有限集合指只有有限个元素的集合。有限集合和集合一样有子集、幂集等概念以及交、并、差、补等运算。对于有限集合,称的元素个数为集合的基数(cardinal)或阶(order)。
19世纪初期,数学界对数学分析的批判运动促进了集合论的诞生。1851年,波尔查诺发表著作《无穷悖论》,肯定了实无穷的存在,建立了集合等价的概念,还注意到无穷集合的某些真部分有可能等价于整体的情况。格奥尔格·康托尔(Georg Cantor)在1874年提出了集合的定义。从1878年开始,格奥尔格·康托尔把势(基数)定义为等势集合的共同属性,并用表示自然数集的势,用表示实数集的势并提出了著名的连续统假设。
有限集合的运算具有交换律、结合律、分配律等性质。此外还有与有限集合相关定理,如任何有限集合都不与其真子集等势。与有限集合相关的概念有无限集合、可数无限集合、可数集合、不可数集合等。
有限集合可用在数学、智能电网、计算机等领域,如有限集合经常用于描述随机试验的样本空间,也可用于无损压缩中符号有限集合的编码。
定义
集合
集合(set)也称集,是一个不加定义的原始概念。通俗地说,集合是将一些对象放在一起作为一个整体来考虑,组成集合的对象称为这个集合的元素或简称元。若是集合的元素,则称属于,记为。若不是的元素,记为。当某一集合的元素为时,可写作,称集合由元素(对象)聚合而成。由所有具有某一性质的对象聚合而成的集合,通常记为或。
有限集合
定义1
只有有限个元素的集合叫有限集。
定义2
对于集合,当且仅当存在一个自然数,使得,称A为有限集,否则(即不存在这样的自然数)说是无穷集。
空集
空集指没有任何元素的集合,记为。
子集
若,均有,则称是的子集,包含,包含于,记为。若还有,则称是的真子集,记为。
幂集
已知集合,的所有子集组成的集合称为的幂集,记为或。
概念
等势
对于集合、,当且仅当存在到上的一个双射(一一对应时),说等势于,记作。
基数
定义1
已知集合、,若存在双射,则称、是等势的或有相同的基数。记作或或。
定义2
对于有限集合,称的元素个数为集合的基数(cardinal)或阶(order),记为,或。除此之外约定。对于无限集合,形式地记。
简史
集合的思想可以追溯到古希腊的原子论学派,他们把直线看做一些原子的排列。19世纪初期,数学界对数学分析的批判运动促进了集合论的诞生。1851年,波尔查诺发表著作《无穷悖论》,肯定了实无穷的存在,建立了集合等价的概念,还注意到无穷集合的某些真部分有可能等价于整体的情况。
1870年格奥尔格·康托尔应朋友海涅邀请开始研究函数的三角级数表示的唯一性问题。他在1871年至1872年的论文中明确提出了点集、点集的导集、导集的导集等由实数构成的更复杂的集合。1873年12月7日,康托尔在给戴德金中的信中说,他已成功证明了实数集是不可数的。康托尔在1874年提出了集合的定义:“一个集合就是我们的直观或我们的思想上那些确定的、能区分的对象(它们称为集合的元素)汇集在一起,作为一个整体来考虑的结果。”这里用汇集来定义集合是同义语反复。之后人们认识到集合是一个原始的概念,不能用其他概念来定义,而只能加以描述或说明。在集合概念产生后,进一步定义了集合的子集、交集。并集、映射等系列概念。
从1878年开始,格奥尔格·康托尔把势(基数)定义为等势集合的共同属性,并用表示自然数集的势,用表示实数集的势并提出了著名的连续统假设。1883年,他证明了康托尔定理:任何一个集合的势都小于它的幂集的势。从1883年起,康托尔研究有序集,利用良序概念建立序数理论,把数学归纳法推广为更一般的超限归纳法。1895年,在康托尔发表的题为《关于超穷集合论的基础》的论文中,给出了超限基数和超限序数的定义,引进了符号,并把它们按序型的大小排成序列,定义了基数和序数的加法、乘法和乘方运算,讨论了各自的算术理论,即集合论的基数理论和序数理论。
集合的运算
交集、并集
已知集合、,定义交、并分别为
差集、补集
已知集合、,定义差集为
性质
在全集下,,集合的交、并、补具有如下性质:
(1);(交换律)
(2);(结合律)
(3);(幂等律)
(4);(吸收律)
(5);(分配律)
(6);(零律)
(7);(幺律)
(8);(补律)
(9)(逆律)
(10);(De Morgan律)
相关定理
(1)如果是一个有限集合,那么也是有限集合。
(2)如果是一个有限集合,也是一个有限集合,那么 也是有限集合。
(3)如果是一个有限集合,而且它的每一个元素也是有限集合,那么是有限集合。
(4)如果是一个有限集合,,那么是一个有限集合。
(5)如果是一个有限集合,是定义在上的一个函数,那么也是有限的。
(6)如果和是两个非空有限集合,那么也是有限集合。
(7)如果和是两个非空有限集合,那么也是有限集合。
(9)任何有限集合都不与其真子集等势。
相关概念
无限集合
若集合不是有限的,称集合是无限的或者无穷的。
可数无限集合
若集合与自然数集等势,称集合是可数无限集合。
可数集合
若集合是有限的或是可数无限的,称集合是可数的。
不可数集合
若集合既非有限也非无穷可数,称集合是不可数的。
应用
数学
概率论与统计学
在概率论和统计学中,有限集合经常用于描述随机试验的样本空间。例如,一枚硬币的正反面可以用一个有限集合来表示,掷子的结果可以用一个有限集合来表示。有限集合的概念在描述随机事件的可能结果和概率分布时较为有用。
离散数学
在离散数学中,有限集合的概念被广泛应用于集合论、图论、组合数学等领域。例如,在组合数学中,有限集合的排列和组合问题是经典的研究对象,它们与排列组合、概率等问题密切相关。
智能电网
有限集合可应用于智能电网领域。随着智能电网、分布式发电技术及高压直流输电技术的迅速发展,三相电压型并网逆变器(GC—VSI)得到广泛应用 ,其控制技术也成为研究热点。针对三相电压型并网逆变器(GC—VSI),为了消除系统控制延时对控制性能的影响 ,一种基于有限集合的功率预测优化控制策略诞生,该策略提出了两步预测的方法进行补偿。实验结果表明,此方法能减小逆变器功率波动,降低并网电流的总谐波畸变率(THD),具有快速的动态性能,同时对电感参数的变化具有较强鲁棒性。
计算机
有限集合可应用于数据压缩中。数据压缩是表示层要实现的一项重要服务。数据压缩的方法可以分为有损压缩和无损压缩。无损压缩包括符号有限集合编码及替换,依赖于符号使用的相对频度,以及符号出现的上下文的编码3类。在实际应用中,报文是从有限集合中引用的。绝大多数内容是由英文短语组成的,都可以用编码来表示。例如,成品库里的物品名称目录,一般而言,名称平均长度为10个字符,占80个比特。如果对库内的物品进行编号,用编号代替物品名称便可以大大压缩物品名称所占的比特数,如有1万件物品,用14位二进制编码就能够表示它们14 位要比80位大大地压缩了。另一方面,在本地终端事先存放好物品目录表,线路上就可以只传送二进制编码压缩后的信息,到达目的终端后,再根据目录表把具体物品名称替换出来就可以了。