\documentclass[全部作业]{subfiles} \pagestyle{fancyplain} \fancyhead{} \fancyhead[C]{\mysignature} \setcounter{chapter}{6} \setcounter{section}{1} \begin{document} \section{集合的基数} \label{cardinality} \begin{enumerate} \item 集合$\{ x\ |\ x\in \mathbb{Z},\text{且}x\text{不能被3整除} \}$是否是可数集?若是,则给出自然数集$\mathbb{N}$与它之间的一个一一对应。 \begin{proof}[解] \begin{zhongwen} 将给定的集合记为$A$,它是可数集。 给出一一对应的函数如下: $$ f\colon \mathbb{N} \to A, x \mapsto \begin{cases} \displaystyle (-1)^{\left\lfloor \frac{x}{2} \right\rfloor}\times 3 \left\lfloor \frac{x+2}{4} \right\rfloor + 1 , & x为偶数,x\geqslant 0 \vspace{1em} \\ \displaystyle (-1)^{\left\lfloor \frac{x}{2} \right\rfloor}\times 3 \left\lfloor \frac{x+2}{4} \right\rfloor + 2 , & x为奇数,x\geqslant 0 \\ \end{cases} $$ \end{zhongwen} \end{proof} \item 设集合族$\{ A_n\ |\ n\in \mathbb{N} \}$和$\{ B_n\ |\ n\in \mathbb{N} \}$中的集合都是两两不相交的($i\neq j$时$A_i\cap A_j=\varnothing $,$B_i\cap B_j=\varnothing $),且对任意$n\in \mathbb{N}$,$A_n\sim B_n$。请证明$\displaystyle \bigcup_{n\in \mathbb{N}} A_n \sim \bigcup_{n\in \mathbb{N}} B_n$。 \begin{proof} \begin{zhongwen} 对于$\forall n\in \mathbb{N}$,$A_n\sim B_n$,所以存在一一对应的$f_n: A_n \to B_n$。 那么可以定义$f$如下: $$ f\colon \bigcup_{n\in \mathbb{N}} A_n \to \bigcup_{n\in \mathbb{N}} B_n, x \mapsto \begin{cases} f_1(x) , & x\in A_1 \\ f_2(x) , & x\in A_2 \\ \cdots , & \cdots \\ f_n(x) , & x\in A_n \\ \end{cases} $$ 因为$\{ A_n\ |\ n\in \mathbb{N} \}$两两不相交,所以$f$是一个函数,下面证明$f$是一一对应的。 对于任意的$\displaystyle y \in \bigcup_{n\in \mathbb{N}} B_n$,由于$\{ B_n\ |\ n\in \mathbb{N} \}$两两不相交,则必定存在唯一的$ i \in \mathbb{N}$使得$y \in B_i$,而$f_i:A_i \to B_i$是一一对应的,所以必定存在唯一的$\displaystyle x\in A_i \subseteq \bigcup_{n\in \mathbb{N}} A_n$使得$f(x)=y$,因此$f$是一一对应的。 由于构造出了$\displaystyle \bigcup_{n\in \mathbb{N}} A_n$和$\displaystyle \bigcup_{n\in \mathbb{N}} B_i$之间的一一对应的函数,所以$\displaystyle \bigcup_{n\in \mathbb{N}} A_n \sim \bigcup_{n\in \mathbb{N}} B_n$。 \end{zhongwen} \end{proof} \item 设$F$是$X$到$Y$的所有函数所组成的集合,$F=\{ f\ |\ f:X \to Y \}$,$\left\vert X \right\vert =n$。证明$F\sim Y^{n}$ \label{functioncardinality}。 \begin{proof} \begin{zhongwen} 对于$\forall f \in F$,$f$都唯一对应于一个$\left\vert X \right\vert $行$\left\vert Y \right\vert $列的关系矩阵,并且每行有且仅有一个1。 那么每一行这个1的位置有$\left\vert Y \right\vert $种情况,一共有$\left\vert X \right\vert $行,所以一共有$\left\vert Y \right\vert ^{\left\vert X \right\vert }=\left\vert Y \right\vert ^{n}$种情况。 