Tập hợp (toán học)

Từ testwiki
Bước tới điều hướng Bước tới tìm kiếm

Bản mẫu:Bài cùng tên

Một tập hợp hình đa giác trong một biểu đồ Euler
Tập hợp các số thực (R), bao gồm các số hữu tỷ (Q), các số nguyên (Z), các số tự nhiên (N). Các số thực cũng bao gồm các số vô tỷ (R \ Q).

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.Bản mẫu:Sfn 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.[4]

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.Bản mẫu:Sfn

Nguồn gốc

Khái niệm tập hợp xuất hiện trong toán học vào cuối thế kỷ 19.[5] Từ tập hợp trong tiếng Đức, Menge, được Bernard Bolzano đặt ra trong tác phẩm Paradoxes of the Infinite.[6][7][8]

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:[9]

Bản mẫu:Quote

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 lớp."[10]

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 AB 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.Bản mẫu:Sfn

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, Bản mẫu:Mset , 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.[11] 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.

Cách các tập hợp được xác định và thiết lập ký hiệu

Các sách báo toán học thường biểu thị tập hợp bằng chữ in hoa[12]Bản mẫu:Sfn[13] in nghiêng, chẳng hạn như Bản mẫu:Mvar, Bản mẫu:Mvar, Bản mẫu:Mvar[13][14] 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

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 chấm phẩy:[15][16][17][18]

Bản mẫu:Math

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).[14][19][20]

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 'Bản mẫu:Math'.[21][22] Ví dụ: tập hợp 1000 số nguyên dương đầu tiên có thể được chỉ định trong bảng liệt kê như

Bản mẫu:Math

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

Bản mẫu:Nowrap

và tập hợp tất cả các số nguyên

Bản mẫu:Nowrap

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 Bản mẫu:Mvar là tập hợp có các phần tử là bốn số nguyên dương đầu tiên.
Gọi Bản mẫu:Mvar là tập hợp các màu của lá cờ Pháp.

Định nghĩa như vậy được gọi là mô tả ngữ nghĩa.Bản mẫu:Sfn[23]

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.[23][24][25] Ví dụ, một tập Bản mẫu:Mvar có thể được định nghĩa như sau:

Bản mẫu:Mvar={nn là một số nguyên, và 0n19}.

Trong ký hiệu này, thanh dọc "|" có nghĩa là "sao cho", và mô tả có thể được hiểu là " Bản mẫu:Mvar là tập hợp tất cả các số Bản mẫu:Mvar sao cho Bản mẫu:Mvar là một số nguyên trong phạm vi từ 0 đến 19". Một số tác giả sử dụng dấu hai chấm ":" thay cho thanh dọc.[26]

Tập hợp có thể xác định bằng đệ quy. Chẳng hạn tập các số tự nhiên lẻ L có thể cho như sau:

  1. 1L
  2. Nếu nL thì n+2L.

Tập hợp rỗng

Tập hợp rỗng là tập hợp duy nhất không có phần tử nào. Nó được ký hiệu là Bản mẫu:Math hoặc hoặc Bản mẫu:MsetBản mẫu:Sfn[13][27] hoặc Bản mẫu:Math[28] (hoặc Bản mẫu:Mvar).[29]

Tập hợp đơn điểm

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.[4] Bất kỳ tập hợp nào như vậy có thể được viết dưới dạng Bản mẫu:Mset , trong đó x là phần tử. Tập hợp Bản mẫu:Mset và phần tử x có nghĩa khác nhau; HalmosBản mẫu:Sfn chỉ ra một phép tương tự rằng một chiếc hộp đựng một chiếc mũ không giống với chiếc mũ.

