若要把对象分成若干类,应区分只要求覆盖与要求恰好属于一类。
幂集、子集族、覆盖与划分
集合 X 的全部子集组成幂集
P(X)={A:A⊆X}.
它的元素是集合;F⊆P(X) 称为 X 的一个子集族。若 ∣X∣=n,则 ∣P(X)∣=2n,子集族的个数为 22n,不能混淆这两层选择。
设 X=∅,S1,…,Sk 为非空子集。
- 若 S1∪⋯∪Sk=X,则它们构成一个覆盖;允许不同子集重叠。
- 若再满足任意 i=j 都有 Si∩Sj=∅,则构成一个划分;每个元素恰属于一个部分。
例如 {{1,2},{2,3}} 覆盖 {1,2,3},但不是划分;{{1,2},{3}} 是划分。本页约定覆盖与划分的部分均非空;涉及编号部分或允许空部分的计数时须另行声明。
幂集的交满足
P(A)∩P(B)=P(A∩B).
因为一个集合 T 同时属于左侧两幂集,当且仅当 T⊆A 且 T⊆B,也就是 T⊆A∩B。特别地,A∩B=∅ 时交幂集为 {∅},不是 ∅。
运算封闭性的定义
设某运算对集合 A 内的一切允许输入都有定义。若运算结果总属于 A,就称 A 对该运算封闭。例如整数对加法、减法和乘法封闭;对除法则不封闭,因为 1,2 都是整数,而 1/2 不是整数。分母为零的情形本来就不在除法的允许输入中。
“对加法封闭”要求任意 x,y∈A(允许 x=y)都满足 x+y∈A。若条件只针对不同元素,必须另行注明;下文两类有限数集会说明这个差别如何改变结论。
例:封闭性约束有限集合
设非空有限实数集 A 对加法封闭。若含正数 a,则 a,2a,3a,… 全在 A,产生无穷多个不同元素,矛盾。含负数同理。因此 A 只能为 {0},而该集合确实加法封闭。
有限数集闭合条件:先检查极端元素
不同元素相加闭合。 设 A 为有限实数集,并且不同的 x,y∈A 总满足 x+y∈A。A 至多有一个正数:否则取其中最大的正数 M 与另一个正数 t,则 M+t>M 仍在 A,矛盾。同理至多有一个负数,再加可能的零,得 ∣A∣≤3。{−c,0,c}(c>0)满足条件,故上界可达。
必须保留“不同”:若对相同元素也要求闭合,非零最大绝对值元素与自身相加就矛盾,非空有限实数集只能是 {0}。
乘积或比值至少一个仍在集合。 设 1≤a1<⋯<an=M、n≥2,且对 i≤j,aiaj 与 aj/ai 至少一个在 A。因 M>1,取 i=j=n 时 M2>M 不可能在 A,所以 1∈A,即 a1=1。
对任意 ai>1,取 aj=M,乘积 Mai>M 不在 A,故 M/ai∈A;ai=1 时对应值为 M 也在 A。变换 a↦M/a 两次还原,是 A 到自身的双射,因此
a∈A∑a=Ma∈A∑a1,∑1/a∑a=M.
这里结论来自已证明的配对,不能仅因“看起来对称”就断言两串数相同。
例:覆盖中的重计
区间 [0,2] 与 [1,3] 覆盖 [0,3],但不是它的划分,因为交集 [1,2] 非空。若把它们的长度直接相加会把交集重复计算。
易错点
“对加法封闭”不包含“对减法封闭”。题目说存在某些元素能运算,与要求任意元素都能运算,也有不同强度。
区间对平方封闭:把全称条件化为像集包含
设非空闭区间 S=[m,n] 满足对每个 x∈S 都有 x2∈S。条件等价于平方函数在该区间的最小值不小于 m、最大值不大于 n。
若 n<0,平方非负,不可能留在负区间。若 m>0,最小平方为 m2,最大平方为 n2,所以 m2≥m,n2≤n,结合 0<m≤n,只能 m=n=1。
若 m≤0≤n,像集为 [0,max(m2,n2)]。包含条件等价于
0≤n≤1,−n≤m≤0.
因此全部这样的区间恰为 {1},以及满足上述两条条件的 [m,n]。这也包括 {0}。例如 m=−1/2 时,必须且只须 1/4≤n≤1;n=1/2 时必须且只须 −1/2≤m≤0。
处理“每个元素经某变换后仍在集合内”时,先求整个像集,而不是只代入一个随意选取的数;变换非单调时尤其不能只检查两个端点而漏掉内部极值。
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先修:集合运算与韦恩图 · 分类、分步与计数对象。
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