7), (4; 8), (5; 7), (5; 8)

В  С = (5; 7), (5; 8), (7; 7), (7; 8).

Найдем объединение полученных декартовых произведений:

  С    С = (3; 7), (3; 8), (4; 7), (4; 8), (5; 7), (5; 8), (7; 7), (7; 8).

Видим, что множества   С и   С    С состоят из одних и тех же элементов, следовательно, для данных множеств А, В и С справедливо равенство   С    С    С.

Выясним теперь, как можно наглядно представить декартово произведение множеств.

Если множества А и В конечны и содержат небольшое число элементов, то можно изобразить декартово произведение этих множеств при помощи таблицы или графа.

Декартово произведение множеств А =1; 2; 3 и В = 3; 5 можно представить так, как показано на рисунке 1 и 2

Источник

Декартово произведение. Разбиение множеств на классы

КАРТА – СХЕМА УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ

продолжительность — 90 минут

Тема занятия: Декартово произведение и разбиение множеств на классы

расширить знания студентов с темы действия с множествами, рассмотреть Декартово произведение, разбиение множеств на классы;

способствовать развитию памяти, внимания, логического мышления;

создать условия для применения полученных знаний при выполнении расчетных заданий.

Необходимое аппаратное и программное обеспечение:

Карточки с заданиями самостоятельной работы

Стойлова АП. Математика : учебник для студ. учреждений высш.образования / Л.П. Стойлова. — 4-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2014.

Стойлова АП. Математика : учебник для студ. учреждений высш.образования / Л.П. Стойлова. — 4-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2014.

Тип и вид учебного занятия:

ОРГАНИЗАЦИОННАЯ СТРУКТУРА УРОКА

Содержание и виды деятельности преподавателя

1. Организационный этап

Приветствие, выявление отсутствующих, информирование о теме и целях занятия.

2. Актуализация ЗУН

— Что такое множество? Что означает задать множество?

— Способы задания множеств

— Что такое подмножество?

-какие действия выполняем над множествами?

— Что такое пересечение? Объединение?

— Какие свойства пересечения, объединения?

Самостоятельная работа (с взаимопроверкой)

Найдите: а) А∩В; б) А∩С; в) С∩В.

Найдите: а) АUВ; б) АUС; в) СUВ.

Найдите а)(А∩В)∩С; б) )(АВ)С; в) (А В)∩С

3. Изучение нового материала

— разбиение множеств на классы

4. Первичное закрепление

Практическое выполнение заданий

5. Информация о домашнем задании

Методические рекомендации для самостоятельной работы

6. Подведение итогов урока

Подведение итогов работы группы, отдельных студентов.

Корректирование пробелов знаний.

В начальных классах ученики решают задачу: используя цифры 1, 2, 3 образовать всевозможные двузначные числа.

Путем перебора дети получают:

Запись каждого числа состоит из двух цифр, причем существенен порядок их следования. Например, из цифр 1, 2 образованы числа 12 и 21.

В том случае, когда важен порядок следования элементов множества, в математике говорят об упорядоченных наборах элементов. В данной задаче – упорядоченные пары (а; b), образованные из элементов а и b. Это (1; 2), (1; 3), (1; 4) и т.д. Первый элемент а называют первой координатой пары, элемент b – второй.

Значит, в нашей задаче мы оперировали множеством А=<1, 2, 3> и образовывали всевозможные пары.

Рассмотрим другой пример. Пусть А=<1, 2, 3>, B=<4, 5>. Образуем всевозможные пары (а;b) так, что аА, bВ. Получим некоторое новое множество <(1; 5), (1; 4), (2; 4), (2; 5), (3; 4), (3; 5)>, элементами которого являются упорядоченные пары чисел. Это новое множество называют декартовым произведением множеств А и В.

Декартовым произведением множеств А и В называется множество пар, первая компонента которых принадлежит множеству А, вторая множеству В. Обозначают АВ. Таким образом АВ = <(x;y) | xA, yB>.

Операцию нахождения декартового произведения множеств А и В называют декартовым умножением этих множеств.

Рассмотрим следующий пример. Известно, что АВ= . Установим, из каких элементов состоят множества А и В. Так как первая компонента пары декартового произведения принадлежит множеству А, а вторая – множеству В, то данные множества имеют следующий вид: А=<2, 3>, B= <3, 5,6>.

Перечислим элементы, принадлежащие множеству АВ, если
А= d>, B=A. Декартово произведение АВ=<(a, a), (a, b), (a, c),
(a, d), (b, a), (b, b), (b, c), (b, d), (c, a), (c, b), (c, c), (c, d), (d, a), (d, b) ,(d, c), (d, d)>.

Количество пар в декартовом прoизведении АВ будет равно произведению числа элементов множества А и числа элементов множества В: n(АВ)=n(A)n(B).

В математике рассматривают не только упорядоченные пары, но и наборы из трех, четырех и т.д. элементов. Такие упорядоченные наборы называют кортежами. Так, набор (1, 5, 6) есть кортеж длины 3, так как в нем три элемента.

Используя понятие кортежа, можно определить понятие декартового произведения n множеств.

Декартовым произведением множеств А, А,…, A называют множество кортежей длины n, образованных так, что первая компонента принадлежит множеству А, вторая – А, …, n-ая – множеству А: АА…A.

Пусть даны множества А=<2, 3>; А=<3, 4, 5>; A=<7, 8>. Декартово произведение ААА=< (2, 3, 7), (2, 3, 8), (2, 4, 7), (2, 4, 8), (2, 5, 7),
(2, 5, 8),(3, 3, 7), (3, 4, 7), (3, 3, 8), (3, 4, 8), (3, 5, 7), (3, 5, 8)>.

