פרק 2 – מבוא לתורת הקבוצות - Or-Alfa
Transcription
פרק 2 – מבוא לתורת הקבוצות - Or-Alfa
רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג פרק – 2מבוא לתורת הקבוצות בפרק זה נדון במושג הקבוצה -המבנה הבדיד (הדיסקרטי) הבסיסי ביותר, באמצעותו מוגדרים כל שאר המבנים הבדידים במתמטיקה. לא נגדיר במדויק מהי קבוצה ,למרות שניתן לעשות זאת (באמצעות 10 אקסיומות -אקסיומות ,)ZFCאלא נאמר כי קבוצה היא אוסף של איברים בעל תכונות מסוימות .בגישה זו נוקטת תורת הקבוצות הנאיבית ,להבדיל מתורת הקבוצות האקסיומטית המגדירה את מושג הקבוצה והמושגים הנלווים לה באמצעות אקסיומות (.)ZFC לרוב ,אלמנטים בקבוצה ,שיקראו מכאן ואילך :איברים ,חולקים ביניהם לפחות תכונה משותפת אחת .למשל ,בקבוצת כל הסטודנטים בקורס מתמטיקה בדידה 1לכל הסטודנטים יש לפחות תכונה משותפת אחת – היותם סטודנטים בקורס זה .עם זאת ,אין הכרח כי לאיברים בקבוצה תהיה תכונה משותפת מעבר להיותם נמצאים באותה קבוצה. תורת הקבוצות הנאיבית – מונחים ,סימונים ועקרונות בסיסיים קבוצה היא אוסף של אלמנטים נטול סדר ,אשר כל אחד מהם מופיע בה פעם אחת בלבד .כל אחד מאלמנטים אלו נקרא :איבר (של הקבוצה). קבוצה מתוארת ע"י רשימה של איבריה או ע"י תכונה מאפיינת ,אשר בעזרתה קובעים אילו הם איבריה. קבוצות מסומנות לרוב באותיות אנגליות גדולות ,איברים – באותיות אנגליות קטנות .את העובדה שאיבר aנמצא בקבוצה ( Aאו שייך לה) נסמן . a A :את העובדה שאיבר bאינו נמצא בקבוצה ( Aאו אינו שייך לה) נסמן. b A : מבחינים בין שלושה אופנים עיקריים להגדרת קבוצה: oרשימה של איברים בתוך צומדיים ,למשל, A 1,3,5,7,9 : D 1, 2,3, 4, 5, 6 , C , B 1, x, , , google כאמור ,אין הכרח כי לאיברים בקבוצה (אשר יכולים להיות קבוצות בפני עצמן) תהיה תכונה משותפת מעבר להיותם נמצאים באותה קבוצה. oרישום של קריטריון בתוך צומדיים ,למשל: B All natural numbers that are smaller than 1 oרישום מהצורה B n : 2 n 4 :או מהצורה| 2 n 4 : , C n כאשר משמעות הנקודתיים או הקו האנכי בתוך הצומדיים היא "כך ש."... 15 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג בהינתן קבוצה כלשהי ,כל עצם (מוחשי או מופשט) הוא איבר בקבוצה הנתונה או שאינו איבר בה. הגדרת שוויון בין שתי קבוצות :נאמר ששתי קבוצות הן שוות אם"ם הן מכילות את אותם האיברים .ברישום לוגי (תחשיב הפרדיקטים) נאמר כי A Bאם"ם לכל . x A x B :x נהוג לקצר ולרשום זאת כך A B :אם"ם . x : x A x B בקבוצה אין משמעות לסדר האיברים או לחזרות שלהם ,למשל: . 1,2,3,3,2,1,2,1,2 3,2,2,1,3 1,2,3 2,3,1 . קבוצה ריקה היא קבוצה נטולת איברים .מסומנת :או ניתן להבחין בין קבוצות סופיות לקבוצות אינסופיות. קבוצה סופית היא קבוצה שמספר איבריה הוא טבעי או ( 0לרבות קבוצה ריקה) .