第一讲集合与容斥原理数学是一门非常迷人的学科，久远的历史，勃勃的生机使她发展成为一棵枝叶茂盛的参天大树，人们不禁要问：这根大树到底扎根于何处？为了回答这个问题，在19世纪末，德国数学家康托系统地描绘了一个能够为全部数学提供基础的通用数学框架，他创立的这个学科一直是我们数学发展的根植地，这个学科就叫做集合论。

它的概念与方法已经有效地渗透到所有的现代数学。

可以认为，数学的所有内容都是在“集合”中讨论、生长的。

集合是一种基本数学语言、一种基本数学工具。

它不仅是高中数学的第一课，而且是整个数学的基础。

对集合的理解和掌握不能仅仅停留在高中数学起始课的水平上，而要随着数学学习的进程而不断深化，自觉使用集合语言(术语与符号)来表示各种数学名词，主动使用集合工具来表示各种数量关系。

如用集合表示空间的线面及其关系，表示平面轨迹及其关系、表示方程(组)或不等式(组)的解、表示充要条件，描述排列组合，用集合的性质进行组合计数等。

集合的划分反映了集合与子集之间的关系，这既是一类数学问题，也是数学中的解题策略——分类思想的基础，在近几年来的数学竞赛中经常出现，日益受到重视，本讲主要介绍有关的概念、结论以及处理集合、子集与划分问题的方法。

1．集合的概念集合是一个不定义的概念，集合中的元素有三个特征：（1）确定性设A是一个给定的集合，a是某一具体对象，则a或者是A的元素，或者不是A的元素，两者必居其一，即a∈A与a∉A仅有一种情况成立。

（2）互异性一个给定的集合中的元素是指互不相同的对象,即同一个集合中不应出现同一个元素.（3）无序性2．集合的表示方法主要有列举法、描述法、区间法、语言叙述法。

常用数集如：R,,应熟记。

N,ZQ3．实数的子集与数轴上的点集之间的互相转换，有序实数对的集合与平面上的点集可以互相转换。

对于方程、不等式的解集，要注意它们的几何意义。

4．子集、真子集及相等集（1）A⊆⇔B A⊂B或A＝B；（2）A⊂B⇔A⊆B且A≠B；（3）A＝B⇔A⊆B且A⊇B。

5．一个n阶集合（即由个元素组成的集合）有n2个不同的子集，其中有n2－1个非空子集，也有n2－1个真子集。

6．集合的交、并、补运算x∈}A B={A|且Bx∈xx∈}A B={A|或Bxx∈x∉}A∈{且A=|Ixx要掌握有关集合的几个运算律：（1）交换律A B＝B A，A B＝B A；（2）结合律A （B C）＝（A B） C，A （B C）＝(A B) C；（3）分配律 A （B C ）＝（A B ） （A C ） A （B C ）＝ (A B ) （A C ）（4）0—1律 A ∅＝A ，A I ＝A A I ＝I ，A ∅＝∅ （5）等幂律 A A ＝A ，A A ＝A（6）吸收律 A (A B )＝A ，A （A B ）＝A （7）求补律 A A ＝I ，A A ＝∅ （8）反演律 B A B A B A B A ==, 7．有限集合所含元素个数的几个简单性质 我们把有限集合A 的元素个数记作card (A) 可以证明：(1) card (A∪B)＝card (A)＋card (B)－card (A∩B)； (2) card (A∪B∪C)=card (A)+card (B)+card (C)-card (A∩B)-card (A∩C)-card (B∩C) +card (A∩B∩C) 8．映射、一一映射、逆映射（1）映射 设A 、B 是两个集合，如果按照某种对应法则f ，对于集合A 中的任何一个元素，在集合B 中都有唯一的元素和它对应，这样的对应叫做从集合A 到集合B 的映射，记作f ：A →B 。

上述映射定义中的A 、B ，可以是点集，数集，也可以是其他集合。

和A 中元素a 对应的B 中的元素b 叫做a （在f 下）的象，a 叫做b 的原象。

A 中的任何一个元素都有象，并且象是唯一的。

（2）一一映射 设A 、B 是两个集合，f ：A →B 是从集合A 到集合B 的映射，如果在这个映射的作用下，对于集合A 中的不同元素，在集合B 中有不同的象，且B 中的每一个元素都有原象，那么这个映射叫做A 到B 上的一一映射。

（3）逆映射 设f ：A →B 是集合A 到集合B 上的一一映射，如果对于B 中的 每一个元素b ，使b 在A 中的原象a 和它对应，这样所得映射叫做映射f ：A →B 的逆映射，记作1-f：B →A 。

注意：只有一一映射，才有逆映射。

要能够根据这三个概念的定义，准确地判断一个给定的对应是不是映射，是不是一一映射，并能求出一一映射的逆映射。

一、 集合中待定元素的确定例4．已知集合M ＝{x ，xy ，lg(xy )}，S ＝{0，∣x ∣，y }，且M ＝S ，则(x ＋1y)＋(x 2＋21y)＋……＋(x 2004＋20041y)的值等于( )，(据1987年全国高中数学联赛试题改编)。

分析：解题的关键在于求出x 和y 的值，而x 和y 分别是集合M 与S 中的元素。

这一类根据集合的关系反过来确定集合元素的问题，要求我们要对集合元素的基本性质即确定性、异性、无序性及集合之间的基本关系(子、全、补、交、异、空、等)有本质的理解，对于两个相等的有限集合(数集)，还会用到它们的简单性质： (a) 相等两集合的元素个数相等； (b) 相等两集合的元素之和相等； (c) 相等两集合的元素之积相等；对于本题，还会用到对数、绝对值的基本性质。

