1. 集合论基础
1.1 集合的基本概念
- 整数集:Z
- 基数:集合 A 中元素的个数称为 A 的基数,记作 ∣A∣
- 集合的表示方法:
- 空集:
∅={x∣x=x}
空集是唯一的,并且:
∣∅∣=0,∣{∅}∣=1
- 全集:通常记作 U,相对于所讨论的问题而定
- 集合元素的特性:
例如:
{a}={a,a}
- 外延公理(外延性原理):若两个集合包含完全相同的元素,则这两个集合相等
1.2 包含与幂集
A⊆B
A⊂B
P(A)={X∣X⊆A}
满足:
X∈P(A)⟺X⊆A
若 ∣A∣=n,则:
∣P(A)∣=2n
1.3 集合的基本运算
(1)差集
A−B=A∖B={x∣x∈A∧x∈/B}
(2)对称差
A⊕B=(A−B)∪(B−A)=AΔB
性质:
A⊕A=∅
A⊕∅=A
(3)补集
相对于全集 U,集合 A 的补集记为:
Ac,A′,CUA
(4)分配律
A∪(B∩C)=(A∪B)∩(A∪C)
A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C)
(5)吸收律
A∪(A∩B)=A
A∩(A∪B)=A
2. 可数集合与计数问题
2.1 可数集合
一个集合若能与自然数集 N 建立一一对应,则称为可数集。
- 有限集是可数的
- N、Z、Q 都是可数集
- 实数区间 (0,1) 是不可数集
2.2 Z 是可数集
可构造 N 与 Z 的一一对应,例如:
| N 中元素 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | … |
|---|
| 对应的整数 | 0 | 1 | -1 | 2 | -2 | 3 | -3 | … |
因此 Z 可数。
2.3 不可数集合
区间 (0,1) 的基数通常记为连续统基数 c。凡与 (0,1) 等势的集合都是不可数集。
原稿中把 c 说成“阿列夫”不准确。ℵ0 通常表示可数无限集的基数;(0,1) 的基数通常记为 c。
2.4 计数问题
(1)排列与组合
P(n,r)=(n−r)!n!
C(n,r)=r!(n−r)!n!
C(n+r−1,r)
(2)容斥原理
对于三个集合:
∣A∪B∪C∣=∣A∣+∣B∣+∣C∣−∣A∩B∣−∣A∩C∣−∣B∩C∣+∣A∩B∩C∣
(3)鸽笼原理
若把 m 只鸽子放入 n 个笼子,则至少有一个笼子中鸽子数不少于
⌈nm⌉
也可写为:
⌊nm−1⌋+1
3. 命题逻辑
3.1 命题与联结词
1. 命题
命题是具有确定真值的陈述句。
例如:
- “2+3=5”是命题
- “x+y>0”若未说明 x,y 的取值范围,则不是命题
2. 逻辑联结词
- 否定:¬P
- 合取:P∧Q
- 析取:P∨Q
- 蕴含:P→Q
- 等价:P↔Q
其中:
- P→Q 只有在 P 真而 Q 假时为假
- P↔Q 当且仅当 P,Q 同真同假时为真
3.2 常见语言到逻辑公式的转换
B→A
A→B
A→B
B→A
3.3 逻辑等价
两个命题公式 G,H 若在所有赋值下真值都相同,则称它们逻辑等价,记为:
G≡H
等价地,
G↔H
是永真式。
常见等价式
A→B≡¬A∨B
A↔B≡(A→B)∧(B→A)
吸收律:
G∨(G∧H)≡G
G∧(G∨H)≡G
归谬式:
(G→H)∧(G→¬H)≡¬G
3.4 范式
1. 基本术语
- 文字:命题变元或其否定
- 子句:有限个文字的析取
- 短语(项):有限个文字的合取
2. 析取范式(DNF)
