第 1 章 集合与常用逻辑用语
本章把集合的概念与运算、充分条件与必要条件、全称量词与存在量词合并在一起。集合是高中数学的语言基础,逻辑用语是判断命题和推理的工具。
1.1 集合的概念
1.1.1 集合与元素
一般地,我们把研究对象统称为元素,把一些元素组成的总体叫集合。
- 集合通常用大写字母 $A,B,C,\cdots$ 表示,元素通常用小写字母 $a,b,c,\cdots$ 表示。
- 元素与集合的关系:$a\in A$ 表示 $a$ 是集合 $A$ 的元素;$a\notin A$ 表示 $a$ 不是集合 $A$ 的元素。
- 集合中的元素具有三个特性:
- 确定性:给定集合,任何一个对象是不是它的元素是确定的;
- 互异性:同一个集合中不能有重复的元素;
- 无序性:集合中的元素没有先后顺序。
常用数集:
- 自然数集:$\mathbb{N}$;正整数集:$\mathbb{N}^*$ 或 $\mathbb{N}_+$。
- 整数集:$\mathbb{Z}$;有理数集:$\mathbb{Q}$;实数集:$\mathbb{R}$。
- 复数集:$\mathbb{C}$。
1.1.2 集合的表示方法
- 列举法:把集合中的元素一一列举出来,写在大括号内,例如 ${1,2,3}$。
- 描述法:用集合中元素的共同特征表示集合,例如 ${x\mid x>1}$、${(x,y)\mid y=x^2}$。
- 图示法:用韦恩图(Venn 图)表示集合之间的关系。
- 空集:不含任何元素的集合叫空集,记作 $\varnothing$。
- 注意:${0}$ 不是空集;${\varnothing}$ 也不是空集,它含有一个元素 $\varnothing$。
1.1.3 集合间的基本关系
对于集合 $A,B$,如果集合 $A$ 中任意一个元素都是集合 $B$ 中的元素,那么称 $A$ 是 $B$ 的子集,记作 $A\subseteq B$。
- 如果 $A\subseteq B$,并且 $B$ 中至少有一个元素不属于 $A$,那么称 $A$ 是 $B$ 的真子集,记作 $A\subsetneq B$。
- 如果 $A\subseteq B$ 且 $B\subseteq A$,那么 $A=B$。
- 空集是任何集合的子集,即 $\varnothing\subseteq A$。
- 空集是任何非空集合的真子集。
- 任何集合都是它本身的子集。
- 若 $A\subseteq B$,$B\subseteq C$,则 $A\subseteq C$。
子集个数:
- 含有 $n$ 个元素的集合有 $2^n$ 个子集。
- 含有 $n$ 个元素的集合有 $2^n-1$ 个真子集。
- 含有 $n$ 个元素的集合有 $2^n-2$ 个非空真子集($n\ge1$)。
1.2 集合的基本运算
1.2.1 交集
由既属于 $A$ 又属于 $B$ 的所有元素组成的集合,叫 $A$ 与 $B$ 的交集,记作 $A\cap B$。
$$ A\cap B={x\mid x\in A\text{ 且 }x\in B} $$
- $A\cap A=A$;$A\cap\varnothing=\varnothing$。
- $A\cap B\subseteq A$,$A\cap B\subseteq B$。
- 若 $A\subseteq B$,则 $A\cap B=A$。
1.2.2 并集
由属于 $A$ 或属于 $B$ 的所有元素组成的集合,叫 $A$ 与 $B$ 的并集,记作 $A\cup B$。
$$ A\cup B={x\mid x\in A\text{ 或 }x\in B} $$
- $A\cup A=A$;$A\cup\varnothing=A$。
- $A\subseteq A\cup B$,$B\subseteq A\cup B$。
- 若 $A\subseteq B$,则 $A\cup B=B$。
1.2.3 补集
设 $U$ 是全集,$A\subseteq U$,由 $U$ 中不属于 $A$ 的所有元素组成的集合,叫 $A$ 在 $U$ 中的补集,记作 $\complement_U A$。
$$ \complement_U A={x\mid x\in U\text{ 且 }x\notin A} $$
- $A\cup(\complement_U A)=U$;$A\cap(\complement_U A)=\varnothing$。
- $\complement_U(\complement_U A)=A$。
- 德摩根律: $$ \complement_U(A\cap B)=(\complement_U A)\cup(\complement_U B) $$ $$ \complement_U(A\cup B)=(\complement_U A)\cap(\complement_U B) $$
1.2.4 集合中元素的个数
对于有限集合 $A,B$:
$$ |A\cup B|=|A|+|B|-|A\cap B| $$
- 这个公式叫容斥原理。
