MAT2033 · 4. hafta · sets and functions

Kümeler: işlemler, kuvvet kümesi ve küme eşitliği ispatı

Alt küme, kuvvet kümesi, kartezyen çarpım, küme işlemleri ve küme eşitliğini üyelik tablosu ya da çift yönlü içermeyle ispatlama.

setelementroster methodset-builder notationempty setsubsetproper subsetcardinalitypower setCartesian productordered pairunionintersectiondifferencecomplementsymmetric differencedisjointVenn diagrammembership tableset identityinclusion-exclusion

Kümeler (sets) ayrık matematiğin “veri yapısı”. Fonksiyonlar, bağıntılar, graflar, olasılık: hepsi kümeler üzerine kurulur. Vizede bu konudan genelde bir hesap parçası (işlemleri yap, kuvvet kümesini yaz) ve bir ispat parçası (iki kümenin eşit olduğunu göster) gelir. Hesap parçası bedava puandır; ispat parçasında üç yöntemden birini şablon gibi uygularsın.

Altın kurallar:

  1. Küme sırasız ve tekrarsızdır. {1,2,3}={3,1,2}={1,1,2,3}\{1, 2, 3\} = \{3, 1, 2\} = \{1, 1, 2, 3\}.
  2. ∈\in ile ⊆\subseteq farklı sorulardır. Birincisi tek bir eleman sorar, ikincisi bütün elemanları.
  3. ∣P(A)∣=2∣A∣\lvert \mathcal{P}(A) \rvert = 2^{\lvert A \rvert}. Boş kümeyi ve AA‘nın kendisini yazmayı unutma.
  4. Küme işlemleri mantık işlemleridir. ∩=∧\cap = \land, ∪=∨\cup = \lor, tümleyen =¬= \lnot.
  5. Eşitlik için iki yön, eşitsizlik için tek örnek.

Temel tanımlar

Küme (set): iyi tanımlanmış nesneler topluluğu. Nesnelere eleman (element) denir: a∈Aa \in A.

İki yazım biçimi:

  • Roster method (liste): A={2,4,6,8}A = \{2, 4, 6, 8\}.
  • Set-builder notation: A={x∈Z+∣x is even and x<10}A = \{x \in \mathbb{Z}^+ \mid x \text{ is even and } x < 10\}.

Standart kümeler: N={0,1,2,… }\mathbb{N} = \{0, 1, 2, \dots\} (Rosen’da 0 dahil), Z\mathbb{Z} tam sayılar, Z+\mathbb{Z}^+ pozitif tam sayılar, Q\mathbb{Q} rasyoneller, R\mathbb{R} reeller. Aralıklar: [a,b][a, b], (a,b)(a, b) gibi.

KavramTanımÖrnek
Empty set ∅\emptysethiç elemanı olmayan küme{x∈R∣x2=−1}=∅\{x \in \mathbb{R} \mid x^2 = -1\} = \emptyset
Subset A⊆BA \subseteq B∀x (x∈A→x∈B)\forall x\,(x \in A \to x \in B){1,2}⊆{1,2,3}\{1, 2\} \subseteq \{1, 2, 3\}
Proper subset A⊂BA \subset BA⊆BA \subseteq B ve A≠BA \ne B{1}⊂{1,2}\{1\} \subset \{1, 2\}
Equality A=BA = BA⊆BA \subseteq B ve B⊆AB \subseteq A{1,2}={2,1}\{1, 2\} = \{2, 1\}
Cardinality ∣A∣\lvert A \rvertsonlu kümede eleman sayısı∣{a,{a}}∣=2\lvert \{a, \{a\}\} \rvert = 2

Her küme için ∅⊆A\emptyset \subseteq A ve A⊆AA \subseteq A. Boş kümenin alt küme olması “vacuous truth” yüzünden: x∈∅x \in \emptyset hiç doğru olmadığı için koşullu önerme otomatik doğru.