若公式写成若干合取式的析取,则称为析取范式。
3. 合取范式(CNF)
若公式写成若干析取式的合取,则称为合取范式。
要求否定号只出现在命题变元前面。
3.5 主析取范式与主合取范式
1. 极小项
对 n 个命题变元,每个极小项是每个变元或其否定的合取,并且每个极小项对应唯一一组真值赋值。
2. 极大项
每个极大项是每个变元或其否定的析取,并且每个极大项对应唯一一组使它为假的赋值。
3. 性质
- 不同极小项不可能同时为真
- 所有极小项的析取恒为真
- 所有极大项的合取恒为假
4. 真值表法
- 主析取范式:把公式值为 1 的各行对应极小项相析取
- 主合取范式:把公式值为 0 的各行对应极大项相合取
4. 命题逻辑的推理
4.1 基本推理形式
(1)附加规则
P⇒P∨Q
Q⇒P∨Q
(2)假言推理(Modus Ponens)
P, P→Q⇒Q
(3)拒取式(Modus Tollens)
¬Q, P→Q⇒¬P
(4)假言三段论
P→Q, Q→R⇒P→R
(5)析取三段论
P∨Q, ¬P⇒Q
4.2 证明中的常用规则
- P:前提引用
- T:由逻辑等价或推理规则得到
- CP:附加前提规则(条件证明)
5. 谓词逻辑
5.1 基本概念
命题逻辑把原子命题看作不可再分,而谓词逻辑进一步分析命题内部结构。
1. 个体域(论域)
讨论对象的集合称为个体域,记作 D。
2. 个体词
能独立表示对象的符号,如常量、变量。
3. 谓词
表示对象性质或对象间关系的符号。
4. 量词
- 全称量词:∀x
- 存在量词:∃x
例如:
“所有老虎都吃人”可表示为:
(∀x)(T(x)→P(x))
“有些人登上过月球”可表示为:
(∃x)(H(x)∧R(x))
5.2 量词的直观理解
若个体域有限:
(∀x)G(x)≡G(x1)∧G(x2)∧⋯∧G(xn)
(∃x)G(x)≡G(x1)∨G(x2)∨⋯∨G(xn)
5.3 谓词符号化常见错误
例如:
(∀x)(∃y)(F(x)∧F(y)→G(x,y))
通常不能正确表达“对每个满足 F 的 x,存在某个满足 F 的 y 使得 G(x,y) 成立”。
更准确的写法应是:
(∀x)(F(x)→(∃y)(F(y)∧G(x,y)))
5.4 谓词公式与自由变元
1. 项
项包括:
2. 原子公式
若 P 是 n 元谓词,t1,…,tn 是项,则
P(t1,…,tn)
是原子公式。
3. 闭式
不含自由出现个体变元的公式称为闭式。
4. 可满足、有效、矛盾
- 有效公式:永真
- 矛盾公式:永假
- 可满足公式:至少在某个解释下为真
5.5 前束范式
前束范式的一般形式为:
(Q1x1)(Q2x2)⋯(Qnxn)M(x1,x2,…,xn)
其中:
- Qi 是量词
- M 是不含量词的母式
整理前束范式时,应先处理否定、蕴含与等价,再把量词前移,并注意变元改名,防止自由变元被约束。
5.6 量词推理规则
(1)全称特指规则(US)
(∀x)G(x)⇒G(c)
其中 c 是任意个体常量。
(2)存在特指规则(ES)
(∃x)G(x)⇒G(c)
其中 c 是新引入的特指常量。
(3)全称推广(UG)
由 G(x) 推出 (∀x)G(x) 需满足一定限制条件。
(4)存在推广(EG)
由 G(c) 可推出:
(∃x)G(x)
6. 二元关系
6.1 关系的定义
若 A,B 是两个集合,则 A×B 的任意子集称为从 A 到 B 的一个二元关系。
若 A=B,则称为 A 上的一个二元关系。
