Замкнутость множества действительных чисел. Множества чисел. Законы действий над различными числами. Свойства бинарных операций

Пусть даны два множества X и Y, совпадающие или нет.

Определение. Множество упорядоченных пар элементов, из которых первый принадлежит X, а второй Y, называется декартовым произведением множеств и обозначается .

Пример. Пусть
,
, тогда

.

Если
,
, тогда
.

Пример. Пусть
, где R – множество всех вещественных чисел. Тогда
есть множество всех декартовых координат точек плоскости.

Пример. Пусть
– некоторое семейство множеств, тогда декартовым произведением этих множеств называется множество всех упорядоченных строк длины n:

Если , то. Элементы из
– это векторы-строки длины n.

Алгебраические структуры с одной бинарной операцией

1 Бинарные алгебраические операции

Пусть
– произвольное конечное или бесконечное множество.

Определение. Бинарной алгебраической операцией (внутренним законом композиции ) на
называется произвольное, но фиксированное отображение декартова квадрата
в
, т.е.

(1)

(2)

Таким образом, любой упорядоченной паре

. Тот факт, что
, записывается символически в виде
.

Как правило, бинарные операции обозначаются символами
и т.д. Как и ранее, операция
означает «сложение», а операция «» – «умножение». Они различаются формой записи и, возможно, аксиомами, что будет ясно из контекста. Выражение
будем называть произведением, а
– суммой элементови.

Определение. Множество
называется замкнутым относительно операции, если для любых .

Пример. Рассмотрим множество целых неотрицательных чисел
. В качестве бинарных операций на
будем рассматривать обычные операции сложения
и умножения. Тогда множества
,
будут замкнуты относительно этих операций.

Замечание. Как следует из определения, задание алгебраической операции * на
, эквивалентно замкнутости множества
относительно этой операции. Если оказывается, что множество
не замкнуто относительно заданной операции *, то в этом случае говорят, что операция * не алгебраическая. Например, операция вычитания на множестве натуральных чисел не алгебраическая.

Пусть
и
два множества.

Определение. Внешним законом композиции на множестве называется отображение

, (3)

т.е. закон, посредством которого любому элементу
и любому элементу
ставится в соответствие элемент
. Тот факт, что
, обозначается символом
или
.

Пример. Умножение матрицы
на число
является внешним законом композиции на множестве
. Умножение чисел в
можно рассматривать и как внутренний закон композиции, и как внешний.

дистрибутивным относительно внутреннего закона композиции * в
, если

Внешний закон композиции называется дистрибутивным относительно внутреннего закона композиции * в Y, если

Пример. Умножение матрицы
на число
дистрибутивно как относительно сложения матриц, так и относительно сложения чисел, т.к.,.

1. Свойства бинарных операций

Бинарная алгебраическая операция  на множестве
называется:

Замечание. Свойства коммутативности и ассоциативности независимы.

Пример. Рассмотрим множество целых чисел . Операцию на определим в соответствии с правилом
. Выберем числа
и выполним операцию над этими числами:

т.е. операция  коммутативна, но не ассоциативна.

Пример. Рассмотрим множество
– квадратных матриц размерности
с вещественными коэффициентами. В качестве бинарной операции * на
будем рассматривать операции умножения матриц. Пусть
, тогда
, однако
, т.е. операция умножения на множестве квадратных матриц ассоциативна, но не коммутативна.

Определение. Элемент
называетсяединичным или нейтральным относительно рассматриваемой операции  на
, если

Лемма. Если – единичный элемент множества
, замкнутого относительно операции *, то он единственный.

Доказательство . Пусть – единичный элемент множества
, замкнутого относительно операции *. Предположим, что в
существует ещё один единичный элемент
, тогда
, так как– единичный элемент, и
, так как– единичный элемент. Следовательно,
– единственный единичный элемент множества
.

Определение. Элемент
называетсяобратным или симметричным к элементу
, если

Пример. Рассмотрим множество целых чисел с операцией сложения
. Элемент
, тогда симметричным элементом
будет элемент
. Действительно,.

Результат операции “*” определяется как и в таблице Пифагора. Например, “произведение” 3 * 4 равно числу, стоящему на пересечении строки с номером 3 и столбца с номером 4. В нашем случае это число равно 2. Следовательно, 3 * 4 = 2. Как вы думаете, по какому правилу была заполнена эта таблица?

Заметим, что результат выполнения операции “*” над числами из множества {0, 1, 2, ..., 9} является числом из этого же множества. В таких случаях говорят, что множество замкнуто относительно операции, а операция называется алгебраической .

Вы, наверное, уже обратили внимание на то, что таблица симметрична относительно диагонали
(0, 1, 4, 9, 6, 5, 6, . . .). Это говорит о том, что операция “*” обладает свойством коммутативности , то есть для любых чисел a и b из множества {0, 1, 2, ..., 9} выполняется равенство: a * b = b * a .

