1.1. Khái niệm tập hợp
Đối tượng của toán học gồm nhiều loại khác nhau, trong đó chúng ta đã quen thuộc với các đối tượng như các số, điểm, đường thẳng, mặt phẳng, tam giác, đường tròn, phương trình, vv. Thông thường các đối tượng có cùng một tính chất chung được gom thành các tập hợp, và chúng có thể là hữu hạn hoặc vô hạn. Tập hợp là một khái niệm cơ bản và thâm nhập vào toàn bộ cách nghĩ trong toán học ngày nay. Tập hợp là một khái niệm không được định nghĩa mà được hiểu một cách trực giác như sau. Tất cả những đối tượng được xác định theo một quy tắc nào đó được xem là $\textbf{một tập hợp}$. Những đối tượng này được gọi là các $\textbf{phần tử}$ của tập hợp đó. (Để ngắn gọn, đôi khi ta nói $\textbf{tập}$ thay cho tập hợp.) Một tập hợp có thể không có một phần tử nào cả, một tập như vậy được gọi là $\textbf{tập rỗng}$, ký hiệu là $\varnothing$.- $\mathbb{N} =\{\, 0,1,2,3,\dots \,\}$ là tập các số tự nhiên.
- $\mathbb{N}^* =\{\, 1,2,3,\dots \,\}$ là tập các số tự nhiên khác 0.
- $\mathbb{Z} =\{\,\dots,-3,-2,-1,0,1,2,3,\dots \,\}$ là tập các số nguyên.
- $\mathbb{Q} =\{\, \frac{a}{b} \mid a,b\in \mathbb{Z}, b\ne 0 \,\}$ là tập các số hữu tỉ.
- $\mathbb{R} = \{\, x \mid x\ \mbox{là số thực}\, \}$.
- $\mathbb{C} = \{a+bi \mid a,b\in \mathbb{R}\}$ là tập các số phức, trong đó $i$ là đơn vị ảo.
- Xét các tập hợp $A=\{1,3,5\}$, $B=\{2,4,6\}$, $C=\{1,2,3,4\}$, $D=\{1,2,3,4,5\}$ và $E=\{1,1,3,5,5\}$. Hai tập $A$ và $B$ là rời nhau vì không có phần tử chung, hai tập $A$ và $C$ có phần tử chung $1,3$, nhưng $A$ không là tập con của $C$ vì $5\in A$ và $5\notin C$, và $C$ cũng không là tập con của $A$ vì $2\in C$ và $2\notin A$. Hơn nữa, chúng ta có $A\subset D$, $C\subset D$, và $A=E$.
- Hai tập hợp $A=\{\, x\in \mathbb{R} \mid x^3-x=0\,\}$ và $B=\{\, -1,0,1\,\}$ là bằng nhau. Ở đây, $B$ là tập tất cả các nghiệm thực của phương trình $x^3-x=0$.
- Nếu $A$ là một tập hợp, thì tập tất cả các tập con của $A$ là $\mathcal{P}(A) = \{\, X \mid X\subseteq A \,\}$. Chẳng hạn, với $A=\{0,1,3\}$ chúng ta có $$ \mathcal{P}(A) = \{\, \varnothing ,\ \{0\},\ \{1\},\ \{3\},\ \{0, 1\},\ \{0, 3\},\ \{1, 3\},\ \{0, 1, 3\} \,\}. $$
1.2. Các phép toán trên tập hợp
Dưới đây là một số cách xây dựng tập hợp mới từ các tập hợp cho trước.- $\textbf{Hợp}$ của $A$ và $B$, ký hiệu $A \cup B,$ là tập hợp các phần tử thuộc ít nhất một trong hai tập hợp, tức là $A\cup B = \{\, x \mid x\in A\ \mbox{hoặc}\ x\in B \,\}$.
- $\textbf{Giao}$ của $A$ và $B$, ký hiệu $A\cap B$, là tập hợp các phần tử thuộc đồng thời $A$ và~$B$, tức là $A\cap B = \{\, x \mid x\in A\ \mbox{và}\ x\in B \,\}$.
- $\textbf{Hiệu}$ của $A$ đối với $B$, ký hiệu $A \setminus B,$ là tập hợp các phần tử thuộc $A$ nhưng không thuộc~$B$, tức là $A\setminus B = \{\, x \mid x\in A\ \mbox{và}\ x\notin B \,\}$.
- $A\cap A = A = A\cup A$.
