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集合演算と包含関係md 837fe55
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集合演算しゅうごうえんざんset operation包含関係ほうがんかんけいinclusion relation

date2026-07-14document_iddoc_d461d0f391135f5db5f6f49f46c80085description和集合、共通部分、差集合、補集合を、条件の論理演算として読み替え、包含関係と集合等式の証明へ接続する講義である。prerequisites命題・述語と量化 / 証明法と反例 / 集合の基本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/cartesian-product-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/power-set-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

集合演算しゅうごうえんざんset operation重要じゅうようなのは、図形ずけい領域りょういきることではなく、げんelementたす条件じょうけんcondition論理的ろんりてき変形へんけいすることである。和集合わしゅうごうunionは「または」、共通部分きょうつうぶぶんintersectionは「かつ」、補集合ほしゅうごうcomplementは「でない」に対応たいおうする。

この対応たいおうさきさえると、ド・モルガンの法則ほうそくDe Morgan's laws分配法則ぶんぱいほうそくdistributive law暗記あんきではなく、条件じょうけんcondition変形へんけいとしてみちびかれる。

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、和集合わしゅうごうunion共通部分きょうつうぶぶんintersection差集合さしゅうごうset difference

AB={xxAまたはxB}
AB={xxAかつxB}
AB={xxAかつxB}

定義ていぎする。

全体集合ぜんたいしゅうごうuniversal set U固定こていしたとき、A補集合ほしゅうごうcomplement

Ac=UA={xUxA}

である。補集合ほしゅうごうcomplementは、どの全体集合ぜんたいしゅうごうuniversal setているかに依存いぞんする。この前提ぜんてい省略しょうりゃくすると、おなA でも Acわる。

3方針ほうしん

集合演算しゅうごうえんざんset operationしき証明しょうめいするときは、任意にんいxり、xはじまる条件じょうけん翻訳ほんやくする。たとえば xA(BC)

xAかつ(xBまたはxC)

という命題めいだいである。ここから論理ろんり分配法則ぶんぱいほうそくdistributive lawもちいれば、

(xAかつxB)または(xAかつxC)

となる。これは x(AB)(AC)同値どうちである。

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4直感的ちょっかんてき説明せつめい

集合演算しゅうごうえんざんset operationは、条件じょうけんcondition結合けつごう集合しゅうごうsetかたち方法ほうほうである。AB は「A名札なふだまたは B名札なふだつもの」、AB は「AB両方りょうほう名札なふだつもの」、AB は「A名札なふだつが B名札なふだたないもの」である。

この見方みかたでは、ド・モルガンの法則ほうそくDe Morgan's laws

(AB)c=AcBc,(AB)c=AcBc

自然しぜんである。「A または Bはいる」の否定ひていは、「Aはいらず、かつ Bはいらない」である。「A かつ Bはいる」の否定ひていは、「Aはいらない、または Bはいらない」である。

5厳密げんみつ説明せつめい

AB とは、任意にんいx について xAxB成立せいりつすることである。したがって、包含関係ほうがんかんけいinclusion relation証明しょうめいでは、出発点しゅっぱつてん到達点とうたつてん明確めいかくにする。

たとえば ABA は、任意にんいxABると xA かつ xB なので、とくに xA である、という一文いちぶん証明しょうめいできる。

一方いっぽうAAB は、任意にんいxAると、xA または xB成立せいりつするため xAB である、という構造こうぞうである。ここで xB不要ふようである。「または」は片方かたほうしんならしんである。

6例題れいだいド・モルガンの法則ほうそくDe Morgan's lawsげんelement証明しょうめいする

6.1問題もんだい

全体集合ぜんたいしゅうごうuniversal set U部分集合ぶぶんしゅうごうsubset A,B について、(AB)c=AcBcしめせ。

6.2解説かいせつ

任意にんいxUる。すると

x(AB)cxAB

である。和集合わしゅうごうunion定義ていぎより、xAB は「xA または xB ではない」という意味いみである。したがって

xAB(xAかつxB)

である。これは

xAcかつxBc

同値どうちであり、すなわち xAcBc である。任意にんいx について同値どうち成立せいりつするので、外延性がいえんせいextensionalityより (AB)c=AcBc 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
AB条件じょうけんを「または」でゆるめるABげんelementはすべてふく
AB条件じょうけんを「かつ」できびしくする両方りょうほうぞくするげんelementだけをのこ
ABBぞくするげんelementのぞAそとげんelement追加ついかしない
Ac視点してんA外側そとがわうつ全体集合ぜんたいしゅうごうuniversal set U固定こていする

和集合わしゅうごうunion共通部分きょうつうぶぶんintersection所属条件しょぞくじょうけんわせる操作そうさである。一方いっぽう補集合ほしゅうごうcomplement全体集合ぜんたいしゅうごう依存いぞんし、ド・モルガンの法則De Morgan's lawsでは論理結合ろんりけつごうきがわる。

8見分みわかた

  • 条件じょうけんに「または」があらわれたら、和集合わしゅうごうunionかんがえる。
  • 条件じょうけんに「かつ」があらわれたら、共通部分きょうつうぶぶんintersectionかんがえる。
  • 条件じょうけんに「でない」があらわれたら、補集合ほしゅうごうcomplementまたは差集合さしゅうごうset differenceかんがえる。
  • 補集合ほしゅうごうcomplement もちいるときは、全体集合ぜんたいしゅうごうuniversal setなにかを確認かくにんする。

見分みわけるときは、任意にんいx について左辺さへん所属条件しょぞくじょうけん右辺うへん所属条件しょぞくじょうけんならべる。VennVenn diagram予想よそうたすけるが、証明しょうめいでは条件じょうけん同値変形どうちへんけいく。

9証明しょうめい補足ほそく集合演算しゅうごうえんざん包含ほうがんたも理由りゆう

ここでは、保存ほぞんpreservation という言葉ことば具体的ぐたいてき証明しょうめいする。仮定かてい

AB

である。このとき、任意にんい集合しゅうごう C について

ACBC,ACBC

成立せいりつする。

証明しょうめいする。まず xAC とする。このとき xA または xC である。xA なら、AB より xB である。したがって xBC である。xC場合ばあいxBC である。よって ACBC である。

つぎに xAC とする。このとき xA かつ xC である。AB より xB なので、xBC である。よって ACBC である。

補集合ほしゅうごうではきが反転はんてんする。全体集合ぜんたいしゅうごう U固定こていすると、

ABUBUA

である。xUB なら xB である。もし xA なら AB より xB となり矛盾むじゅんする。したがって xA であり、xUA である。

この証明しょうめいは、集合演算しゅうごうえんざん記号きごう操作そうさとしてではなく、げんぞくするかどうかの条件じょうけんとして練習れんしゅうでもある。

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