Используя таблицу, вы сможете убедиться, что выполняется равенство (2 * 3) * 4 = 2 * (3 * 4). Набравшись терпения и перебрав все упорядоченные тройки чисел, вы убедитесь, что новая операция обладает свойством ассоциативности , то есть для любых чисел a , b , c из множества {0, 1, 2, ..., 9} выполняется равенство: (a * b ) * c = a * (b * c ).

Проверьте, будет ли множество {0, 1, 2, ..., 9} замкнуто относительно умножения, задаваемого таблицей Пифагора.

Р ассмотренные примеры могут создать у вас впечатление, что как бы вы ни вводили операцию над числами, она всегда будет коммутативной и ассоциативной. Не будем спешить с выводом.

Рассмотрим еще одну операцию. Обозначим ее через “o” и назовем операцией “Круг”. Она определяется таблицей:

Попытайтесь найти закономерность, по которой составлена данная таблица. Опираясь на эту закономерность, впишите в таблицу пропущенные результаты. Будет ли операция “o” алгебраической? Докажите, что операция “o” коммутативна . Однако эта операция не ассоциативна ! Чтобы убедиться в этом, подберите три числа m , n и k , для которых m o (n o k ) ¹ (m o n ) o k .

П редставим вам еще одну операцию: -.

Введем ее на множестве натуральных чисел так: m - n = m n .

Например, 2 - 3 = 2 3 = 8; 3 - 2 = 3 2 = 9.

Будет ли операция “-” алгебраической? Рассмотренного выше примера достаточно, чтобы убедиться, что новая операция не коммутативна .

Вычислите результат выполнения операции
2 - (1 - 3), а затем проверьте равенство 2 - (1 - 3) =
= (2 - 1) - 3. Если вы все сделаете правильно, то сможете сказать, что операция “-” не ассоциативна .

1. Являются ли алгебраическими операции сложения и умножения на множестве:

а) четных чисел; б) нечетных чисел?

2. Является ли алгебраической операция вычитания на множестве:

а) натуральных чисел; б) целых чисел?

3. Является ли алгебраической операция деления на множестве:

а) ненулевых целых чисел;

б) ненулевых рациональных чисел?

4. Покажите, что операция

x D y = x + y – 3

5. Покажите, что операция

x Ñ y = x + y – xy

является алгебраической на множестве всех целых чисел. Будет ли эта операция ассоциативной и/или коммутативной?

6. По аналогии с таблицей Пифагора составьте свою таблицу, определяющую операцию “à” над числами {0, 1, 2, 3, 4}. Результат m à n операции над числами m и n в этой таблице должен равняться остатку от деления на 5 обычного произведения mn .

Будет ли операция “à” алгебраической? Если да, то будет ли она ассоциативной и/или коммутативной?

7. Придумайте несколько своих примеров операций над числами.

Какие из них будут алгебраическими? Какие из ваших алгебраических операций будут ассоциативными и/или коммутативными?

Для тех, кто хочет вести секретную переписку с друзьями

О днажды Фома получил от одного из своих друзей телеграмму.

Кто такой Фома? О! Это личность весьма примечательная. Ничему на слово не верит, все пытается делать по-своему. Любит, с одной стороны, находить новое решение старых проблем и, с другой стороны, использовать старые знания для преодоления новых трудностей. Любит читать самые разные математические книги, разыскивать в них нестандартные ситуации и находить из них выход. А больше всего любит сам такие ситуации создавать.

Так вот, телеграмма была какой-то странной. Вот что в ней было написано:

“йажзеирпончорсмедж”.

Сможете ли вы “прочитать” этот текст? Фома же, немного подумав, понял секрет этой телеграммы. В ней было приглашение в гости. Он решил ответить в том же духе. Сочинил ответную телеграмму и зашифровал ее таким же способом. Получилась запись из двух строк: “приеду в субботу встречайте”, “етйачертсвутоббусвудеирп”.

Однако Фоме захотелось придумать более интересную шифровку. Он разбил текст своей телеграммы на две равные части и каждую из них зашифровал по старому методу:

П осле окончания шифровки Фома захотел всю свою переписку с другом вести только зашифрованными текстами, меняя время от времени способ шифровки. Поэтому он рьяно взялся за разработку шифра.

Буквы исходного текста он решил заменять номерами позиций, которые занимают эти буквы. Вот какой список номеров получил Фома для телеграммы друга: (1, 2, 3, ..., 18).

Затем он заметил, что зашифрованный текст отличается от исходного только измененным порядком букв. Как изменяется порядок букв, легко увидеть с помощью тех же номеров позиций. Например, зашифрованный текст телеграммы друга Фома теперь смог представить в виде списка: (18, 17, 16, ..., 3, 2, 1).

Сопоставление этих двух списков дает ключ к шифровке текста:
.

Символьная запись читается так: “1 переходит в 18”. (Вместо нее часто используется другая запись: 1 ® 18.)

Направление стрелок определяет порядок шифровки текста. Например, буква, стоящая в шифруемом тексте в первой позиции, должна занять в зашифрованном тексте 18-ю позицию.

Если направление стрелок сменить на противоположное, то та же двустрочная таблица будет определять порядок расшифровки текста. Например, буква, стоящая в зашифрованном тексте в 18-й позиции, должна занять в расшифрованном тексте первую позицию.