- $A\cap \varnothing = \varnothing $, $A\cup \varnothing = A$.
- $A\cap B= B\cap A$, $A\cup B=B\cup A$.
- $A\cap (B\cap C)=(A\cap B)\cap C$, $A\cup (B\cup C)=(A\cup B)\cup C$.
- $A\setminus (B\cap C)=(A\setminus B)\cup (A\setminus C)$, $A\setminus (B\cup C)=(A\setminus B)\cap (A\setminus C).$
- $A\cap (B\cup C)=(A\cap B)\cup (A\cap C)$, $A\cup (B\cap C)=(A\cup B)\cap (A\cup C).$
$\textbf{Chứng minh.} \ $ Chúng ta sẽ chứng minh câu 5 và các các câu còn lại được xem như bài tập. Trước hết ta chỉ ra $A\setminus (B\cap C)=(A\setminus B)\cup (A\setminus C)$. Do $A\setminus B$ và $A\setminus C$ chứa trong $A\setminus(B\cap C)$ nên $(A\setminus B)\cup (A\setminus C)\subseteq A\setminus(B\cap C).$ Đảo lại, giả sử $x\in A\setminus(B\cap C),$ ta có $x\in A$ và $x\notin B\cap C.$ Do đó, $x\notin B$ hoặc $x\notin C.$ Từ đó suy ra $x\in A\setminus B$ hoặc $x\in A\setminus C.$ Vậy $x\in (A\setminus B)\cup (A\setminus C).$ Hay nói cách khác, $A\setminus(B\cap C)\subseteq (A\setminus B)\cup (A\setminus C).$ Tương tự, ta chỉ ra $A\setminus (B\cup C)=(A\setminus B)\cap (A\setminus C).$ Ta có $A\setminus (B\cup C)\subseteq A\setminus B$ và $A\setminus (B\cup C)\subseteq A\setminus C$ nên $A\setminus (B\cup C)\subseteq (A\setminus B)\cap (A\setminus C)$. Ngược lại, với $x\in (A\setminus B)\cap (A\setminus C)$ thì $x\in A\setminus B$ và $x\in A\setminus C.$ Ta thấy $x\in A\setminus B$ nên $x\in A$ và $x\notin B$. Hơn thế, $x\in A\setminus C$ nên $x\in A$ và $x\notin C.$ Từ đó suy ra $x\in A$ và $x\notin B\cup C.$ Vậy $x\in A\setminus (B\cup C).$
Cho $A$ là một tập hợp. Ta nói $A$ là $\textbf{tập đơn}$ nếu $A=\{a\}$ có duy nhất một phần tử $a$; $A$ là $\textbf{cặp không có thứ tự}$ nếu $A=\{a,b\}$ có chính xác hai phần tử $a,b$; $A$ là $\textbf{cặp có thứ tự}$ nếu $A=\{\{a\},\{a,b\}\}$ với các phần tử $a,b$. Cặp có thứ tự $\{\{a\},\{a,b\}\}$ được ký hiệu là $(a,b)$, và $(a,b)\ne (b,a)$ vì $(a,b)=\{\{a\},\{a,b\}\}$ và $(b,a)=\{\{b\},\{b,a\}\}$.$\textbf{Chứng minh.}$ Nếu $a=c$ và $b=d$ thì rõ ràng $(a,b)=(c,d)$. Ngược lại, giả sử $(a,b)=(c,d)$, tức là $\{\{a\},\{a,b\}\}=\{\{c\},\{c,d\}\}$. Vì hai tập bằng nhau nếu các phần tử của nó giống nhau, nên có hai trường hợp sau:
- $\{a\}=\{c\}$ và $\{a,b\}=\{c,d\}$: Khi đó $a=c$, và từ $\{a,b\}=\{c,d\}$ suy ra $b=d$.
- $\{a\}=\{c,d\}$ và $\{a,b\}=\{c\}$: Từ $\{a\}=\{c,d\}$ suy ra $a=c=d$, và từ $\{a,b\}=\{c\}$ suy ra $a=b=c$, thế nên $a=b=c=d$. Vậy bổ đề được chứng minh.
- Cho $A = \{0,1,3\}$ và $B = \{a,b\}$. Ta có \begin{align*} A\times B &=\{\, (0, a), (0, b), (1, a), (1, b), (3, a), (3, b)\,\},\\ B\times A &=\{\, (a,0), (a, 1), (a, 3), (b, 0), (b, 1), (b, 3)\,\}. \end{align*}
- Tập $\mathbb{R}^2=\mathbb{R}\times\mathbb{R}$ là tập hợp tất cả các điểm của một mặt phẳng tọa độ Descartes.