קבוצה אינסופית היא קבוצה שאינה סופית. אם Aקבוצה סופית (לרבות קבוצה ריקה) מסמנים ב A -את מספר איבריה. דוגמאות 0 : 1, 2,3, 4 3 , s,@, 2 3 , 9,8 2 , 3 1 , יחסים בין קבוצות מעבר ליחס הזהות (השוויון) בין שתי קבוצות ,ניתן להגדיר עוד שלושה יחסים ביניהן. קבוצה Aנקראת :קבוצה חלקית (או תת-קבוצה) של קבוצה Bואומרים גם A :מוכלת ב B -אם"ם כל איבר של Aהוא גם איבר של .BסימוןA B : ברישום לוגי נאמר כי A Bאם"ם לכל . x A x B :x נהוג לקצר ולרשום זאת כך A B :אם"ם . x : x A x B דוגמאותa, b a, b,c , a, b a, b , a, b a,c : קבוצה Aנקראת :קבוצה חלקית ממש (או תת-קבוצה ממש) של קבוצה Bואומרים גם A :מוכלת ממש ב B -אם"ם כל איבר של Aהוא גם איבר של Bוגם קיים איבר ב B -שאינו איבר ב .A -סימוןA B : ברישום לוגי נאמר כי A Bאם"ם (לכל ) x A x B :xוגם (קיים .) x B x A :x נהוג לקצר ולרשום זאת כך A B :אם"ם . x : x A x B x : x B x A דוגמאותa, b a, b,c , a, b a, b , a, b a,c : 16 מתמטיקה בדידה 1תשע"ג רפאל ברכאן שתי קבוצות נקראות זרות זו לזו אם"ם אין להן אף איבר משותף. דוגמאות :הקבוצות 1, 2 , 3, 4,5 :זרות זו לזו; הקבוצות , 1,2,3 :זרות זו לזו; הקבוצות 1,2,3 , 5,3,11 :אינן זרות זו לזו. למה ( :)Lemmaתהי Aקבוצה כלשהי .מתקיים. a A a A : (ההוכחה מבוססת על הגדרות הסימונים - , :תרגיל). דוגמאות: 1 1, 2,3 11, 2,3 o o o 2 1, 2 ,3 2 1, 2 ,3 2 1, 2 ,3 2 1, 2 ,3 a,b a,b ,c a,b a,b ,c טענה :תהיינה Aו B -שתי קבוצות כלשהן .מתקיים: אA A . ב A . גA B A B B A . דA B A B A B . הA B A B A B . ו .אם , A אז . A הוכחה (חלקית): א .צ"ל כי . x : x A x A :יהי x Aכלשהו .הפסוק x A x A :הוא טאוטולוגיה (שכן ,) p p p p T :ומכאן נובעת נכונות סעיף זה בטענה. ב .צ"ל כי . x : x x A :יהי x Aכלשהו .ערך האמת של הפסוק: x x Aהוא ( Tשכן ערך האמת של הפסוק x הוא .)Fמכאן ומהגדרת קשר הגרירה נובעת נכונות סעיף זה בטענה. ג .עפ"י הגדרות היחסים :שוויון ,הכלה (תרגיל) ד .נשים לב כי: A B A B x : x A x B x : x A x B x : x B x A x : x A x B F x : x B x A x : x A x B x : x B x A A B ה .עפ"י הגדרות היחסים :שוויון ,הכלה והכלה ממש (תרגיל) ו .עפ"י סעיף ב' . A :עפ"י הנתון . A :עפ"י סעיף ד' מתחייב כי: . A 17 □ רפאל ברכאן תשע"ג1 מתמטיקה בדידה :דוגמאות נוספות : מתקיים, A 1,2 , B 9,10 , C A,3,4,5,6,7,8, B :בהינתן o . 1 A , 1 C , A C , 9 B , 9 C , B C . לבין הקבוצה יש להבחין בין הקבוצה ) 1 , 0 : (שכן !שימו לב :כמו כן ) (מסקנה מסעיפים א' או ב' של הטענה לעיל ) (מסקנה מסעיף ד' של הטענה לעיל . 1 A , 1 A , A , A : מתקיים, A 1,1,1, , :בהינתן 1 A 1 A , 1 A 1 A 1 A 1 A 1 A , 1 A 1 A 1 A 1 A 1 A , 1 A 1 A 1 A A , AA A A , A A A A A , A A A 18 :נשים לב כי רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג פרדוקס ראסל – קבוצת כל הקבוצות הגישה בה נקטנו לעיל – תורת הקבוצות הנאיבית – טומנת בחובה קשיים הנובעים מהיותה בלתי מדויקת .היא מאפשרת ,למשל ,להגדיר קבוצות באופן רחב מדי אשר עלול להביא לכדי פרדוקס. עפ"י תורת הקבוצות הנאיבית אין כל מניעה להגדיר כקבוצה את קבוצת כל הקבוצות .אולם הגדרה זו מביאה אותנו לכדי מצב פרדוקסלי ,שכן היא מאפשרת לנו להגדיר כקבוצה את קבוצת כל הקבוצות המקיימות תנאי מסוים – למשל ,אלו שאינן איבר של עצמן (אינן שייכות לעצמן). הלוגיקן ראסל הגדיר את הקבוצה Aכקבוצת כל הקבוצות Bשאינן איבר של עצמן . A : B : B B :לאור הגדרה זו אך טבעי לבדוק אם . A Aכאמור, בהינתן קבוצה ,כל עצם מוחשי או מופשט (לרבות קבוצה) הוא איבר בקבוצה הנתונה או אינו איבר בקבוצה הנתונה (אך לא שניהם) .