Наконец, если первая строка будет всегда связана с исходным текстом, то отпадет необходимость в использовании стрелок. (При шифровке исходным текстом является шифруемый текст, а при расшифровке – зашифрованный.)

Поняв все это, Фома быстро записал ключ ко 2-ой шифровке своей телеграммы:

.

Осталось только сообщить каким-либо образом
этот ключ своему другу – и тайна переписки будет гарантирована!

Если идеи Фомы вы поняли, то вот вам его девиз в зашифрованном виде:

“водянойпероревряй”.

Оно зашифровано ключом:

Вы, вероятно, уже догадываетесь, что шифровальных ключей подобного вида можно придумать очень много. Каждый из них можно представить в виде двустрочной таблицы:

.

Здесь в верхней строке стоят все натуральные числа от 1 до n в возрастающем порядке. Нижняя строка получается некоторой перестановкой чисел из верхней строки. Вся таблица в целом называется подстановкой порядка n .

В ернемся к Фоме. С помощью подстановки-ключа

он зашифровал сообщение, состоящее из одного слова, и отправил его другу. Нерасшифрованное сообщение тот зашифровал еще раз, но уже с помощью другого ключа:

.

Получившееся дважды зашифрованное сообщение он адресовал вам:

“сноас”.

Расшифруйте это сообщение.

Процесс расшифровки вы можете провести значительно быстрее, если будете знать, как над подстановками выполняется одна алгебраическая операция. Эта операция называется умножением подстановок . (При желании вы можете назвать ее по-другому, ибо она никак не связана с обычным умножением чисел.)

Рассмотрим на примере, как она выполняется. Умножим подстановки, с помощью которых шифровалось сообщение Фоме:

.

Процедура умножения сводится к последовательному проведению подстановок.

В первой подстановке (А ) 1 ® 5;

во второй подстановке (В ) 5 ® 1.

В итоге получаем: 1 ® 1.

Аналогично, из “2 ® 2” и “2 ® 3” следует: “2 ® 3”. Проведя еще три рассуждения такого типа, получим подстановку-произведение

.

Заметим, что произведение определено только для подстановок с одинаковым числом столбцов.

Используя подстановку AB как шифратор, вы можете теперь в один прием расшифровать сообщение Фомы “сноас”. Заодно проконтролируете себя.

Если вам будет интересно, то можете придумать свои подстановки-шифраторы сообщений и вести тайную переписку с друзьями.

Занимаясь расшифровкой сообщений, вы познакомились с алгебраической операцией над новыми объектами – подстановками.

Е сли кого-то из вас заинтересовали не только шифровки, но и сами по себе подстановки, то вы можете лучше познакомиться с ними, выполнив следующие задания.

1. Найдите произведения подстановок:

2. Найдите произведение ВА подстановок А и В , рассмотренных выше. Используя подстановку ВА как шифратор, расшифруйте еще раз сообщение “сноас”. Сравните расшифрованный текст с результатом предыдущей расшифровки.

Если вы выполните задание 2, то сможете сказать, обладает ли умножение подстановок свойством коммутативности .

Можно показать, что умножение подстановок обладает свойством ассоциативности .

Прежде, чем обратиться к следующему заданию, рассмотрим несколько общих свойств подстановок.

Подстановка

называется тождественной . Ее обозначают через E .

Как вы сами легко установите, тождественная подстановка не меняет текста сообщения. В этом случае говорят, что сообщение идет открытым текстом.

Счетное множество- есть бесконечное множество элементы которого можно пронумеровать натуральными числами, или это множество, равномощное множеству натуральных чисел.

Иногда счётными называются множества равномощные любому подмножеству множества натуральных чисел, то есть все конечные множества тоже считаются счётными.

Счётное множество является «наименьшим» бесконечным множеством, то есть в любом бесконечном множестве найдётся счётное подмножество.

Свойства:

1.Любое подмножество счётного множества не более чем счётно.

2.Объединение конечного или счётного числа счётных множеств счётно.

3.Прямое произведение конечного числа счётных множеств счётно.

4.Множество всех конечных подмножеств счётного множества счётно.

5.Множество всех подмножеств счётного множества континуально и, в частности, не является счётным.

Примеры счетных множеств:

Простые числа Натуральные числа, Целые числа, Рациональные числа, Алгебраические числа, Кольцо периодов, Вычислимые числа, Арифметические числа.

Теория вещественных чисел.

(Вещественные = действительные – памятка для нас, пацаны.)

Множество R содержит рациональные и иррациональные числа.

Действительные числа, не являющиеся рациональными, называются иррациональными

Теорема: Не существует рационального числа, квадрат которого равен числу 2

Рациональные числа: ½, 1/3, 0.5, 0.333.

Иррациональные числа: корень из 2=1,4142356… , π=3.1415926…

Множество R действительных чисел обладает следующими свойствами:

1. Оно упорядоченное: для любых двух различных чисел a и b имеет место одно из двух соотношений a либо a>b