例题 01 结果属于另一集合,还要排除目标集合
题目
已知集合,且,则( )
A. B. C. D.
答案与解析
解析
设 ,其中 分别为整数。
A:,新参数 为整数,故 ,与选项“不属于”相反。
B:,新参数 为整数,故 ,该项也错。
C:,,所以对任意原输入都在 ,正确。
D:,但仅此不能否定在 。补证:若 且 ,则整数 ,不可能,故确实不在 。原解从属于 直接断不在 ,这里补齐了必要理由。
本题结论
选 C。
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新定义题不是另背一套名称,而是把量词、对象范围和可用规则逐条拆开。证明一个新成员从哪里来,证明任意成员为什么都满足,再分清“必有、最少、全部”三个不同结论。
“对任意成员都成立”约束所有已有成员,不自动保证存在一个成员。集合非空或题目明确给了某成员,才可取它作为证明起点。反驳全称断言只需一个合法反例;证明全称断言必须覆盖全部允许输入。
若对象是集合类,层次更要分清:A⊆Ω 且 Ω={M∣M⊆U},A 的成员是 U 的子集。U=∅ 不保证 A=∅;A=∅ 表示没有成员,而 ∅∈A 表示空子集是它的一个成员,后者才意味着 A 非空。空类对“任意 M∈A”的规则没有反例,但不满足“存在一个 M∈A”。
设两个独立成员时各用独立参数。a=3k−1、b=3j+1 中 k,j∈Z,不能因原集合都写过字母 k 就要求两参数相等。把结果改写成目标形式后,要指出新参数为何仍在指定范围;整数加减仍是整数,却未必仍为自然数。
例如
M={2m+31∣m∈Z},N={n−32∣n∈Z},P={p+31∣p∈Z}.
任取 N 成员,令 p=n−1 就是 P 成员;反过来任取 P 成员,令 n=p+1 就回到 N,两个新参数都为整数,故 N=P。M 成员取 p=2m 能进 P,但 4/3∈P=N 若属于 M 会要求 m=1/2,不是整数。因此 M⊊N=P。
改写一个方向只能证明包含;真包含还需一个额外成员。三个集合都无限,不靠粗数成员个数或列几个值判断。类似地,证明结果属于 B 不自动证明不属于 A,还须排除二者可能的交叠。
“若 x,y∈A,则运算结果在 A”要求使用时两个输入已经在 A。如果没有限制 x=y,可以令两输入相同;若有不同限制,就不能借自己减自己生成 0。
两种倒数规则不能混读:
证明“任意 x 的某式也在集合”时,若过程要除以 x 或 x−1,先单列 x=0,1,证明原目标,再处理其他值。不能删去原题允许的值,也不能用未证加法、乘法来证明它本身。
如已知 0 和减法封闭,可先得 −y=0−y,再得 x+y=x−(−y);这才是从原规则构造出加法。式子代数上等于某乘积,不表示可以预先使用乘法封闭,必须追踪该数由哪些已允许步骤产生。
从给定成员反复应用规则,得到的集合 S 首先只是 S⊆A。次数不能当成员数,须核实际数值互异。第一次回到起点仅说明这条链封闭,不排除别的闭合链存在。
求最少成员数须两面:任何合格 A 都含这些不同成员,给下界;只含这些成员的候选本身满足原全部规则,给可取性。只有题设最小性、明确个数或其他排除条件,才可说 A=S。
对 T(a)=1/(1−a),规则若对每个成员都要求合法,1 不能在 A;若 0∈A,又会生成 T(0)=1,同样矛盾,所以 0 也不能在 A。一元规则可逐成员检查,两个各自封闭的循环并在一起仍封闭;二元规则可能混合不同循环的输入,不能照搬这个结论。
交集输入同时在两边,分别用两边规则就使结果仍在两边,因而仍在交集。但若新定义要求非空,还须另外找共同成员:非空加减封闭集合都有 t−t=0;非空且每个成员可倒数、又可相乘的集合都有 t(1/t)=1。
并集输入可能来自不同边,不能在某一边冒用二元规则。反例须先证两边各自满足完整定义,再给混合输入产生并集外对象。
