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miércoles, 1 de febrero de 2012

Álgebra de conjuntos.

      1. Conjuntos.

Entenderemos por conjunto una colección o familia de objetos a los que denominaremos elementos. Habitualmente los conjuntos se simbolizan mediante letras mayúsculas, y sus elementos con minúsculas. Se a es un elemento del conjunto A, diremos que pertenece a A y escribiremos:
a ∈ A
Un conjunto A queda totalmente determinado si se conocen todos sus elementos. Existen básicamente dos formas de especificar un conjunto:
§  Por extensión o enumeración: Refiriendo todos sus elementos, que se escriben entre llaves y separados por comas. Por ejemplo, el conjunto A formado por las letras vocales se puede escribir como:
A = {a, e, i, o, u}.

§  Por comprensión: Dando la propiedad (o propiedades) que caracteriza a los elementos del conjunto. Para el caso anterior, escribiremos:
A = {x: x es una letra vocal}.


Ejemplos 1.1. Algunos conjuntos numéricos son
1.       El conjunto de los números naturales,
N = {0, 1, 2,. . .}
2.       El conjunto de los números enteros,
Z = {. . ., −2,1, 0, 1, 2,. . .}
3.       El conjunto de los números racionales,
Q = { m/n: m, n Z, n 0}
4.       El conjunto de los números reales,
R

5.       El conjunto de los números complejos,
C = {a + bi : a, b R}.

A veces resulta posible determinar el número de elementos de un conjunto A. Diremos entonces que el conjunto es finito y representaremos por |A| este número. En otro caso diremos que el conjunto es infinito.

      2.  Subconjuntos.

Diremos que un conjunto B es subconjunto de un conjunto A o que B esta contenido en A, si todos los elementos de B son a su vez elementos de A, es decir,
b B b A.
En tal caso escribiremos B A.
Cualquier conjunto A es subconjunto de sı mismo, al que se llama subconjunto impropio. El resto de subconjuntos se dicen propios.
Diremos que dos conjuntos A y B son iguales, y escribimos A = B, si
B A y A B,
o lo que es lo mismo, si ambos poseen los mismos elementos.
En caso contrario diremos que los conjuntos A y B son distintos, y lo denotaremos por A ≠ B.
Escribiremos A B para indicar que A B y A ≠ B.
Para un conjunto numérico cualquiera A, representaremos por A al subconjunto de A formado por todos los elementos de A a excepción del cero. Igualmente, A+ representa al subconjunto de A formado por los elementos no negativos y A− al de los elementos no positivos.
Ejemplo 1.2. Se tiene la siguiente cadena de inclusiones, para los conjuntos numéricos conocidos:
N Z Q R C.
Es importante observar que la relación de inclusión tiene sentido exclusivamente entre conjuntos, y la de pertenencia solo entre un elemento y un conjunto.
Así por ejemplo, dado el conjunto A formado por las letras vocales, escribiremos que {a} A y sin embargo pondremos a A.
Definición 1.1 (Conjunto Universal). Cuando se trabaja con conjuntos, se llama conjunto universal a
un conjunto tal que tiene como subconjuntos a todos los conjuntos en consideración. Lo denotaremos por
U. El conjunto universal puede variar de unas ocasiones a otras, dependiendo de la colección de conjuntos con que estemos trabajando.
Definición 1.2 (Complementario de un conjunto). Sea A un subconjunto de un conjunto U. Llamaremos complementario de A en U y lo denotaremos por A’u U, al subconjunto de U formado por los elementos de U que no pertenecen a A’, esto es,
A u = {x U : x / A}.
Cuando no resulte necesario especificar el universal U escribiremos simplemente A′ o Ac.
Definición 1.3 (Conjunto vacío). Al considerar en U el complementario del propio U se hace necesario introducir un conjunto que no tenga elementos; lo llamaremos conjunto vacío y lo designaremos por conjunto vacío.
Ejemplo 1.3. Si tomamos
U = {1, 2, 3, 4, 5, x, {1, 2}, {4, 7, 9}, {1, 2, 3, 4}}
y consideramos A = {1, 2, 3, 4}, son correctas las expresiones
A U, A U, A U, {A} U, {A} / U, {{4, 7, 9}} U
mientras que la relación {4, 7, 9} U es falsa.
Si para el mismo conjunto
U = {1, 2, 3, 4, 5, x, {1, 2}, {4, 7, 9}, {1, 2, 3, 4}}
tomamos ahora B = {4, 5, x, {1, 2}, {1, 2, 3, 4}}, podemos escribir
A B, {A} B, {A} B,
pero no podemos poner
A B, 1 B.
Ejercicio 1.1. Consideremos el conjunto de cuatro elementos
A = { Ø, a, {a}, b}
¿Cuales de las siguientes expresiones son correctas y cuales son incorrectas?
Ø A; a A; {a} A; b A; {a, b} A; {{a}} A;
Ø A; a A; {a} A; b A; {a, b} A; {{a}} A.
Solución: Como el conjunto A = { Ø, a, {a}, b} tiene cuatro elementos, la relación x A solo se puede poner correctamente de cuatro formas distintas:
Ø A, a A, {a} A, b A.
Por tanto, aunque en general Ø A y {a} A no son expresiones siempre correctas, en este caso podemos decir que
Ø A, a A, {a} A, b A, {a, b} / A, {{a}} / A.
En general, cualquier conjunto contiene al subconjunto vacío, por lo que Ø A es siempre correcto. Además a A no es correcta, pues la relación de contenido se escribe entre dos conjuntos y no entre un elemento y un conjunto. En este caso, a la vista de los elementos de A podemos concluir que las relaciones
Ø A, {a} A, {a, b} A, {{a}} A,
son correctas, mientras que
a A, b A,
no lo son.

