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形式邏輯/預備知識/集合

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邏輯的表達方式在使用集合論的程度上有所不同。有些表達方式大量使用集合論。儘管大多數表達方式不是這樣,但幾乎不可能完全避免它。集合論不會成為本書的重點,但我們會在本書中不時使用一些集合論詞彙。本節介紹所使用的詞彙和符號。

集合和元素

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數學家使用“集合”作為未定義的原始術語。一些作者求助於近義詞,如“收集”。

一個集合元素。“元素”在集合論中也是未定義的。我們說一個元素一個集合的成員,這也是一個未定義的表示式。以下是同義詞:

xy的成員
x包含於y
x包含在y
y包含x
y包含x

可以用大括號將集合的成員括起來來指定集合。

是包含 1、2 和 3 作為成員的集合。大括號表示法可以擴充套件為使用成員規則來指定集合。

(所有x的集合,其中x = 1 或x = 2 或x = 3)

再次是包含 1、2 和 3 作為成員的集合。

都指定了包含 1、2、3 等等的集合。

使用修改後的 epsilon 表示集合成員關係。因此

表示“xy的成員”。我們也可以用這種方式說“x不是y的成員”

集合的特徵

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集合由其成員唯一地識別。表示式

都指定了同一個集合,即使偶數素數的概念與正平方根的概念不同。在指定集合時,成員的重複是無關緊要的。表示式

都指定了同一個集合。


集合是無序的。表示式

都指定了同一個集合。


集合可以包含其他集合作為成員。例如,存在集合

一些特殊的集合

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如上所述,集合由其成員定義。然而,一些集合被賦予名稱以方便引用它們。

沒有成員的集合稱為空集。表示式

都指定了空集。空集也可以表達矛盾(“四邊形三角形”或“具有放射對稱性的鳥類”)和事實上的不存在(“1994 年捷克斯洛伐克國王”)。


只有一個成員的集合稱為單元素集。恰好有兩個成員的集合稱為。因此 {1} 是單元素集,而 {1, 2} 是對。


ω 是自然數的集合,{0, 1, 2, ...}。

子集、冪集、集合運算

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子集

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如果集合s 的每個成員都是集合a 的成員,則集合s 是集合a子集。我們使用馬蹄形符號來表示子集。表示式

表示 {1, 2} 是 {1, 2, 3} 的子集。空集是每個集合的子集。每個集合都是它自身的子集。a真子集a 的子集,但與a 不相同。表示式

表示{1, 2} 是 {1, 2, 3} 的真子集。

冪集

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一個集合的冪集 是其所有子集的集合。用指令碼 'P' 表示冪集。

並集

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兩個集合ab並集,寫成 ab,是指包含a 中所有元素和b 中所有元素的集合(並且不包含其他元素)。也就是說,

舉個例子,

交集

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兩個集合ab交集,寫成 ab,是指包含ab 中所有元素的集合(並且不包含其他元素)。也就是說,

舉個例子,

相對補集

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ba相對補集,寫成 b \ a(或 ba),是指包含b 中所有不屬於a 的元素的集合。也就是說,

舉個例子,

有序集、關係和函式

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我們將不時使用有序集關係函式的直觀概念。出於我們的目的,直觀的數學概念是最重要的。但是,這些直觀的概念可以用集合來定義。

有序集

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首先,我們來看看有序集。我們說集合是無序的

但我們可以從有序對開始定義有序集。為此,我們使用尖括號表示法

事實上,

任何給出⟨a, b⟩這個最後一個性質的集合論定義都將起作用。有序對a, b⟩的標準定義如下

這意味著我們在對有序對進行操作時可以使用後一種表示法。

還有更大的有序集。有序三元組a, b, c⟩是有序對⟨⟨a, b⟩, c⟩。有序四元組a, b, c, d⟩是有序對⟨⟨a, b, c⟩, d⟩。反過來,這又是有序三元組⟨⟨⟨a, b⟩, c⟩, d⟩。一般來說,有序 n 元組a1, a2, ..., an⟩,其中n大於1,是有序對⟨⟨a1, a2, ..., an-1⟩, an⟩。

定義有序 1 元組也很有用:⟨a⟩ = a

這些定義在某種程度上是任意的,但對於n元組,n ⟩ 2,作為n-1 元組,甚至作為有序對,仍然很方便。使它們能夠作為有序集服務的關鍵屬性是

關係

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現在我們轉向關係。直觀地,以下是關係

x < y
xy 的平方根
xy 的兄弟
xyz 之間

前三個是二元或二元關係;第四個是三元或三元關係。一般來說,我們談論n元關係或n元關係。

首先考慮二元關係。二元關係是一組有序對。小於關係的成員中將有⟨1, 2⟩、⟨1, 3⟩、⟨16, 127⟩等。事實上,定義在自然數ω上的小於關係是

直觀地,如果x < y,則⟨x, y⟩是小於關係的成員。在集合論中,我們不擔心關係是否與小於這樣的直觀概念匹配。相反,任何有序對集都是二元關係。


我們還可以將三元關係定義為一組三元組,將四元關係定義為一組四元組,等等。我們只為n ≥ 2定義n元關係。據說n元關係具有n元數。以下示例是一個三元關係。


因為所有n元組,其中n > 1,也是有序對,所以所有n元關係也是二元關係。

最後,我們來看函式。直觀地,函式是將值分配給引數的一種對映,使得每個引數最多被分配一個值。因此,+ 2 函式將數值引數 x 對映到值 x + 2。如果我們把這個函式稱為 f,那麼我們說 f(x) = x + 2。以下定義了一些具體的函式。

注意,當 x = 0 時,f3 是未定義的。根據聖經傳統,當 x = 亞當或 x = 夏娃時,f4 是未定義的。以下不是函式的定義。

這兩個定義都沒有為引數分配唯一的值。對於每個正數 x,都有兩個平方根,一個正數和一個負數,因此 f5 不是函式。對於許多 x 而言,x 將有多個兒子,因此 f6 不是函式。如果 f6 被分配了值 x 的兒子,那麼語言規則就暗示了唯一的值,因此 f6 將是一個函式。

一個 函式 f 是一種二元關係,如果 ⟨x, y⟩ 和 ⟨x, z⟩ 都是 f 的成員,那麼 y = z


我們可以定義多位函式。直觀地,以下是特定多位函式的定義。

因此,⟨4, 7, 11⟩ 是 2 位函式 f7 的成員。⟨3, 4, 5, 35⟩ 是 3 位函式 f8 的成員。


所有 n 元組 (n ≥ 2) 都是有序對 (因此所有 n 元關係都是二元關係) 的事實,在這裡變得很方便。對於 n ≥ 1,n 位函式是 n+1 位關係,它是一個 1 位函式。因此,對於 2 位函式 f

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