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幂集

Power set

把 A 的每一种子集选择提升为元素所得的集合,记作 P(A)。

条目类型
定义

形式陈述

集合 A 的幂集定义为

P(A)={B:BA}.

因此

BP(A)BA.

右侧的包含关系是幂集的成员判据。特别地,P(A)AP(A);这两句话分别来自 AAA。在 ZF 中,幂集公理保证对每个 A 都存在这样的集合,分离模式随后允许从 P(A) 中选出满足额外条件的子集族。

包含会被幂集构造保持:

ABP(A)P(B).

反向可把每个 aA 包成单元素集 {a}P(A),再由幂集包含推出 aB

直觉

幂集把“从 A 中选哪些元素”本身变成一个对象。A 的普通元素位于第一层,子集位于第二层,而 P(A) 把第二层全部收集起来。于是 aA{a}P(A) 相关,却不是同一条陈述;a 只有在自身碰巧也是 A 的子集时,才会成为 P(A) 的元素。

A 有限,每个元素各有“选入”或“不选入”两种状态,所有状态组合恰好对应 P(A)。这解释了 |P(A)|=2|A|。无限情形仍保留“二值选择”的图像,但右边成为基数幂,不能理解成做有限次乘法。

例子与边界

设一套服务能力为

F={检索,导出,审计}.

一个权限配置可用 F 的子集表示,所以全部配置组成 P(F),共有 23=8 种。空集表示不开放任何能力,F 表示全部开放;幂集只列出类型正确的配置,不会判断某个配置是否符合组织策略。

嵌套集合展示了类型边界。令 A={,{}},则

P(A)={,{},{{}},A}.

这里 AA 都成立,但前者查看 A 的成员表,后者是空真命题。{}A 也成立,而 {}A 成立的理由是 A。相同符号在不同括号层级扮演不同角色,不能凭外形省略检查。

另一个边界来自 Cantor 定理:A 可以单射到 P(A),例如 a{a},却不存在满射 AP(A)。所以即使 A 无限,也绝不会与自己的幂集等势。

推论与应用

每个 BA 都由特征函数

χB:A{0,1},χB(a)=1aB

唯一编码。因此 P(A) 与函数集 {0,1}A 等势,2|A| 同时表示子集数和二值函数数。

Cantor 对角论证给出严格增长的证明骨架。假设 f:AP(A) 是满射,构造

D={aA:af(a)}.

D=f(d),便有 dDdD,矛盾。因此 D 不在 f 的像中,结合单射 a{a} 可得 |A|<|P(A)|。反复取幂集便产生没有最大值的基数层级。

二元关系是 P(A×B) 的元素;拓扑、σ-代数和事件族则是 P(A) 中满足不同闭包条件的子族。幂集提供候选全集,后续公理负责筛选结构。

参考资料
  • Paul R. Halmos, Naive Set Theory, Dover, 2017, §5。
  • Herbert B. Enderton, Elements of Set Theory, Academic Press, 1977, Chapters 1–2。
  • Daniel J. Velleman, How to Prove It, 3rd ed., Cambridge University Press, 2019, Chapter 3。
关系图谱70 个相邻概念 · 2 类关系

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