נבדוק ,אפוא ,את שתי האפשרויות הללו: א .אם , A Aהרי שלפי הגדרת Aכקבוצת כל הקבוצות שאינן איבר של עצמן (אינן שייכות לעצמן) ,נקבל כי - A A :סתירה. ב .אם , A Aהרי שלפי הגדרת Aכקבוצת כל הקבוצות שאינן איבר של עצמן (אינן שייכות לעצמן) ,נקבל כי - A A :סתירה. קיבלנו ,אפוא ,כי - A A A A F :סתירה פנימית ,פרדוקס. לכן ,לא ניתן להגדיר קבוצה Aכדוגמת הנ"ל ובכלל לא ניתן להגדיר קבוצה כקבוצת כל הקבוצות. הבעייתיות בהגדרה הנ"ל של ( Aכקבוצת כל הקבוצות שאינן איבר של עצמן) נובעת מהיותה של הגדרה זו מקיפה מדי. בתורת הקבוצות הנאיבית נוקטים בגישה נאיבית משהו הדורשת שבכל דיון תצוין קבוצה אוניברסלית (המסומנת ב – )U -קבוצה שכל הקבוצות בדיון חלקיות לה (מוכלות בה) ,אך באופן שלא תהיה מקיפה מדי כמו בדוגמא לעיל. למשל ,בכל דיון המערב קבוצות של מספרים ממשיים חיוביים ושליליים ,יהיה זה אך טבעי להגדיר את הקבוצה האוניברסלית כקבוצת המספרים הממשיים. הערה :לרוב נתייחס לקבוצה אוניברסלית כאל קבוצה שאינה ריקה (אלא אם יצוין מפורשות אחרת). לסיום ,אנלוגיה של פרדוקס ראסל ,משעשעת יותר וקרובה יותר למציאות היומיומית שלנו ,היא פרדוקס הספר .בפרדוקס זה מסופר על עיר אחת בה יש ספר אשר מספר את כל האנשים שאינם מספרים את עצמם ואותם בלבד. השאלה שנשאלת היא :מי מספר את הספר?... 19 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג פעולות על קבוצות נגדיר 4פעולות (בינאריות) יסודיות על קבוצות .כל הפעולות תוגדרנה באמצעות קשרים לוגיים ותומחשנה בדיאגרמות הנקראות :דיאגרמות .Venn בכל דיאגרמה מצוינות 2קבוצות B ,A :המהוות תת-קבוצות של קבוצה אוניברסלית כלשהי (נתונה) ,המצוינת במסגרת. .1איחוד – הגדרה וסימוןA B: x : x A x B : המחשה: דוגמאות: 1, 2,3 3, 4,5 1, 2,3, 4,5 , 1, 2,3 4,5, 6 1, 2,3, 4,5, 6 , 3,5 3, 4,5 3, 4,5 , 1,1,17 1,1,17 .2חיתוך -הגדרה וסימוןA B: x : x A x B : המחשה: דוגמאות: 1, 2,3, 4 3, 4,5,6 3, 4 , 1, 2,3 3,5,6 3 , 3,5 3, 4,5 3,5 , 1, 2 3, 4 , 1,1,17 תזכורת 2 :קבוצות Aו B -נקראות :זרות אם"ם( . A B :למשל ,הקבוצות: 1,2 , 3,4זרות ,שכן). 1,2 3,4 : 20 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג .3הפרש -הגדרה וסימוןA \ B: x : x A x B : המחשה: דוגמאות: 1, 2,3, 4 \ 3, 4,5,6 1, 2 , 1, 2,3 \ 3,5,6 1, 2 , 3,5,6 \ 1, 2,3 5,6 , 3,5 \ 3, 4,5 , 1, 2 \ 3, 4 1, 2 , \ 1,1,17 , 1,1,17 \ 1,1,17 .4הפרש סימטרי -הגדרה וסימוןAB: x : x A x B : המחשה: דוגמאות: 1, 2,3, 4 3, 4,5,6 1, 2,5,6 , 1, 2,3 3,5,6 1, 2,5,6 , 3,5 3, 4,5 4 1, 2 3, 4 1, 2,3, 4 , 1,1,17 1,1,17 , 1, 2 1, 2 נגדיר עתה את 4הפעולות (הבינאריות) היסודיות הנ"ל באמצעות טבלת אמת. לשם כך נניח כי Uהיא קבוצה אוניברסלית נתונה וכי Aהיא קבוצה כלשהי ( .) A Uעבור כל , x Uנסמן 1אם – 0 , x Aאחרת (אם .) x A תתקבל טבלת האמת הבאה: AB 0 1 1 0 A\B 0 1 0 0 AB 1 0 0 0 AB 1 1 1 0 B 1 0 1 0 21 A 1 1 0 0 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג ניתן להגדיר גם את פעולת ההכלה בין קבוצות באמצעות טבלת אמת ,אלא שזו