1.1 集合的概念

人教 A 版 · 本节 5 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 31 题 ↓

原书扫描页(人教 A 版原文)

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本节的知识树

1 概念 · 最深 1 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 31 道

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

这是整套高中数学的第一节,也是最容易被低估的一节。它没有一个需要推导的结论,全部内容就是 三个约定(元素的确定性、互异性、无序性)与三种写法(自然语言、列举法、描述法)。 可它是后面每一节的底座——函数的定义域、不等式的解集、三角函数的取值范围,全都是集合; 高考卷上第 1 题连续多年考它(浙江卷 2022、2023、2024 的第 1 题都是集合运算,2025 年排在第 2 题)。

所以这一节的讲法与课本略有不同:课本按”含义 → 表示”的顺序写,这里按决策顺序写—— 先说清”什么东西算一个集合”,再把三种写法摆在一起,回答唯一真正难的那个问题: 手上这个集合,我该用哪一种写法?

一、集合是什么:一句定义,三个约定

把研究对象统称为元素,把一些元素组成的总体叫做集合。定义就这一句,真正要记的是它背后 三个约定,每一个都对应高考里的一种失分。

① 确定性——“在不在里面”必须有答案。 给定一个集合,任何一个对象要么属于它、要么不属于它, 不能”差不多算”。课本给的对照很干净:1∼101\sim 10 之间的所有偶数构成集合(2,4,6,8,102,4,6,8,10 在里面, 1,3,5,7,91,3,5,7,9 不在),而”较小的数”构成不了集合——多小算小,没有标准。同理”高中学生中的游泳能手” 不是集合,“到定点距离等于定长的点”是集合。判断题的判据只有一条:能不能给出一条一句话说清的入选标准。

② 互异性——同一个元素不写两遍。 这一条平时看不出来,含参数的题目里就是全部考点: A={x∣(x−3)(x−a)=0}A = \{x \mid (x-3)(x-a) = 0\} 在 a=3a = 3 时只有一个元素,不是”有两个但相同”。

③ 无序性——列举的顺序不影响集合。 因此 {0,1,2}\{0,1,2\} 与 {2,1,0}\{2,1,0\} 是同一个集合。 判断两个集合相等,只看元素是否一样,不看写法。

元素与集合之间只有两种关系,各配一个符号:

关系记法读作
aa 是集合 AA 的元素a∈Aa \in Aaa 属于 AA
aa 不是集合 AA 的元素a∉Aa \notin Aaa 不属于 AA

这两个符号连接的是元素与集合,两侧的身份不能对调,也不能拿来连接两个集合 (那是下一节的 ⊆\subseteq)。

二、五个常用数集:记号与边界

N (自然数集,含 0),N∗ 或 N+ (正整数集),Z (整数集),Q (有理数集),R (实数集).\mathbf{N}\ (\text{自然数集,含 } 0), \quad \mathbf{N}^{*} \text{ 或 } \mathbf{N}_{+}\ (\text{正整数集}), \quad \mathbf{Z}\ (\text{整数集}), \quad \mathbf{Q}\ (\text{有理数集}), \quad \mathbf{R}\ (\text{实数集}).

只有一处需要死记:N\mathbf{N} 含 00(课本原话是”全体非负整数组成的集合称为非负整数集, 或自然数集”)。要把 00 排除掉必须写 N∗\mathbf{N}^{*}。这一条在”求集合的元素个数”一类题里 一漏就是一个元素的差。

其余四个的边界也各有一处易混:0.5∉Z0.5 \notin \mathbf{Z}(整数不含小数)、 2∉Z\sqrt{2} \notin \mathbf{Z} 且 2∉Q\sqrt{2} \notin \mathbf{Q}(无理数)、 13∈Q\frac{1}{3} \in \mathbf{Q}、π∈R\pi \in \mathbf{R} 但 π∉Q\pi \notin \mathbf{Q}。