- 对于三个有限集合: $$ |A\cup B\cup C|=|A|+|B|+|C|-|A\cap B|-|A\cap C|-|B\cap C|+|A\cap B\cap C| $$
1.2.5 区间
- 开区间:$(a,b)={x\mid a<x<b}$。
- 闭区间:$[a,b]={x\mid a\le x\le b}$。
- 半开半闭区间:$[a,b)$、$(a,b]$。
- 无穷区间:$(a,+\infty)$、$(-\infty,b)$、$(-\infty,+\infty)$。
- 区间表示常与数轴结合使用。
1.3 充分条件与必要条件
1.3.1 命题
可以判断真假的陈述句叫命题。
- 命题由条件和结论两部分组成,通常写成“若 $p$,则 $q$”的形式。
- 命题有真命题和假命题之分。
- 一个命题的逆命题、否命题、逆否命题:
- 原命题:若 $p$,则 $q$;
- 逆命题:若 $q$,则 $p$;
- 否命题:若 $\neg p$,则 $\neg q$;
- 逆否命题:若 $\neg q$,则 $\neg p$。
- 原命题与逆否命题同真同假;逆命题与否命题同真同假。
1.3.2 充分条件与必要条件
如果 $p\Rightarrow q$,那么 $p$ 是 $q$ 的充分条件,$q$ 是 $p$ 的必要条件。
- 如果 $p\Rightarrow q$ 且 $q\Rightarrow p$,那么 $p$ 是 $q$ 的充分必要条件,简称充要条件,记作 $p\Leftrightarrow q$。
- 如果 $p\Rightarrow q$ 但 $q\nRightarrow p$,那么 $p$ 是 $q$ 的充分不必要条件。
- 如果 $q\Rightarrow p$ 但 $p\nRightarrow q$,那么 $p$ 是 $q$ 的必要不充分条件。
- 如果 $p\nRightarrow q$ 且 $q\nRightarrow p$,那么 $p$ 是 $q$ 的既不充分也不必要条件。
1.3.3 判断充分必要条件的方法
- 定义法:判断 $p\Rightarrow q$ 和 $q\Rightarrow p$ 是否成立。
- 集合法:设 $p$ 对应集合 $A$,$q$ 对应集合 $B$:
- 若 $A\subseteq B$,则 $p$ 是 $q$ 的充分条件;
- 若 $A\subsetneq B$,则 $p$ 是 $q$ 的充分不必要条件;
- 若 $B\subseteq A$,则 $p$ 是 $q$ 的必要条件;
- 若 $B\subsetneq A$,则 $p$ 是 $q$ 的必要不充分条件;
- 若 $A=B$,则 $p$ 是 $q$ 的充要条件。
- 逆否法:利用原命题与逆否命题等价,转化为判断逆否命题。
- 等价转化法:把条件或结论等价变形,再判断。
1.4 全称量词与存在量词
1.4.1 全称量词与全称命题
短语“所有的”“任意一个”在逻辑中通常叫全称量词,用符号“$\forall$”表示。
- 含有全称量词的命题叫全称命题。
- 全称命题的一般形式:$\forall x\in M,p(x)$。
- 全称命题为真的条件是:对 $M$ 中每一个 $x$,$p(x)$ 都成立。
- 要证明一个全称命题为假,只需举出一个反例。
1.4.2 存在量词与特称命题
短语“存在一个”“至少有一个”在逻辑中通常叫存在量词,用符号“$\exists$”表示。
- 含有存在量词的命题叫特称命题(存在性命题)。
- 特称命题的一般形式:$\exists x\in M,p(x)$。
- 特称命题为真的条件是:在 $M$ 中至少存在一个 $x$,使 $p(x)$ 成立。
- 要证明一个特称命题为真,只需找到一个实例。
1.4.3 全称命题与特称命题的否定
- 全称命题的否定是特称命题: $$ \neg(\forall x\in M,p(x))\Leftrightarrow\exists x\in M,\neg p(x) $$
- 特称命题的否定是全称命题: $$ \neg(\exists x\in M,p(x))\Leftrightarrow\forall x\in M,\neg p(x) $$
- 否定时,量词要改变,结论要否定。
- 注意“命题的否定”与“否命题”的区别:命题的否定只否定结论;否命题同时否定条件和结论。
1.5 逻辑联结词(拓展)
- “且”:$p\land q$,当且仅当 $p,q$ 都为真时,$p\land q$ 为真。
- “或”:$p\lor q$,当且仅当 $p,q$ 中至少有一个为真时,$p\lor q$ 为真。
- “非”:$\neg p$,与 $p$ 的真假相反。
- 真值表:
| $p$ | $q$ | $p\land q$ | $p\lor q$ | $\neg p$ |
|---|---|---|---|---|
| 真 | 真 | 真 | 真 | 假 |
| 真 | 假 | 假 | 真 | 假 |
| 假 | 真 | 假 | 真 | 真 |