TUZAK · ∅\emptyset ile {∅}\{\emptyset\}. ∅\emptyset boş bir kutu. {∅}\{\emptyset\} içinde boş bir kutu olan bir kutu: bir elemanı var. ∣∅∣=0\lvert \emptyset \rvert = 0, ∣{∅}∣=1\lvert \{\emptyset\} \rvert = 1.

Kuvvet kümesi ve kartezyen çarpım

Power set P(A)\mathcal{P}(A): AA‘nın bütün alt kümelerinin kümesi.

P({a,b,c})={∅,{a},{b},{c},{a,b},{a,c},{b,c},{a,b,c}}\mathcal{P}(\{a, b, c\}) = \{\emptyset, \{a\}, \{b\}, \{c\}, \{a, b\}, \{a, c\}, \{b, c\}, \{a, b, c\}\}

8 eleman: 232^3. Neden 2n2^n? Her eleman için iki seçenek var: alt kümede ya var ya yok. nn eleman, 2⋅2⋯2=2n2 \cdot 2 \cdots 2 = 2^n.

Sistemli yazmak için boyuta göre grupla: 0 elemanlı (1 tane), 1 elemanlı (3), 2 elemanlı (3), 3 elemanlı (1).

Cartesian product A×B={(a,b)∣a∈A, b∈B}A \times B = \{(a, b) \mid a \in A,\ b \in B\}. Elemanlar sıralı ikili (ordered pair): (a,b)=(c,d)(a, b) = (c, d) ancak a=ca = c ve b=db = d ise. A={1,2}A = \{1, 2\}, B={p,q}B = \{p, q\}:

A×B={(1,p),(1,q),(2,p),(2,q)},∣A×B∣=∣A∣⋅∣B∣.A \times B = \{(1, p), (1, q), (2, p), (2, q)\}, \qquad \lvert A \times B \rvert = \lvert A \rvert \cdot \lvert B \rvert.

B×AB \times A‘nın elemanları (p,1)(p, 1) gibi, ilk koordinat BB‘den. Yani genelde A×B≠B×AA \times B \ne B \times A. A×∅=∅A \times \emptyset = \emptyset.

Küme işlemleri

İşlemTanım (set-builder)Mantık karşılığı
Union A∪BA \cup B{x∣x∈A∨x∈B}\{x \mid x \in A \lor x \in B\}∨\lor
Intersection A∩BA \cap B{x∣x∈A∧x∈B}\{x \mid x \in A \land x \in B\}∧\land
Difference A−BA - B{x∣x∈A∧x∉B}\{x \mid x \in A \land x \notin B\}p∧¬qp \land \lnot q
Complement A‾\overline{A}{x∈U∣x∉A}\{x \in U \mid x \notin A\}¬\lnot
Symmetric difference A⊕BA \oplus B(A−B)∪(B−A)(A - B) \cup (B - A)⊕\oplus

A∩B=∅A \cap B = \emptyset ise AA ile BB ayrık (disjoint).

Örnek. U={1,…,8}U = \{1, \dots, 8\}, A={1,2,3,4}A = \{1, 2, 3, 4\}, B={3,4,5,6}B = \{3, 4, 5, 6\}.

A ∩ B = {3, 4}            A ∪ B = {1, 2, 3, 4, 5, 6}
A − B = {1, 2}            B − A = {5, 6}
Ā = {5, 6, 7, 8}          A ⊕ B = {1, 2, 5, 6}

İçerme-dışlama (inclusion-exclusion): ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣\lvert A \cup B \rvert = \lvert A \rvert + \lvert B \rvert - \lvert A \cap B \rvert. Örnekte 4+4−2=64 + 4 - 2 = 6. Kesişim iki kere sayıldığı için bir kere çıkarılır.

