Теоретический материал к заданию № 2.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВО

«Воронежский государственный университет инженерных технологий»

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНоЛОГИЙ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

Методические указания и задания

К контрольной работе № 1

по дисциплине “Теоретическая информатика”

для студентов 1-го курса ФБО

направления 09.03.03

Воронеж 2016

Контрольная работа состоит из трех заданий. К кажому заданию приведены необходимые для их выполнения теоретические сведения и примеры выполнения заданий. Ход выполнения и результаты решения заданий студентом оформляются средствами MS WORD. Номер варианта каждого задания выбирается по последней цифре шифра логина студента. Варианты заданий приведены на стр. 23.

Теоретический материал к заданию № 1.

Основные понятия теории множеств

Для множества не существует строгого определения, поэтому введем описательные понятия множества и его элементов.

Множеством называется совокупность некоторых предметов, объединенных общим признаком. Элементы множества - это те предметы, из которых состоит множество.

Пусть имеется множество А, элементом которого является предмет а, это записывается как А={а}. Например, В={1,2, 3}.

Если какой-то элемент а принадлежит множеству А, то это обозначается аÎА, а если b не принадлежит А, то - bÏА. Например, пусть А - множество четных натуральных чисел, тогда 6ÎА, а 3ÏА.

Пусть имеется два множества А и В, причем все элементы множества А принадлежат множеству В, т.е. если хÎА, то хÎB. В этом случае говорят, что множество А включено в множество В. Обозначается: АÍВ (Í - символ нестрогого включения, т.е. возможно совпадение множеств). Множество А совпадает со множеством В (А = В), если все элементы множества В являются элементами множества В и все элементы множества В являются элементами множества А. Это можно записать в виде

(АÍВ и ВÍА) <=> (А = В).

Множество А строго включено в множество В, если все элементы множества А принадлежат множеству В, но не все элементы множества В принадлежат множеству А.

Пример: А = { 1, 2, 3 }, В = { 0, 1, 2, 3 }, АÌВ.

Возможны два способа задания множества.

1. Перечислением элементов, т.е. в фигурных скобках дается полное перечисление элементов данного множества. Например: N = {1,2,...,n,...} - множество натуральных чисел.

2. С помощью указания характерного свойства (указание свойства, которым обладают только элементы данного множества). Символически это записывается в виде A={x | P(x)} и читается A есть множество всех элементов х, обладающих свойством P(x).

При задании множеств вторым способом возможны различные противоречия и парадоксы. Рассмотрим примеры таких парадоксов.

1) Парадокс парикмахера: в городе жил парикмахер, который брил всех, кто не брился сам. Кто же брил парикмахера?

2) Пусть имеем натуральное число 11218321 - одиннадцать миллионов двести восемнадцать тысяч триста двадцать один. Это число можно описать с помощью восьми слов. Пусть А - множество натуральных чисел, которые нельзя определить с помощью фразы, имеющей меньше 20 русских слов. Обозначим а_min - наименьшее число из множества А, причем а_minÎA. Число а_min можно определить следующим образом: наименьшее натуральное число, которое нельзя определить с помощью фразы, имеющей менее двадцати слов. В этой фразе 14 слов. Значит, а_min можно определить с помощью фразы, содержащей менее 20 слов.

Тогда получается, что а_minÏ А.

К настоящему времени накопилось много подобных примеров, когда определение множества оказывалось внутренне противоречиво. Выяснение условий, при которых это может иметь место потребовало специальных исследований, составивших предмет математической логики и выходящих за рамки собственно теории множеств. Поэтому в данном пособии мы не станем касаться спорных случаев и будем рассматривать лишь множества, которые определяются точно и без противоречий.

В теории множеств имеется специальное множество, называемое пустым множеством (Æ), которое не содержит ни одного элемента. Пустое множество по определению содержится в любом множестве А (ÆÎА). Это понятие вводится из следующих соображений. Задавая множество вторым способом не всегда заранее можно быть уверенным, существуют ли элементы, ему принадлежащие. Например, можно говорить о множестве четырехугольников на плоскости, у которых все углы прямые, а диагонали не равны. Только знания основ геометрии позволяют убедиться, что таких четырехугольников не существует и, следовательно, это множество пусто.