| 假 | 假 | 假 | 假 | 真 |
- 德摩根律: $$ \neg(p\land q)=\neg p\lor\neg q $$ $$ \neg(p\lor q)=\neg p\land\neg q $$
练习
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判断下面各题,并说明理由。 (1)集合 ${1,2,3}$ 与 ${3,2,1}$ 相等。 (2)${0}=\varnothing$。 (3)$\varnothing\subseteq{0}$。 (4)${x\mid x^2=1}={1,-1}$。
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写出集合 $A={a,b,c}$ 的所有子集,并指出真子集、非空真子集的个数。
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已知集合 $A={1,2,3,4}$,$B={3,4,5,6}$,求 $A\cap B$、$A\cup B$。
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设全集 $U={1,2,3,4,5,6}$,$A={1,3,5}$,$B={2,3,4}$。求 $A\cap B$、$A\cup B$、$\complement_U(A\cup B)$、$\complement_U(A\cap B)$。
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某班有 $20$ 人参加数学竞赛,$15$ 人参加物理竞赛,$8$ 人两项都参加。求至少参加一项竞赛的人数。
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判断 $p$ 是 $q$ 的什么条件。 (1)$p:x>2$,$q:x>1$。 (2)$p:x^2=1$,$q:x=1$。 (3)$p:x>0$ 且 $y>0$,$q:xy>0$。
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已知集合 $A={x\mid a<x<a+1}$,$B={x\mid 1<x<3}$。若 $A\subseteq B$,求 $a$ 的取值范围。
-
写出下列命题的否定。 (1)$\forall x\in\mathbb{R}$,$x^2\ge0$。 (2)$\exists x\in\mathbb{R}$,$x^2=2$。 (3)所有的正方形都是矩形。
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判断下列命题的真假。 (1)$p$:$\forall x\in\mathbb{R}$,$x^2+1>0$。 (2)$q$:$\exists x\in\mathbb{Z}$,$x^2=2$。 (3)若 $p$ 为假,$q$ 为真,判断 $p\land q$、$p\lor q$、$\neg p$ 的真假。
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已知集合 $A={x\mid x^2-3x+2\le0}$,$B={x\mid x>a}$。 (1)求 $A$。 (2)若 $A\subseteq B$,求 $a$ 的取值范围。 (3)若 $A\cap B=\varnothing$,求 $a$ 的取值范围。
-
已知集合 $A={x\mid (x-a)(x-2)<0}$,$B={x\mid 1<x<3}$。若 $A\subseteq B$,求 $a$ 的取值范围。
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说明“$A\subseteq B$”“$A\cap B=A$”“$A\cup B=B$”三者之间的等价关系,并证明。
检测题
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判断下面各题,并说明理由。 (1)$\varnothing\subseteq{0}$。 (2)$0\in{0}$。 (3)${0}=\varnothing$。 (4)$\mathbb{N}\subseteq\mathbb{Z}$。 (5)若 $A\subseteq B$,则 $A\cap B=A$。
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已知集合 $A={x\mid -1<x<3}$,$B={x\mid x\ge2}$,求 $A\cap B$、$A\cup B$。
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集合 $M={1,2,3,4,5}$ 有多少个子集?多少个真子集?多少个非空真子集?
