Mengen Eigenschaften Prominente Mengen Spezielle Mengen (1)

Formale Grundlagen der Informatik
Formale Grundlagen der Informatik
Mengen
Eigenschaften
∑ Definition (Intuitive Mengenlehre)
∑ Mengenzugehörigkeit
Eine Menge ist die Zusammenfassung von Elementen unserer
Anschauung zu einem wohldefinierten Ganzen. (Georg Cantor)
∑ Notation
1. Aufzählung aller Elemente: { 1 , { 2 } , { 3 , 4 } , { 5 } }
2. Beschreibung der Eigenschaften der Elemente:
{ x | x mod 2 = 0 }
Informell wird auch geschrieben: { 2, 4, 6, 8, … }
∑ (Nicht-) Elemente einer Menge
∀ x : ( x ∈ { a1 , … a n } ⇔ x = a1 ∨ … ∨ x = an )
∀x : ( x ∈ { y | P(y) } ⇔ P(x) )
∑ Teilmengen
Die Menge T heisst eine (unechte) Teilmenge der Menge A,
wenn jedes Element, das in der Teilmenge T liegt, auch in der
Menge A liegt:
T ⊆ A ⇔ ( ∀x : x ∈ T ⇒ x ∈ A )
Beispiele:
{3,4}∈{1,{2},{3,4},{5}}
{2}⊆{1,2}
{ 1, 2 } ⊆ { 1 , 2 }
Die Menge T heisst eine echte Teilmenge der Menge A, wenn
T eine Teilmenge von A ist, aber nicht gleich A ist:
3∉{1,{2},{3,4},{5}}
T ⊂ A ⇔ ( ∀x : x ∈ T ⇒ x ∈ A ) ∧ T ≠ A
∑ Grundprinzipien
Beispiel: { 2 } ⊂ { 1 , 2 }
Axiom der Extensionalität: Zwei Mengen A und B sind
genau dann gleich, wenn sie die gleichen Elemente enthalten.
A = B ⇔ ( ∀x : x ∈ A ⇔ x ∈ B )
Beispiel: { 1 , 2 , 3 } = { n | n ∈
∧n<4}
Axiom der Komprehension: Für jede Eigenschaft können wir
eine Menge bilden, die genau die Elemente enthält, die diese
Eigenschaft haben.
Mengen, Relationen, Funktionen 1
Mengen, Relationen, Funktionen 2
Formale Grundlagen der Informatik
Formale Grundlagen der Informatik
Prominente Mengen
Spezielle Mengen (1)
∑
∑ Durchschnittsmenge
= Menge der natürlichen Zahlen ohne 0
Der Durchschnitt zweier Mengen A und B ist die Menge aller
Elemente, die sowohl in A als auch in B enthalten sind.
= { 1 , 2 , 3 ,…}
∑
0
= Menge der natürlichen Zahlen einschliesslich 0
0
∑
= { 0, 1 , 2 , 3 ,…}
∑ Vereinigungsmenge
= Menge der ganzen Zahlen
= { 0 , 1 , -1 , 2 , -2 , 3 , -3 ,…}
∑
= Menge der rationalen Zahlen
= { a / b |a ∈
∧b∈
∑
= Menge der reellen Zahlen
∑
= Menge der komplexen Zahlen
A∩B={x|x∈A∧x∈B}
}
Die Vereinigung zweier Mengen A und B ist die Menge aller
Elemente, die entweder in A oder in B enthalten sind.
A∪B={x|x∈A∨x∈B}
∑ Leere Menge
Die leere Menge ist die Menge, die kein Element enthält. Sie
wird ∅ oder {} geschrieben:
∅ = { x | x π x } oder∀x : x ∉ ∅
∑ Komplementärmenge
Ist eine Grundmenge G und eine Menge A mit A ⊆ G gegen,
so ist die Komplementärmenge Ac definiert durch:
Ac = { x | x ∉ A ∧ x ∈ G }
Mengen, Relationen, Funktionen 3
Mengen, Relationen, Funktionen 4
Formale Grundlagen der Informatik
Formale Grundlagen der Informatik
Spezielle Mengen (2)
Weitere Eigenschaften
∑ Potenzmenge
∑ Kardinalität einer Menge
Sei A eine Menge. Die Potenzmenge einer beliebigen Menge A
ist die Menge P(A) aller Teilmengen von A.
