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子集

Subset · Set inclusion

A 的每个元素都属于 B 时成立的包含关系;它在集合之间形成偏序。

条目类型
定义

形式陈述

集合 A,B,定义

ABx(xAxB).

若再有 AB,称 AB 的真子集,记作 AB。等价地,

ABAB  y(yByA).

包含关系满足自反性、反对称性与传递性:

AA,ABBAA=B,ABBCAC.

反对称性使用外延性;传递性则把两个逐元素蕴含式首尾相接。因此,在任意固定集合 X幂集 P(X) 上, 是一个偏序

直觉

AB 表示 A 没有越出 B 的成员边界。它允许二者相等,所以“子集”并不自带“更小”或“少一个”的含义。真包含 AB 才明确要求 B 至少还有一个 A 没有的元素。

成员关系与包含关系的量词层级不同。xA 检查一个对象是否在 A 里;BA 要检查 B 的每个元素。把对象 x 包成单元素集后,才有

xA{x}A.

这条等价式包含了一个真实的类型转换,不能据此把 x{x} 当成同一对象。

例子与边界

权限系统给出一个结构化例子。若 Rview 是只读角色允许的操作集合,Redit 还允许修改内容,那么

RviewRedit.

要验证这条包含,应检查每一种只读权限在编辑角色中仍被允许;要否定反向包含,只需指出“修改”属于 Redit 却不属于 Rview。正面证明承担全称义务,反例承担存在义务,两种证明不能用相同数量的样本替代。

嵌套集合尤其容易暴露类型错误。令

A={{1},{1,2}}.

此时 {1}A,但 {1}A,因为后一陈述要求 1A,而 A 的元素是两个集合。另一方面,{{1}}A 成立。每多一层花括号,待检查的成员也随之改变。

空集是每个集合的子集,因为命题 xxA 对所有 x 都成立;只有当 A 时, 才是其真子集。符号 在不同文献中有时表示 ,有时表示 ,正式写作宜直接使用后两种无歧义记号。

推论与应用

双包含是证明集合相等的标准骨架:先从 xA 推到 xB,再反向推理,最后由外延性得到 A=B。否定包含则寻找

xAB

这样的单个见证。对长集合表达式,先决定证明目标是全称包含还是存在反例,往往比直接展开所有符号更清楚。

包含与集合运算相互刻画:

ABAB=AAB=B.

AB,并集和交集还保持这一方向,例如 ACBCACBC;相对差在第二个参数上反向,即 CBCA。这些单调性规律来自成员条件中的逻辑蕴含。

幂集 P(X) 收集 X 的全部子集,关系是笛卡尔积的子集,拓扑与 σ-代数则是满足闭包条件的子集族。包含在这些结构中承担“更精细”“允许更多”或“信息更多”等不同解释,但其形式含义始终是逐元素包含。

参考资料
  • Paul R. Halmos, Naive Set Theory, Dover, 2017, §§2–5。
  • Richard Hammack, Book of Proof, 3rd ed., 2018, §§1.3–1.8。
  • Daniel J. Velleman, How to Prove It, 3rd ed., Cambridge University Press, 2019, Chapter 3。
关系图谱163 个相邻概念 · 1 类关系

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