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判断 $p$ 是 $q$ 的什么条件。 (1)$p:a>b$,$q:a^2>b^2$。 (2)$p:x=1$,$q:x^2-3x+2=0$。 (3)$p:\triangle ABC$ 是等边三角形,$q:\triangle ABC$ 是等腰三角形。
-
写出下列命题的否定,并判断否定后的命题的真假。 (1)$\forall x\in\mathbb{R}$,$x^2-x+1>0$。 (2)$\exists x\in\mathbb{R}$,$x^2+x+1=0$。
-
已知 $p$:$x^2-4x+3<0$,$q$:$x<a$。若 $p$ 是 $q$ 的充分不必要条件,求 $a$ 的取值范围。
-
某校调查 $100$ 名学生,其中喜欢数学的有 $60$ 人,喜欢物理的有 $45$ 人,两科都喜欢的有 $25$ 人。求两科都不喜欢的人数。
-
下面是小明的解题过程,请判断是否正确,并说明理由。 已知 $A={x\mid 1<x<3}$,$B={x\mid x<a}$,若 $A\subseteq B$,则 $a>3$。
-
写出满足下列条件的集合各一个。 (1)一个含有两个元素且其中一个元素是空集的集合。 (2)一个真子集个数为 $7$ 的集合。 (3)一个满足 $A\subseteq{1,2,3}$ 且 $1\in A$ 的集合。
-
已知集合 $A={x\mid x^2-2x-3\le0}$,$B={x\mid x>a}$。 (1)求 $A$。 (2)若 $A\subseteq B$,求 $a$ 的取值范围。 (3)若 $A\cap B=\varnothing$,求 $a$ 的取值范围。
参考答案与提示
- (1)正确,集合元素具有无序性;(2)错误,${0}$ 含有元素 $0$,不是空集;(3)正确,空集是任何集合的子集;(4)正确,$x^2=1$ 的解为 $x=\pm1$。
- 子集:$\varnothing,{a},{b},{c},{a,b},{a,c},{b,c},{a,b,c}$,共 $8$ 个;真子集 $7$ 个;非空真子集 $6$ 个。
- $A\cap B={3,4}$,$A\cup B={1,2,3,4,5,6}$。
- $A\cap B={3}$,$A\cup B={1,2,3,4,5}$,$\complement_U(A\cup B)={6}$,$\complement_U(A\cap B)={1,2,4,5,6}$。
- $20+15-8=27$ 人。
- (1)$p\Rightarrow q$,但 $q\nRightarrow p$,所以 $p$ 是 $q$ 的充分不必要条件;(2)$q\Rightarrow p$,但 $p\nRightarrow q$,所以 $p$ 是 $q$ 的必要不充分条件;(3)$p\Rightarrow q$,但 $q\nRightarrow p$(例如 $x=y=-1$),所以 $p$ 是 $q$ 的充分不必要条件。
- 由 $A\subseteq B$ 得 $a\ge1$ 且 $a+1\le3$,所以 $1\le a\le2$。
- (1)$\exists x\in\mathbb{R}$,$x^2<0$;(2)$\forall x\in\mathbb{R}$,$x^2\ne2$;(3)存在一个正方形不是矩形。
- (1)真,因为 $x^2+1\ge1>0$;(2)假,因为不存在整数 $x$ 使 $x^2=2$;(3)$p\land q$ 假,$p\lor q$ 真,$\neg p$ 真。