Küme özdeşlikleri (set identities)

Hepsi mantık kanunlarının birebir kopyası:

KanunÖzdeşlik
IdentityA∪∅=AA \cup \emptyset = A, A∩U=AA \cap U = A
DominationA∪U=UA \cup U = U, A∩∅=∅A \cap \emptyset = \emptyset
ComplementA∪A‾=UA \cup \overline{A} = U, A∩A‾=∅A \cap \overline{A} = \emptyset, A‾‾=A\overline{\overline{A}} = A
DistributiveA∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C)A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)
De MorganA∪B‾=A‾∩B‾\overline{A \cup B} = \overline{A} \cap \overline{B}, A∩B‾=A‾∪B‾\overline{A \cap B} = \overline{A} \cup \overline{B}
AbsorptionA∪(A∩B)=AA \cup (A \cap B) = A, A∩(A∪B)=AA \cap (A \cup B) = A
DifferenceA−B=A∩B‾A - B = A \cap \overline{B}

Küme eşitliğini ispatlamanın üç yolu

Yol 1: Çift yönlü içerme (double inclusion)

X=YX = Y‘yi göstermek için X⊆YX \subseteq Y ve Y⊆XY \subseteq X‘i ayrı ayrı göster.

Teorem. A∪B‾=A‾∩B‾\overline{A \cup B} = \overline{A} \cap \overline{B}.

(⊆) Let x ∈ complement(A ∪ B). Then x ∉ A ∪ B, so it is not the case
    that x ∈ A or x ∈ B. By De Morgan's law (logic), x ∉ A and x ∉ B,
    i.e. x ∈ Ā and x ∈ B̄. Hence x ∈ Ā ∩ B̄.
(⊇) Let x ∈ Ā ∩ B̄. Then x ∉ A and x ∉ B, so x is in neither set,
    i.e. x ∉ A ∪ B. Hence x ∈ complement(A ∪ B).
Both inclusions hold, so the sets are equal.  ∎

Yol 2: Üyelik tablosu (membership table)

Doğruluk tablosunun aynısı: 1 “elemanı”, 0 “elemanı değil”. Üç küme 8 satır. Her iki tarafın sütununu hesapla, aynıysa eşit.

Teorem. A−(B∩C)=(A−B)∪(A−C)A - (B \cap C) = (A - B) \cup (A - C).

AABBCCB∩CB \cap CA−(B∩C)A - (B \cap C)A−BA - BA−CA - C(A−B)∪(A−C)(A-B) \cup (A-C)
11110000
11001011
10101101
10001111
01110000
01000000
00100000
00000000

“Since the columns for A−(B∩C)A - (B \cap C) and (A−B)∪(A−C)(A - B) \cup (A - C) are identical, the two sets are equal.” ∎

X−YX - Y sütununu doldururken kural: “XX‘te 1 VE YY‘de 0” ise 1. A=0A = 0 olan satırlarda fark otomatik 0; alt yarıyı hızlı doldurursun.

Yol 3: Set-builder ve mantık kanunları

Her adımı bir tanım ya da mantık kanunuyla gerekçelendir. Soru 9 bu yolun örneği. En kısa yazım budur ama her satırın gerekçesini yazmak zorunlu.

İPUCU · Hangi yolu seçeyim? Soru “use a membership table” diyorsa tablo. “Prove that” diyorsa en güvenlisi çift yönlü içerme; hoca derste genelde onu yapar. Zaman azsa tablo en mekanik yol, hata payı en düşük.

