§1.1 逻辑
引入: 本书的语言, 就像大部分数学文献那样, 是由普通语言和一系列理论叙述专用符号构成的. 我们将按照需要引入这些专用符号
通用的数理逻辑符号
约定优先级
在这样的约定下,若有如下表达式
解释成
等价表述
A 蕴含B 集合论角度: 假定命题为真, 则有
若A, 则B(半命题引入)
注意我们只讨论了若A真,B为真的情况,而没有分析若A(前件为假的情况)
所以在A为假时候 语句若A, 则B无法判断真假并不是一个完整命题
证明中往往需要隐含 ”若A, 则B 若 A, 则B”中的下半句 或者 能保证A为真
命题证明
证明命题: 即证明命题其中 A 是前提,B 是结
论.证明这个命题,就是建立一串蕴涵关系
推导法则
三段法: 如果 A 成立 且 AB 也成立 , 则 B成立
排中率: 即不论命题 A 的具体内容如何, (A 或A)总是成立的. 因此, 有
如果我们没有逻辑体系, 究竟怎么建立数学分析呢
这里在本质上只讨论了记号,而没有分析逻辑推导体系,也没有涉及诸如真实性、可证明性、可推导性等构成数理逻辑研宄
用一则著名的寓言来说明:蜈蚣在解释它宄竟如何控制自己的全部那么多条腿的时候,连路都不会走了
蕴含关系(若..则..)的真值表
前件为假 导致 蕴含命题为真的本质, 是为了我们使用蕴含关系的
§1.2 集合
集合引入: 从 19 世纪末 20 世纪初开始,集合论语言成为最通用的数学语言.这甚至表现在数学的一种定义中:数学是研究集合上的各种结构(关系)的科学
朴素集合论(康托尔集合论)
集合可由任何有区别的对象组成组成一个集合的对象称为该集合的元素
集合由其组成对象整体唯一确定;
何性质都确定一个具有该性质的对象的集合;
为何不是精确定义?: 因为它涉及可能比集合的概念本身更复杂(总之未曾定义过)的概念.这种描述的目的是通过建立与其他概念的联系来解释
集合的表达
如果x是一个对象, P是一种性质, P(x)表示具有x对象具有性质P
表示具有性质 P 的整整一类对象
组成类或集合的对象称为类或集合的元素
集合的不完美性
集合的给定方法可能在明确程度上有所不同,这就让我们想到,集合己经不再是那种简单的完美无瑕的概念
罗素悖论
设M代表集合,P(M)表示性质: M不以其本身为元素
设一个集合K={M | P(M)} 则要么 P(K)成立要么P(K) 成立
P(K)若真,因为由K的定义 K={M | P(M)} ,K满足P(K),是K中一个元素,矛盾
P(K)若假,表示这表示 和K的定义矛盾
罗素悖论关键
构成悖论的基本要素是自我指涉与自我否定
什么是悖论?悖论不是那些错误的语句,而是那些没有办法赋值的语句
例子: 这句话是错的
集合间包含关系
何为关系: 涉及两个对象的命题→命题的一种形式
命题的等价形式: 关系、论断(恒为真的命题)
定义元素-集合属于关系: 命题 “x是集合 X的元素” :=
定义集合等价关系:
直接基于属于关系:
基于集合间包含关系:
同一命题的不同定义:
集合间包含关系(子集关系)
基于元素-集合属于关系
集合运算
何为集合运算:
利用 属于关系 和 命题连词 来定义某个P(x)性质,把满足该性质的元素组成一个新的集合
何为性质: 具有变元的命题
往往是描述集合中元素x具有某种性质P(x),而性质P(x)又通过逻辑连词和属于关系确定
并集运算:
交集运算:
差集运算:
直积(也算一种集合运算)
有序偶-预先概念
无序偶定义: 对于任何两个集合A,B, 可以组成一个新的集合一偶{A,B}={B,A}, 其元素是且仅是集合A和B.这个集合在A≠B时由两个元素组成, 而在A=B时由一个元素组成
有序偶定义: (A,B)相较于无需偶元素A,B具有附加特征,从而能够区别偶(A,B)中的第一个元素和第二个元素
直积定义
当时候可以简写为
§1.3 函数
(1) 函数概念
课本上的概念
其基础性非数学所独有, 设 与 是某两个集合. 如果集合 的每一个元素, 都按照某规律 与集合 的元素 相对应,我们就说有一个函数,它定义于集合 并取值于集合
我们说为其定义集合,元素 称为函数的变元或自变量
而与自变量 相对应的元素 称为元素 上的函数值. 表示为
并可以定义值集合:
函数的概念(自我思考)
函数的概念: 存在两个集合, 使得,
: 表述 ”唯一存在” , 即
我们称为函数的 “定义集合” (一类特殊的出发集合)
我们称为函数的 “值集合” (所有到达集合的父集合)
定义为 在定义集合下函数的到达集合
函数的记号说明
函数的同义词或记号: 映射, 变换, 算子, 泛函
符号: 记作 或
定义域和值域从上下文看很明显时也使用