某些规则可证明“并集封闭当且仅当两边有包含关系”,关键是能由混合结果还原另一个成员:加法后减去一项,或乘法后乘一项的倒数。若没有这样的逆运算规则,不可套这条结论。充要条件两方向分别证明;两个任意真子集的并也不一定仍是真子集,相关结论依赖特殊封闭规则。
先查不含参数的固定成员对;其中已有反例,参数不能修复。再对每个含参数的合法成员对列原式:对称条件每对一次,有方向的条件要核两个次序;有“不同成员”限制时,重合值不构成待检的不同成员对。
集合列举无序。通用定义允许把成员编号为 a1<⋯<an,不代表后写的 {2,3,5,m} 自动有 m>5。绝对值按实际大小分支,乘除不等式先核系数符号;同一对的不同分支取并,不同成员对的限制取交,再加入数域和重合分支。求最小值必须回代并证明能取到,不能把未取到的下界叫最小值。
每个输入按定义设参,展开后明确目标参数及其数域。否定目标归属时,假设存在目标参数,再推不可能条件;不同集合名称不能代替不交证明。
题目
已知集合A={x∣x=3k−1,k∈Z},B={x∣x=3k+1,k∈Z},C={x∣x=3k,k∈Z},且a∈A,b∈B,c∈C,则( )
A.2a∈/B B.2b∈/A C.a+b∈C D.b+c∈A
解析
设 a=3k−1,b=3j+1,c=3r,其中 k,j,r 分别为整数。
A:2a=6k−2=3(2k−1)+1,新参数 2k−1 为整数,故 2a∈B,与选项“不属于”相反。
B:2b=6j+2=3(2j+1)−1,新参数 2j+1 为整数,故 2b∈A,该项也错。
C:a+b=3(k+j),k+j∈Z,所以对任意原输入都在 C,正确。
D:b+c=3(j+r)+1∈B,但仅此不能否定在 A。补证:若 3(j+r)+1=3s−1 且 s∈Z,则整数 s−j−r=2/3,不可能,故确实不在 A。原解从属于 B 直接断不在 A,这里补齐了必要理由。
本题结论
选 C。
先列合法起点,再逐步注明使用哪条规则。要证明一个全称新结论,过程也从任意允许输入出发;反驳时挑已经证明合法的输入,不借未给成员。
题目
非空集合A具有如下性质:①若x,y∈A,则yx∈A;②若x,y∈A,则x+y∈A下列判断中,错误的是( )
A.−1∈/A B.20232022∈A
C.若x,y∈A,则xy∈A D.若x,y∈A,则x−y∈A
解析
商规则对任意成员作分母,故 0∈/A。A 非空,取 t∈A,可让两输入同为非零 t,得到 t/t=1∈A。
A:若 −1∈A,与已证 1 相加得到 0∈A,矛盾,所以该断言正确。
B:从 1 用加法有限次生成任意正整数,特别有 2022,2023∈A;后者非零,再取商得 2022/2023∈A,正确。
C:任取 x,y∈A,先由 1 与非零 y 得 1/y∈A,且这个倒数也非零,再用商得 x/(1/y)=xy∈A,正确。不是预先假定乘法。
D:已证 1,2∈A,但 1−2=−1∈/A,所以差未必在 A;也可用 1−1=0∈/A。题目问错误,选 D。
规则并不矛盾,例如所有正有理数构成一个非空、商与加法封闭的集合;这只验证存在合格集合,不把 A 唯一确定为它。
本题结论
选 D。
题目
已知M是满足下列条件的集合:①0∈M,1∈M;②若x,y∈M,则x−y∈M;③若x∈M且x=0,则x1∈M.
(1)判断21∈M是否正确,并说明理由;
(2)证明:若x,y∈M,则x+y∈M;
(3)证明:若x∈M,则x2∈M.
解析
(1)由差规则先得 0−1=−1∈M,再得 1−(−1)=2∈M。2=0,倒数规则给 1/2∈M,判断正确。
(2)任取 x,y∈M,先由 0−y=−y∈M,再由 x−(−y)=x+y∈M。这里加法是两次差构造出来的,不要求输入非零。
(3)先处理 x=0,1:平方分别仍为题给成员 0,1。以下设 x=0,1。由差规则 x−1∈M 且非零,所以 1/(x−1),1/x 均在 M。两者相减:
x−11−x1=x(x−1)x−(x−1)=x(x−1)1∈M.