Понятие разбиения множества на классы

Понятие множества и операций над множествами позволяют уточнить представление о классификации.

Классификация – это действие распределения объектов по классам на основании сходств внутри класса и их отличия от других объектов. Классификация широко применяется в математике.

Например, натуральные числа делятся на четные и нечетные; углы бывают острые, тупые и прямые и т.д.

Любая классификация связана с разбиением некоторого множества объектов на подмножества.

Считают, что множество Х разбито на классы Х, Х,…, Х, если:

1) подмножества Х, Х,…, Х попарно не пересекаются;

2) объединение этих подмножеств совпадает с множеством Х.

Если не выполнено хотя бы одно из этих условий, классификацию считают неправильной.

Например: а) Множество треугольников Х разбито на три класса: остроугольные, прямоугольные и тупоугольные. Действительно, выделенные подмножества попарно не пересекаются, а их объединение совпадает с множеством Х; b) Из множества треугольников Х выделили подмножества равнобедренных, равносторонних и разносторонних треугольников. Так как множества равнобедренных и равносторонних треугольников пересекаются, значит, не выполнено первое условие классификации, и разбиения множества Х на классы мы не получили.

Так как разбиение множества на классы связано с выделением его подмножеств, то классификацию можно выполнять при помощи свойств элементов множеств.

Рассмотрим, например, множество натуральных чисел. Его элементы обладают различными свойствами. Нас интересуют числа со свойством «быть кратным 3». Это свойство позволяет выделить из множества N подмножество, состоящее из чисел, кратных 3. Тогда про остальные натуральные числа можно сказать, что они не кратны 3, т.е. получаем еще одно подмножество множества N. Так как выделенные подмножества не пересекаются, а их объединение совпадает с множеством N, то имеем разбиение данного множества на два класса.

Вообще, если на множестве Х задано одно свойство, то это множество разбивается на два класса. Первый – это класс объектов, обладающих данным свойством, а второй – дополнение первого класса до множества Х. Во втором классе содержатся такие объекты множества Х, которые заданным свойством не обладают. Такую классификацию называют дихотомической.

Рассмотрим ситуацию, когда для элементов множества заданы два свойства. Например, свойства натуральных чисел: «быть кратным 3» и «быть кратным 5». При помощи этих свойств из множества N можно выделить два подмножества: А – множество чисел, кратных 3 и В – множество чисел, кратных 5. Эти множества пересекаются, но ни одно из них не является подмножеством другого (рис. 13). Разбиения на подмножества А и В в данном случае на произошло. Но круг, изображающий множество N, можно рассматривать как состоящий из четырех непересекающихся областей. Каждая область изображает некоторое подмножество множество N. Множество I состоит из чисел, кратных 3 и 5, множество I – из чисел, кратных 3 и не кратных 5, множество III – из чисел, кратных 5 и не кратных 3, множество IV – из чисел, не кратных 3 и не кратных 5. Объединение этих четырех множеств есть множество N.

Таким образом, выделение двух свойств привело к разбиению множества N натуральных чисел на четыре класса.

Не следует думать, что задание двух свойств элементов множества всегда приводит к разбиению этого множества на четыре класса. Например, при помощи таких двух свойств «быть кратным 3» и «быть кратным 6» множество натуральных чисел разбивается на три класса (рис. 14): I – класс чисел, кратных 6; II – класс чисел, кратных 3, но не кратных 6; III – класс чисел, не кратных 3.

Примеры

Приведем несколько примеров разбиения:

1. Множество четырехугольников разбито на два класса:
трапеции и прямоугольники. Данные подмножества попарно не пересекаются, а их объединения совпадают с множеством .

2. Множество четырехугольников разбито на три класса:
квадраты, параллелограммы, прямоугольники. Так как прямоугольник и квадрат – частные случаи параллелограмма, то данные подмножества пересекаются, значит, не выполнено первое условие классификации, и разбиение множества не получено.

3. Дано множество прямых в пространстве, которое разбито на классы по их взаимному расположению: параллельные, пересекающиеся, скрещивающиеся. Данные подмножества попарно не пересекаются, а их объединения совпадают с множеством .

4. Дано множество , которое можно разделить на два класса: и , где – множество натуральных четных чисел, а – множество натуральных нечетных чисел.

5. Множество разбито на три класса: , и . множество чисел, которые делятся на , – множество чисел, которые делятся на , множество чисел, которые делятся на . Но существуют числа, которые могут делится одновременно и на , и . Отсюда следует, что подмножества пересекаются, и разбиение не получено.

Решение. Элементами множества А₁´ А₂ ´А₃ будут кортежи длины 3 такие, что первая их компонента принадлежит множеству А_1, вторая – множеству А₂, третья – множеству А₃.

Пример 2. Пусть на множестве Х= <3, 5, 7>задано отношение «меньше» (т.е. первый элемент меньше второго, второй меньше третьего). Записать декартово произведение XX. Из этого множества следует выбрать элементы, которые должны удовлетворять отношению «меньше».

Декартово произведение X  Х может быть записано в виде множества из упорядоченных пар:

Из этого множества выбираются элементы, которые удовлетворяют отношению «меньше». В результате получится новое множество из упорядоченных пар:

В новом множестве все пары являются элементами декартова произведения XX. Отношение «меньше» на множестве Х является подмножеством декартова произведения XX. Бинарное отношение на множестве Х есть подмножество декартова произведения W XX.

2) Декартово произведение двух множеств X  Y .

Пусть заданы два множества: X = <2, 6, 1>, Y = <7, 4, 8>.

Записать декартово произведение X  Y .

Декартово произведение двух множеств равно:

Аналогично можно найти декартово произведение трёх множеств: X  Y  Z .

Источник

Читайте также:  Как изменился способ нашего общения за последнее десятилетие