09:49:5520/07/2021
Khái niệm về tập hợp không còn xa lạ với các em bởi đây là nội dung các em đã được tìm hiểu từ bậc THCS. Tập hợp ở lớp 10 sẽ kế thừa và nâng cao hơn với các khái niệm và bài tập.
Bài này các em sẽ biết cách xác định tập hợp, tập hợp con, hai tập hợp bằng nhau và cách tìm số tập con của một tập hợp.
• Bài tập về tập hợp con, cách xác định tập hợp, số phần tủ tập con
I. Khái niệm tập hợp
1. Tập hợp và phần tử
- Tập hợp là một khái niệm cơ bản [không định nghĩa] của toán học.
- Tập hợp thường được ký hiệu bằng các chữ cái in hoa như: A, B, C,...,X.Y. Các phần tử của tập hợp được ký hiệu bằng các chữ in thường như: a,b,...x,y.
- Để chỉ phần tử a thuộc tập A ta viết a ∈ A, ngược lại a ∉ A để chị a không thuộc A. Các phần tử của tập hợp được đặt trong cặp dấu {}.
2. Cách xác định tập hợp
• Có 2 cách:
1- Liệt kê các phần tử: Mỗi phần tử liệt kê một lần, giữa các phần tử có dấu phẩy hoặc dấu chấm phẩy ngăn cách. Nếu số lượng phần tử nhiều có thể dùng dấu ba chấm.
* Ví dụ: A = {2; 4; 6; 8}
B = {0; 1; 2; 3;...; 10}
2- Chỉ rõ tính chất đặc trưng của các phần tử trong tập hợp, tính chất này được viết sau dấu gạch đứng
* Ví dụ: A = {x ∈ N | x chẵn và x < 10}
B = { x ∈ R | x2 - x - 6 = 0}
- Để minh họa một tập hợp người ta dùng một đường cong khép kín giới hạn một phần mặt phẳng. Các điểm thuộc phần mặt phẳng này chỉ các phần tử của tập hợp ấy.
- Một tập hợp không có phần tử nào được gọi là tập hợp rỗng, kí hiệu ∅.
* Ví dụ: A = { x ∈ R | x2 - x + 1 = 0}
Phương trình x2 - x + 1 = 0 không có nghiệm, nên tập hợp các nghiệm của phương trình này là tập hợp rỗng.
II. Tập hợp con
• Tập hợp con
Nếu tập A là con của tập B, ký hiệu: A ⊂ B hoặc B ⊃ A
Khi: A ⊂ B ⇔ ∀x [x ∈ A ⇒ x ∈ B].
* Ví dụ: A = {2;4;6;8}
B = {1;2;3;...;10}
• Các tính chất của tập hợp
A ⊂ A với mọi tập hợp A
Nếu A ⊂ B và B ⊂ C thì A ⊂ C
∅ ⊂ A với mọi tập hợp A
• Cách tìm số tập con của 1 tập hợp [đọc thêm]
+ Cho tập hợp A có n phần tử. Số tập con của A sẽ là: 2n
[có thể chứng minh điều này bằng quy nạp toán học]
* Ví dụ: Cho tập hợp A = {1;2;3} khi đó số tập con của A là 23 = 8. Ta có thể liệt kê các tập con cụ thể như sau:
∅; {1}; {2}; {3}; {1;2}; {1;3}; {2;3}; {1;2;3}
+ Cho tập hợp A có n phần tử, khi đó số tập con có k phần tử của tập A là:
* Ví dụ: Cho A = {1;2;3;4} khi đó số tập con có 3 phần tử của A là:
4. Tập hợp bằng nhau
- Hai tập hợp A và B bằng nhau, kí hiệu A = B, nếu tất cả các phần tử của chúng như nhau.
A = B ⇔ A ⊂ B và B ⊂ A hay A = B ⇔ ∀x [x ∈ A ⇔ x ∈ B]
* Ví dụ: Cho tập A = {2; 4; 6; 8; 10} và tập B = {2x| x ∈ N* và x ≤ 5}
Ta thấy: B = {2x| x ∈ N* và x ≤ 5} = {2; 4; 6; 8; 10} = A.