该值非零,可再取倒数得 x(x−1)∈M;用(2)已证加法与 x∈M,得 x(x−1)+x=x2∈M。连同特殊两支才覆盖全部成员。
原解勘误与另一修法。 原顺序 1/x−1/(x−1) 实为 −1/[x(x−1)],不是正分数;沿原顺序可先取倒数得 −x(x−1),再用 0 减它变号,最后加 x。两条修法都合法,但都必须先排开 x=0,1 再补它们的目标。原式的负号不能静默忽略。
本题结论
(1)正确;(2)加法归属成立;(3)所有 x∈M 的平方均在 M。
沿一元规则连续生成,逐步核分母,回到起点后检查各值是否不同。要答“至少几个”,再证明这个有限候选自身闭合;要答“全部成员”,则先检查题目有没有唯一性依据。
题目
集合A中的元素是实数,且满足条件①若a∈A,则1−a1∈A,②2∈A,求:
(1)A中至少有几个元素?
(2)若条件②换成3∈A,A中至少含有的元素是什么?
(3)请你设计一个属于A的元素,求出A中至少含有的其他元素.
解析
记 T(a)=1/(1−a),规则已排除 0,1 成为成员。
(1)2↦−1↦1/2↦2,分母依次为 −1,2,1/2,均非零。三值互异,所以至少三成员;{2,−1,1/2} 每个成员经 T 都留在该集合,确实合格,最少三可以实现。
(2)换 3 作起点,有 3↦−1/2↦2/3↦3,分母为 −2,3/2,1/3,均合法,所以必含这三个互异值。这只给包含,不断言只有三值。
(3)采用原解所设计的 4,有 4↦−1/3↦3/4↦4,分母 −3,4/3,1/4 均非零,故除 4 之外至少还有 −1/3,3/4。此设计沿原题原解,不另造题目。
本题结论
(1)最少 3 个;(2)必有 3,−1/2,2/3;(3)选 4,另必有 −1/3,3/4。
交集先生成共有成员,再对任意交集输入同时使用两边规则。并集反例先验两边各自合格;证明充要条件或并集不能覆盖全集,分别处理包含和互不包含,再用逆运算还原造成矛盾。
题目
已知集合A是实数集R的非空子集,若∀x,y∈A,x+y∈A,x−y∈A,则称集合A为闭集合.
(1)若集合A,B均是闭集合.求证:A∩B是闭集合;
(2)若集合A,B均是闭集合.集合A∪B一定是闭集合吗?如果是请证明,如果不是请举出反例;
(3)若A,B均是闭集合,且A,B都是R的真子集.求证:存在常数c∈R,但c∈/A∪B.
解析
(1)先补非空:A 非空取 a,差规则给 a−a=0∈A;B 同理含 0,故交集非空。任取 x,y∈A∩B,在 A 中用规则得 x+y,x−y∈A,在 B 中又得二者在 B,所以都在交集。对象仍是实数,定义各项均满足。
(2)不一定。取 A={2k∣k∈Z}、B={3k∣k∈Z}。两边均含 0;两个偶数的和差是 2(r±s),两个 3 的倍数的和差是 3(u±v),整数参数保持合法,故各自闭合。但 2∈A,3∈B,2+3=5 不在任一边,并集不闭。
(3)若 A⊆B,并集等于真子集 B,按真包含定义可取实数 c∈/B;反向包含同理。若互不包含,可取 x∈A∖B、y∈B∖A,令 c=x+y∈R。
若 c∈A,由 c,x∈A 及减法得 y=c−x∈A,矛盾;若 c∈B,同理得 x=c−y∈B,矛盾。所以 c∈/A∪B。此处用到了减法还原,不是“两个任意真子集并起来都不满”的通用结论。
本题结论
(1)是闭集合;(2)不一定;(3)存在所需实数 c。
题目
非空数集A⊆R,同时满足如下两个性质:(1)若a,b∈A,则ab∈A;(2)若a∈A,则a1∈A.则称A为一个“封闭集”,以下叙述:
①若A为一个“封闭集”,则1∈A;
②若A为一个“封闭集”且a,b∈A,则ba∈A;
③若A,B都是“封闭集”,则A∩B是“封闭集”的充要条件是A⊆B或B⊆A;
④若A,B都是“封闭集”,则A∪B是“封闭集”的充要条件是A⊆B或B⊆A.