- (1)$A=[1,2]$;(2)由 $A\subseteq B$ 得 $a<1$;(3)由 $A\cap B=\varnothing$ 得 $a\ge2$。
- 当 $a<2$ 时,$A=(a,2)$,由 $A\subseteq B$ 得 $a\ge1$;当 $a=2$ 时,$A=\varnothing$,满足;当 $a>2$ 时,$A=(2,a)$,由 $A\subseteq B$ 得 $a\le3$。综上 $1\le a\le3$。
- 三者等价。证明:若 $A\subseteq B$,则 $A\cap B=A$(因为 $A$ 中元素都属于 $B$),且 $A\cup B=B$(因为 $B$ 已包含 $A$)。反之,若 $A\cap B=A$,则 $A$ 中元素都属于 $B$,所以 $A\subseteq B$;若 $A\cup B=B$,则 $A$ 中元素都属于 $B$,所以 $A\subseteq B$。
检测题参考答案
- (1)正确,空集是任何集合的子集;(2)正确,$0$ 是集合 ${0}$ 的元素;(3)错误,${0}$ 含有一个元素,不是空集;(4)正确,自然数都是整数;(5)正确,$A\subseteq B$ 时 $A\cap B=A$。
- $A\cap B=[2,3)$,$A\cup B=(-1,+\infty)$。
- 子集 $2^5=32$ 个;真子集 $31$ 个;非空真子集 $30$ 个。
- (1)既不充分也不必要,例如 $a=1,b=-2$ 时 $a>b$ 但 $a^2<b^2$;$a=-2,b=1$ 时 $a^2>b^2$ 但 $a<b$。(2)充分不必要,$x=1$ 是方程的根,但方程的另一个根是 $x=2$。(3)充分不必要,等边三角形一定是等腰三角形,但等腰三角形不一定是等边三角形。
- (1)否定:$\exists x\in\mathbb{R}$,$x^2-x+1\le0$。因为 $x^2-x+1=(x-\frac12)^2+\frac34>0$,所以否定为假。(2)否定:$\forall x\in\mathbb{R}$,$x^2+x+1\ne0$。因为判别式 $\Delta=1-4=-3<0$,原命题为假,所以否定为真。
- $p:1<x<3$。$p$ 是 $q$ 的充分不必要条件,即 $p\Rightarrow q$ 且 $q\nRightarrow p$,所以 $(1,3)\subsetneq(-\infty,a)$,因此 $a\ge3$;且 $q\nRightarrow p$ 自动成立。所以 $a\ge3$。
- 喜欢至少一科的有 $60+45-25=80$ 人,两科都不喜欢的有 $100-80=20$ 人。
- 不正确。由 $A\subseteq B$ 得 $a\ge3$,不是 $a>3$;当 $a=3$ 时,$B=(-\infty,3)$,$A=(1,3)\subseteq B$ 仍成立。
- 示例:(1)${\varnothing,1}$;(2)一个含有 $3$ 个元素的集合,如 ${1,2,3}$;(3)${1}$ 或 ${1,2}$ 或 ${1,3}$ 或 ${1,2,3}$。
- (1)$x^2-2x-3\le0$ 的解为 $-1\le x\le3$,所以 $A=[-1,3]$;(2)由 $A\subseteq B$ 得 $a<-1$;(3)由 $A\cap B=\varnothing$ 得 $a\ge3$。