Trên đây là nội dung Tập hợp: Cách xác định tập hợp, tập hợp con, tập hợp bằng nhau và cách tìm số tập con của 1 tập hợp. Hy vọng qua các em có thể nắm vững kiến thức lý thuyết này để vận dụng vào phần giải các bài tập liên quan về tập hợp, chúc các em học tốt.
Trong toán học, một tập hợp là một bộ các phần tử.[1][2][3] Các phần tử tạo nên một tập hợp có thể là bất kỳ loại đối tượng toán học nào: số, ký hiệu, điểm trong không gian, đường thẳng, các hình dạng hình học khác, các biến hoặc thậm chí các tập hợp khác.[4] Tập hợp không có phần tử nào là tập hợp rỗng ; một tập hợp với một phần tử duy nhất là một đơn điểm. Một tập hợp có thể có một số phần tử hữu hạn hoặc là một tập hợp vô hạn. Hai tập hợp bằng nhau khi và chỉ khi chúng có chính xác các phần tử giống nhau.[5]
Tập hợp có mặt khắp nơi trong toán học hiện đại. Thật vậy, lý thuyết tập hợp, cụ thể hơn là lý thuyết tập hợp Zermelo-Fraenkel, đã là phương pháp tiêu chuẩn để cung cấp nền tảng chặt chẽ cho tất cả các phân nhánh của toán học kể từ nửa đầu thế kỷ 20.[4]
Khái niệm tập hợp xuất hiện trong toán học vào cuối thế kỷ 19.[6] Từ tập hợp trong tiếng Đức, Menge, được Bernard Bolzano đặt ra trong tác phẩm Paradoxes of the Infinite.[7][8][9]
Đoạn văn có bản dịch từ định nghĩa gốc của Georg Cantor. Từ tiếng Đức Menge cho tập hợp được dịch với nghĩa aggregate ở đây.
Georg Cantor, một trong những người sáng lập ra lý thuyết tập hợp, đã đưa ra định nghĩa sau đây ở đầu cuốn sách Beiträge zur Begründung der transfiniten Mengenlehre:[10]
Tập hợp là sự gộp lại với nhau thành một tổng thể các đối tượng xác định, riêng biệt của nhận thức hoặc suy nghĩ của chúng ta — được gọi là các phần tử của tập hợp.
Bertrand Russell gọi một tập hợp là một lớp: "Khi các nhà toán học xử lý những gì họ gọi là đa tạp, tổng hợp, Menge, tổ hợp hoặc một số tên tương đương, thì điều đó là phổ biến, đặc biệt là khi số lượng các thuật ngữ liên quan là hữu hạn, coi đối tượng được đề cập. [thực tế là một lớp] được xác định bằng cách liệt kê các thuật ngữ của nó, và có thể bao gồm một thuật ngữ duy nhất, trong trường hợp đó là lớp."[11]
Lý thuyết tập hợp ngây thơ
Thuộc tính quan trọng nhất của một tập hợp là nó có thể có các phần tử. Hai tập hợp bằng nhau khi chúng có các phần tử giống nhau. Chính xác hơn, tập A và B là bằng nhau nếu mọi phần tử của A là phần tử của B, và mọi phần tử của B là một phần tử của A ; thuộc tính này được gọi là tính mở rộng của các tập hợp.[12]
Khái niệm đơn giản về một tập hợp đã tỏ ra vô cùng hữu ích trong toán học, nhưng nghịch lý lại nảy sinh nếu không có giới hạn nào được đặt ra về cách các tập hợp có thể được xây dựng:
- Nghịch lý Russell cho thấy rằng "tập hợp của tất cả các tập hợp không chứa chính chúng", tức là, {x|x là một tập hợp và x ∉ x} , không thể tồn tại.
- Nghịch lý Cantor cho thấy “tập hợp của tất cả các tập hợp” không thể tồn tại.
Lý thuyết tập hợp ngây thơ định nghĩa một tập hợp là bất kỳ tập hợp được xác định rõ ràng của các phần tử riêng biệt, nhưng các vấn đề nảy sinh từ sự mơ hồ của thuật ngữ được xác định rõ ràng.