תהא טבלת אמת "מעורבת" – עמודות המתארות קבוצות תאכלסנה אפסים או אחדים (לציון שייכות/אי-שייכות של איבר לקבוצה) ,בעוד עמודות המתארות פסוקים תאכלסנה Tאו ( Fלציון ערכי האמת של הפסוקים). כזכור A B ,אם"ם . x : x A x B AB T F T T B 1 0 1 0 A 1 1 0 0 הגדרת משלים של קבוצה (ביחס לקבוצה האוניברסלית): כל קבוצה מחלקת את כל העצמים האפשריים בעולם לשני אוספים זרים לזה. לעיתים ,נוח לצמצם את הדיון לקבוצות שכולן חלקיות לקבוצה מסוימת נתונה. במקרה זה ,כאמור ,קוראים לקבוצה הנתונה :הקבוצה האוניברסלית, ומסמנים אותה ב .U -לרוב ,היא נקבעת עפ"י ההקשר. תהיינה Uקבוצה אוניברסלית נתונה ו A U -קבוצה כלשהי .המשלים של A (ביחס ל )U -הוא אוסף כל איברי Uשאינם איברי .Aבסימול מתמטי: . Ac A : x : x A x : x U x A U \ A המחשה: ניתן להתייחס למשלים של קבוצה נתונה (ביחס לקבוצה אוניברסלית נתונה) כאל פעולה אונארית על קבוצה .נוכל גם להגדירה באמצעות טבלת אמת: A 0 1 A 1 0 22 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג דוגמאות: U 1, 2,3, 4,5 , A 2,5 , A 1,3, 4 o o o o 2, 4,6,8,10,... , A 2n 1: n 1,3,5,7,9,... U , A , A z : z 0 U 1, 2,3, 4,5 , A U , A , A 2n : n U oשימו לב! לא נהוג להגדיר סדר קדימות בין פעולות בין קבוצות ,ולכן יש להקפיד על רישום נאות של סוגריים. קבוצות מיוחדות -קטעים על-גבי הישר הממשי הגדרות של קטעים (סופיים) וקרנות על-גבי הישר הממשי: .U כמובן ,עבור כל הקבוצות דלהלן: קטע סופי פתוח – : a x b a, b : x קטע סופי סגור – : a x b a, b : x קטע סופי חצי פתוח חצי סגור – : a x b a, b : x קטע סופי חצי סגור חצי פתוח – : a x b a, b : x קרן פתוחה מימין – : x a ,a : x קרן סגורה מימין – : x a ,a : x קרן פתוחה משמאל – : x a a, : x קרן סגורה משמאל – : x a a, : x 23 רפאל ברכאן תשע"ג1 מתמטיקה בדידה : אז, A 7,3 , B 1,5 :נניח כי A B 7,5 A B 1,3 A \ B 7,1 B \ A 3,5 AB A \ B B \ A 7,1 3,5 A , 7 3, B ,1 5, 24 רפאל ברכאן תשע"ג1 מתמטיקה בדידה חוקי תורת הקבוצות . נתונהU קבוצות כלשהן החלקיות לקבוצה אוניברסליתC ,B ,A :תהיינה : איחוד.1 1.1: A A , A A A 1.2 : A B B A , A B C A B C 1.3 : A A B , B A B 1.4 : A B A B B : חיתוך.2 2.1: A , A A A 2.2 : A B B A , A B C A B C 2.3 : A B A , A B B 2.4 : A B A B A :)חיתוך- חוקי פילוג (ביחס לאיחוד.3 3.1: A B C A C B C 3.2 : A B C A C B C : חוקי הבליעה.4 A A B A A A B : הקבוצה האוניברסלית והמשלים.5 5.1: U , U , A A 5.2 : A A U , A A : הפרש.6 6.1: A U \ A , A \ A 6.2 : A \ A , \ A 6.3 : A \ B A B 6.4 : A B A \ B 6.5 : A B A \ B A :מורגן- חוקי דה.7 7.1 : A B A B 7.2 : A B A B 8.1: AB A \ B B \ A A B \ A B 8.2 : AB BA , A BC AB C 8.3 : A A , AA 25 : הפרש סימטרי.8 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג עקרון הדואליות :בהינתן זהות בתורת הקבוצות ,המערבת אחת או יותר מהפעולות: איחוד ,חיתוך ומשלים ואפס או יותר מהקבוצות , ,U :הרי שניתן לקבל ממנה זהות אחרת ,ע"י החלפת פעולות האיחוד והחיתוך זו בזו וע"י החלפת הקבוצות ,U :זו בזו (אם קיימות). דוגמאות: A A B A o A A B A o AB AB o AU A A A o AA AA U AB AB 26 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג אופני הוכחה של טענות בתורת הקבוצות ניתן להוכיח טענות בתורת הקבוצות בשלוש שיטות הוכחה עיקריות: א .