P(A) = { U | U ⊆ A }
Beispiel: P ( { 1 , 2 } ) = { ∅ , { 1 } , { 2 } , { 1 , 2 } }
∑ Differenzmenge
Seien A und B beliebige Mengen. Die Differenz A – B,
gesprochen A minus B, ist die Menge aller Elemente, die in A
aber nicht in B liegen.
A-B={x|x∈A∧x∉B}
Sei A eine Menge mit endlich vielen Elementen. Die Anzahl
| A | nennt man die Mächtigkeit oder Kardinalität der
Menge.
Zwei endliche Mengen haben dieselbe Kardinalität, wenn
die Anzahl Elemente in beiden Mengen gleich ist.
Die Kardinalität von unendlichen Mengen wird später
definiert.
∑ Disjunktheit
Zwei Mengen A und B heissen disjunkt, wenn ihr
Durchschnitt leer ist.
A∩B=∅
Beispiel: { 1 , 2 , 3 } - { 3 , 4 } = { 1 , 2 }
∑ Paarweise Disjunktheit
∑ Symmetrische Differenzmenge
Die symmetrische Differenz zweier Mengen A und B ist die
Menge A ⊕ B aller Elemente, die genau in einer der beiden
Mengen liegen.
Eine Menge X von Mengen heisst paarweise disjunkt, wenn der
Durchschnitt von jedem Paar von Mengen leer ist.
∀A, B ∈ X : A π B ⇒ A ∩ B = ∅
A⊕B=(A∪B)–(A∩B)
Beispiel: { 1 , 2 , 3 } ⊕ { 3 , 4 } = { 1 , 2 , 4 }
Mengen, Relationen, Funktionen 5
Mengen, Relationen, Funktionen 6
Formale Grundlagen der Informatik
Formale Grundlagen der Informatik
Familien von Mengen
Mengengesetze
∑ Familie von Mengen
Menge M von Mengen Ai, die durch eine Indexmenge I
indiziert sind:
∀i : i ∈ I ⇒ ∃Ai ∈ M
Idempotenz
Kommutativität
Assoziativität
Distributivität
∑ Vereinigung
∪ M = ∪ i ∈ I Ai = { x | ∃i ∈ I : x ∈ Ai}
∑ Durchschnitt
∩ M = ∩ i ∈ I Ai = { x | ∀i ∈ I : x ∈ Ai}
Absorption
Reflexivität
Kontraktion
Monotonie
A∩A=A
A∩B=B∩A
(A ∩ B) ∩ C =
A ∩ (B ∩ C)
A ∩ (B ∪ C) =
(A ∩ B) ∪ (A ∩ C)
A ∩ (A ∪ B) = A
A⊆A
(A ∩ B) ⊆ A
A⊆B⇒
A∩C⊆B∩C
A∪A=A
A∪B=B∪A
(A ∪ B) ∪ C =
A ∪ (B ∪ C)
A ∪ (B ∩ C) =
(A ∪ B) ∩ (A ∪ C)
A ∪ (A ∩ B) = A
A⊇A
(A ∪ B) ⊇ A
A⊇B⇒
A∪C⊇B∪C
Existiert eine Grundmenge G mit A,B ⊆ G, so gelten ferner:
Neutrale Elemente
Invariable Elemente
Extremalität
De Morgansche
Regeln
Komplement
Mengen, Relationen, Funktionen 7
A∩G=A
A∩∅=∅
∅⊆A
(A∩ B)c = Ac ∪ Bc
A∪∅=A
A∪G=G
G⊇A
(A∪ B)c = Ac∩ Bc
Ac ∪ A = G
A c∩ A = ∅
Mengen, Relationen, Funktionen 8
Formale Grundlagen der Informatik
Formale Grundlagen der Informatik
Beweise in der Mengenlehre
Direkter Beweis: ∅ ist Teilmenge jeder
Menge
∑ Venn Diagramme: graphische Veranschaulichung; allenfalls
mit Fallunterscheidungen (Tableau-Methode)
∑ Direkter Beweis durch Anwendung von Definitionen,
Axiomen und Gesetzen.