6.2 特殊关系
R=∅
R=A×B
IA={⟨x,x⟩∣x∈A}
若 ∣A∣=n,∣B∣=m,则 A×B 上关系总数为:
2nm
6.3 定义域、值域与域
对关系 R⊆A×B:
dom(R)={a∈A∣∃b∈B, ⟨a,b⟩∈R}
ran(R)={b∈B∣∃a∈A, ⟨a,b⟩∈R}
field(R)=dom(R)∪ran(R)
6.4 关系的表示
若 A={a1,…,an},B={b1,…,bm},关系 R⊆A×B 的布尔矩阵为:
MR=(mij)n×m
其中:
mij={1,0,⟨ai,bj⟩∈R⟨ai,bj⟩∈/R
6.5 关系的运算
(1)并、交、差
对应布尔矩阵有:
MR∪S=MR∨MS
MR∩S=MR∧MS
MR−S=MR∧MS
(2)逆关系
R−1={⟨b,a⟩∣⟨a,b⟩∈R}
矩阵上对应为转置:
MR−1=(MR)T
原稿里写成 1−MR 是错误的。1−MR 对应的是补关系,不是逆关系。
(3)关系复合
若 R⊆A×B,S⊆B×C,则
R∘S={⟨x,z⟩∣∃y∈B, xRy∧ySz}
矩阵表示对应布尔乘积。
(4)幂关系
若 R 是集合 A 上的关系,则
R0=IA,R1=R,Rm+n=Rm∘Rn
6.6 关系运算的性质
(R∘S)∘T=R∘(S∘T)
R∘IA=R=IB∘R
(R∘S)−1=S−1∘R−1
并且可证明:
(R∪S)−1=R−1∪S−1
7. 关系的性质
7.1 基本性质
设 R 是集合 A 上的关系。
(1)自反
∀x∈A, ⟨x,x⟩∈R
等价于:
IA⊆R
(2)反自反
∀x∈A, ⟨x,x⟩∈/R
等价于:
IA∩R=∅
(3)对称
⟨x,y⟩∈R⇒⟨y,x⟩∈R
等价于:
R=R−1
(4)反对称
⟨x,y⟩∈R∧⟨y,x⟩∈R⇒x=y
等价判定是:
R∩R−1⊆IA
原稿把反对称写成 R∩R−1=∅,这是错误的,因为自反关系的对角元本来就在交集中。
(5)传递
⟨x,y⟩∈R∧⟨y,z⟩∈R⇒⟨x,z⟩∈R
等价于:
R∘R⊆R
8. 等价关系与商集
8.1 等价关系
若关系同时满足:
则称其为等价关系。
例如整数集上的模 n 同余关系:
x≡y(modn)
是等价关系。
8.2 等价类
在等价关系 R 下,元素 x 的等价类定义为:
[x]R={y∈A∣xRy}
性质:
- 对任意 x∈A,[x]R=∅
- 任意两个等价类要么相等,要么不相交
- 所有等价类的并为整个集合 A
8.3 商集
由所有等价类组成的集合称为商集:
A/R={[x]R∣x∈A}
9. 关系性质的保守性
设 R,S 是集合 A 上的关系。
一些典型结论:
- 若 R,S 自反,则 R∪S、R∩S 自反
- 若 R,S 对称,则 R∪S、R∩S、R−1 对称
- 若 R,S 传递,则 R−1 传递
- 但 R∪S 不一定保持传递性
- 两个等价关系的交仍是等价关系
- 两个等价关系的并不一定是等价关系
- 两个等价关系的复合不一定是等价关系
例如多选题中,若 α,β 是等价关系,则下列不一定是等价关系的是:
- α∘β
- α∪β
而:
- α∩β
- α−1
仍一定是等价关系。
10. 偏序关系
10.1 定义
若关系满足:
则称为偏序关系。
常记为 ≤,有序对 ⟨A,≤⟩ 称为偏序集。
典型例子:
- 数的 ≤
- 集合的 ⊆
- 整除关系 ∣
10.2 可比与覆盖
- 若 x≤y 或 y≤x,则称 x,y 可比
- 若 x<y 且不存在 z 使得 x<z<y,则称 y 覆盖 x
