集合の記号と表し方
集合の記号は小さなアルファベットです。中かっこは集合を並べ、∈ は要素が属することを言い、∪ は2つの集合を合わせ、∩ は重なりを残し、プライムはそれ以外すべてを表します。どの記号もベン図の1つの領域です。
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集合とは、互いに異なるものの集まりで、その一つひとつを要素と呼びます。集合の記号は、集合を書き並べ、何が属しているかを述べ、2つの集合を組み合わせて3つ目をつくるための、ひと握りの記号です。全部で12個もなく、どの記号もベン図の1つの領域を名指しています。
ここでは A は12の約数、B は偶数で、どちらも全体集合 U = {1, 2, ..., 12} の中にあります。演算を選んで、どの領域に色がつくかを見てください。
- U = {1, 2, ..., 12}
- 1から12までの整数
- A = {1, 2, 3, 4, 6, 12}
- 12の約数
- B = {2, 4, 6, 8, 10, 12}
- 偶数
A ∪ B = {1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12}
読み方 A カップ B
A に入っているもの、B に入っているもの、両方に入っているもののすべて。
要素 8 個
記号
| 記号 | 名前 | 読み方 | 上の集合での例 |
|---|---|---|---|
| { } | 中かっこ | 「の集合」 | A = {1, 2, 3, 4, 6, 12} |
| ∈ | 要素である | 「に属する」 | 6 ∈ A |
| ∉ | 要素でない | 「に属さない」 | 5 ∉ A |
| ⊆ | 部分集合 | 「の部分集合である」 | {2, 4} ⊆ B |
| ∪ | 和集合 | 「A カップ B」 | A ∪ B = {1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12} |
| ∩ | 共通部分 | 「A キャップ B」 | A ∩ B = {2, 4, 6, 12} |
| \ | 差集合 | 「A から B を除いたもの」 | A \ B = {1, 3} |
| A′ | 補集合 | 「A の補集合」または「A でない」 | A′ = {5, 7, 8, 9, 10, 11} |
| △ | 対称差 | 「A と B の対称差」 | A △ B = {1, 3, 8, 10} |
| ∅ | 空集合 | 「空集合」 | A ∩ {5, 7} = ∅ |
| U | 全体集合 | 「全体集合」 | 考えているものすべて |
最後の列の答えはどれも上の図で確かめられます。一度は手でやってみる価値があります。A と B を書き出し、2つのリストから各演算の答えを読み取ってください。
集合を書き表す
外延的記法は、要素を中かっこの中に並べます。A = {1, 2, 3, 4, 6, 12}。これには2つの約束があります。順序は関係なく、重複も関係ないので、{1, 2, 3}、{3, 2, 1}、{1, 1, 2, 3} は同じ集合です。
内包的記法は、代わりに条件で要素を表します。
A = {x ∈ ℕ | 12/x ∈ ℕ}
これは「12 を x で割った数も自然数になるような、自然数 x の集合」と読みます。縦線は「を満たす」という意味で、代わりにコロンを使う本もあります。要素が無限にある集合を書く方法は内包的記法しかありません。たとえば {x ∈ ℝ | x > 3} で、区間の記法ならこれを (3, ∞) と短く書けます。
数の体系にはそれぞれ専用の文字があります。ℕ は自然数、ℤ は整数、ℚ は有理数、ℝ は実数です。
2つの集合を組み合わせる
ほとんどの問題は4つの演算で片づきます。
- 和集合 A ∪ B: A か B か、その両方に入っているものすべて。「または」にあたります。同じものは二度書かないので、2、4、6、12 は両方の集合に入っていても1回だけ現れます。
- 共通部分 A ∩ B: 両方の集合に同時に入っているものだけ。「かつ」にあたります。
- 差集合 A \ B: A に入っていて B に入っていないもの。順序が大事です。B \ A = {8, 10} ですが、A \ B = {1, 3} です。マイナス記号で書く本もあります。
- 補集合 A′: 全体集合のうち A に入っていないものすべて。全体集合がなければ補集合は定義されません。どのベン図にもまわりに長方形があるのはそのためです。