∑ Indirekter Beweis durch Negation der Aussage und
Angabe eines Gegenbeispiels.
∑ Um A = B zu beweisen, beweise man A ⊆ B und B ⊆ A.
∑ Transfer Methode: Eine mengentheoretische Formel wird
in eine äquivalente aussagenlogische Formel umgewandelt,
die dann bewiesen wird. Diese Methode beruht auf der
Verwandtschaft zwischen Aussagenlogik und
Mengenlehre, die damit zu tun hat, dass beide Systeme
Boole’sche Algebren sind.
Mengenlehre
Aussagenlogik
∪
∨
⊆
⇒
∩
∧
⊇
⇐
∑ Gegeben:
1. T ⊆ A ⇔ ∀x : x ∈ T ⇒ x ∈ A
2. ∀x : x ∉ ∅
∑ Zu beweisen:
∅⊆A
∑ Beweis:
∅ ⊆ A ⇔ ∀x : x ∈ ∅ ⇒ x ∈ A
(1)
∅ ⊆ A ⇔ ∀x : ^ ⇒ x ∈ A
(2)
∅⊆A⇔
(3)
(^ ist die immer falsche Aussage,
die immer wahre)
(1) Definition von ⊆, (2) Axiom für ∅, x ∈ ∅ ist für jedes x
falsch, (3) ^ ⇒ Q ist für jede Aussage Q wahr
Mengen, Relationen, Funktionen 9
Mengen, Relationen, Funktionen 10
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Indirekter Beweis: ∅ ist nicht echte
Teilmenge jeder Menge
Direkter Beweis:
(A∪B)–(A∩B)=(A–B)∪(B–A)
∑ Gegeben:
∑ Gegeben: Die Definitionen von ∩, ∪, –, ∉, ∈
1. T Ã A ⇔ ( ∀x : x ∈ T ⇒ x ∈ A ) ∧ T ≠ A
2. ∀x : x ∉ ∅
∑ Beweis:
(A∪B)–(B∩A)=
∑ Zu beweisen:
ÿ(∅ÃA)
∑ Beweis:
Annahme des Gegenteils: ∅ Ã A
{x|x∈A∨x∈B}–{x|x∈A∧x∈B}=
(1)
{x|(x∈A∨x∈B)∧ÿ(x∈A∧x∈B)}=
(2)
{x|(x∈A∨x∈B)∧(x∉A∨x∉B)}=
(3)
{x|(x∈A∧x∉A)∨(x∈A∧x∉B)∨
Gegenbeispiel: A = ∅
(x∈B∧x∉A)∨(x∈B∧x∉B)}=
(4)
Einsetzen in der Definition:
{x|(x∈A∧x∉B)∨(x∈B∧x∉A)}=
(5)
∅ Ã ∅ ⇔ ( ∀x : x ∈ ∅ ⇒ x ∈ ∅ ) ∧ ∅ ≠ ∅
( ∀x : x ∈ ∅ ⇒ x ∈ ∅ ) ∧ ∅ ≠ ∅ ist ein Widerspruch.
Mengen, Relationen, Funktionen 11
(A–B)∪(B–A)
(1) Definitionen ∩, ∪, (2) Definition –, (3) Definition ∉ und ∈, de
Morgan, (4) Distributivität, (5) Vereinfachung, Definitionen ∪, –.
Mengen, Relationen, Funktionen 12
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Geordnete Paare und n-Tupel
Relationen
∑ Geordnete Paare
∑ Kartesisches Produkt
( a , b ) heisst das geordnete Paar der Elemente a und b.
∑ Gleichheit von Paaren
Die Paare (a1, b1) und (a2, b2) sind genau dann gleich, wenn
a 1 = a2 ∧ b1 = b2
Das kartesische Produkt der beiden Mengen A und B ist die
Menge A × B aller geordneten Paare (a , b) mit a ∈ A, b ∈ B.
A×B={(a,b)|a∈A∧b∈B}
Man schreibt A2 = A × A, A3 = A × A × A, usw.
