用小学数学进行集合运算
2026-08-22
0. 对称差
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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
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:
是一个非空集合; 是二元运算; 是一元运算; 是两个常元。
并且对任意
- 交换律
- 结合律
- 分配律
- 单位元
- 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”。
设
并且对任意
那么称
显然,这可以推出
因此可以在
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
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
设
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,
反过来,设
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
设
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:
- 展开括号
- 利用
降幂 - 出现两次的项消掉
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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