Большинство утверждений теории множеств связано с равенством двух множеств и включением одного множества в другое. Поэтому надо детально разобраться в методах доказательства этих фактов.

1. Доказательство включения АÍВ. Для этого нужно доказать, что любой элемент x, принадлежащий множеству А одновременно является элементом множества В, т.е.

(x Î А) => (x Î В).

2. Доказательство равенства А = В.

Оно сводится к доказательству двух включений АÍВ и ВÍА.

Пример 1. Докажем следующую теорему. Для любых множеств А, В и С выполняется закон транзитивности нестрогого включения, т.е. если АÍВ и ВÍС, то из этого следует, что АÍС.

Доказательство. Пусть x - любой элемент множества А, (xÎА), тогда в силу условия АÍВ, по определению нестрогого включения, элемент х принадлежит множеству В (хÎB). После доказательства этого факта, аналогично, используя условие ВÍС можно доказать, что х принадлежит С (хÎС).

В качестве исходного допущения мы приняли, что x – любой элемент из А. Из этого допущения при выполнении условий а) и б) получено следствие хÎС. По определению нестрогого включения это означает АÍС, что и требовалось доказать.

Пример 2. Пусть А={1,6}, В ={х | х²-7х+6=0}. Последнее читается как, В является множеством элементов х, для которых выполняется условие х² - 7х + 6 = 0. Включение АÍВ доказывается подстановкой элементов множества А в это условие. Для доказательства обратного включения ВÍА нужно найти все корни уравнения и убедиться, что они равны 1 и 6, т.е. принадлежат А. Выполнение обоих нестрогих включений означает равенство множеств А и В.

Операции над множествами.

Определим следующие операции.

1. Объединение. Пусть А и В - произвольные множества. Их объединением называется множество С = АÈВ, которое состоит из всех элементов, принадлежащих хотя бы одному из множеств А или В.

2. Пересечение. Пересечением множеств А и В называется множество С, состоящее из элементов одновременно принадлежащих А и В. Обозначается так: C=AÇB.

3. Разность. Разность множеств А и В - это множество С (С=А\В), состоящее из элементов множества А, не принадлежащих множеству В. Если ВÍА, то разность С = А\В называется дополнением В до А. Иногда, говоря о некотором наборе множеств подразумевают, что все они включены в некоторое множество S, которое называют универсальным множеством. В этом случае дополнение какого-либо множества А до S обозначается С(А) или .

4. Симметричная разность. По определению симметричная разность двух множеств А и В - это множество

С = АDВ = (А\В)È(В\А).

Основные свойства операций.

1. Операции пересечения и объединения коммутативны (перестановочны): АÇВ = ВÇА; АÈВ = ВÈА.

2. Операции пересечения и объединения ассоциативны.

(АÇВ) ÇС = АÇ (ВÇС) = АÇВÇС

(АÈB) ÈС = АÈ (ВÈС) = АÈВÈС.

Свойствами коммутативности и ассоциативности обладают многие операции. Чтобы не создалось впечатления, что коммутативность и ассоциативность являются общими свойствами всех операций, приведем пример неассоциативной операции - возведение в степень. Имеем: (2³)² = 8² = 64; = 2⁸ = 512.

Пример некоммутативной операции - операция умножения матриц (АВ¹ВА).

3. Операции объединения и пересечения взаимно дистрибутивны.

Для вещественных чисел закон дистрибутивности читается так: а(в+с) = ав + ас. Для множеств закон дистрибутивности имеет вид:

а) (АÈВ)ÇС = (АÇС) È (ВÇС)

б) (АÇB) ÈС = (АÈС) Ç (ВÈС).

Докажем равенство а).

Предположим, что xÎ (АÈВ) ÇС, тогда xÎС и xÎА или xÎВ. Рассмотрим первый случай xÎС и xÎА. Тогда хÎАÇС, а значит, по определению объединения, хÎ(АÇС)È(ВÇС).

