1.1 集合及其运算
在数学中，有许多概念是不定义概念，如几何学中的点、线、面等概念.集合与元素是集合论的基本概念，也是一对不定义概念.集合论是著名的德国数学家George Cantor（1845—1918）在19世纪后期创立的，之后作为一种基本的数学语言和强有力的研究工具渗透到数学的每一个分支，成为全部数学研究的基础.
所谓集合就是由具有某种性质的个体所组成的一个整体，其中的个体都称之为元素.例如，2008年北京奥运会的所有冠军可以组成一个集合；从北京到上海的全部航班也可以组成一个集合；小于5的自然数也可以组成一个集合，等等.
通常集合用大写字母表示，如A，B，C，P，Q，…；而元素用小写字母表示，如a，b，c，p，q，r，….如果a是集合A的元素，则称为元素a属于集合A，记作a∈A；相反的情况叫作a不属于集合A，记作a∉A或a
A.
由全体自然数组成的集合叫作自然数集合，通常把这个集合记作N.例如，我们有1∈N，23∈N等，但是-1∉N，2.3∉N等.类似地，我们还可以定义整数集合、有理数集合、实数集合、复数集合，这些集合通常记作Z，Q，R，C.
集合的表示方法主要有两种：枚举法和描述法.所谓枚举法，就是写出集合的所有元素，例如：20以下的所有素数集合记作{2，3，5，7，11，13，17，19}；所有完全平方数的集合{1，4，9，16，25，…}；获得过汤姆斯杯冠军的国家的集合{马来西亚，印度尼西亚，中国，日本}等.描述法就是用元素的性质来限定集合中的元素，其表示形式是{x|x具有的性质}.例如：{x|x3-1=0}、{x|3x4-4x2+1≤0}及{x2|x∈N}等.很显然可以看到集合{x2|x∈N}与集合{1，4，9，16，25，…}应该是完全一样的.
集合A可以按其包含的元素是否有限分为有限集合与无限集合，有限集合A的元素个数通常记为|A|.
两个集合之间的基本关系是包含关系.
定义1.1 如果集合A的元素都是集合B的元素，则称集合B包含集合A，或者集合A包含于集合B，记作B⊇A或A⊆B.这时，我们也说集合A是集合B的子集.
这一定义的另一说法是，如果x∈A，那么必然有x∈B.显然，关于数的集合我们有一系列的包含关系：
还有一个特殊的集合称为空集，记作
，空集是不含有任何元素的集合.显然，对任何集合A都有
⊆A.
集合的包含关系有如下性质：
（1）对于任意集合A都有A⊆A；
（2）如果集合A⊆B，B⊆C，则有A⊆C.
证明：这里来证明性质（2）.由包含关系的定义可以知道，我们只需要证明集合A中的元素必然在集合C中就可以了.对任意的元素x∈A，由于A⊆B，因此x∈B.又由于B⊆C，因此x∈C.由定义1.1知道A⊆C.证毕.
定义1.2 若集合A与B互相包含，即有A⊆B与A⊇B同时成立，则称集合A与B相等，记作A=B.
所谓集合B真包含集合A，是指B⊇A但是A≠B，记作B⊃A或A⊂B.这时也称集合A是B的真子集.
集合的运算有交、并、差、对称差和补等.
定义1.3 若A，B是集合，则A，B的交、并、差和对称差的定义和记法依次为
A∩B={x|x∈A且x∈B}，
A∪B={x|x∈A或x∈B}，
A-B={x|x∈A且x∉B}，
A△B=（A-B）∪（B-A）.
当我们考虑一个问题时，所需要考虑的所有元素的集合称为全集.
定义1.4 若I为全集，A是I的子集，则称I-A={x∈I|x∉A}为集合A的补集，记作∁IA或
.
在全集存在的时候，利用补集可以得到差运算的另一表示式：
关于集合的这些运算有如下一些性质：
（1）交换律 A∩B=B∩A，
A∪B=B∪A，
A△B=B△A.
（2）结合律 （A∩B）∩C=A∩（B∩C），
（A∪B）∪C=A∪（B∪C），
（A△B）△C=A△（B△C）.
