1.1Alapfogalmak, Alapműveletek

Alapfogalmak:

  • axióma / posztulátum,
  • definíció,
  • nem definiált alapfogalom,
  • állítás / tétel / lemma / segédtétel.

A halmaz egy nem definiált alapfogalom:

  • A halmazokat nagybetűvel jelöljük: AA, BB, ...
  • Az elemeket kisbetűvel: aa, bb, ...
  • Halmaz eleme jelölés: ∈\in, pl.: x∈Yx \in Y, xx eleme az YY halmaznak.
  • Halmaznak nem eleme: ∉\notin, pl.: x∉Yx \notin Y, xx nem eleme az YY halmaznak.

Megjegyzés

Egy halmaz akkor jól megadott, ha bármely elemről eldönthető, hogy hozzá tartozik-e a halmazhoz, vagy nem.

Definíció 1.1 [ Üreshalmaz ]

Azt a halmazt, amelynek egyetlen eleme sincs, üreshalmaznak nevezzük, jele: ∅\emptyset vagy {}\{\}.

Megjegyzés

A nemüres halmaz: olyan halmaz, melynek legalább egy eleme van.

Megjegyzés

A halmazok megadási módjai:

  • felsorolással: A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\},
  • utasítással: A={x∣x egeˊsz szaˊm eˊs 1≤x≤3}A = \{x \mid x \text{ egész szám és } 1 \leq x \leq 3\}.

Megjegyzés

Nevezetes halmazok:

  • természetes számok: N\mathbb{N},
  • egész számok: Z\mathbb{Z},
  • racionális számok: Q\mathbb{Q},
  • valós számok: R\mathbb{R},
  • komplex számok: C\mathbb{C}.

Definíció 1.2 [ Részhalmaz ]

Legyenek AA és BB halmazok. Ha AA minden eleme eleme BB-nek is, akkor azt mondjuk, hogy az AA a BB részhalmaza, jele: ⊆\subseteq, vagy ⊂\subset (valódi részhalmaza).

Megjegyzés

A=BA = B, ha A⊆BA \subseteq B és B⊆AB \subseteq A is teljesül.

Állítás

Legyenek AA, BB és CC halmazok, ekkor teljesülnek az alábbiak:

  1. A⊆AA \subseteq A, azaz minden halmaz részhalmaza önmagának. (reflexív)
  2. Ha A⊆BA \subseteq B és B⊆AB \subseteq A, akkor A=BA = B. (antiszimmetrikus)
  3. Ha A⊆BA \subseteq B és B⊆CB \subseteq C, akkor A⊆CA \subseteq C. (tranzitív)

Definíció 1.3 [ Metszet, Unió, Különbség ]

Legyenek AA és BB az CC alaphalmaz részhalmazai, ekkor:

A∪B={x∣x∈A vagy x∈B},A∩B={x∣x∈A eˊs x∈B},A∖B={x∣x∈A eˊs x∉B}, \begin{align*} A \cup B & = \{x \mid x \in A \text{ vagy } x \in B\}, \\ A \cap B & = \{x \mid x \in A \text{ és } x \in B\}, \\ A \setminus B & = \{x \mid x \in A \text{ és } x \notin B\}, \\ \end{align*}

Definíció 1.4 [ Diszjunkt halmaz ]

Két halmaz diszjunkt, ha metszetük üreshalmaz.

Definíció 1.5 [ Komplementer halmaz ]

Ha A⊂BA \subset B, akkor az AA halmaznak a BB-re vonatkozó komplementere: B∖AB \setminus A, jele: A‾\overline A.

Állítás

Halmaz komplenterének komplementere önmaga, vagyis

A‾‾=A. \overline{\overline A} = A \text.

Tétel 1.1 [ Halmazműveletek tulajdonságai ]

Legyenek A,B,C∈XA, B, C \in X

TulajdonságKifejezésTulajdonság
A∪B=B∪AA \cup B = B \cup A KommutativitásA∩B=B∩AA \cap B = B \cap A
A∪(B∪C)=(A∪B)∪CA \cup (B \cup C) = (A \cup B) \cup CAsszociativitásA∩(B∩C)=(A∩B)∩CA \cap (B \cap C) = (A \cap B) \cap C
A∪A=AA \cup A = AIdempotenciaA∩A=AA \cap A = A
(A∪B)∩C=(A∩C)∪(B∩C)(A \cup B) \cap C = (A \cap C) \cup (B \cap C)Disztributivitás(A∩B)∪C=(A∪C)∩(B∪C)(A \cap B) \cup C = (A \cup C) \cap (B \cup C)
A∪∅=AA \cup \emptyset = AAbszorpciós törvényA∩∅=∅A \cap \emptyset = \emptyset
A∪A‾=XA \cup \overline A = XKomplementer törvényA∩A‾=∅A \cap \overline A = \emptyset
A∪B‾=A‾∩B‾\overline{A \cup B} = \overline A \cap \overline BDe MorganA∩B‾=A‾∪B‾\overline{A \cap B} = \overline A \cup \overline B

Bizonyítás [ De Morgan azonosságok ]

x∈A∪B‾↓x∉A∪Bx∉A∧x∉Bx∈A‾∧x∈B‾x∈A‾∩B‾ \begin{gathered} x \in \overline{A \cup B} \\ \downarrow \\ x \notin A \cup B \\ x \notin A \land x \notin B \\ x \in \overline A \land x \in \overline B \\ x \in \overline A \cap \overline B \end{gathered}
x∈A∩B‾↓x∉A∩Bx∉A∨x∉Bx∈A‾∨x∈B‾x∈A‾∪B‾ \begin{gathered} x \in \overline{A \cap B} \\ \downarrow \\ x \notin A \cap B \\ x \notin A \lor x \notin B \\ x \in \overline A \lor x \in \overline B \\ x \in \overline A \cup \overline B \end{gathered}

Definíció 1.6 [ Hatványhalmaz ]

Egy AA halmaz összes részhalmazainak halmazát az AA halmaz hatványhalmazának nevezzük.

Állítás

Egy AA véges halmaz összes részhalmazainak száma: 2∣A∣2^{|A|}.

Bizonyítás

A binomiális tétel:

(a+b)n=∑k=0n(nk) an−k bk. (a + b)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} \, a^{n-k} \, b^k \text.

Vegyük észre, hogy a binomiális tételben a=b=1a = b = 1, és n=∣A∣n = |A| esetén:

2n=(1+1)n=∑k=0n(nk) 1n−k 1k=∑k=0n(nk)=(n0)+(n1)+(n2)+⋯+(nn)⏟az o¨sszes reˊszhalmaz szaˊma. 2^n = (1 + 1)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} \, 1^{n-k} \, 1^k = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} = \underbrace{ \binom n0 + \binom n1 + \binom n2 + \dots + \binom nn }_\text{az összes részhalmaz száma} \text.