חלוקה למקרים (סקירת כל המקרים האפשריים) -באמצעות טבלת אמת, תוך שימוש בהגדרות ובסימונים המתאימים לטבלאות אמת בתורת הקבוצות ב .תוך שימוש בהגדרות הפעולות והיחסים בין קבוצות – באמצעות הגדרות ושפת הלוגיקה המתמטית; למשל ,כדי להוכיח שוויון בין שתי קבוצות AוB - יש להראות כי. x : x A x B : ג .תוך שימוש בחוקי תורת הקבוצות הנ"ל – "הוכחה אלגברית" הערה :לא תמיד יהיה זה נוח או אפשרי להוכיח טענה נתונה בכל אחת מהשיטות הנ"ל. דוגמאות: טענהA, B,C : A \ B C A \ B A \ C : הוכחה א' :תהיינה C ,B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית Uנתונה). A B C B C A \ B C A \ B A \ B A \ C A\C 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 □ שתי העמודות המודגשות זהות ולכן הטענה נכונה. הוכחה ב' :תהיינה C ,B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית Uנתונה) .צריך להוכיח כי. x : x A \ B C x A \ B A \ C : יהי x Uכלשהו .אכן: x A x B C x A \ B C \ definition x A x B C symbol definition x A x B x C D.M (log ic) x A x B x C x B x A x C \ definition x A pp p commutativity and associativity of x A \ B x A \ C definition x A \ B A \ C □ 27 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג הוכחה ג' :תהיינה C ,B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית Uנתונה) .נפשט את שני האגפים באמצעות חוקי תורת הקבוצות הנ"ל ונראה כי הם שווים. אגף שמאל: A \ B C 6.3 A B C 7.1 D.M A B C 2.2 associativity of A B C אגף ימין: A BC A \ B A \ C 6.3 A B A C 2.1 AAA 2.2 commutativity and associativity of שני האגפים שווים ולכן הטענה נכונה. □ חוק דה-מורגןA, B: A B A B : הוכחה א' :תהיינה B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית U נתונה). A B A B AB AB AB 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 שתי העמודות המודגשות זהות ולכן הטענה נכונה. הוכחה ב' :תהיינה B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית U נתונה) .צריך להוכיח כי . x : x A B x A B :יהי x Uכלשהו. אכן: x A B definition x A B x A B definition x A x B D.M logic x A x B definition x A B definition xA xB 28 מתמטיקה בדידה 1תשע"ג רפאל ברכאן חוק פילוגA, B,C : A B C A B A C : הוכחה א' :תהיינה C ,B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית Uנתונה). A B C B C A B C A B A B A C AC 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 שתי העמודות המודגשות זהות ולכן הטענה נכונה. הוכחה ב' :תהיינה C ,B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית Uנתונה) .צריך להוכיח כי. x : x A B C x A B A C : יהי x Uכלשהו .אכן: x A x B x C x A B C definition x A x B C definition x A x B x A x C definition x A B x A C definition x A B A C distributivity (logic): p q r p q p r טענהA, B: A B A B A B : ראשית ,נזהה כי הטענה היא בעצם שקילות ולא זהות/שוויון בתורת הקבוצות ,כבדוגמאות הקודמות. הוכחה א' :תהיינה B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית U נתונה) .