∑ Binäre Relationen
∑ n-Tupel
(a1, …, an) heisst das geordnete n-Tupel der Elemente a1 bis an.
∑ Gleichheit von n-Tupeln
Die n-Tupel ( a1 , …, an ) und ( b1 , … , bn ) sind genau dann
gleich, wenn a1 = b1 ∧ … ∧ an = bn.
Sei A eine Menge. Eine binäre Relation R auf A ist eine
Teilmenge des kartesischen Produkts der Menge A mit sich
selbst.
R⊆A×A
Seien A1 und A2 Mengen. Eine binäre Relation R auf A1 ×
A2 ist eine Teilmenge des kartesischen Produkts A1 × A2.
R ⊆ A1 × A2
Infixnotation: Für (a, b) ∈ R schreibt man auch aRb.
∑ n-stellige Relationen
Seien A1, A2, …, An Mengen. Eine n-stellige Relation R auf
A1, A2, …, An ist eine Teilmenge des kartesischen Produkts der
Mengen A1, A2, …, An.
R ⊆ A1 × A2 × … × An
Mengen, Relationen, Funktionen 13
Mengen, Relationen, Funktionen 14
Formale Grundlagen der Informatik
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Die 16 binären Relationen auf A = {1,2}
Spezielle Relationen
∑ Ri ⊆ {1,2} × {1,2}
∑ Umkehrrelation
Sei R ⊆ A × B eine Relation. Die Umkehrrelation zur
Relation R ist die Relation R-1 ⊆ B × A mit
R1
∅
R9
{(1,2),(2,1)}
R2
{(1,1)}
R10
{(1,2),(2,2)}
R3
{(1,2)}
R11
{(2,1),(2,2)}
R4
{(2,1)}
R12
{(1,1),(1,2),(2,1)}
R5
{(2,2)}
R13
{(1,1),(1,2),(2,2)}
∀ a ∈ A, c ∈ C :
R6
{(1,1),(1,2)}
R14
{(1,1),(2,1),(2,2)}
( a , c ) ∈ R1 ◦ R2 ⇔ ∃ b ∈ B : ( a , b ) ∈ R1 ∧ ( b , c ) ∈ R2
R7
{(1,1),(2,1)}
R15
{(1,2),(2,1),(2,2)}
R8
{(1,1),(2,2)}
R16
{(1,1),(1,2),(2,1),(2,2)}
Mengen, Relationen, Funktionen 15
R-1 = { ( b , a ) | ( a , b ) ∈ R }
∑ Komposition von Relationen
Seien R1 ⊆ A × B und R2 ⊆ B × C Relationen. Die
Komposition R1 ◦ R2 ⊆ A × C von R1 und R2 wird definiert
durch
∑ Beispiel für Komposition von Relationen
Programme können als Relationen ihrer Eingabe- und
Ausgabewerte verstanden werden. Die Hintereinanderausführung von zwei Programmen entspricht dann der
Komposition der entsprechenden Relationen.
Mengen, Relationen, Funktionen 16
Formale Grundlagen der Informatik
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Eigenschaften von Relationen
Beispiel: Ein/Ausgabe Relation von
Programmen
Eine Relation R ⊆ A × B ist
∑ Linkstotal: Jedes Element a ∈ A tritt in mindestens einem
Paar ( a , b ) ∈ R links auf.
∀a ∈ A : ∃ b ∈ B : ( a , b ) ∈ R
∑ Rechtstotal: Jedes Element b ∈ B tritt in mindestens einem
Paar ( a , b ) ∈ R rechts auf.
∀b∈B:∃a∈A:(a,b)∈R
∑ Linkseindeutig: Für ein b ∈ B zu dem es ein a ∈ A gibt mit
( a , b ) ∈ R ist dieses linke a eindeutig.
∀ a 1 , a 2 ∈ A : ( ∃ b ∈ B : ( a1 , b ) ∈ R ∧ ( a2 , b ) ∈ R ) ⇒
INTEGER A
READ (A)
WHILE (A <> 0) DO { A := A - 2 }
WRITE (A)
∑ Datentyp INTEGER: beliebig grosse ganze Zahlen
∑ Ein/Ausgabe Relation: R ⊆ × mit ( x , y ) ∈ R genau
dann, wenn das Programm auf die Eingabe von x mit der
Ausgabe von y reagiert.