Lý thuyết tập hợp tiên đề
Trong những nỗ lực tiếp theo để giải quyết những nghịch lý này kể từ thời điểm hình thành lý thuyết tập hợp sơ khai ban đầu, các tính chất của tập hợp đã được xác định bởi các tiên đề. Thuyết tập hợp tiên đề lấy khái niệm tập hợp làm khái niệm sơ khai.[13] Mục đích của tiên đề là cung cấp một khuôn khổ cơ bản để từ đó suy ra tính đúng hay sai của các mệnh đề toán học cụ thể [phát biểu] về tập hợp, sử dụng logic bậc nhất. Tuy nhiên, theo các định lý về tính không đầy đủ của Gödel, không thể sử dụng logic bậc nhất để chứng minh bất kỳ lý thuyết tập tiên đề cụ thể nào mà không có nghịch lý.
Các sách báo toán học thường biểu thị tập hợp bằng chữ in hoa[14][4][15] in nghiêng, chẳng hạn như A, B, C[15][16] Một tập hợp cũng có thể được gọi là tập hợp hoặc họ, đặc biệt là khi bản thân các phần tử của nó lại là các tập hợp.
Ký hiệu danh sách
Kí hiệu danh sách hoặc bảng liệt kê xác định một tập hợp bằng cách liệt kê các phần tử của nó giữa các dấu ngoặc nhọn, được phân tách bằng dấu phẩy:[17][18][19][20]
A = {4, 2, 1, 3}
Trong một tập hợp, tất cả những gì quan trọng là liệu mỗi phần tử có nằm trong đó hay không, vì vậy thứ tự của các phần tử trong ký hiệu danh sách là không liên quan [ngược lại, trong một chuỗi, một bộ hoặc một hoán vị của một tập hợp, thứ tự của các phần tử là quan trọng].[16][21][22]
Đối với những tập hợp có nhiều phần tử, đặc biệt là những tập hợp theo một mẫu không tường minh, danh sách các phần tử có thể được viết tắt bằng cách sử dụng dấu chấm lửng '…'.[23][24] Ví dụ: tập hợp 1000 số nguyên dương đầu tiên có thể được chỉ định trong bảng liệt kê như
{1, 2, 3, …, 1000}
Tập hợp vô hạn trong ký hiệu danh sách
Tập hợp vô hạn là tập hợp có danh sách vô tận các phần tử. Để mô tả một tập hợp vô hạn trong ký hiệu danh sách, một dấu chấm lửng được đặt ở cuối danh sách hoặc ở cả hai đầu, để chỉ ra rằng danh sách tiếp tục mãi mãi. Ví dụ: tập hợp các số nguyên không âm là
{0, 1, 2, 3, 4, …},
và tập hợp tất cả các số nguyên là
{…, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, …}.
Định nghĩa ngữ nghĩa
Một cách khác để xác định một tập hợp là sử dụng quy tắc để xác định các phần tử là gì:
Gọi A là tập hợp có các phần tử là bốn số nguyên dương đầu tiên. Gọi B là tập hợp các màu của lá cờ Pháp.Định nghĩa như vậy được gọi là mô tả ngữ nghĩa.[25][26]
Ký hiệu cách tạo tập hợp
Ký hiệu cách tạo tập hợp chỉ định một tập hợp là một lựa chọn từ một tập hợp lớn hơn, được xác định bởi một điều kiện trên các phần tử.[26][27][28] Ví dụ, một tập F có thể được định nghĩa như sau:
F = { n ∣ n là một số nguyên, và 0 ≤ n ≤ 19 } . {\displaystyle =\{n\mid n{\text{ là một số nguyên, và }}0\leq n\leq 19\}.}
Trong ký hiệu này, thanh dọc "|" có nghĩa là "sao cho", và mô tả có thể được hiểu là " F là tập hợp tất cả các số n sao cho n là một số nguyên trong phạm vi từ 0 đến 19". Một số tác giả sử dụng dấu hai chấm ":" thay cho thanh dọc.[29]
Tập hợp có thể xác định bằng đệ quy. Chẳng hạn tập các số tự nhiên lẻ L có thể cho như sau:
- 1 ∈ L {\displaystyle 1\in L}
- Nếu n ∈ L {\displaystyle n\in L} thì n + 2 ∈ L . {\displaystyle n+2\in L.}
Tập hợp rỗng là tập hợp duy nhất không có phần tử nào. Nó được ký hiệu là ∅ hoặc ∅ {\displaystyle \emptyset } hoặc { }[30][15][31] hoặc ϕ[32] [hoặc ϕ].[33]
Tập hợp đơn điểm là tập hợp có chính xác một phần tử; một tập hợp như vậy cũng có thể được gọi là một tập hợp đơn vị.[5] Bất kỳ tập hợp nào như vậy có thể được viết dưới dạng {x} , trong đó x là phần tử. Tập hợp {x} và phần tử x có nghĩa khác nhau; Halmos[34] chỉ ra một phép tương tự rằng một chiếc hộp đựng một chiếc mũ không giống với chiếc mũ.