מספיק להראות כי . A B A B A B :נבנה טבלת אמת "מעורבת" (אפסים/אחדים ו.)F/T - A B AB AB AB AB AB ()p ()q 1 1 1 1 T T 1 0 1 0 F F 0 1 1 0 F F 0 0 0 0 T T שתי העמודות המודגשות זהות ,ולכן הפסוקים ( )q ,pשקולים זה לזה □ והטענה נכונה. 29 רפאל ברכאן תשע"ג1 מתמטיקה בדידה U קבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסליתB ,A תהיינה:'הוכחה ב נוכיח את נכונותו של. A B A B A B : מספיק להראות כי.)נתונה .כל כוון בנפרד : ונקבלA : B : אפוא, נציב. A B A B : וצ"ל כיA B : נתון כי: A B A:B B B B AB AB A B A:B B B B : צ"ל כי, כלומר. A B : וצ"ל כיA B A B : נתון כי: : אבל מתקיים. x : x A x B . x : x A x B pq pq qp x : x A x B x B x A x A Addition : אכן. x A x B : נוכיח תחילה כי. כלשהוx U יהי x A x B definition x A B ABAB x A B definition x A x B Simplification x B x B Addition x B x A definition : אכן. x B x A :נוכיח עתה כי x B A commutativity of x A B ABAB x A B definition x A x B Simplification x A □ U קבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסליתB ,A תהיינה:'הוכחה ג נוכיח את שני הכוונים. A B A B A B : מספיק להראות כי.)נתונה .זמנית בהתבסס על הגדרות וחוקי תורת הקבוצות-בו A B A B definition A B A B A B A B A,B:AB AB A B A B T A B A B , definitions A B A A B B and properties definition A A B A A B B B C:CC T B A A B T and properties B A A B definition A B □ 30 מתמטיקה בדידה 1תשע"ג רפאל ברכאן טענהA, B: A \ B A A B : ראשית ,נזהה כי הטענה היא בעצם שקילות ולא זהות/שוויון בתורת הקבוצות. הוכחה א' :תהיינה B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית U נתונה) .מספיק להראות כי . A \ B A A B :נבנה טבלת אמת "מעורבת" (אפסים/אחדים ו.)F/T - A B A\B AB A\BA AB ()p ()q 1 1 0 1 F F 1 0 1 0 T T 0 1 0 0 T T 0 0 0 0 T T שתי העמודות המודגשות זהות ,ולכן הפסוקים ( )q ,pשקולים זה לזה □ והטענה נכונה. הוכחה ב' :תהיינה B ,Aקבוצות כלשהן (החלקיות לקבוצה אוניברסלית U נתונה) .מספיק להראות כי . A \ B A A B :נוכיח את נכונותו של כל כוון בנפרד. : נתון כי A \ B A :וצ"ל כי . A B :נוכיח זאת על דרך השלילה – נניח בשלילה כי . A, B: A \ B A A B :עבור אותן Aו B -קבוצות ספציפיות המקיימות את הנחת השלילה מתקיים: A \ B A A B A B x : x A B x : x A x B A A\B x : x A \ B x B x : x A x B x B x : x A x B x B x : x A F x : F F : נתון כי A B :וצ"ל כי . A \ B A :נוכיח זאת על דרך השלילה – נניח בשלילה כי . A, B: A B A \ B A :עבור אותן Aו B -קבוצות ספציפיות המקיימות את הנחת השלילה מתקיים: A B A \ B A A \ B A x : x A \ B x A x : x A x A \ B A\B A F x : x A x A \ B x : x A x A \ B x : x A x A \ B x : x A x A x B D.M x : x A x A x B x : x A x A x A x B x : F x A x B x : x A x B x : x A B A B AB F □ 31 רפאל ברכאן תשע"ג1 מתמטיקה בדידה קבוצת החזקה נסמן.) נתונהU קבוצה כלשהי (החלקית לקבוצה אוניברסליתA תהי:הגדרה .A הקבוצות של- אשר איבריה הם כל תת,A את קבוצת החזקה שלPA -ב ). B: B P A B A : (כלומר. P A : B: B A :בסימול מתמטי :דוגמאות P a, b , a , b , a, b P a , a P P a, b, c , a , b , c , a, b , a, c , b, c , a, b, c . שימו לב! איברי קבוצת החזקה הם קבוצותo :תכונות עיקריות של קבוצת החזקה . קבוצות כלשהןB - וA תהיינה P A A P A .