Ist das Programm linkstotal, rechtstotal, linkseindeutig,
rechtseindeutig?
a 1 = a2
∑ Rechtseindeutig: Für ein a ∈ A zu dem es ein b ∈ B gibt
mit ( a , b ) ∈ R ist dieses rechte b eindeutig.
∀ b 1 , b 2 ∈ B : ( ∃ a ∈ A : ( a , b1 ) ∈ R ∧ ( a , b2 ) ∈ R ) ⇒
b 1 = b2
Mengen, Relationen, Funktionen 17
Mengen, Relationen, Funktionen 18
Formale Grundlagen der Informatik
Formale Grundlagen der Informatik
Eigenschaften von binären Relationen
Äquivalenzrelationen
Eine binäre Relation R ⊆ X × X heisst
∑ Eine Äquivalenzrelation auf einer Menge M ist eine
binäre Relation ∼⊆ M × M die reflexiv, symmetrisch und
transitiv ist.
∑ Reflexiv: Jedes Element x steht zu sich selber in Relation.
∀x ∈ X : ( x , x ) ∈ R
∑ Irreflexiv: Kein Element steht zu sich selber in Relation.
∀x ∈ X : ( x , x ) ∉ R
∑ Symmetrisch: Zu jedem Paar in der Relation ist auch das
gespiegelte Paar in der Relation.
∀ x, y ∈ X : ( x , y ) ∈ R ⇒ ( y , x ) ∈ R
∑ Antisymmetrisch (identitiv): Zu jedem Paar in der
Relation ist das gespiegelte Paar nur dann in der Relation,
wenn die Elemente gleich sind.
∀ x, y ∈ X : ( x , y ) ∈ R ∧ ( y , x ) ∈ R ⇒ x = y
∑ Asymmetrisch: Zu jedem Paar in der Relation ist das
gespiegelte Paar nicht in der Relation.
∀ x, y ∈ X : ( x , y ) ∈ R ⇒ ( y , x ) ∉ R
∑ Transitiv:
∀ x, y, z ∈ X : ( x , y ) ∈ R ∧ ( y , z ) ∈ R ⇒ ( x , z ) ∈ R
Mengen, Relationen, Funktionen 19
∑ Gleichheit ("=") ist die prototypische Äquivalenzrelation.
∑ Partition: Sei M eine Menge. Eine Partition von M ist eine
Menge P von Teilmengen von M, also P ⊆ P (M), für die
die folgenden Eigenschaften gelten:
1. Keine Teilmenge der Partition ist leer.
2. Die Teilmengen der Partition sind paarweise disjunkt.
3. Die Vereinigung aller Teilmengen der Partition ist die
Menge M.
∑ Äquivalenzklassen: Sei ∼ ⊆ M × M eine
Äquivalenzrelation. Zu jedem Element m ∈ M heisst die
Menge
(m)∼ = { x ∈ M | x ∼ m }
die von m erzeugte Äquivalenzklasse.
∑ Für jede Äquivalenzrelation ∼ auf einer Menge X bildet
die Menge der Äquivalenzklassen von ∼ eine Partition P∼
von X.
Mengen, Relationen, Funktionen 20
Formale Grundlagen der Informatik
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Beispiel einer Äquivalenzrelation
Beispiel einer Äquivalenzrelation
∑ a ∫ b modulo n – d.h. a ∈
und b ∈
geben bei der
Division durch n ∈ den gleichen Rest r ∈
eine Äquivalenzrelation ∼m auf der Menge
a = k1 * n + r
0
– definiert
(ki ∈ , r = 0, ..., n-1)
b = k2 * n + r
a ∼m b ⇔ a – b = k * n
∑ Reflexivität
∀a ∈
: a ∼m a
(a – a = 0 * n)
∑ Symmetrie
∀a, b ∈
: a ∼m b ⇒ b ∼m a
(a – b = k * n, b – a = - k * n)
∑ Transitivität
∀a, b, c ∈
: a ∼m b ∧ b ∼m c ⇒ a ∼m c
(a – b = k1 * n, b – c = k2 * n, a - c = (k1 + k2)* n)
∑ Die Menge aller Zahlen a ∈ , die bei der Division durch n
∈
den gleichen Rest r ∈
0 ergeben, bilden eine
Äquivalenzklasse (r)∼m. Da r = 0, ..., n-1, gibt es n
Äquivalenzklassen.