Во втором случае, т.е. при xÎС и xÎВ получаем, что xÎ (ВÇС)È(АÇС). Таким образом, мы доказали включение

[(АÈВ) ÇС]Í[(АÇС)È(ВÇС)].

Докажем обратное включение. Пусть хÎ(АÇС)È(ВÇС), тогда хÎАÇС или хÎВÇС. В первом случае хÎА и хÎС. Во втором случае хÎВ и xÎС. В обоих случаях получаем, что хÎС и хÎА или хÎВ. Следовательно, хÎ(АÈВ) ÇС. Тем самым доказано включение (АÇС)È(ВÇС)Í(АÈВ) ÇС.

Таким образом, (АÈВ) ÇС=(АÇС)È(ВÇС), что и требовалось доказать.

Пусть А₁, А₂,... - некоторые множества и пусть все они включены в S (А₁, А₂,... Í S). Тогда выполняются следующие соотношения.

4. - дополнение объединения множеств равно пересечению их дополнений.

5. - дополнение пересечения множеств равно объединению их дополнений.

Докажем свойство 4. Пусть хÎ, тогда хÏзначит, x не принадлежит ни одному из множеств A_k ("k, хÏА_k), следовательно, по определению дополнения хÎS\А_k для любого k. Отсюда вытекает, что хÎ.

Обратно, пусть хÎ тогда этот элемент принадлежит каждому из множеств S \ A_k ("k, хÎS\ A_k). Следовательно, хÏA_k для любого k, а, значит, хÏ и поэтому хÎ, что и требовалось доказать.

Пример решения задания № 1.

Доказать соотношение AUB=AU(B\A).

Чтобы доказать это соотношение, нужно показать, что каждый элемент первого множества принадлежит второму и наоборот, то есть эти множества совпадают.

Пусть x∈AUB, то есть x∈A или x∈B. Если x∈A, то x∈AU(B\A). Если x∉A, но x∈B, то x∈B\A, следовательно, x∈AU(B\A).

Пусть x∈AU(B\A), то есть x∈A или x∈B\А. Если x∈A, то x∈AUB. Если x∈В, но x∉A(x∈B\А), то x∈AUB.

Таким образом, соотношение доказано.

Теоретический материал к заданию № 2.

Векторы, прямые произведения, произведения векторов.

Вектор , где - компоненты (координаты) вектора. Число компонент называется длиной (размерностью) вектора.

Два вектора и равны, если они имеют одинаковую длину и соответствующие координаты их равны, т.е. , если: 1). ; 2). .

Множество всех возможных (различающихся) векторов длины таких, что , называют прямым произведением множеств Обозначение прямого произведения: . Прямое произведение одинаковых множеств , т.е. когда , обозначают .

Мощность прямого произведения множеств равна произведению мощностей этих множеств, т.е. .

Способы задания прямого произведения множеств - аналогичны способам задания множеств с той разницей, что требуется задание каждого множества

Операции над множествами векторов (данного прямого произведения) – объединение, пересечение, разность, дополнение – аналогичны соответствующим операциям над множествами элементов.

Операции над вектором длины : .

Проекцией вектора на ю ось называется его я компонента: .

Проекцией вектора на оси с номерами называется вектор длины :

Операции над множеством векторов длины :

Проекцией множества векторов на ю ось называется множество проекций всех векторов из на ю ось:

Проекцией множества векторов на оси с номерами называется множество проекций всех векторов на оси с номерами :

Операции над упорядоченным множеством векторов длины : .

Проекцией упорядоченного множества векторов на ю ось называется упорядоченное множество проекций векторов на эту ось: .

Проекцией упорядоченного множества векторов на оси с номерами называется упорядоченное множество проекций всех векторов на оси с номерами :

Над векторами одинаковой длины возможно выполнение различных операций сравнения.

Правило сравнения векторов по предпочтению. Пусть - множество векторов длины , компонентами которых являются числа. Вектор не менее предпочтителен, чем вектор (обозначение ), если компоненты вектора не меньше соотвествующих компонент вектора