Eşit değil göstermek

Tek somut örnek: küçük kümeler seç ({1}\{1\}, ∅\emptyset), iki tarafı hesapla, farklı çıksın. Üyelik tablosunda farklı çıkan satır sana hazır bir örnek verir: o satırda 1 olan kümelere 1 elemanını koy.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
{1,1,2}\{1, 1, 2\} üç elemanlıİki elemanlı; tekrar sayılmaz
∅∈A\emptyset \in A her zaman doğru∅⊆A\emptyset \subseteq A her zaman doğru; ∈\in ayrı soru
∣{∅}∣=0\lvert \{\emptyset\} \rvert = 01
P(A)\mathcal{P}(A)‘yı yazarken ∅\emptyset ya da AA‘yı unutmakSayı kontrolü: 2∣A∣2^{\lvert A \rvert} eleman
A×B=B×AA \times B = B \times ASıralı ikili; genelde farklı
∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣\lvert A \cup B \rvert = \lvert A \rvert + \lvert B \rvertKesişimi çıkar
“4 ya da 6’ya bölünen”de kesişim 24’ün katlarıEKOK: 12’nin katları
Bir örnekte eşit çıktı, demek ki eşitEşitlik için genel ispat; eşitsizlik için tek örnek
A−B=B−AA - B = B - AFark değişmeli değil
Çift yönlü içermede tek yönü yazmakİki yön de lazım

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Let U={1,2,…,10}U = \{1, 2, \dots, 10\}, A={2,3,5,7}A = \{2, 3, 5, 7\} and B={1,2,3,4,5}B = \{1, 2, 3, 4, 5\}. Find A∩BA \cap B, A∪BA \cup B, A−BA - B, B−AB - A and A‾\overline{A}.

Cevabı göster
A∩B = {2,3,5}, A∪B = {1,2,3,4,5,7}, A−B = {7}, B−A = {1,4}, Ā = {1,4,6,8,9,10}

Kesişim: ikisinde ortak olanlar 2, 3, 5. Birleşim: tekrar yazmadan hepsi. A−BA - B: AA'dan BB'de olanları sil, sadece 7 kalır. B−AB - A: BB'den 2, 3, 5'i sil: {1,4}\{1, 4\}. Tümleyen: UU'da olup AA'da olmayanlar.

Soru 2kolay

Find ∣P({a,b,c,d})∣\lvert \mathcal{P}(\{a, b, c, d\}) \rvert and ∣P(P(∅))∣\lvert \mathcal{P}(\mathcal{P}(\emptyset)) \rvert.

Cevabı göster
16 and 2

nn elemanlı kümenin 2n2^n alt kümesi var: 24=162^4 = 16. P(∅)={∅}\mathcal{P}(\emptyset) = \{\emptyset\}, bir elemanlı. Onun kuvvet kümesi {∅,{∅}}\{\emptyset, \{\emptyset\}\}, iki elemanlı: 21=22^1 = 2.

Soru 3kolay

True or false? (a) ∅∈{1,2}\emptyset \in \{1, 2\} (b) ∅⊆{1,2}\emptyset \subseteq \{1, 2\} (c) {1}∈{1,{1}}\{1\} \in \{1, \{1\}\} (d) {1}⊆{1,{1}}\{1\} \subseteq \{1, \{1\}\} (e) {{1}}⊆{1}\{\{1\}\} \subseteq \{1\}

Cevabı göster
(a) F (b) T (c) T (d) T (e) F

(a) {1,2}\{1, 2\}'nin elemanları 1 ve 2; ∅\emptyset onlardan biri değil. (b) Boş küme her kümenin alt kümesidir. (c) {1}\{1\} ikinci eleman olarak listede var. (d) {1}\{1\}'in tek elemanı 1, o da kümede var. (e) {{1}}\{\{1\}\}'in elemanı {1}\{1\}; {1}\{1\} kümesinin elemanı sadece 1. {1}≠1\{1\} \ne 1, yanlış. ∈\in "eleman mı?", ⊆\subseteq "bütün elemanları içeride mi?" diye sorar.

Soru 4orta

Let A={1,2}A = \{1, 2\} and B={x,y,z}B = \{x, y, z\}. Find ∣A×B∣\lvert A \times B \rvert, ∣A×B×A∣\lvert A \times B \times A \rvert and ∣P(A×B)∣\lvert \mathcal{P}(A \times B) \rvert.