10.3 哈斯图
哈斯图由关系图简化而来:
- 去掉自环
- 去掉由传递性可推出的边
- 去掉箭头,默认下小上大
10.4 最大元、最小元、极大元、极小元
设 B⊆A。
最大元
若 b∈B 且
∀x∈B, x≤b
则 b 为 B 的最大元。
最小元
若 b∈B 且
∀x∈B, b≤x
则 b 为最小元。
极大元
若 b∈B 且不存在 x∈B 满足 b<x,则 b 为极大元。
等价写法:
∀x∈B, b≤x⇒x=b
极小元
若 b∈B 且不存在 x∈B 满足 x<b,则 b 为极小元。
等价写法:
∀x∈B, x≤b⇒x=b
最大元/最小元若存在则唯一;极大元/极小元可以不唯一。
10.5 上界、下界、上确界、下确界
设 B⊆A,a∈A。
∀x∈B, x≤a
则称 a 为 B 的上界。
∀x∈B, a≤x
则称 a 为 B 的下界。
10.6 链与反链
- 链:任意两个元素都可比
- 反链:任意两个不同元素都不可比
11. 拟序、全序、良序与函数
11.1 拟序
若关系满足:
则称为拟序(严格偏序)。
11.2 全序
若偏序集中的任意两个元素都可比,则称为全序集。
11.3 良序
在全序的基础上,若任一非空子集都有最小元,则称为良序。
11.4 函数
函数是特殊关系。设 f:A→B,则:
- 单射:不同元素像不同
- 满射:陪域中每个元素都有原像
- 双射:既单又满
11.5 函数复合
若 f:A→B,g:B→C,则复合函数定义为:
g∘f:A→C,(g∘f)(x)=g(f(x))
原稿里“左复合/右复合”写反了。标准定义是 g∘f=g(f(x))。
11.6 逆函数
函数 f:A→B 存在逆函数 f−1:B→A 的充要条件是 f 为双射。
12. 图论基础
12.1 图的定义
图记作:
G=⟨V,E⟩
其中:
按边的类型可分为:
按边和环的情况可分为:
12.2 子图
12.3 完全图与补图
- 完全图:任意两个不同顶点之间都有边的简单图
- 图 G 的补图记作 G
12.4 顶点的度
无向图
顶点 v 的度记作:
deg(v)
图的最大度、最小度分别记作:
Δ(G),δ(G)
有向图
- 入度:deg−(v)
- 出度:deg+(v)
12.5 握手定理
无向图中:
v∈V∑deg(v)=2∣E∣
因此奇度顶点个数必为偶数。
有向图中:
v∈V∑deg−(v)=v∈V∑deg+(v)=∣E∣
12.6 图的同构
两个图 G,G′ 同构,记作:
G≅G′
若存在顶点之间的双射,使得邻接关系保持不变。
判断图同构时,可比较:
13. 图的矩阵与通路
13.1 邻接矩阵
设图的邻接矩阵为:
A=(aij)n×n
则:
- aij 表示 vi 与 vj 是否邻接
- 对有向图,表示从 vi 到 vj 是否有弧
13.2 通路数
矩阵幂:
Am=(aij(m))
则 aij(m) 表示从 vi 到 vj 长度为 m 的通路条数。
特别地:
- aii(m) 表示长度为 m 的回路数
- ∑iaii(m) 表示长度为 m 的回路总数
13.3 可达性矩阵
若从 vi 到 vj 可达,则称 vi 可达 vj。
布尔意义下,可达矩阵可写为:
P=I+A+A(2)+⋯+A(n−1)
这里运算采用布尔加法和布尔乘法。
14. 图的连通性
14.1 无向图的连通性
点割集与边割集
- 点割集:删去后使连通分支数增加的顶点集
- 边割集:删去后使连通分支数增加的边集
点连通度与边连通度
- 点连通度:K(G)
