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集合族と添字集合md 5e2311a
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集合族しゅうごうぞくfamily of setsと添字集合そえじしゅうごうindex set

date2026-07-14document_iddoc_f3c01f19fca940a03f101b9bd4fd4d07description集合族と添字集合を、同じ種類の集合をまとめて扱う記法として導入し、添字付き和集合・共通部分を丁寧に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/set-operations-and-inclusion.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/cartesian-product-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/discrete-math/sets-and-set-operations.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

集合族しゅうごうぞくfamily of setsを導入どうにゅうする理由りゆうは、2 つや 3 つの集合しゅうごうsetだけでなく、多数たすうの集合しゅうごうsetを一括いっかつして扱あつかうためである。たとえば、n=1,2,3,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")] のそれぞれについて An={x∈R∣-1/n<x<1/n} と置おくと、「An の全体ぜんたい」をひとまとまりとして扱あつかえる。

ここで重要じゅうようなのは、添字そえじindexは Ai を指定していする名札なふだの役割やくわりを持もち、Ai の元げんである必要ひつようはないという点てんである。

集合族しゅうごうぞくfamily of setsでは、添字そえじは集合しゅうごうを呼よび出だすための名前なまえであり、添字そえじそのものが対象集合たいしょうしゅうごうの元げんelementであるとは限かぎらない。この区別くべつにより、同おなじ形かたちの集合しゅうごうを規則的きそくてきに扱あつかえる。

2用語ようごと定義ていぎ

全体集合ぜんたいしゅうごうuniversal set U を固定こていする。添字集合そえじしゅうごうindex set I の各かく i∈I に Ai⊆U が対応たいおうしているとき、(Ai)i∈I を集合族しゅうごうぞくfamily of setsという。

異ことなる添字そえじ i≠j に同おなじ集合しゅうごうが対応たいおうして Ai=Aj となってもよい。集合族しゅうごうぞくでは、集合しゅうごうそのものだけでなく、どの添字そえじから呼よび出だされたかも記録きろくする。

集合族しゅうごうぞくfamily of sets (Ai)i∈I の和集合わしゅうごうunionを

⋃i∈IAi={x∣あるi∈Iが存在してx∈Ai}

で定義ていぎする。集合族しゅうごうぞくfamily of setsの共通部分きょうつうぶぶんintersectionを

⋂i∈IAi={x∈U∣すべてのi∈Iについてx∈Ai}

で定義ていぎする。

3方針ほうしん

添字付そえじつき和集合わしゅうごうindexed unionでは、「ある i が存在そんざいする」を探さがす。添字付そえじつき共通部分きょうつうぶぶんindexed intersectionでは、「すべての i について」を確認かくにんする。この存在そんざいと全称ぜんしょうの違ちがいが、証明しょうめいの進すすめ方かたを決きめる。

たとえば x∈⋃i∈IAi と分わかっているなら、ある i0∈I が存在そんざいして x∈Ai0 である。一方いっぽう、x∈⋂i∈IAi と分わかっているなら、任意にんいの i∈I について x∈Ai である。

4直感的ちょっかんてきな説明せつめい

集合族しゅうごうぞくfamily of setsは、引ひき出だしに番号ばんごうを付つけて、各かく引ひき出だしに集合しゅうごうsetを入いれている状況じょうきょうとして見みられる。和集合わしゅうごうunionは、どれか 1 つの引ひき出だしに入はいっていれば採用さいようする。共通部分きょうつうぶぶんintersectionは、すべての引ひき出だしに入はいっているものだけを採用さいようする。

この見方みかたでは、和集合わしゅうごうunionは条件じょうけんを緩ゆるめる操作そうさであり、共通部分きょうつうぶぶんintersectionは条件じょうけんを厳きびしくする操作そうさである。

添字集合そえじしゅうごうが空からの場合ばあいは特とくに注意ちゅういする。空からの和集合わしゅうごうunionは集あつめる元げんがないので空集合くうしゅうごうempty setになり、空からの共通部分きょうつうぶぶんintersectionは文脈ぶんみゃくの全体集合ぜんたいしゅうごうを使つかう約束やくそくで扱あつかう。

5厳密げんみつな説明せつめい:空からの添字集合そえじしゅうごうindex set

I=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] の場合ばあいは境界例きょうかいれいである。和集合わしゅうごうunion ⋃i∈[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")]Ai は、入はいるための「ある i∈[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")]」が存在そんざいしないため、空集合くうしゅうごうempty setになる。

共通部分きょうつうぶぶんintersection ⋂i∈[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")]Ai は、この講義こうぎの定義ていぎでは固定こていした U に等ひとしい。すべての x∈U について、検査けんさすべき i∈[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] がないため「すべての i∈[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] について x∈Ai」が成立せいりつする。このように反例はんれいとなる対象たいしょうがないため全称条件ぜんしょうじょうけんが真しんになることを空虚真くうきょしんvacuous truthという。

6例題れいだい:添字付そえじつき共通部分きょうつうぶぶんindexed intersection

6.1問題もんだい

An={m∈Z∣nはmを割り切る} とする。⋂n=13An を言葉ことばで説明せつめいせよ。

6.2解説かいせつ

m∈⋂n=13An とは、m∈A1、m∈A2、m∈A3 の全部ぜんぶが成立せいりつするという意味いみである。つまり m は 1、2、3 のすべてで割わり切きれる整数せいすうintegerである。

したがって ⋂n=13An は 6 の倍数ばいすう全体ぜんたいである。この例れいでは、共通部分きょうつうぶぶんintersectionが複数ふくすうの条件じょうけんを同時どうじに満みたす元げんelementを抽出ちゅうしゅつする操作そうさであることを確認かくにんしている。

7見分みわけ方かたと関連かんれんリンク

  • 同おなじ形かたちの集合しゅうごうsetが多数たすう現あらわれるなら、集合族しゅうごうぞくfamily of setsとして整理せいりする。
  • 「どれか 1 つに属ぞくする」なら ⋃ を用もちいる。
  • 「すべてに属ぞくする」なら ⋂ を用もちいる。
  • 添字集合そえじしゅうごうindex setが空からの場合ばあいは、和集合わしゅうごうunionと共通部分きょうつうぶぶんintersectionで扱あつかいが異ことなる。
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