Cevabı göster
6, 12, 64

∣A×B∣=2⋅3=6\lvert A \times B \rvert = 2 \cdot 3 = 6. Üçlü çarpım: 2⋅3⋅2=122 \cdot 3 \cdot 2 = 12. A×BA \times B 6 elemanlı bir küme, kuvvet kümesi 26=642^6 = 64 elemanlı.

Soru 5orta

Use a membership table to determine whether (A∪B)−C=(A−C)∪(B−C)(A \cup B) - C = (A - C) \cup (B - C).

Cevabı göster
Equal (identical columns)

8 satır, sıra ABCA B C = 111, 110, 101, 100, 011, 010, 001, 000. A∪BA \cup B: 1,1,1,1,1,1,0,0. (A∪B)−C(A\cup B) - C ("A∪BA \cup B'de 1 ve CC'de 0"): 0,1,0,1,0,1,0,0. A−CA - C: 0,1,0,1,0,0,0,0. B−CB - C: 0,1,0,0,0,1,0,0. Birleşimleri: 0,1,0,1,0,1,0,0. Sütunlar aynı, kümeler eşit.

Soru 6orta

Is A−(B−C)=(A−B)−CA - (B - C) = (A - B) - C for all sets? Prove or give a counterexample.

Cevabı göster
No. A = B = C = {1}: left side {1}, right side ∅.

Küme farkı birleşmeli (associative) değil. A=B=C={1}A = B = C = \{1\}: B−C=∅B - C = \emptyset, so A−(B−C)={1}A - (B - C) = \{1\}. A−B=∅A - B = \emptyset, so (A−B)−C=∅(A - B) - C = \emptyset. Farklı. Eşit olmadığını göstermek için tek somut örnek yeter.

Soru 7kolay

In a class of 40 students, 25 take Python, 18 take Java and 9 take both. How many students take neither?

Cevabı göster
6

∣P∪J∣=∣P∣+∣J∣−∣P∩J∣=25+18−9=34\lvert P \cup J \rvert = \lvert P \rvert + \lvert J \rvert - \lvert P \cap J \rvert = 25 + 18 - 9 = 34. İkisini de alan 9 kişi iki kere sayıldı, bir kere çıkardık. Hiçbirini almayan: 40−34=640 - 34 = 6.

Soru 8zor

Prove that A∩(B−A)=∅A \cap (B - A) = \emptyset for all sets AA and BB.

Cevabı göster
An element of both would satisfy x ∈ A and x ∉ A, a contradiction.

Suppose, for contradiction, that some x∈A∩(B−A)x \in A \cap (B - A). Then x∈Ax \in A and x∈B−Ax \in B - A; the second means x∈Bx \in B and x∉Ax \notin A. So x∈Ax \in A and x∉Ax \notin A, contradiction. Hence the set has no elements. ∎ Boş küme olduğunu göstermenin standart yolu: "bir eleman olsaydı" diye başlayıp çelişki.

Soru 9zor

Prove De Morgan's law A∩B‾=A‾∪B‾\overline{A \cap B} = \overline{A} \cup \overline{B} using set-builder notation and logical equivalences.

Cevabı göster
x ∈ complement(A∩B) ⟺ ¬(x∈A ∧ x∈B) ⟺ x∉A ∨ x∉B ⟺ x ∈ Ā ∪ B̄

A∩B‾={x∣x∉A∩B}={x∣¬(x∈A∧x∈B)}\overline{A \cap B} = \{x \mid x \notin A \cap B\} = \{x \mid \lnot(x \in A \land x \in B)\} (def. of intersection)={x∣x∉A∨x∉B}= \{x \mid x \notin A \lor x \notin B\} (De Morgan's law for logic)={x∣x∈A‾∨x∈B‾}= \{x \mid x \in \overline{A} \lor x \in \overline{B}\} (def. of complement)=A‾∪B‾= \overline{A} \cup \overline{B} (def. of union). ∎ Her adımın yanına gerekçe yaz.