Nếu mọi phần tử của tập A cũng có mặt trong B, thì A được mô tả là một tập con của B, hoặc được chứa trong B, được viết A ⊆ B,[35] hoặc B ⊇ A.[15][36] Kí hiệu thứ hai có thể được đọc là B chứa A, hoặc B bao gồm A. Các mối quan hệ giữa các tập hợp lập ra bởi ⊆ được gọi bao gồm hay chứa đựng. Hai tập hợp bằng nhau nếu chúng chứa nhau: A ⊆ B và B ⊆ A tương đương với A = B.[27]
Nếu A là tập con của B mà A không bằng B thì A được gọi là tập con thực sự của B. Điều này có thể được viết A ⊊ B. Tương tự như vậy, B ⊋ A có nghĩa là B là một tập hợp chứa thực sự của A, tức là B chứa A, và không bằng A.
Cặp toán tử thứ ba ⊂ và ⊃ được các tác giả khác nhau sử dụng khác nhau: một số tác giả sử dụng A ⊂ B và B ⊃ A có nghĩa là A là bất kỳ tập con nào của B [và không nhất thiết phải là tập hợp con thực sự],[37][38] trong khi những người khác chỉ viết A ⊂ B và B ⊃ A khi mà A là một tập hợp con thực sự của B.[35]
A là một tập hợp con của B
Sơ đồ Euler là một biểu diễn đồ họa của một tập hợp các tập hợp; mỗi tập hợp được mô tả như một vùng phẳng được một vòng tròn bao quanh, với các phần tử của nó bên trong. Nếu A là một tập con của B, thì vùng đại diện cho A nằm hoàn toàn bên trong vùng đại diện cho B. Nếu hai tập hợp không có phần tử nào chung thì các vùng không giao nhau.
Ngược lại, một sơ đồ Venn là một biểu diễn đồ họa của n tập hợp, trong đó n vòng chia mặt phẳng thành 2n vùng sao cho mỗi cách chọn một số trong n tập hợp [có thể là tất cả hoặc không], có một vùng cho các phần tử thuộc về tất cả các tập hợp đã chọn và không thuộc về các tập hợp khác. Ví dụ, nếu các tập hợp là A, B và C, thì phải có một vùng cho các phần tử bên trong A và C và bên ngoài B [ngay cả khi các phần tử đó không tồn tại].
Tập hợp các số tự nhiên ℕ được chứa trong tập số nguyên ℤ, ℤ được chứa trong tập số hữu tỷ ℚ, ℚ được chứa trong tập số thực ℝ, ℝ được chứa trong tập số phức ℂ
Có những tập hợp có tầm quan trọng toán học, mà các nhà toán học đề cập đến thường xuyên, đến nỗi chúng có được những cái tên đặc biệt và các quy ước ký hiệu để xác định chúng.