א □ . A A A P A definition P A A P A :הוכחה P A .ב □ . P A A P A P A : על סמך התכונה הקודמת:הוכחה P A B P A P B .ג קבוצהC תהי. C : C P A B C P A P B : צ"ל כי:הוכחה C P A P B definition C P A C P B power set definition properties C A B power set definition C P A B □ 32 : אכן.כלשהי CA CB רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג דP A P B P A B . הוכחה :צ"ל כי . C : C P A P B C P A B :תהי Cקבוצה כלשהי .אכן: C P A P B definition C P A C P B power set definition C A C B properties C A B power set definition C P A B □ הPA \ B PA \ PB . הוכחה :מספיק להראות כי (לכל Aו B -קבוצות כלשהן) קיים איבר (בקבוצה) באגף שמאל שאינו קיים (בקבוצה) באגף ימין .אכן ,עפ"י תכונה □ א' לעיל , P(A \ B) :אך. P A P B P A \ P B : משפט :אם Aהיא קבוצה סופית בת nאיברים ( n 0כלשהו) ,אז קבוצת החזקה שלה מכילה 2nאיברים. (בסימול מתמטי). n 0 : A n P A 2 A 2n : הוכחה :אם , A הרי ש , P A :משמע. P A 1 20 2 A : תהי ,אפוא A ,כך ש( A n : n כלשהו) .נוכיח משיקולי ספירה (שיקולים קומבינטוריים) כי. P A 2n : נתאים תחילה אינדקסים לאיברי ,Aבאופן הבא. A : a 1 , a 2 , a 3 ,..., a n : לכל תת-קבוצה (קבוצה חלקית) B Aנתאים סידרה בינארית באורך :n , x 1 x 2 x 3 ...x nבאופן הבא :לכל אינדקס 1 i nנסמן x i : 1 :אם , a i Bאחרת ( - ) a i Bנסמן . x i : 0 :למשל ,עפ"י התאמה זו ,לתת-הקבוצות: a1 , , A של Aתתאמנה הסדרות הבינאריות הבאות 1000...0 , 000...0 , 111...1 :בהתאמה. התאמה זו היא התאמה בזוגות – התאמה חד-חד ערכית ,שכן היא מתאימה לכל תת-קבוצה של Aסידרה בינארית אחת ויחידה באורך nולהיפך. מכאן מתחייב שמספר תת-הקבוצות של Aהוא כמספר הסדרות הבינאריות באורך nשהוא (עפ"י שיקולים קומבינטוריים – עקרון המכפלה): . 2 2 2 ...n times... 2 2nקיבלנו ,אפוא ,כי , P A 2n :כנדרש. 33 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג זוגות סדורים ומכפלה קרטזית זוגות סדורים כאמור ,בקבוצה לא מוגדר סדר בין איבריה ,כך למשל. a, b b,a : נרצה עתה להגדיר "קבוצה סדורה" – ישות שיש לה איברים (בדומה לקבוצה), אשר (בניגוד לקבוצה) מוגדר סדר בין איבריה .נתחיל את התהליך ,כמובן, מישות (כזו) בת שני איברים – זוג סדור. הגדרה :זוג סדור הוא קבוצה בת שני איברים ,המסומנת , a, b :המקיימת את התכונה הבאה. a, b,c,d U : a, b c,d a c b d : קיום תכונה זו (הנקראת :תכונת הזוג הסדור) מחייב שמוגדר סדר בין האיברים ב , a, b -באופן ש a -הוא האיבר הראשון בזוג ו b -הוא האיבר השני בזוג .באופן זה מתקיים. a, b U : a, b b,a a b : הדוגמא הנפוצה ביותר במתמטיקה לזוג סדור (זוג שמוגדר בו סדר) היא רכיבים (קואורדינאטות) של נקודה במישור (הממשי) .