Soru 10orta

How many integers from 1 to 200 (inclusive) are divisible by 4 or by 6?

Cevabı göster
67

∣A4∣=⌊200/4⌋=50\lvert A_4 \rvert = \lfloor 200/4 \rfloor = 50, ∣A6∣=⌊200/6⌋=33\lvert A_6 \rvert = \lfloor 200/6 \rfloor = 33. Hem 4'e hem 6'ya bölünen = lcm⁡(4,6)=12\operatorname{lcm}(4, 6) = 12'ye bölünen: ⌊200/12⌋=16\lfloor 200/12 \rfloor = 16. Toplam 50+33−16=6750 + 33 - 16 = 67. Tuzak: kesişimi 4⋅6=244 \cdot 6 = 24'e bölünenler sanmak; doğrusu EKOK 12.

Soru 11kolay

List the elements of {x∈Z∣x2<10}\{x \in \mathbb{Z} \mid x^2 < 10\}.

Cevabı göster
{−3, −2, −1, 0, 1, 2, 3}

x2<10x^2 < 10 ise ∣x∣≤3\lvert x \rvert \le 3 (32=9<103^2 = 9 < 10, 42=164^2 = 16). Negatifleri unutma: −3-3'ün karesi de 9.

Soru 12zor

Prove that if A⊆BA \subseteq B, then P(A)⊆P(B)\mathcal{P}(A) \subseteq \mathcal{P}(B).

Cevabı göster
If S ∈ P(A), then S ⊆ A ⊆ B, so S ∈ P(B).

Let S∈P(A)S \in \mathcal{P}(A). By definition S⊆AS \subseteq A. Let x∈Sx \in S; then x∈Ax \in A, and since A⊆BA \subseteq B, x∈Bx \in B. So S⊆BS \subseteq B, i.e. S∈P(B)S \in \mathcal{P}(B). Since SS was arbitrary, P(A)⊆P(B)\mathcal{P}(A) \subseteq \mathcal{P}(B). ∎ Alt küme ispatı hep "Let x∈Xx \in X ... then x∈Yx \in Y" kalıbıyla yazılır.

Doğrulama: Bütün küme işlemleri JavaScript dizileriyle, üyelik tabloları 8 satırın hepsi hesaplanarak, kuvvet kümesi boyutları üretilerek, sayma soruları 1..200 taranarak node ile kontrol edildi (verify/MAT2033/04.mjs).

Deftere not kartı

Küme: sırasız, tekrarsız. {1,2,2,3} = {3,2,1}, 3 elemanlı. ∈ eleman mı? ⊆ bütün elemanları içeride mi? ∅ ⊆ her küme, ∅ ∈ X ise ayrı soru ∅ 0 elemanlı, {∅} 1 elemanlı. |P(A)| = 2^|A| (∅ ve A dahil) |A×B| = |A|·|B| (a,b) ≠ (b,a) A×B ≠ B×A genelde A∩B ortak, A∪B hepsi, A−B = A∩B̄, Ā = U−A, A⊕B = (A−B)∪(B−A) Mantık sözlüğü: ∩↔∧, ∪↔∨, tümleyen↔¬, ⊆↔→ De Morgan: (A∪B)‾ = Ā∩B̄ (A∩B)‾ = Ā∪B̄ |A∪B| = |A|+|B|−|A∩B| (k ya da m'ye bölünen: kesişim EKOK'a bölünen) Eşitlik ispatı 1: X⊆Y ve Y⊆X ("Let x ∈ X. Then ... so x ∈ Y") Eşitlik ispatı 2: üyelik tablosu, 1/0, sütunlar aynı Eşitlik ispatı 3: set-builder + mantık kanunları Eşit DEĞİL: tek somut örnek (A=B=C={1} gibi) A−(B−C) ≠ (A−B)−C fark birleşmeli değil