Tập hợp con

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 AB,[30] hoặc BA.[13][31] 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: ABBA tương đương với A = B.[24]

Nếu A là tập con của BA không bằng B thì A được gọi là tập con thực sự của B. Điều này có thể được viết AB. Tương tự như vậy, BA 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 ABBA có nghĩa là A là bất kỳ tập con nào của B (và không nhất thiết phải là tập hợp con thực sự),Bản mẫu:Sfn[32] trong khi những người khác chỉ viết ABBA khi mà A là một tập hợp con thực sự của B.[30]

Sơ đồ Euler và sơ đồ Venn

Bản mẫu:Căn giữa

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 Bản mẫu:Mvar là một tập con của Bản mẫu:Mvar, thì vùng đại diện cho Bản mẫu:Mvar nằm hoàn toàn bên trong vùng đại diện cho Bản mẫu:Mvar. 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 Bản mẫu:Mvar tập hợp, trong đó Bản mẫu:Mvar vòng chia mặt phẳng thành Bản mẫu:Math vùng sao cho mỗi cách chọn một số trong Bản mẫu:Mvar 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 Bản mẫu:Mvar, Bản mẫu:MvarBản mẫu:Mvar, thì phải có một vùng cho các phần tử bên trong Bản mẫu:MvarBản mẫu:Mvar và bên ngoài Bản mẫu:Mvar (ngay cả khi các phần tử đó không tồn tại).

Các tập hợp số đặc biệt

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

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) hoặc chữ viền đậm (ví dụ: ).[33] Chúng bao gồm[13]

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+ biểu thị tập hợp các số hữu tỉ dương.

Hàm số

Một hàm số (hoặc ánh xạ) từ tập hợp Bản mẫu:Mvar đến tập hợp Bản mẫu:Mvar là một quy tắc gán cho mỗi phần tử "đầu vào" của Bản mẫu:Mvar một "đầu ra" là phần tử của Bản mẫu:Mvar ; chính thức hơn, một hàm là một loại quan hệ đặc biệt, một quan hệ liên quan mỗi phần tử của Bản mẫu:Mvar với chính xác một phần tử của Bản mẫu:Mvar. Một hàm được gọi là

Các phép toán cơ bản

Các định nghĩa

  • 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 B
Ta có A B = {x: x A hoặc x B}

Bản mẫu:-

  • 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 B
Ta có A B = {x: x A và x 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 AB
Ta có: A \ B = {x: x A và x B}
Lưu ý, A \ B B \ A

Bản mẫu:-

Phần bù của A trong B
  • Phần bù (Complement): là hiệu của tập hợp con. Nếu AB 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, B...

Các tính chất cơ bản

Các phép toán trên tập hợp có các tính chất sau:

A A = A
A A = A

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.

A (A B) = A
A (A B) = A
Luật hấp thụ còn được viết dưới dạng khác như sau:
Nếu A B thì A B = B và A B = A
A B = B A
A B = B A
A (B C) = (A B) C
A (B C) = (A B) C
A (B C) = (A B) (A C)
A (B C) = (A B) (A C)
AB= AB
AB= AB

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 AB, ký hiệu là A × B,[13] là tập hợp của tất cả các cặp có thứ tự (a, b) sao cho a là phần tử của Ab là phần tử của B.

Ví dụ:

Một số tính chất cơ bản của tích Descartes:

Cho AB là các tập hữu hạn; thì lực lượng của tích Descartes là tích của các lực lượng:

| A × B | = | B × A | = | A | × | B |.

Lực lượng

Bản mẫu:Chính Bản mẫu:Thể loại Commons 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 {0} là tập con thực sự của , tuy nhiên ta có thể kiểm tra ánh xạ sau là song ánh hay không:
ϕ:{0}
nn+1

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.

||<||
Nếu ký hiệu ||0 ("aleph-null") và ||20,thì ta có:
||< 20.

Phân hoạch

Bản mẫu:Chính B(E) là tập các bộ phận của tập E.
Khi đó, P gọi là 1 phân hoạch của E ( Une Partition d'ensemble E ) nếu:

  • P là một bộ phận của B(E).
  • Với mọi tập Ai của P, Ai
  • Với mọi phần tử Ai ≠ Aj P, Ai Aj =
  • Với mọi phần tử x E, luôn tìm thấy phần tử A của P sao cho x là phần tử của A. (Nói cách khác hợp tất cả các phần tử Ai của P ta được E)

Ví dụ: E = {a,b,c}.
P={{a},{b,c}} là 1 phân hoạch của E. Vì:

  • P là một bộ phận của B(E) (Hiển nhiên).
  • Xét tất cả các phần tử của P: A1 = {a} ≠ và A2 = {b,c} ≠
  • {a} {b,c} =
  • {a} U {b,c} = E

Ứng dụng

Tập hợp có mặt khắp nơi trong toán học hiện đại. Ví dụ, các cấu trúc trong đại số trừu tượng, chẳng hạn như nhóm, trườngvòng, là các tập hợp được đóng dưới một hoặc nhiều phép toán.