Nhiều tập hợp quan trọng này được biểu diễn trong các văn bản toán học sử dụng chữ in đậm [ví dụ: Z {\displaystyle {\mathbf {Z}}} ] hoặc chữ viền đậm [ví dụ: Z {\displaystyle \mathbb {Z} } ].[39] Chúng bao gồm[15]
- N {\displaystyle {\mathbf {N}}} hoặc N {\displaystyle \mathbb {N} } , tập hợp tất cả các số tự nhiên : N = { 0 , 1 , 2 , 3 , . . . } {\displaystyle {\mathbf {N}}=\{0,1,2,3,...\}} [thông thường các tác giả loại trừ 0 ra khỏi tập N {\displaystyle \mathbb {N} } ];[39]
- Z {\displaystyle {\mathbf {Z}}} hoặc Z {\displaystyle \mathbb {Z} } , tập hợp tất cả các số nguyên [cho dù là số dương, số âm hay số 0]: Z = { . . . , − 2 , − 1 , 0 , 1 , 2 , 3 , . . . } {\displaystyle {\mathbf {Z}}=\{...,-2,-1,0,1,2,3,...\}} ;[39]
- Q {\displaystyle {\mathbf {Q}}} hoặc Q {\displaystyle \mathbb {Q} } , tập hợp tất cả các số hữu tỉ [nghĩa là tập hợp tất cả các phân số]: Q = { a b ∣ a , b ∈ Z , b ≠ 0 } {\displaystyle {\mathbf {Q}}=\left\{{\frac {a}{b}}\mid a,b\in {\mathbf {Z}},b\neq 0\right\}} . Ví dụ, −7/4 ∈ Q
- R {\displaystyle {\mathbf {R}}} hoặc R {\displaystyle \mathbb {R} } , tập hợp tất cả các số thực bao gồm tất cả các số hữu tỉ và tất cả các số vô tỉ [bao gồm các số đại số chẳng hạn như 2 {\displaystyle {\sqrt {2}}} mà không thể viết dưới dạng phân số, cũng như các số siêu việt như π và e];[40]
- C {\displaystyle {\mathbf {C}}} hoặc C {\displaystyle \mathbb {C} } , tập hợp của tất cả các số phức : C = {a + bi | a, b ∈ R}, ví dụ 1 + 2i ∈ C.[40]
Mỗi tập hợp số trên có vô số phần tử. Mỗi tập hợp là một tập hợp con của các tập hợp được liệt kê bên dưới nó.
Tập hợp các số dương hoặc âm đôi khi được biểu thị bằng dấu cộng và dấu trừ tương ứng. Ví dụ, Q + {\displaystyle \mathbf {Q} ^{+}} biểu thị tập hợp các số hữu tỉ dương.
Một hàm số [hoặc ánh xạ] từ tập hợp A đến tập hợp B là một quy tắc gán cho mỗi phần tử "đầu vào" của A một "đầu ra" là phần tử của B ; chính thức hơn, một hàm là một loại quan hệ đặc biệt, một quan hệ liên quan mỗi phần tử của A với chính xác một phần tử của B. Một hàm được gọi là
- đơn ánh nếu nó ánh xạ bất kỳ hai phần tử khác nhau của A với các phần tử khác nhau của B ,
- toàn ánh nếu với mọi phần tử của B, có ít nhất một phần tử của A ánh xạ tới nó, và
- song ánh nếu hàm vừa là đơn ánh vừa là toàn ánh - trong trường hợp này, mỗi phần tử của A được nối với một phần tử duy nhất của B và mỗi phần tử của B được nối với một phần tử duy nhất của A, và không có phần tử chưa được ghép nối.