所以$\left\vert F \right\vert =\left\vert Y \right\vert ^{n}$。 $Y^{n}$表示集合的笛卡尔积,所以有$\left\vert Y \right\vert ^{n}=\left\vert Y^{n} \right\vert $。 所以$\left\vert F \right\vert =\left\vert Y \right\vert ^{n}=\left\vert Y^{n} \right\vert $,所以$F\sim Y^{n}$。 \end{zhongwen} \end{proof} \item *证明无限可数集的所有有限子集组成一个可数集。 \begin{proof} \begin{zhongwen} 设$A$为无限可数集,则$A$可以和$\mathbb{N}$一一对应,所以可以将$A$记为$\{ a_i\ |\ i\in \mathbb{N} \}$。 对于$\forall M \in \mathbb{N}$,取$B_{M}=\{ a_i\ |\ i\in \mathbb{N},i\leqslant M \}$,则$A$的所有有限子集可以记作 $$ \bigcup_{M\in \mathbb{N}} P(B_{M}) $$ 而对于$\forall M\in \mathbb{N}$,$a_{M+1} \not \in B_{M}$,$a_{M+1}\in B_{M+1}$,所以$\{ a_{M+1} \}\not \in P(B_{M})$,$\{ a_{M+1} \}\in P(B_{M+1})$,所以 $$ \bigcup_{1\leqslant m\leqslant M} P(B_{m}) \subsetneqq \bigcup_{1\leqslant m\leqslant M+1} P(B_{m}) $$ 所以对于有限集合$\displaystyle \bigcup_{1\leqslant m\leqslant M} P(B_{m})$和$\displaystyle \bigcup_{1\leqslant m\leqslant M+1} P(B_{m})$,有 $$ \left\vert \bigcup_{1\leqslant m\leqslant M} P(B_{m}) \right\vert +1\leqslant \left\vert \bigcup_{1\leqslant m\leqslant M+1} P(B_{m}) \right\vert $$ 根据极限的定义可知 $$ \left\vert\bigcup_{M\in \mathbb{N}} P(B_{M})\right\vert=\left\vert\lim_{M \to \infty} \bigcup_{1\leqslant m\leqslant M} P(B_{m}) \right\vert \geqslant \lim_{M \to \infty}\left\vert \bigcup_{1\leqslant m\leqslant M} P(B_{m}) \right\vert =+\infty $$ 所以A的所有有限子集$\displaystyle \bigcup_{n\in \mathbb{N}} P(B_{M})$是无限集,并且能找到$\mathbb{N}$到$\displaystyle \bigcup_{n\in \mathbb{N}} P(B_{M})$的映射,所以$\displaystyle \left\vert \bigcup_{n\in \mathbb{N}} P(B_{M}) \right\vert \leqslant $可数集的基数,并且$\displaystyle \left\vert \bigcup_{n\in \mathbb{N}} P(B_{M}) \right\vert \geqslant $可数集的基数。 所以A的所有有限子集$\displaystyle \bigcup_{n\in \mathbb{N}} P(B_{M})$是可数集。 即 无限可数集的所有有限子集组成一个可数集。 \end{zhongwen} \end{proof} \end{enumerate} \section{不可解问题} \begin{enumerate} \item *设集合$F=\{ f\ |\ \mathbb{N} \to M \}$,其中$M$为正偶数集。证明:$F$中存在这样的函数$f$,计算$f$的C程序不存在。 \begin{proof} \begin{zhongwen} 由于C程序的集合是可数的,因此只需证明$F$为不可数集合。 根据 \ref{cardinality} 节的第 \ref{functioncardinality} 题可知,$ \left\vert F \right\vert = \left\vert M \right\vert ^{\left\vert \mathbb{N} \right\vert }$,所以$F\sim \{ f\ |\ f:\mathbb{N} \to \mathbb{N} \}$,即$F$与问题集等势,所以$F$不可数。 \end{zhongwen} \end{proof} \end{enumerate} \end{document}