対称差 A △ B は、和集合から共通部分を取り除いたもの、つまり2つの集合のちょうど一方だけに入っている要素です。
要素か、部分集合か
この2つは、この単元でいちばん取り違えられやすい記号です。どちらも「そこに入っているか」に答えるからです。
- ∈ は要素と集合を結びます。2 ∈ A。
- ⊆ は集合と集合を結びます。{2} ⊆ A。
「2 ⊆ A」と書くのは誤りです。2 は数であって集合ではないからです。「{2} ∈ A」も逆の理由で誤りです。A に入っているのは数 2 であって、集合 {2} ではないからです。
ある集合のそれぞれの要素がすべてもう一方に入っているとき、その集合はもう一方の部分集合です。1つでも欠けていれば偽になります。1 は A に入っていて B に入っていないので、A は B の部分集合ではありません。空集合はすべての集合の部分集合です。欠けているかもしれない要素を1つも持たないからです。
ベン図で数える
集合の要素の個数は縦線で表します。|A| = 6。和集合の要素を数えるには、2つの集合の個数を足し、二度数えた重なりを引きます。
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
上の集合なら 6 + 6 − 4 で 8 となり、和集合を直接数えたのと同じです。これが包除原理で、「フランス語かスペイン語をとっている生徒は何人か」のようなアンケートの問題はこれで答えます。
答えは 18 + 12 − 5 で 25 です。30 になったなら、両方をしている5人を二度数えています。
集合と論理は同じもの
和集合は「または」、共通部分は「かつ」、補集合は「でない」です。これはゆるいたとえではありません。ある要素が A ∩ B に入るのは、「A に入っていて、かつ B に入っている」という命題が真であるときとちょうど同じです。離散数学のページでこれらの言葉の真理値表を作ります。どちらも同じベン図で色分けできます。
よくある質問
- ∈ はどういう意味ですか。
- ∈ は「の要素である」「に属する」という意味です。3 ∈ A は、3 が集合 A のメンバーの1つであることを表します。斜線を引いた ∉ は「の要素でない」という意味で、5 ∉ A は 5 が A に入っていないことを表します。この記号はギリシャ文字のイプシロンを様式化したもので、element(要素)の頭文字に由来します。
- ∈ と ⊆ の違いは何ですか。
- ∈ は要素と集合を結び、⊆ は集合と集合を結びます。A = {1, 2, 3} なら 2 ∈ A も {2} ⊆ A も正しいのですが、2 ⊆ A は誤りです。2 は数であって集合ではないからです。⊆ は「の部分集合である」と読みます。左の集合のすべての要素が、右の集合にも入っているという意味です。
- 内包的記法とは何ですか。
- 集合を、要素を並べるのではなく、条件で表す書き方です。{x | x > 3} は「x > 3 を満たすすべての x の集合」と読みます。縦線(本によってはコロン)は「を満たす」という意味です。要素が無限にある集合を書く実用的な方法はこれしかありません。
- 和集合と共通部分の違いは何ですか。
- 和集合 A ∪ B には、A に入っているもの、B に入っているもの、両方に入っているもののすべてが含まれます。共通部分 A ∩ B には、A と B の両方に同時に入っているものだけが含まれます。ベン図では和集合は2つの円を合わせた全体、共通部分は円が重なるレンズ形の部分なので、共通部分はつねに和集合の内側にあります。
- 補集合はどう書きますか。
- 多くの本は A′(A プライム)、Aᶜ、または上に横線を引いた A と書きます。3つとも同じ意味で、全体集合 U の要素のうち A に入っていないものすべてです。補集合は U によって決まるので、書き出す前に必ず全体集合が何かを確かめてください。
- ∅ はどういう意味ですか。
- ∅ は空集合、つまり要素を1つも持たない集合です。{} とも書けます。空集合はすべての集合の部分集合です。ほかの集合に欠けているかもしれない要素を1つも持たないからです。{∅} は空ではないことに注意してください。要素を1つ持つ集合で、その要素が空集合なのです。
- ⊂ と ⊆ の違いは何ですか。
- ⊆ は「の部分集合である」という意味で、2つの集合が等しい場合も認めます。⊂ はふつう真部分集合、つまりもう一方の集合より小さい部分集合を表します。ここは本によって違い、⊂ をすべての部分集合に使い、真部分集合を表すときは ⊊ と書く本もあります。区別が大事なときは、自分の授業がどちらの約束を使っているか確かめてください。