（3）分配律 （A∩B）∪C=（A∪C）∩（B∪C），
（A∪B）∩C=（A∩C）∪（B∩C）.
（4）幂等律 A∩A=A，
A∪A=A.
（5）0—1律 A∪
=A，
A∩
=
.
（6）吸收律 A∪（A∩B）=A，
A∩（A∪B）=A.
（7）排中律
（8）矛盾律
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（9）De Morgan律
证明：这里我们证明分配律的第一条和DeMorgan律的第一条，其他的证明留作习题.
证明分配律（A∩B）∪C=（A∪C）∩（B∪C）.由定义1.2可以知道，只需要证明等式两端的集合相互包含，这通常称为证明双包含关系.
首先，证明（A∩B）∪C⊆（A∪C）∩（B∪C）.设x∈（A∩B）∪C，则x∈A∩B或者x∈C.如果x∈A∩B，那么x∈A并且x∈B，因此x∈A∪C并且x∈B∪C.由定义1.3知道x∈（A∪C）∩（B∪C）.如果x∈C，那么x∈A∪C并且x∈B∪C，由定义1.3知道x∈（A∪C）∩（B∪C）.可以看到总有
（A∩B）∪C⊆（A∪C）∩（B∪C）.
其次，证明（A∪C）∩（B∪C）⊆（A∩B）∪C.设x∈（A∪C）∩（B∪C），那么一定有x∈A∪C并且x∈B∪C.如果x∈C，那么显然x∈（A∩B）∪C.如果x∉C，那么必然有x∈A并且x∈B，这时x∈A∩B，因此x∈（A∩B）∪C.可以看到无论如何总有
（A∪C）∩（B∪C）⊆（A∩B）∪C.
综上所述，有分配律（A∩B）∪C=（A∪C）∩（B∪C）成立.
证明De Morgan律
.我们仍然证明双包含关系.
首先，证明
设
，则x∉A∪B，这表明x∉A并且x∉B，也即x∈A并且x∈B.于是有x∈A∩B.因此，A∪B⊆A∩B.
其次，证明
设
，那么
并且
，即x∉A并且x∉B，因此x∉A∪B，即
于是
综上所述，有DeMorgan律A
B成立.
证毕.
例1.1 化简集合表达式（（A∪B∪C）∩（A∪B））-（（A∪（B-C））∩A）.
解：
其中，第一个等号使用的是吸收律；第二、六个等号使用的是差运算的第二种形式；第三个等号利用的是分配律；第四个等号用矛盾律；第五个等号用0-1律.
例1.2 已知集合A，B，X满足等式
A∪B∪X=A∪B，
A∩X=B∩X=A∩B.
证明：X=A∩B.
证明：
X=（A∪B∪X）∩X
=（A∪B）∩X
=（A∩X）∪（B∩X）
=（A∩B）∪（A∩B）
=A∩B.
其中，第一个等号使用吸收律；第二、四个等号使用已知条件；第三个等号使用分配律；第五个等号使用幂等律.
定义1.5 若集合A，B都是非空集合，那么集合
{（a，b）|a∈A，b∈B}
称为集合A与B的笛卡儿积，记作A×B.
一般来说，A×B≠B×A.类似地，还可以定义n个非空集合Ai的笛卡儿积A1×A2×…×An.
习题
1.1.1. 设A，B是两个集合，A⊆B且A∈B可能吗？
1.1.2. 化简集合表达式：（A-B-C）∪（（A-B）∩C）∪（A∩B-C）∪（A∩B∩C）.
1.1.3. 证明：A⊆A∪B，A∩B⊆A.
1.1.4. 证明：A⊆B当且仅当A∪B=B.
1.1.5. 证明：A⊆B当且仅当A∩B=A.
1.1.6. 证明：（A-B）-C=（A-C）-（B-C）.
1.1.7. 已知：A∩C⊆B∩C，A-C⊆B-C，证明：A⊆B.
1.1.8. 证明：A△A=
，A△
=A.
1.1.9. 证明：对任何集合A，B，C，都有A△B⊆（A△C）∪（B△C）.
1.1.10. 证明：对两个集合X，Y，X=
当且仅当Y=X△Y.
1.1.11. 若A△B=A△C，那么B=C.
