用小学数学进行集合运算

2026-08-22

0. 对称差

固定全集 ,可以定义两集合的差与对称差

显然,对称差满足交换律。

事实上,对称差也满足结合律,可以把对称差看作示性函数的异或运算。

集合的示性函数是这样定义在 上的:

因此,它不仅满足交换律和结合律,还满足任何异或运算所拥有的性质,例如

这是因为

1. 布尔代数

布尔代数是一个代数结构

其中:

并且对任意 ,满足以下公理:

  1. 交换律
  1. 结合律
  1. 分配律
  1. 单位元
  1. 补元

最简单的例子是布尔逻辑

定义

另一个例子是集合系统,也就是测度论中常说的“代数”。

是一个集合, 的一些子集组成的集合族。若满足

并且对任意

那么称 上的一个代数。

显然,这可以推出

因此可以在 上定义布尔运算

并令

于是

就是一个布尔代数。

例如,取整个幂集

便得到一个布尔代数

这是集合论中最典型的布尔代数。

2. 布尔环

(含幺)布尔环是满足 恒成立的含幺环

可以推出两个基本性质:

首先

展开并利用

其次

展开得

因此

所以布尔环一定是交换环。


布尔代数和布尔环可以相互转换

是一个布尔代数

定义

以及

在布尔逻辑中,这里的加法就是异或;在集合代数中,这里的加法就是对称差。

容易验证, 构成一个布尔环。

反过来,设 是一个布尔环

定义

就得到一个布尔代数

因此布尔代数和布尔环只是同一种结构的两种写法。

3. 用布尔环进行计算

是集合 上的一个代数,则

就是它对应的布尔环。

于是,我们可以用布尔环的记号来计算,记号的转换是机械的:

这让许多集合等式的证明变得很容易:

例 1

翻译完再展开就结束了:

例 2

先翻译为待证等式:

两边都等于

得证。

例 3

先翻译为待证等式:

分别计算两边:

得证。


下面展示,这个技术同样可以用于证明包含关系,关键的转化是:

例 4(三角不等式)

先翻译为待证等式

只需化简左边

得证。

当然,该不等式有一个更简单且优雅的证明:


我们可以发现,不仅记号的转换是机械的,转换后通过化简来证明的过程也是机械的,只需要重复这几个步骤:

这就可以把任何式子化为一个标准型,这个标准型就是 algebraic normal form(ANF,代数正规形)

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