- Hợp [Union]: Hợp của A và B là tập hợp gồm tất cả các phần tử thuộc ít nhất một trong hai tập hợp A và B, ký hiệu A ∪ {\displaystyle \cup } B
- Giao [Intersection]: Giao của hai tập hợp A và B là tập hợp tất cả các phần tử vừa thuộc A, vừa thuộc B, ký hiệu A ∩ {\displaystyle \cap } B
- Hiệu [Difference]: Hiệu của tập hợp A với tập hợp B là tập hợp tất cả các phần tử thuộc A nhưng không thuộc B, ký hiệu A ∖ B {\displaystyle A\setminus B}
Phần bù của A trong B
- Phần bù [Complement]: là hiệu của tập hợp con. Nếu A ⊂ {\displaystyle \subset } B thì B \ A được gọi là phần bù của A trong B, ký hiệu CAB [hay CB A]
- Trong nhiều trường hợp, khi tất cả các tập hợp đang xét đều là tập con của một tập hợp U [được gọi là tập vũ trụ-đôi khi có nghĩa như trường hay không gian - trong vật lý; hay cũng gọi là tập phổ dụng, giống như trong đại số phổ dụng], người ta thường xét phần bù của mỗi tập A, B, C,... đang xét trong tập U, khi đó ký hiệu phần bù không cần chỉ rõ U mà ký hiệu đơn giản là CA,CB,... hoặc A ¯ {\displaystyle {\overline {A}}} , B ¯ {\displaystyle {\overline {B}}} ...
Các phép toán trên tập hợp có các tính chất sau:
- Luật luỹ đẳng:
Phát biểu: giao hoặc hợp của một tập hợp với chính nó cho kết quả là chính nó. Mặt khác, hợp của một tập với phần bù của nó cũng là chính nó nhưng giao của một tập với phần bù của nó lại là một tập rỗng.
- Luật hấp thụ [còn gọi là luật bao hàm]:
- Luật giao hoán:
- Luật kết hợp:
- Luật phân phối:
- Luật De Morgan:
Tích Descartes
Một tập hợp mới có thể được xây dựng bằng cách liên kết mọi phần tử của một tập hợp với mọi phần tử của một tập hợp khác. Tích Descartes của hai tập A và B, ký hiệu là A × B,[15] là tập hợp của tất cả các cặp có thứ tự [a, b] sao cho a là phần tử của A và b là phần tử của B.
Ví dụ:
- {1, 2} × {red, white, green} = {[1, red], [1, white], [1, green], [2, red], [2, white], [2, green]}.
- {1, 2} × {1, 2} = {[1, 1], [1, 2], [2, 1], [2, 2]}.
- {a, b, c} × {d, e, f} = {[a, d], [a, e], [a, f], [b, d], [b, e], [b, f], [c, d], [c, e], [c, f]}.
Một số tính chất cơ bản của tích Descartes:
- A × ∅ = ∅.
- A × [B ∪ C] = [A × B] ∪ [A × C].
- [A ∪ B] × C = [A × C] ∪ [B × C].
Cho A và B là các tập hữu hạn; thì lực lượng của tích Descartes là tích của các lực lượng:
| A × B | = | B × A | = | A | × | B |.
Bài chi tiết: Lực lượng [tập hợp]
| Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Lực lượng của tập hợp. |
Khái quát hoá khái niệm số lượng phần tử của các tập hợp hữu hạn là khái niệm lực lượng của tập hợp [Cardinality].
Hai tập hợp được gọi là có cùng lực lượng nếu có một song ánh giữa chúng. Các tập hợp hữu hạn có cùng lực lượng khi và chỉ khi chúng có cùng số phần tử theo nghĩa thông thường.
Tập hợp A và tập hợp B có cùng lực lượng
Khác biệt cơ bản của các tập hữu hạn với các tập vô hạn là mọi tập hữu hạn không có cùng lực lượng với một tập con thực sự của nó. Đối với các tập hợp vô hạn thì không phải như vậy. Sau đây là một vài ví dụ đơn giản:
- Tập con N ∖ { 0 } {\displaystyle \mathbb {N} \setminus \{0\}} là tập con thực sự của N {\displaystyle \mathbb {N} } , tuy nhiên ta có thể kiểm tra ánh xạ sau là song ánh hay không:
Nghĩa là chúng có cùng lực lượng.
Georg Cantor đã chứng minh rằng không thể có một song ánh giữa tập các số tự nhiên và tập hợp các số thực, vì thế lực lượng của tập hợp số tự nhiên là "nhỏ hơn" lực lượng của tập số thực. Các tập có cùng lực lượng với tập số tự nhiên được gọi là các tập đếm được, các tập hợp có cùng lực lượng với tập số thực được gọi là tập có lực lượng continuum.
| Z | < | R | {\displaystyle |\mathbb {Z} |