正确的是( )
A.①③④ B.①②③④ C.①②③ D.①②④
解析
本题每个成员都须有倒数,故 0 不在集合。非空可取 a=0,由倒数与乘法得 a(1/a)=1∈A,①真。任取 a,b∈A,b=0,先得 1/b∈A 再乘 a,所以 a/b∈A,②真。
③交集其实总是封闭集:两边都有 1,交集非空;任取交集中的输入,在两边分别用乘法或倒数,结果都同时在两边。包含关系不是必要条件。
原解以 {1/2,1,2}、{1/3,1,3} 作反例,但前者不含 2×2=4,后者不含 3×3=9,根本不是封闭集。合法修复可取 A=(0,+∞)、B={−1,1}。正数的积、倒数仍正;B 四种乘积与两个倒数都在 B,两者非空合格。2 在 A 不在 B,−1 在 B 不在 A,互不包含;交集 {1} 仍封闭,确实反驳③必要性。
④充分性:若一边包含另一边,并集等于较大封闭边。
必要性:设 C=A∪B 封闭,若互不包含,取 a∈A∖B,b∈B∖A,均非零。由 C 乘法得 ab∈C。若 ab∈A,与 1/a∈A 相乘得到 b∈A,矛盾;若 ab∈B,与 1/b∈B 相乘得到 a∈B,也矛盾。故必须有包含关系,④真。
①②④全真,③假,D 恰列全部正确项;其他选项均含假③,A 还漏②,C 还漏④。原答案 D 不变,但原非法反例必须纠正。
本题结论
选 D。
固定成员先验,再写含参数的每对绝对值条件,按大小分支。参数与已有成员重合的情况按实际基数及“不同成员”限定另判,最后对最小候选回代全部成员对。
题目
已知集合A={a1,a2,a3⋯an}⊆N∗,其中n∈N且n≥3,a1<a2<a3<⋯<an,若对任意的x,y∈A(x=y),都有∣x−y∣≥kxy,则称集合A具有性质Mk,若集合A={2,3,5,m}具有性质M8,则m的最小值为 .
解析
固定对 (2,3),(2,5),(3,5) 的绝对差分别为 1,3,2,右侧为 3/4,5/4,15/8,均满足。
若 m 不同于 2,3,5,对每个 t∈{2,3,5} 要 ∣m−t∣≥tm/8。m 为正整数:小分支 m≤t 给 8(t−m)≥tm,即 m≤8t/(8+t);大分支 m≥t 给 (8−t)m≥8t,这里 8−t>0,得 m≥8t/(8−t)。
| 固定成员 | 两支范围 |
|---|---|
| 2 | m≤8/5 或 m≥8/3 |
| 3 | m≤24/11 或 m≥24/5 |
| 5 | m≤40/13 或 m≥40/3 |
同时满足三行并限正整数及不重合:与 5 的条件把小分支限在 1,2,3,排重后仅 1;大分支从 14 起且通过另两行。因此得 m=1 或整数 m≥14。
若 m=2,3,5,实际集合仅为 {2,3,5},有三个成员,仍符合通用定义 n≥3;同值不构成要求检查的不同成员对。所以完整参数集为 {1,2,3,5}∪{14,15,16,…}。
最小值 1 可取:新添的三个不同对 (1,2),(1,3),(1,5) 的差为 1,2,4,右侧分别 1/4,3/8,5/8,全通过;固定三对已验,六对完整。正整数没有更小值,故最小为 1。即使另要求四个不同成员,1 仍合格。
原答案 14 的条件缺口。 通用编号有序不等于具体列举的 m 是最大值,原解“不妨设 m≥6”无根据。只有另加 m>5,才全用大分支,得 m≥40/3,正整数最小 14。回代差 12,11,9 分别不小于 7/2,21/4,35/4,它确可取,但不是现题干全范围的最小值。
本题结论
按现题干最小值 1;另加 m>5 才为原答案 14。
把必有成员写成全部成员,是结论强度被偷偷扩大。先证明候选最小,再给更大合格集合检验唯一性;一元规则的两条闭合链合并即可提供严格反例。
题目
已知数集A满足条件:当a∈A时,1−a1∈A,若2∈A,则A中所有元素组成的集合是 .