Für n = 5 erhalten wir
(0)∼m = { a ∈
| a ∼ m 0} = { ..., -10, -5, 0, 5, 10, ...}
(1)∼m = { a ∈
| a ∼ m 1} = { ..., -9, -4, 1, 6, 11, ...}
(2)∼m = { a ∈
| a ∼ m 2} = { ..., -8, -3, 2, 7, 12, ...}
(3)∼m = { a ∈
| a ∼ m 3} = { ..., -7, -2, 3, 8, 13, ...}
(4)∼m = { a ∈
| a ∼ m 4} = { ..., -6, -1, 4, 9, 14, ...}
∑ Die Menge der Äquivalenzklassen von ∼m bildet eine
Partition von , denn
keine Äquivalenzklasse ist leer
die Äquivalenzklassen sind paarweise disjunkt
(0)∼m ∪ (1)∼m ∪ (2)∼ ∪ (3)∼m ∪ (4)∼m =
Mengen, Relationen, Funktionen 21
Mengen, Relationen, Funktionen 22
Formale Grundlagen der Informatik
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Weitere Beispiele von Äquivalenzrelationen
Hüllen
1. Sei X die Menge aller syntaktisch korrekten Pascal
Programme, die einen Eingabewert lesen und entweder in
eine Endlosschleife gehen oder einen Wert ausgeben.
Welche der folgenden Relationen sind Äquivalenzrelationen?
Sei M eine Menge und R ⊆ M × M eine Relation.
∑ ∼1 ⊆ X × X mit P ∼1 Q genau dann, wenn P und Q für
dieselben Eingabewerte dieselben Ausgabewerte
erzeugen.
∑ ∼2 ⊆ X × X mit P ∼2 Q genau dann, wenn P und Q für
dieselben Eingabewerte terminieren und dann auch
dieselben Ausgabewerte ergeben.
2. Gegeben sei die Menge aller Menschen. Welche der
folgenden Relationen sind Äquivalenzrelationen?
∑ x steht zu y in Relation, falls x und y die gleiche Sprache
sprechen.
∑ x steht zu y in Relation, falls x älter oder genauso alt wie
y ist.
∑ x steht zu y in Relation, falls x und y sich gegenseitig
kennen.
Mengen, Relationen, Funktionen 23
Wir suchen nun nach der kleinsten Anzahl von geordneten
Paaren aus M × M, die wir zu R hinzufügen müssen, damit
die so erweiterte Relation – Hülle genannt – bestimmte
Eigenschaften besitzt.
1. Die transitive Hülle von R ist die Relation
<R>t ⊆ M × M definiert durch:
( x , y ) ∈ <R>t ⇔ ( x , y ) ∈ R ∨ ∃ n ∈
:
∃ t1, t2, …, tn : (x , t1), ( t1 , t2 ), …, ( tn-1 , tn ), ( tn , y ) ∈ <R>t
2. Die symmetrische Hülle von R ist die Relation
<R>s ⊆ M × M definiert durch:
( x , y ) ∈ <R>s ⇔ (( x , y ) ∈ R ∨ ( y , x ) ∈ R)
<R>s = R » R-1
Mengen, Relationen, Funktionen 24
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Hüllen
Funktionen
3. Die reflexiv-transitive Hülle von R ist die Relation
<R>rt ⊆ M × M definiert durch:
∑ Eine Funktion f ist eine binäre Relation f ⊆ A × B, die
linkstotal und rechtseindeutig ist: Zu jedem a ∈ A gibt es
genau ein b ∈ B mit (a , b) ∈ f.