1.3. Quan hệ trên tập hợp
- $\textbf{phản xạ}$ nếu $aRa$ với mọi $a\in A$;
- $\textbf{đối xứng}$ nếu $aRb$ suy ra $bRa$;
- $\textbf{phản đối xứng}$ nếu $aRb$ và $bRa$ suy ra $a=b$;
- $\textbf{bắc cầu}$ nếu $aRb$ và $bRc$ suy ra $aRc$.
- $R$ được gọi là $\textbf{quan hệ thứ tự}$ nếu $R$ có tính phản xạ, phản đối xứng và bắc cầu.
- $R$ được gọi là $\textbf{quan hệ thứ tự toàn phần}$ nếu $R$ là một quan hệ thứ tự và với mọi $a,b\in A$ thì $aRb$ hoặc $bRa$.
- Quan hệ bằng nhau trên tập số thực là một quan hệ tương đương.
- Gọi $V$ là tập hợp tất cả hình vuông và định nghĩa quan hệ $\sim$ trên $V$ bởi $A\sim B$ nếu và chỉ nếu các hình vuông $A$ và $B$ có cùng diện tích. Với mọi $A,B,C\in V$ ta thấy $A\sim A$, $A\sim B$ nếu và chỉ nếu $B\sim A$, và nếu $A\sim B$ và $B\sim C$ thì $A\sim C$. Vậy $\sim$ là một quan hệ tương đương trên $V$.
- $(a,b)\sim (a,b)$, vì $a+b = b+a$.
- $(a,b)\sim(c,d)\;\Leftrightarrow\; a+d=b+c \;\Leftrightarrow\; c+b = d+a \;\Leftrightarrow\; (c,d)\sim(a,b)$.
- Nếu $(a,b)\sim(c,d)$ và $(c,d)\sim(e,f)$, thì $a+d=b+c$ và $c+f=d+e$ suy ra $a-e =(a+d)-(d+e)=(b+c)-(c+f)= b-f$, do đó $a+f=b+e$ hay $(a,b)\sim(e,f)$. Vậy $\sim$ là một quan hệ tương đương trên $\mathbb{N}\times\mathbb{N}$.
- Tập $[a] :=\{ x\in A \mid a\sim x\}$ được gọi là $\textbf{lớp tương đương}$ của $a$ theo quan hệ $\sim$.
- Tập hợp các lớp tương đương của $A$ theo quan hệ $\sim$ được gọi là $\textbf{tập thương}$ của $A$ theo quan hệ $\sim.$
- Ta có $a\in [a]$.
- Nếu $b\in [a]$ thì $[a]=[b]$.
- Nếu $[a]=[b]$ thì $b\in [a]$.
- Ta luôn có hoặc $[a]=[b]$ hoặc $[a]\cap [b]=\varnothing $.
$\textbf{Chứng minh.} $
(a) Vì $\sim$ có tính phản xạ, nên $a\sim a$, do đó $a\in[a]$.
(b) Từ $b\in [a]$ ta có $a\sim b$. Tính đối xứng của $\sim$ suy ra $b\sim a$. Ta có, với $c\in [a]$ thì $a\sim c$. Mặt khác, do $b\sim a$ nên theo tính bắc cầu ta được $c\sim b$. Từ tính đối xứng của $\sim$ thì $b\sim c$. Vì thế cho nên $c\in [b]$ và $[a]\subseteq [b].$ Tương tự, ta cũng chứng minh được $[b]\subseteq [a].$ Vì vậy $[a]=[b]$.
(c) Giả sử $[a]=[b]$. Theo (a) ta có $b\in [b] = [a]$.
(d) Nếu tồn tại $c\in [a] \cap [b]$, thì $a\sim c$ và $b\sim c$. Tính đối xứng và bắc cầu của $\sim$ chỉ ra $b\sim a$, do vậy $[a]=[b]$ theo (b).
- Nếu $A\in \mathcal{P}$ thì $A\ne \varnothing $.
- Nếu $A,B\in \mathcal{P}$ thì $A=B$ hoặc $A\cap B=\varnothing $.
- Nếu $x\in S$ thì tồn tại $A\in \mathcal{P}$ sao cho $x\in A$.
Comments
Post a Comment