函数的延拓限制
且有 使得
则称 为 的限缩, 为 的延拓
也可记作
像与原像
元素的像: 当函数 , 我们称 为 的像
集合的像: 我们定义 为集合A的像
注意: 和值集合的定义几乎一摸一样, 但是我们的出发集合 不在一定等于函数的的定义集合X 而是
集合的原像:
注意: 这个是函数的原像的定义, 而非反函数的定义, 哪怕一个 对应多个 也是有原像的(非单射, 非满射)
(2) 满射/单射/双射
映射分类
引入: 引入像和原像概念后我们可以以此来分类映射
满射: 当集合X的像等价于Y即
单射: 满足
双射: 一个映射是满射且是单射的时候为双射
满射的等价表述
已知定义
且有
则有后面的f(X)定义时候后面的选择条件恒定为真, 即
上述表述和函数的概念几乎一样,只是少了唯一性
函数的概念:
反函数定义
的定义: 若 , 定义
注意 反函数 和 原像 缩写都是但是意思不同
反函数存在条件: 若双射 则存在
接下来我们验证: 若双射且上面定义,则符合函数规则
由于为满射, 故
由于为单射,
二者组合, 则有再加上反函数定义:
和函数的概念形式上一致
单射 满射 这个概念的意义
函数的概念由两个子命题组成
和单射 满射即满足
(3) 复合/恒等映射
复合映射:
若有映射 则可以构造映射
并且我们将 定义为恒等映射
引理: 恒等映射和单射满射关系
定理内容
设
则 为单射, 为满射
证明1: 为满射
定义方便后面的讨论, 即
由到达集合和总值集合关系
由于
则有
可得 (满射的定义)
证明2: 为单射
由函数的概念可知:
由题目可知:
替换(i)中 可得
即为单射的定义
逆函数第二定义
性质内容:
已知两个映射
证明
借助上面 恒等映射和单射满射关系 可知, 和 均为双射函数
且有 故为逆映射
我们也可以将符合 的函数定义为逆映射, 形式上更加对称
§1.4 关系
函数的定义的发展历程
我们在 §1.3 中提到的函数概念是由欧拉给出的, 而想要准确定义函数, 则需要更多的工作
“理论的普遍观点认为,只有把彼此有关联的数理解为是一起给定的,依赖关系才会存在”
这正是精确定义函数概念的思想
本节最前面对函数概念的描述是一种反映其本质的相当动态的描述,
但从现代标准来看,还不能称之为定义,因为它使用了一个与函数等价的概念—-对应
集合论的语言定义函数
关系.: 序偶 的任何集合称为关系
区别于实数集, 一般严谨的写成 ,但经常在理解上下文情况下我们直接写成
值集合 定义集合: 组成的所有序偶的第一个元素的集合 称为关系 的定义集合,而第二个元素的集合 称为关系 的值集合
可以将关系理解为直积 的子集
常常把 写为 , 并说 与 之间的关系为
等价关系
等价关系定义: 任何具有下述三个性质的关系称为等价关系, 用符号” ” 表示
自反性:
传递性:
对称性:
平行关系 为 一种等价关系
设 是平面上的直线的集合.如果直线 平行于直线 , 我们称两条直线具有关系 , 可以验证, 关系 符合上面三条性质
序关系
偏序关系定义: 任何具有下述三个性质的关系称为偏序关系, 用符号” ” 表示
自反性:
传递性:
反对称性:
序关系: 除了满足偏序定义之外, 还满足排中律(可比性), 称定义了序关系集合为线性序集
排中律:
函数关系: 满足 的关系称为函数
§1.5 势函数(集合)
定义函数:
该函数输入的”元素” 为集合输出的元素为”势” ,我们来研究所有”势”元素构造的集合”势集合” 具备什么性质
定义: 如果集合 到集合 的双射存在, ,则称集合 与 等势, 记作
§Ext 1 一些玄学思考
集合论靠公理系统定义, 集合论内也可以包括公理系统?
ZFC本身也是形式主义的产物, 但是ZFC强大的表现力使得形式系统本身可以在ZFC中得以表现, 因此乙F定义了何为形式系统, 并且发现, 无矛盾形式系统总可以看作是某个论域上的命题集, 公理集总可以看作是对论域的限制, 而真命题则是在一切满足限制条件的论域上总成立的命题. 在这种定义下, ZFC证明了演绎定理、完全性定理、不完全性定理等一系列有用的命题.
函数 泛函 算符
函数: 一般指的是定义集合
§Ext 2 函数命题 自有记号版本
(1) 基本定义
记作定义集, 记作到达集 定义集 →到达集
"值集” "到达集”
且有所有原像构成集合 “原像集“, 所有像构 “像集”
可以发现 “原像集" = "定义集” “像集" "达到集”
我们也称 "像集” 为 "值集” 记作
即
我们先定义了 "值集合” 再来定义到达集合
可以说 "到达集合” 本身没啥意义, 仅仅是包含 集合
都可以称该函数的到达集