( x , y ) ∈ <R>rt ⇔ (( x , y ) ∈ <R>t ∨ x = y)
∑ Bei Funktionen schreibt man f : A → B anstatt f ⊆ A × B
und f(a) = b anstatt (a , b) ∈ f.
4. Die reflexiv-symmetrisch-transitive Hülle von R ist die
Relation <R>rst ⊆ M × M definiert durch:
<R>rst = <<R> s > rt
<R>rst ist die „kleinste“ Erweiterung von R zu einer
Äquivalenzrelation.
∑ Terminologie
1. A heisst der Definitionsbereich von f.
2. B heisst der Wertebereich von f.
3. Die Menge f(A) = { f(a) | a ∈ A } heisst das Bild von f.
∑ Eigenschaften von Funktionen
1. Eine Funktion ist surjektiv, wenn sie rechtstotal ist.
2. Eine Funktion ist injektiv, wenn sie linkseindeutig ist.
3. Eine Funktionen ist bijektiv, wenn sie surjektiv und
injektiv ist.
∑ Sind f : A → B und g : B → C Funktionen, so bezeichnet
g ◦ f : A → C die Komposition von f und g, die durch
(g ◦ f)(a) = g(f(a)) definiert ist.
Mengen, Relationen, Funktionen 25
Mengen, Relationen, Funktionen 26
Formale Grundlagen der Informatik
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Spezielle Funktionen
Funktionenräume
∑ Identität
Ein Funktionenraum ist eine Menge von Funktionen.
Die Funktion idA : A → A, die durch idA(a) = a definiert ist,
heisst die Identität.
Der Funktionenraum AB ist definiert als
A B = {f | f : B → A }.
∑ Konstante Funktion
Eine Funktion c : A → B, die für alle Werte des Arguments
denselben Wert hat, heisst konstant.
Er beinhaltet alle Funktionen, die die Menge B auf die Menge
A abbilden.
Wie viele Elemente hat AB ?
∑ Umkehrfunktion
Eine Funktion g : B → A heisst eine Umkehrfunktion einer
Funktion f : A → B, wenn
g ◦ f : A → A gleich idA ist, und
f ◦ g : B → B gleich idB ist.
Eine Funktion hat genau dann eine Umkehrfunktion, wenn sie
bijektiv ist. Diese Umkehrfunktion ist eindeutig.
∑ Charakteristische Funktion
Gegen sei eine Menge A und ein Element a∈ A. Die Funktion
xa: A → {0,1}
ist definiert als xa(a) = 1 und xa(b) = 0 für b ≠ a und heisst
die charakterische Funktion von a..
Mengen, Relationen, Funktionen 27
Mengen, Relationen, Funktionen 28
Formale Grundlagen der Informatik
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Funktionen mit mehreren Variablen
Kardinalität von Mengen
Eine Funktion kann von mehreren Variablen abhängen, und
der Wertebereich kann mehrdimensional sein. Formal:
∑ Anzahl von Elementen (informell)
f: A1 × … × An → B1 × … × Bm .
Man schreibt dann für die Funktionswerte
f(a1 , … , an ) = ( b1 , … , bm)
= ( f1 (a1 , … , an ) , … , fm (a1 , … , an ) ) .
Die Funktionen f1 ,…, fm heissen Koordinatenfunktionen.
Beispiele:
∑ Additionsfunktion: ⊕:
×
∑ Multiplikationsfunktion:
∑ „Spiralfunktion“:
sp: → × ×
→
:
×
mit ⊕(a,b)= a + b .
→
mit
Sei A eine Menge mit endlich vielen Elementen. Die Anzahl
|A| nennt man die Mächtigkeit oder Kardinalität der Menge.
∑ Zwei endliche Mengen haben dieselbe Kardinalität, wenn
die Anzahl Elemente in beiden Mengen gleich ist.
Nimmt man je ein Element aus beiden Mengen heraus,
bleiben am Ende zwei leere Mengen.
∑ Cantor hat diese Idee für unendliche Mengen
weiterentwickelt: Zwei unendliche Mengen haben dieselbe
Kardinalität, wenn sich die Elemente beider Mengen
paaren lassen:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
…
(a,b)= a • b .
mit sp(t)=( sin(t) , cos(t) , t ).