- 边连通度:λ(G)
若 K(G)≥k,则称为 k-连通图。
若 λ(G)≥k,则称为 k-边连通图。
14.2 有向图的连通性
强连通分支是极大的强连通子图。
15. 树
15.1 基本定义
- 树:连通且无回路的无向图
- 森林:每个连通分支都是树
15.2 树的等价特征
树有多个常见等价定义,例如:
- 连通且无回路
- 无回路且有 n−1 条边
- 连通且有 n−1 条边
- 任意两点之间有且仅有一条简单通路
15.3 根树与 k 元树
- 根树中有根、父子、祖先后代、兄弟、叶结点等概念
- 每个结点儿子数至多为 k 的根树称为 k 元树
- 每个分支点恰有 k 个儿子的称为满 k 元树
对满 k 元树有公式:
(k−1)×分支点数=叶子数−1
16. 欧拉图与哈密顿图
16.1 欧拉图
- 欧拉通路:经过每条边恰好一次的通路
- 欧拉回路:经过每条边恰好一次的回路
无向图中:
- 有欧拉回路 ⟺ 所有顶点度数均为偶数
- 有欧拉通路 ⟺ 奇度顶点数为 0 或 2
16.2 哈密顿图
- 哈密顿通路:经过每个顶点恰好一次的通路
- 哈密顿回路:经过每个顶点恰好一次的回路
常见判定条件:
-
必要条件之一:
对任意顶点子集 V1,若图有哈密顿回路,则
p(G−V1)≤∣V1∣
-
充分条件(Ore 条件):
对任意不相邻顶点 u,v,若
deg(u)+deg(v)≥n
则图有哈密顿回路。
若
deg(u)+deg(v)≥n−1
则常可推出存在哈密顿通路。
17. 二分图与匹配
17.1 二分图
若顶点集可划分为两个不交子集 V1,V2,满足每条边的两个端点分别属于 V1,V2,则称该图为二分图。
记作:
⟨V1,E,V2⟩
17.2 完全二分图
若 V1 中每个顶点都与 V2 中每个顶点相邻,则称为完全二分图,记作:
Km,n
17.3 匹配
- 匹配:任意两条边不共享端点
- 完全匹配:覆盖一侧或全部顶点的匹配
- 最大匹配:边数最多的匹配
判定完全匹配的重要工具是 Hall 定理。
18. 平面图
18.1 平面图定义
若无向图可画在平面上,使边除了在公共端点外不相交,则称为平面图。
18.2 欧拉公式
对连通平面图:
n−m+r=2
其中:
18.3 推论
对于 n≥3 的简单连通平面图:
m≤3n−6
若图中不含长度为 3 的回路,则:
m≤2n−4
18.4 同胚与收缩
- 同胚:通过反复插入或消去 2 度顶点得到
- 边收缩:删去边并合并其两个端点
18.5 Kuratowski 定理
图是平面图,当且仅当它不包含与 K5 或 K3,3 同胚的子图。
19. 易错点整理
19.1 集合与基数
- ∅ 和 {∅} 不同
- ∣P(A)∣=2∣A∣
19.2 命题逻辑
- P→Q 只有在 P 真、Q 假时为假
- P↔Q 表示充要条件
19.3 谓词逻辑
- 注意自由变元与约束变元
- 量词移位时要防止变元冲突
- “对所有存在”与“存在对所有”不可随意交换
19.4 关系
- R−1 是逆关系,不是补关系
- 反对称不是 R∩R−1=∅
- 传递性的矩阵判定是 R∘R⊆R
19.5 函数
(g∘f)(x)=g(f(x))
19.6 图论
- 握手定理:无向图总度数等于边数的 2 倍
- 欧拉图看“边”
- 哈密顿图看“点”
- 平面图判定重点:欧拉公式、K5、K3,3
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