解析
设 r=2,1<r<2。逐次用 T(a)=1/(1−a):
T(r)=1−r1=1−r21+r=−1−r,
T(−1−r)=2+r1=4−r22−r=1−2r,T(1−r/2)=r2=r.
分母均非零。三值分别大于 1、小于 0、在 (0,1),互异且都不是 1。因此 S={r,−1−r,1−r/2} 必包含于 A,且 S 自身在 T 下封闭,是含 r 的最小封闭集合。
但原题未说最小或恰有三成员。另一条合法循环 C={2,−1,1/2} 在 T 下封闭;其各值与 S 对应符号区间内的值不同,两个集合不重合。S 与 S∪C 都含 r 且逐成员满足原规则,后者多三成员。因此无法唯一确定全部 A。
原答案的三值作为“必有成员”或“最小封闭集合”正确,作为现题干的唯一全部成员不成立。不能为了使原答案成立而悄悄补最小性。
本题结论
全部成员不能唯一确定;原三值构成必有的最小封闭集合。
底层 U 非空与集合类 A 非空是不同条件。对空类,全称封闭规则可以成立,存在结论却失败。原题的每个小问分别核,不能因一个存在结论错误就把另一个全称结论也否定。
题目
对于非空集合U,记Ω={x∣x⊆U}.若集合A⊆Ω,且满足如下两个条件:①对任意的M,N∈A,有M∪N∈A;②对任意的M∈A,有∁UM∈A.则称集合A为集合U的一个“完美子集类”.
(1)若集合U={1,2,3},试写出集合U的所有“完美子集类”;
(2)已知A是集合U的一个“完美子集类”,证明:
(Ⅰ)∅∈A;
(Ⅱ)对任意的M,N∈A,有M∩N∈A.
解析
原题只规定 U=∅,未规定 A=∅。空类 A=∅ 是 Ω 的子集,两个全称规则都没有反例,因此按现定义合格。
(1)除空类外,五个非空类为
{∅,U},{∅,{1},{2,3},U},{∅,{2},{1,3},U},{∅,{3},{1,2},U},Ω.
连同空类共六类。Ω 是含全部八个子集的集合类,不是空类,亦不是只有空子集的单成员类。
证明列全。 非空 A 可先取 M0∈A,补规则给 ∁UM0∈A,并规则给 U∈A,再补得到 ∅∈A。其余六个非平凡子集配成三对互补对:{1} 与 {2,3}、{2} 与 {1,3}、{3} 与 {1,2}。选一边必须选另一边。
不选任何对得 {∅,U};恰选一对给三种四成员类,它们取补仍在类内,两个非平凡互补成员并为 U,与空或 U 作并也合法,确实合格。若选至少两对,就含两个不同单成员子集,将它们并起来再补得到第三个单成员子集,再补得到它的配对,故三对全入,类为 Ω。Ω 与空类均满足规则,六类不漏不重。
(2)(Ⅰ)按现题干不成立:取空类即有 ∅∈/A。若另加 A 非空,上面由 M0 生成 U 再补的过程才是完整证明。原解五类及(Ⅰ)暗用了这一额外前提。
(Ⅱ)仍成立。任给 M,N∈A,补规则得到两个 U 补集在 A,并规则得到它们的并在 A,再补规则得到
∁U((∁UM)∪(∁UN))∈A.
任取 u∈U,它在这个补并的补中,当且仅当不在补 M 且不在补 N,当且仅当在 M 且在 N,正是 M∩N。两个集合均在 U 内,归属双向一致,所以 M∩N∈A。空类时没有可违例的 M,N,此全称结论同样成立。
原证明两处把“不在并集”的连接词误写“或”,应为“且”;原列举最后一类还缺分隔逗号,此处用 Ω 明确表示全部八子集。不能把这两个文字/逻辑错误与非空前提缺口混成一件事。
本题结论
(1)按现定义共六类;(2)Ⅰ 不成立,须另加 A=∅;Ⅱ 成立。