Một trong những ứng dụng chính của lý thuyết tập hợp ngây thơ là trong việc xây dựng các quan hệ. Một mối quan hệ từ một tập xác định Bản mẫu:Math đến một tập hợp đích Bản mẫu:Math là một tập hợp con của tích Descartes Bản mẫu:Math. Ví dụ, xem xét tập hợp Bản mẫu:Math của các hình trong trò chơi oẳn tù tì, quan hệ “thắng” từ Bản mẫu:Math đến Bản mẫu:Math là tập hợp Bản mẫu:Math ; do đó Bản mẫu:Math thắng Bản mẫu:Math trong trò chơi oẳn tù tì nếu cặp Bản mẫu:Math là phần tử của Bản mẫu:Math. Một ví dụ khác là tập Bản mẫu:Math của tất cả các cặp Bản mẫu:Math, trong đó Bản mẫu:Math là số thực. Quan hệ này là một tập con của Bản mẫu:Math, bởi vì tập hợp tất cả các bình phương là tập hợp con của tập hợp tất cả các số thực. Vì với mọi Bản mẫu:Math trong Bản mẫu:Math, một và chỉ một cặp Bản mẫu:Math được tìm thấy trong Bản mẫu:Math, nó được gọi là một hàm số. Trong ký hiệu hàm số, quan hệ này có thể được viết dưới dạng Bản mẫu:Math.

Giả thuyết Continuum

Bản mẫu:Chính Ta đã thấy là lực lượng đếm được nhỏ hơn lực lượng Continuum. Tuy nhiên, có hay không một tập hợp có lực lượng lớn hơn lực lượng đếm được và nhỏ hơn lực lượng continuum lại là một vấn đề khác, Cantor giả thiết rằng không có điều đó (giả thiết continuum - tiếng Anh: continuum hypothesis).

𝔸:0<|𝔸|<20.

Điều này tương đương với:

20=1

Cantor phát biểu giả thuyết Continuum năm 1878, và năm 1900 nó là bài toán đầu tiên trong 23 bài toán Hilbert đưa ra. Kết luận cuối cùng là giả thuyết này độc lập với ZFC, tức là ta có thể khẳng định hay phủ định giả thuyết Continuum, và thêm nó vào như một tiên đề độc lập với ZFC, theo nghĩa nếu ZFC nhất quán thì lý thuyết mới cũng nhất quán. Sự độc lập này được chứng minh năm 1963 bởi Paul Cohen, dựa trên những công trình năm 1940 của Kurt Gödel. Cohen được trao giải thưởng Fields năm 1966 cho chứng minh này.

Sau đó, giả thuyết Continuum vẫn tiếp tục được nghiên cứu trên những khía cạnh khác.

Tiên đề chọn, định lý bất toàn Godel và giả thuyết Continuum là vài trong số những khẳng định đầu tiên được chứng minh là độc lập với ZF. Sau này, nhiều khẳng định khác trong giải tích, tô-pô và lý thuyết độ đo cũng được chứng minh là độc lập với ZF.

Xem thêm

Chú thích

Bản mẫu:Tham khảo

Thư mục

  • Hoàng Xuân Sính, 1972, Đại số đại cương (tái bản lần thứ tám), Nhà xuất bản giáo dục

Liên kết ngoài

Bản mẫu:Portal

Bản mẫu:Lý thuyết tập hợp Bản mẫu:Logic Bản mẫu:Logic toán Bản mẫu:Toán học Bản mẫu:Kiểm soát tính nhất quán