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直積集合の基本md 5618958
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直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian product基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_20bb474f575682f4f6f5f9adee836187description直積集合を、複数の集合から順序付きの組を作る操作として導入し、座標、表、関係、写像への接続を整理する講義である。prerequisites集合の基本 / 集合演算と包含関係type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/discrete-math/discrete-mathematics-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/set-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/families-of-sets-and-index-sets.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/power-set-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/relation-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/map-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/discrete-math/cartesian-products-and-power-sets.exercise.n.md
mathdiscrete-mathcartesian-productlecture

1導入どうにゅう

直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian product最初さいしょ理解りかいすべきことは、「複数ふくすう選択せんたく順序じゅんじょつきでひとつの対象たいしょうobjectにする」操作そうさだというてんである。A から 1 つ、B から 1 つえらんだ結果けっかを、たんa,bならべるのではなく、順序対じゅんじょついordered pair (a,b) として記録きろくする。

この順序じゅんじょ重要じゅうようである。(a,b)(b,a) は、一般いっぱんにはべつ対象たいしょうobjectである。したがって直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian productは、関係かんけいrelation写像しゃぞうmap座標ざひょうcoordinate状態空間じょうたいくうかんstate space共通きょうつう土台どだいになる。

順序対じゅんじょついordered pairでは成分せいぶん順番じゅんばん情報じょうほう一部いちぶである。そのため、一般いっぱんA×BB×Aおなじではなく、だい 1 成分せいぶんだい 2 成分せいぶん役割やくわり区別くべつする。

2用語ようご定義ていぎ

集合しゅうごうset A,Bたいして、直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian product A×B

A×B={(a,b)aA,bB}

定義ていぎする。ここで (a,b)順序対じゅんじょついordered pairであり、だい 1 成分せいぶんaだい 2 成分せいぶんb である。

より一般いっぱんに、n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]1 として A1,A2,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],An直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian product

A1××An={(a1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],an)aiAiforeveryi}

である。これは順序付じゅんじょづくみordered tupleあつめた集合しゅうごうsetである。

3方針ほうしん

直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian productあつかうときは、げんが 1 つのあたいではなく、順序対じゅんじょついordered pairくみtupleであることを意識いしきする。したがって xA×Bかれていたら、x(a,b)き、aAbBす。

この方針ほうしんは、あと関係かんけいrelation理解りかいするときにそのまま使つかう。関係かんけいrelationA×B部分集合ぶぶんしゅうごうsubsetである。つまり、関係かんけいrelationは「どの順序対じゅんじょついordered pair採用さいようするか」という選択せんたくである。

data/lecture/math/discrete-math/relation-basics.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

A×B は、ひょうぎょうれつcolumnつく操作そうさとしてると理解りかいしやすい。Aげんelementぎょう見出みだし、Bげんelementれつcolumn見出みだしにすると、かくマスが 1 つの順序対じゅんじょついordered pair (a,b)対応たいおうする。

たとえば A={1,2}B={x,y,z} なら

A×B={(1,x),(1,y),(1,z),(2,x),(2,y),(2,z)}

である。このれいでは |A|=2|B|=3 なので、|A×B|=6 である。有限集合ゆうげんしゅうごうでは一般いっぱん

|A×B|=|A||B|

成立せいりつする。選択せんたく段階だんかいが 2 つあり、だい 1 選択せんたく|A| とおり、だい 2 選択せんたく|B| とおりあるためである。

5厳密げんみつ説明せつめい

順序対じゅんじょついordered pair本質的ほんしつてきなのは、つぎ同値性どうちせいである。

(a,b)=(a,b)(a=aかつb=b)

この性質せいしつにより、だい 1 成分せいぶんだい 2 成分せいぶん別々べつべつ比較ひかくできる。直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian product等式とうしき包含ほうがんinclusionしめすときも、げん順序対じゅんじょついordered pairとして分解ぶんかいする。

境界例きょうかいれい重要じゅうようである。A=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] または B=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] なら、A×B=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] である。なぜなら、(a,b)つくるには aAbB両方りょうほう必要ひつようであり、片方かたほう集合しゅうごうsetげんelement存在そんざいしなければ順序対じゅんじょついordered pairつくれないからである。

順序対じゅんじょついordered pair等号とうごう成分せいぶんごとに判定はんていする。(a,b)=(a,b) なら a=a かつ b=b であり、直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian productへの所属しょぞくかく座標ざひょうただしい集合しゅうごうはいることを同時どうじ要求ようきゅうする。

6例題れいだい直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian product順序じゅんじょ

6.1問題もんだい

A={0,1}B={1,2} とする。A×BB×Aし、両者りょうしゃ一般いっぱんひとしくないことを確認かくにんせよ。

6.2解説かいせつ

定義ていぎより

A×B={(0,1),(0,2),(1,1),(1,2)}

である。一方いっぽう

B×A={(1,0),(1,1),(2,0),(2,1)}

である。たとえば (0,1)A×B だが、(0,1)B×A である。したがって A×BB×A である。

ここで確認かくにんしているのは、直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian productたんなる組合くみあわせではなく、順序じゅんじょ記録きろくする操作そうさであるというてんである。

7わるものと保存ほぞんされるもの

操作そうさわるもの保存ほぞんされるもの
A×B から B×A への成分せいぶん位置いちえらんだ材料ざいりょう集合しゅうごう
A×B部分集合ぶぶんしゅうごうsubset採用さいようする順序対じゅんじょついordered pair成分せいぶんAB からること
A1××An拡張かくちょうする成分せいぶんかずかく成分せいぶん指定していされた集合しゅうごうsetからること

片方かたほう因子いんしえると、ひょうでいえばぎょうまたはれつcolumnわる。一方いっぽうかくげんelement順序対じゅんじょついであり、だい 1 成分せいぶんだい 2 成分せいぶん区別くべつすることは保存ほぞんされる。

8見分みわかた

  • 複数ふくすう選択せんたく同時どうじ記録きろくするなら、直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian productかんがえる。
  • 順序じゅんじょ意味いみつなら、順序対じゅんじょついordered pairとしてあつかう。
  • 関係かんけいrelation 定義ていぎするなら、まず母体ぼたいとなる A×B確認かくにんする。
  • 写像しゃぞうmap 定義ていぎするなら、A×Bうちかく aAたいしてだい 2 成分せいぶん一意いちい存在そんざいする」部分集合ぶぶんしゅうごうsubsetかんがえる。

判定はんていでは、まず対象たいしょう順序対じゅんじょついになっているかをる。つぎだい 1 成分せいぶんA に、だい 2 成分せいぶんBはいっているかを確認かくにんする。どちらか 1 つでもはずれれば A×Bげんelementではない。

9証明しょうめい補足ほそく直積ちょくせき包含ほうがんたも条件じょうけん

直積集合ちょくせきしゅうごうCartesian product各成分かくせいぶん包含ほうがん保存ほぞんする。つまり

AA,BBA×BA×B

である。

証明しょうめいする。(a,b)A×B とする。この意味いみaA かつ bB である。AABB より aA かつ bB である。したがって (a,b)A×B である。

逆向ぎゃくむきには空集合くうしゅうごう注意ちゅうい必要ひつようである。もし A×BA×B で、さらに AB がどちらもからでないなら、AA かつ BBしたがう。たとえば aAり、Bからでないので bBる。すると (a,b)A×BA×B だから aA である。おな議論ぎろんBBかる。

この非空ひくう仮定かていとすと、A×[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")]=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] となり、左辺さへんだけから A情報じょうほうれない。

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