《点集拓扑讲义》第一章 集合论初步 学习笔记

《点集拓扑学》 第一章 集合论初步

本章介绍有关集合论的一些基本知识．从未经定义的“集合”和“元素”两个概念出发，给出集合运算、关系、映射以及集合的基数等方面的知识．至于选择公理，只是稍稍提了一下，进一步的知识待到要用到时再阐述．旨在不会过早地陷入繁难的逻辑困惑之中。 这里所介绍的集合论通常称为“朴素的集合论”，如果对集合的理论有进一步的需求，例如打算研究集合论本身或者打算研究数理逻辑，可以去研读有关公理集合论的专著．

即令就朴素集合论本身而言，我们也无意使本章的内容构成一个完全自我封闭的体系，主要是我们没有打算重建数系，而假定读者了解有关正整数，整数，有理数，实数的基本知识，以及其中的四则运算，大小的比较(＜和?)，和实数理论中关于实数的完备性的论断（任何由实数构成的集合有上界必有上确界）等，它们对于读者决不会是陌生的．此外，对于通常的（算术）归纳原则也按读者早已熟悉的方式去使用，而不另作逻辑上的处理．

§1.1 集合的基本概念

集合这一概念是容易被读者所理解的，它指的是由某些具有某种共同特点的个体构成的集体．例如我们常说“正在这里听课的全体学生的集合”，“所有整数的集合”等等．集合也常称为集，族，类．

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集合（即通常所谓的“集体”）是由它的元素（即通常所谓的“个体”构成的．例如正在这里听课的全体学生的集合以正在听课的每一个学生为它的元素；所有整数的集合以每一个整数为它的元素．元素也常称为元，点，或成员．

集合也可以没有元素．例如平方等于2的有理数的集合，既大于1又小于2的整数的集合都没有任何元素．这种没有元素的集合我们称之为空集，记作．此外，由一个元素构成的集合，我们常称为单点集．

集合的表示法：

（1）用文句来描述一个集合由哪些元素构成（像前面所作的那样），是定义集合的一个重要方式．

（2）描述法：我们还通过以下的方式来定义集合：记号 {x|关于x的一个命题P}

表示使花括号中竖线后面的那个命题P成立的所有元素x构成的集合．例如，集合{x|x为实数，并且0

是实数}

，其中x是实数}的简略表示,不难明白这个集合实

际上是由全体非负实数构成的．集合表示方式中的竖线“|”也可用冒号“：”或分号“；”来代替．

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（3）列举法：也常将一个集合的所有元素列举出来再加上花括号以表示这个集合．例如{

}表示由元素

构成的集合．如

果确实不至于发生混淆，在用列举的办法表示集合时容许某种省略．例如，有时我们可以用{1，2，3，?}表示全体正整数构成的集合，用{1，3，5，?}表示全体正奇数相成的集合．但我们并不鼓励这种做法，因为后面的规律不是很清楚，容易产生误解．我们再三提请读者注意：不管你用任何一种方式定义集合，最重要的是不允许产生歧义，也就是说你所定义的集合的元素应当是完全确定的． 在本书中，我们用：

表示全体正整数构成的集合，称为正整数集；

Z表示全体整数构成的集合，称为整数集； Q表示全体有理数构成的集合，称为有理数集； R表示全体实数构成的集合，称为实数集； 并且假定读者熟知这些集合． 以下是一些常用的记号：

∈：表示元素与集合的关系，如：x∈X ， x∈{x}等

：表示集合与集合的关系，如：AB （等价于

）

(这个记号即是通常数学课本中的)

：表示与上述相反的含义．

）

=：表示两个集合相等，如：A=B（等价于

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以下的这个定理等价于形式逻辑中的相应命题，从直觉着去看也是自明的．

定理1.1.1 设A，B，C都是集合，则 （l）A＝A；

（2）若A＝B，则B＝A； （3）若A＝B，B=C，则A＝C． 定理1.1.2 设A，B，C都是集合，则 （l）AA；

（2）若AB，BA，则A＝B； （3）若AB，BC，则AC．

证明 （l）显然．

（2）AB意即：若x∈A，则x∈B；

BA意即：若x∈B，则x∈A．这两者合起来正好就是A＝B的意思．

（3）x∈A．由于AB，故x∈B；又由于B C，从而x∈C． 综上所述，如果x∈A就有x∈C．此意即AC．

因为空集不含任何元素，所以它包含于每一个集合之中．由此我们可以得出结论：空集是惟一的．

设A，B是两个集合．如果AB，我们则称A为B的子集；

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如果A是B的子集，但A又不等于B，即AB，A≠B，也就是说A的每一个元素都是B的元素，但B中至少有一个元素不是A的元素，这时，我们称A为B的真子集.

我们常常需要讨论以集合作为元素的集合，并且为了强调这一特点，这类集合常称为集族.例如，A={{1},{1,2},{1,2,3}}是一个集族.它的三个元素分别为:{1},{1,2},{1,2,3}及.

设X是一个集合，我们常用P（X）表示X的所有子集构成的集族，称为集合X的幂集．例如，集合{1,2}的幂集是P={{1},{1,2},{2},}. 本章中所介绍的集合论是所谓“朴素的”集合论．在这种集合论中，“集合”和“元素”等基本概念均不加定义而被认作是自明的．正因为如此，历史上曾经产生过一些悖论.而对于绝大多数读者来说了解朴素的集合已是足够的了，只是要求他们在运用的时候保持适当的谨慎，以免导致逻辑矛盾．例如，我们应当知道一个集合本身不能是这个集合一个元素．即：若A是集合则A∈A不成立．这一点是容易理解的．例如，由一些学生组成的一个班级决不会是这个班级里的一名学生．因此，我们不能说“所有集合构成的集合”，因为如果有这样一个“集合”的话，它本身既是一个集合，就应当是这个“所有集合构成的集合”的一个元素了．也因此，我们应当能够了解一个元素a和仅含一个元素a的单点集{a}是两回事，尽管我们有时为了行文的简便而在记号上忽略这个区别． 作业：

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