       3.   Partes de un conjunto

Sea A un conjunto cualquiera. Llamaremos conjunto de las partes de A o conjunto potencia de A y lo denotaremos por P(A), al que tiene por elementos los subconjuntos de A, es decir,
P(A) = {B : B A}.
Se verifica entonces que B P(A) B A.
Ejemplo 1.4. El conjunto de las partes de A = {a, b, c} es
P(A) = {Ø, {a}, {b}, {c}, {a, b}, {a, c}, {b, c},A}.
Si A es un conjunto de n elementos, entonces P(A) tiene 2n elementos, esto es, A tiene 2n subconjuntos.

4. Operaciones con conjuntos

     4.1. Intersección de conjuntos

Dados los subconjuntos A y B de U, se define la intersección de A y B, A ∩ B, como el conjunto formado por los elementos de U que pertenecen a ambos conjuntos simultáneamente, es decir,
A B = {x U : x A y x B}.
Ejemplo 1.6. Si A = {x : x es una letra vocal } y B = {a, b, c, d, e}, entonces
A B = {a, e}.
Dos subconjuntos A y B de un conjunto U son disjuntos si no tienen ningún elemento en común, es decir, si A B = Ø.

     4.2. Unión de conjuntos
Dados los subconjuntos A y B de U, se define la unión de A y B, A B, como el conjunto formado por los elementos de U que pertenecen al menos a uno de los dos conjuntos, es decir,
A B = {x U : x A o x B}.
Ejemplo 1.7. Si A = {x : x es una letra vocal } y B = {a, b, c, d, e}, entonces
A B = {a, b, c, d, e, i, o, u}.
Ejercicio 1.2. Dados los siguientes intervalos de R,
A = {x R : 5 < x 10} = (5, 10], B = {x R : 3 x < 7} = [3, 7),
C = {x R : 6 < x 12} = (6, 12], D = {x R : 2 < x < 4} = (2, 4),
calcula los conjuntos
A B, B C, A, D, A(C D),
A (B C), A B, C D ((A B) C).
Solución: Los intervalos dados son
A = (5, 10], B = [3, 7), C = (6, 12], D = (2, 4).
y es inmediato llegar a que
A B = [3, 10], B C = [3, 12]
A= (−∞, 5] (10,+) D= (−∞, 2] [4,+)
A(C D) = (2, 4) (10, 12] A (B C) = (5, 10]
A B = [7, 10] C D = C
((A B) C)= (−∞, 5] (12,+)
     4.3. Propiedades de las Operaciones
§  Idempotencia: A U,
A A = A, A A = A.
§  Conmutativa: A,B U,
A B = B A, A B = B A.
§  Asociativa: A,B,C U,
A (B C) = (A B) C, A (B C) = (A B) C.
§  De absorción: A,B U,
A (B A) = A, A (B A) = A.
§  Distributiva: A,B,C U,
A (B C) = (A B) (A C), A (B C) = (A B) (A C).
§  Existencia de elemento neutro: Ø / A U,
A Ø = Ø, A Ø = A.
§  Existencia de elemento universal: U/ A U,
A ∩ U = A, A U = U.
§  Existencia de complementario: A U, A/
A A= Ø, A A= U.
§  Leyes de Morgan: A,B U
(A B)= A B, (A B)= AB.
Ejercicio 1.3. Prueba las siguientes equivalencias, siendo A,B U:
A B A B = B A B = A A B = U A B= Ø
Solución: Haremos una prueba circular, comprobando que de cada expresión se obtiene la siguiente y de la ultima la primera.
§  A B A B = B
Puesto que B A B, basta ver la relación
A B B.
En efecto, como A B,
x A B x A o x B x B,
luego A B B.
§  A B = B A B = A
Como A B A bastara ver que A A B.
Así,
x A x A B = B x B
y por tanto x A ∩ B.
De otro modo, si A B = B,
A ∩ B = A ∩ (A B) = A
por absorción.
§  A ∩ B = A A′ B = U
Tomando complementarios en la expresión
A ∩ B = A
obtenemos
A′ = (A ∩ B)′ = A′ B′
y en consecuencia
A′ B = (A′ B′) B = U.
§  A′ B = U A ∩ B′ = Ø
De nuevo, tomando complementarios en
U = A′ B
resulta
Ø = U′ = (A′ B)′ = A ∩ B′.
§  A ∩ B′ = Ø A B
Si A ∩ B′ = Ø, entonces dado x A no puede ser x B′, pues tendríamos x A ∩ B′ = Ø.
Por tanto,
x A x B,
es decir, A B.

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