Mengen, Relationen, Funktionen 29
Mengen, Relationen, Funktionen 30
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Kardinalität von Mengen (2)
Cantors Diagonalisierungsargument für
|P ( )| > | |
∑ Formaler:
|X| = |Y| ⇔ es gibt eine Bijektion zwischen X und Y
Beweis durch Widerspruch.
|X| ≤ |Y| ⇔ es gibt eine injektive Funktion von X nach Y
Wir nehmen an, dass |P( )| ≤ | |. D.h., man kann jeder
Teilmenge von
eine Zahl aus so zuordnen, dass jede
Zahl aus
höchstens einmal benutzt wird.
∑ Die Relation ∼ definiert durch
X ∼ Y ⇔ es gibt eine Bijektion zwischen X und Y
ist eine Äquivalenzrelation.
∑ Wir definieren nun |X| als die Äquivalenzklasse (X)∼
∑ Die Kardinalität von ist ℵ0 (Aleph null). ℵ0 ist die kleinste
unendliche Kardinalzahl. Mengen mit der Kardinalzahl ℵ0
werden abzählbar unendlich genannt.
∑ Eine weitere Kardinalzahl ist c. Dies ist die Kardinalität von
P( ) und . Mengen mit der Kardinalzahl c werden
überabzählbar genannt.
∑ Cantors Diagonalisierungsargument beweist c <> ℵ0.
Uns interessieren die Paare, bei denen die Teilmenge von
die Zahl aus nicht enthält, mit der sie gepaart wird. Beim
Paar (1 , { 2 }) z.B. enthält die Teilmenge die Zahl nicht, beim
Paar (2 , { 2 , 3 }) enthält sie sie.
Wir definieren eine Teilmenge M ⊆ so, dass M die Zahlen
enthält, die entweder nicht gepaart sind oder mit einer
Teilmenge von gepaart sind, die die Zahl nicht enthalten.
M ist eine Teilmenge von . Also muss es ein Paar (z , M)
geben. Ist z ein Element von M?
Ja: Dann ist z gepaart mit einer Menge, die z enthält. Das ist
ein Widerspruch zur Definition von M.
Nein: Dann ist z gepaart mit einer Menge aus |P( )|
(nämlich M), die z nicht enthält. Nach der Definition von M
muss z dann aber ein Element von M sein. Widerspruch.
Also muss |P( )| > | | gelten.
Mengen, Relationen, Funktionen 31
Mengen, Relationen, Funktionen 32
Formale Grundlagen der Informatik
Formale Grundlagen der Informatik
Russelsches Paradox in der naiven
Mengenlehre
Rechnen mit Kardinalitäten
Für endliche Mengen gilt:
∑ Axiom der Komprehension: Für jede Eigenschaft können
wir eine Menge bilden, die genau die Elemente enthält, die
diese Eigenschaft haben.
∑ Der Begriff der Eigenschaft muss eingeschränkt werden,
sonst entsteht ein Widerspruch.
∑ Beispiel: Man definiere M als die Mengen aller Mengen, die
sich selbst nicht enthalten:
M={X|X∉X}
Frage: Enthält M sich selber?
Ja. Wenn M sich selbst enthält, dann darf M sich selbst nicht
enthalten
Nein. Wenn M sich selbst nicht enthält, dann muss M sich
selbst enthalten
∑ |A∪B|=|A|+|B|–|A∩B|
∑ |A∪B∪C|=|A|+|B|+|C|
– | A ∩ B |– | A ∩ C |– | B ∩ C | + | A ∩ B ∩ C |
∑ | A - B | = | A | - | B |, falls B ⊆ A
∑ |A×B|=|A|•|B|
Für abzählbar unendliche Mengen gilt:
∑ ℵ0 + ℵ0 = ℵ0
∑ ℵ0 • ℵ0 = ℵ0
∑ Was ist mit ℵ0 - ℵ0 ?
Wir wissen aber aus der Logik, dass aus einem Widerspruch
alles abgeleitet werden kann.
Mengen, Relationen, Funktionen 33
Mengen, Relationen, Funktionen 34