קבוצת חזקה
תהא A קבוצה.
קבוצת החזקה של A היא קבוצת תתי הקבוצות של A.
P(A)={S∣S⊆A}
A={1,∅}⟹P(A)={∅,{1},{∅},A}
B={1}⟹P(B)={B,∅}
∅⟹P(∅)={∅}
אם A היא קבוצה עם n איברים, אז ב-P(A) יש 2n איברים.
משפט (תכונות קבוצת החזקה)
- כל איבר בקבוצת החזקה הוא בעצמו קבוצה.
- לכל קבוצה A, תמיד A,∅ שייכים ל-P(A).
הוכיחו כי לכל 2 קבוצות A,B מתקיים:
אם P(A∪B)=P(A)∪P(B) אז A⊆B או B⊆A.
הוכחה:
נוכיח טענה שקולה: אם לא קורה B אז לא A (הנוגד הלוגי)
יהיו A,B קבוצות ונניח כי A⊆B וגם כי B⊆A. ונרצה להוכיח כי P(A∪B)=P(A)∪P(B).
אם A⊆B, על פי הגדרת ההכלה, קיים a∈A כך ש-a∈B.
אם B⊆A, על פי הגדרת ההכלה, קיים b∈B כך ש-b∈A.
לכל a∈A, על פי הגדרת האיחוד, a∈A∪B.
לכל b∈B, על פי הגדרת האיחוד, b∈A∪B.
ולכן, על פי הגדרת ההכלה:
{a,b}⊆A∪B
ולכן, על פי הגדרת קבוצת החזקה, מתקיים:
{a,b}∈P(A∪B)
נראה כי {a,b}∈P(A)∪P(B).
נניח בשלילה ש-{a,b}∈P(A)∪P(B).
מהגדרת האיחוד אנו יודעים כי {a,b}∈P(A) או ש-{a,b}∈P(B).
ולכן, מהגדרת קבוצת החזקה, {a,b}⊆A או ש-{a,b}⊆B.
⇐ מהגדרת ההכלה, b∈A או a∈B. מה שעומד בסתירה לתנאים ההתחלתיים שלנו.
לכן, הטענה מתקיימת ולכן, גם הנוגד הלוגי שלה מתקיים ולכן אם P(A∪B)=P(A)∪P(B) אז A⊆B או B⊆A
∎
שיטות להוכחת טענה מהצורה "אם A אז B"
- ישיר: מניחים כי A מתקיים ומוכיחים כי B מתקיים לאור זאת.
- היפוך: מוכיחים את הנוגד הלוגי של הטענה("אם לא B אז לא A").
- שלילה: מניחים כי A נכון, מניחים בשלילה כי B לא נכון ומגיעים לסתירה.
- אינדוקציה: ניתן להשתמש רק למספרים טבעיים.
- באופן ריק:
אפשרות 1. מוכיחים כי A אף פעם לא נכון.
אפשרות 2. מוכיחים כי B תמיד נכון.
איך כותבים דוגמה נגדית
- בוחרים ערכים לכל המשתנים בבעיה.
- מוכיחים שהדוגמה מקיימת את נתוני הבעיה.
- מוכיחים שהדוגמה לא מקיימת את מסקנת הטענה.
הוכיחו או הפריכו כי אם A∖B⊆C אזי P(A)∖P(B)⊆P(C).
הוכחה:
הטענה אינה נכונה. נראה דוגמה נגדית:
נגדיר A={1,2},B={2},C={1} .
מתקיים כי A∖B={1}⊆C.
P(A)={∅,{1},{2},{1,2}}
P(B)={∅,{2}}
P(A)∖P(B)={{1},{1,2}}
P(C)={∅,{1}}
מתקיים {1,2}∈P(A)∖P(B) אבל {1,2}∈P(C).
לכן, מהגדרת הכלה, P(A)∖P(B)⊆P(C) כנדרש.
∎
אם F היא קבוצה של קבוצות, נגדיר:
⋃F:=A∈F⋃A:={a∣∃A∈F: a∈A}
⋂F:=A∈F⋂A:={a∣∀A∈F: a∈A}
F={{1,2},{2,3},{2,4}}
⋃F={1,2}∪{2,3}∪{2,4}={1,2,3,4}
⋂F={1,2}∩{2,3}∩{2,4}={2}
מאוד כדאי לעבוד עם ההגדרה הנ"ל כאשר עובדים עם משהו מופשט.
משפט (מקרה פרטי של ההגדרה ממקודם)
אם F={An∣n∈N} כאשר לכל n∈N, An קבוצה, אז נהוג לכתוב את ⋃F כך:
n=0⋃∞An=⋃An:={x∣∃n∈N: x∈An}
תהא {An∣n∈N} קבוצה של קבוצות ותהא B קבוצה.
- הוכיחו או הפריכו כי אם קיים i∈N כך ש-Ai⊆B אז ⋃n∈NAn⊆B.
- הוכיחו או הפריכו כי אם לכל i∈N מתקיים Ai⊆B אז: P(⋃n∈NAn)⊆P(B)
הוכחה: 1️⃣
הטענה אינה נכונה. נראה דוגמה נגדית:
נגדיר A0={1},A1={2}
לכל n∈N כך ש-n>1 נגדיר An=∅.
נגדיר B={1}.
עבור i=0∈N מתקיים Ai⊆B אבל:
n∈N⋃An={1,2}⊆{1}=B
∎
הוכחה: 2️⃣
תחילה נוכיח כי ⋃n∈NAn⊆B.
אחרי זה נוכיח כי אם x⊆y אזי P(x)⊆P(y).
יהי x∈An. על פי הגדרת איחוד כללי:
x∈n∈N⋃An⟹∃n∈N: x∈An
לכל i∈N A⊆B, בפרט עבור i=n ולכן, בעזרת הגדרת ההכלה:
⟹∃n∈N: x∈B
מכיוון ש-B אינו תלוי ב-n אזי:
x∈B
ולכן, מהגדרת ההכלה:
n∈N⋃An⊆B
נוכיח טענת עזר:
אם x⊆y אזי P(x)⊆P(y).
הוכחה:
יהיו x,y קבוצות כך ש-x⊆y.
יהי z∈P(x).
על פי הגדרת קבוצת חזקה:
z∈P(x)⟹z⊆x
על פי הגדרת ההכלה:
∀w∈z:w∈xx⊆y⟹∀w∈z:w∈y
בעזרת הגדרת ההכלה נדע כי:
z⊆y
ולכן, לאור הגדרת קבוצת חזקה:
z∈P(y)
ולכן, בעזרת הגדרת ההכלה נדע כי:
P(x)⊆P(y)
טענת העזר ∎
בעזרת טענת העזר נדע כי:
x=n∈N⋃Any=B
נקבל ישירות כי:
P(n∈N⋃An)⊆P(B)
∎