解：由M ＝S 知，两集合元素完全相同。

这样，M 中必有一个元素为0，又由对数的性质知，0和负数没有对数，所以xy ≠0，故x ，y 均不为零，所以只能有lg(xy )＝0，从而xy ＝1 ∴M＝{x ，1，0}，S ＝{0，∣x ∣，1x}再由两集合相等知||11x x x =⎧⎪⎨=⎪⎩ 或11||x x x ⎧=⎪⎨⎪=⎩当x ＝1时，M ＝{1,1，0}，S ＝{0,1，1}，这与同一个集合中元素的互异性矛盾，故x ＝1不满足题目要求；当x ＝－1时，M ＝{－1,1，0}，S ＝{0,1，－1}，M ＝S ，从而x ＝－1满足题目要求，此时y ＝－1，于是21211k k x y +++＝－2(k ＝0,1，2，……)，221k k x y+＝2(k ＝1,2，……)故所求代数式的值为0例5．设A ＝{x ∣x 2+ax +b =0} B ＝{x ∣x 2+cx +15=0} 若A∪B＝{3,5}，A∩B＝{3}，求a ,b ,c 。

分析：由方程的根的定义及一元二次方程的根与系数的关系(韦达定理)，结合∩、∪的概念入手，可以寻得解题的突破口。

解：由A∩B＝{3} 知3∈B,由韦达定理知c =-8此时，B ＝{3,5}＝A∪B又由A∩B＝{3}知5A ；而(A∩B)A (A∪B)，故A ＝{3}，即二次方程x 2＋ax +b ＝0有二等根x 1＝x 2＝3，根据韦达定理，有x 1＋x 2＝6＝－a ，x 1x 2＝9＝b所以，a ＝－6，b ＝9，c ＝－8 二、集合与元素之间的关系遇到集合问题，首先要弄请：集合里的元素是什么。

集合学习中，新名词新概念多。

如集合、元素、有限集、无限集、列举法、描述法、子集、真子集、空集、非空集合、全集、补集、交集、并集等。

新关系新符号多，如属于、不属于、包含、包含于、真包含、真包含于、相等、不相等、相交、相并、互补(∈、、、、N 、N ※、Z 、Q 、R 、∩、∪、C S A 、I 、＝、≠……)等，这些新概念新关系，多而抽象。

在这千头万绪中，应该抓住“元素”这个关键，因为集合是由元素确定的，“子、全、补、交、并、空”等集合也都是通过元素来定义的。

集合中元素的特征即“确定性”，“互异性”、“无序性”也就是元素的性质。

集合的分类(有限集与无限集)与表示方法(列举法与描述法)也是通过元素来刻画的。

元素是集合的基本内核，研究集合，首先就要确定集合里的元素是什么。

1．设A ＝{a |a ＝22y x -,Z y x ∈,}，求证：（1）12-k ∈A (Z k ∈)； （2）)( 24Z k A k ∈∉-分析：如果集合A ＝{a |a 具有性质p }，那么判断对象a 是否是集合A 的元素的基本方法就是检验a 是否具有性质p 。

解：（1）∵k ,1-k ∈Z 且12-k ＝22)1(--k k ,故12-k ∈A ； （2）假设)( 24Z k A k ∈∈-，则存在Z y x ∈,，使24-k ＝22y x - 即)12(2))((-=+-k y x y x (*)由于y x -与y x +具有相同的奇偶性，所以（*）式左边有且仅有两种可能：奇数或4的倍数，另一方面，（*）式右边只能被4除余2的数，故（*）式不能成立。

由此，)( 24Z k A k ∈∉-。

2．设集合A ＝（－3，2）。

已知N y x ∈,，x ＞y ,x y y x 191933+=+,判断 a ＝)(log21y x +与集合A 的关系。

分析：解决本题的关键在于由已知条件确定y x +的取值范围，从而利用对数函数的单调性确定a ＝)(log21y x +的范围。

解：因为)(1933y x y x -=-且N y x ∈,，x ＞y ，所以x x +2＜222319x yxy x <=++由此及N x ∈得x =3,从而y =2. 所以－3＜a ＝25log)23(log 2121-==+,即a ∈A 。

3．以某些整数为元素的集合P 具有下列性质：①P 中的元素有正数，有负数；②P 中的元素有奇数,有偶数；③－1∉P ；④若x ，y ∈P ,则x ＋y ∈P 试判断实数0和2与集合P 的关系。

解：由④若x ，y ∈P ,则x ＋y ∈P 可知，若x ∈P ，则)( N k P kx ∈∈ （1）由①可设x ，y ∈P ，且x ＞0，y ＜0，则－y x ＝|y |x (|y |∈N ) 故x y ,－y x ∈P ,由④,0＝(－y x )+x y ∈P 。

（2）2∉P 。

若2∈P ，则P 中的负数全为偶数，不然的话，当－（12+k ）∈P （N k ∈）时，－1＝（－12-k ）＋k 2∈P ，与③矛盾。

于是，由②知P 中必有正奇数。

设),( 12,2N n m P n m ∈∈--，我们取适当正整数q ，使12|2|->-⋅n m q ，则负奇数P n qm ∈-+-)12(2。

前后矛盾。

4．设S 为满足下列条件的有理数的集合：①若a ∈S ，b ∈S ，则a +b ∈S ，S ab ∈；②对任一个有理数r ，三个关系r ∈S ，－r ∈S ，r ＝0有且仅有一个成立。

证明：S 是由全体正有理数组成的集合。

证明：设任意的r ∈Q ，r ≠0,由②知r ∈S ，或－r ∈S 之一成立。