לכל נקודה במישור יש שני רכיבים (קואורדינאטות) – רכיב xורכיב ,yהמתקבלים ע"י הורדת אנך מהנקודה אל ציר ה x -ואל ציר ה y -בהתאמה .כך ,למשל ,הנקודה 2,3 :היא בעלת הרכיבים , x 2 , y 3 :בעוד הנקודה 3, 2 :היא בעלת הרכיבים. x 3 , y 2 : ברור כי שתי הנקודות הללו שונות ,כך ששני הזוגות הסדורים: 2,3 , 3, 2 שונים זה מזה. הערה :בהגדרה דלעיל נאמר כי זוג סדור הוא קבוצה מיוחדת – כזו המקיימת את תכונת הזוג הסדור .לחילופין ,ניתן להגדיר זוג סדור a, b כקבוצה בשני האופנים הבאים: א a, b : a,a, b . ב. a, b : a,a, b ניתן להראות כי שתי הגדרות אלו שקולות להגדרה (של זוג סדור) דלעיל. (תרגיל) 34 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה 1תשע"ג מכפלה קרטזית הגדרה :תהיינה Aו B -קבוצות כלשהן .המכפלה הקרטזית של AבB - מסומנת ומוגדרת באופן הבא. A B : a, b : a A b B : (במילים :המכפלה הקרטזית של Aב B -היא קבוצת כל הזוגות הסדורים ,אשר הרכיב הראשון בהם לקוח מ A -והרכיב השני בהם לקוח מ).B - דוגמאות: 1, 2 2,3, 4 1, 2 , 1,3 , 1, 4 , 2, 2 , 2,3 , 2, 4 2,3, 4 1, 2 2,1 , 3,1 , 4,1 , 2, 2 , 3, 2 , 4, 2 1, 2 1, 2 1,1 , 1, 2 , 2,1 , 2, 2 1, 2 1, 2 y x, y : x בדוגמא האחרונה ,הייצוג הגיאומטרי של הקבוצה (האינסופית) (המסומנת גם ) 2 :הוא המישור הממשי (אוסף כל הנקודות במישור הממשי). תכונות בסיסיות: א .מכפלה קרטזית אינה פעולה חילופית. A הוכחה :תהיינה . : 1, 2 , B : 2,3, 4 :מתקיים: A B 1, 2 2,3, 4 1, 2 , 1,3 , 1, 4 , 2, 2 , 2,3 , 2, 4 A B B A B A 2,3, 4 1, 2 2,1 , 3,1 , 4,1 , 2, 2 , 3, 2 , 4, 2 □ ב .מכפלה קרטזית אינה פעולה קיבוצית. הוכחה :תהיינה . A : 1 , B: 2 , C : 3 :מתקיים: A B C 1 2 3 1, 2 3 1, 2 ,3 A B C A B C A B C 1 2 3 1 2,3 1, 2,3 □ 35 מתמטיקה בדידה 1תשע"ג ג. רפאל ברכאן ( A, B: A B A B הוכחה – תרגיל) ד( A, B: A B A B A B B A .הוכחה – תרגיל) ה .עקרון המכפלה :אם Aו B -קבוצות סופיות ,אז. A B A B : הוכחה :תהיינה Aו B -קבוצות סופיות כלשהן .נבחין בין שני מקרים: - A B )1בלי הגבלת הכלליות ,נניח ש; A : A B B A B 0 נקבל כי: AB A B A 0 A B 0 B 0 - A B )2נסמן; A : a1 ,a 2 ,a 3 ,...,a m , B: b1, b2 , b3 ,..., b n : מתקיים , A m , B n :כאשר m, n כלשהם; נקבל כי: a1 , b1 , a1 , b 2 , a1 , b3 ,..., a1 , b n , a 2 , b1 , a 2 , b 2 , a 2 , b3 ,..., . AB , a 2 , b n ,..., a m , b1 , a m , b 2 , a m , b3 ,..., a m , b n מחד ,בקבוצה A Bיש m nאיברים .מאידך . A B m n :מתקיים, אפוא ,כי. A B A B : □ דוגמא :בחדר 4דלתות ו 8 -חלונות .לחדר נכנסים דרך דלת ויוצאים דרך חלון .נחשב בכמה דרכים (שונות) ניתן לעשות זאת. D : d : d is a door in the room d1 , d 2 , d 3 , d 4 נסמן: W : w : w is a window in the room w1 , w 2 , w 3 ,..., w 8 קבוצת כל הדרכים בהן ניתן להיכנס לחדר דרך דלת ולצאת דרך חלון היא: . D W d, w : d D w Wעפ"י עקרון המכפלה ,מספר הדרכים הללו הוא. D W D W 4 8 32 : כזכור ,לא נהוג להגדיר סדר קדימות בין פעולות בין קבוצות (לרבות מכפלה קרטזית) ,ולכן יש להקפיד על רישום נאות של סוגריים. 36