三、三种写法,什么时候用哪一种

这一节真正要练的动作只有一个:看到一个集合,选对写法。三种写法的适用面是互补的。

1. 自然语言——说人话。 直接用一句话描述:“地球上的四大洋""中国古代四大发明”。 元素不是数、又数得清的时候用它。缺点是不能参与运算。

2. 列举法——把元素一个个写进花括号。 {\{ 太平洋,大西洋,印度洋,北冰洋 }\}、 {1,2}\{1,2\}、{0,1,2,…,9}\{0,1,2,\dots,9\}。适用条件是元素有限且个数不多,或虽无限但有明显规律 (可以写 {1,2,3,… }\{1,2,3,\dots\})。要点有两个:花括号本身已经表示”这些元素的全体”, 所以里面不要再写”全体""所有”;元素之间用逗号分隔、重复的只写一次。

3. 描述法——写共同特征。 一般形式是

{x∈A∣P(x)},\{x \in A \mid P(x)\},

读作”集合 AA 中满足条件 P(x)P(x) 的那些 xx 组成的集合”。竖线左边是代表元 (元素长什么样、从哪个范围里取),右边是共同特征(要满足什么条件)。 课本也允许用冒号或分号代替竖线,写成 {x∈A:P(x)}\{x \in A : P(x)\} 或 {x∈A;P(x)}\{x \in A ; P(x)\}。

选哪一种? 一条判据就够:元素是否列得完。 列得完(有限且少)用列举法, 列不完(无限、或有限但极多)用描述法;元素不是数、又不便写条件的用自然语言。 不等式 x−7<3x - 7 < 3 的解集是 x<10x < 10,实数解有无穷个,只能写成 {x∈R∣x<10}\{x \in \mathbf{R} \mid x < 10\}; 而方程 x2−3x+2=0x^2 - 3x + 2 = 0 的实数根只有两个,写 {1,2}\{1,2\} 最短。

同一个集合常常两种写法都行,这时”用适当的方法表示”的意思就是挑短的、挑清楚的那一种: “大于 1010 且小于 2020 的所有整数”写描述法是 {x∈Z∣10<x<20}\{x \in \mathbf{Z} \mid 10 < x < 20\}, 写列举法是 {11,12,…,19}\{11,12,\dots,19\},两种都对;而”不等式 4x−5<34x - 5 < 3 的解集”只能用描述法, 因为解有无穷多个。

四、描述法的三处细节

代表元可以省略范围。 课本约定:如果从上下文看 x∈Rx \in \mathbf{R} 或 x∈Zx \in \mathbf{Z} 是明确的,那就可以省掉,只写元素 xx。于是 {x∈R∣x<10}\{x \in \mathbf{R} \mid x < 10\} 可以简写成 {x∣x<10}\{x \mid x < 10\}。省的是范围,不是条件——竖线右边一个字都不能省。

代表元决定集合装的是什么。 这是描述法最容易读错的地方,也是后面函数一章的高频陷阱:

{x∣y=x2−4} (自变量的集合),{y∣y=x2−4} (函数值的集合),{(x,y)∣y=x2−4} (点的集合).\{x \mid y = x^2 - 4\} \ (\text{自变量的集合}), \qquad \{y \mid y = x^2 - 4\} \ (\text{函数值的集合}), \qquad \{(x,y) \mid y = x^2 - 4\} \ (\text{点的集合}).

三个集合的条件一模一样,装的东西完全不同:第一个是全体实数,第二个是 [−4,+∞)[-4, +\infty), 第三个是一条抛物线上的点。先看竖线左边,再读右边。

先解,再写。 描述法给出的条件如果是方程或不等式,第一步永远是把它解出来。 {x∣x2=x}\{x \mid x^2 = x\} 不是”方程 x2=xx^2 = x“这个式子,它是 {0,1}\{0,1\}——所以判断 −1-1 是否属于它, 不是看 −1-1 长得像不像,而是代进去看等式成不成立。

界不是整数时,代表元的范围才是主角。 前面说范围可以省,是因为它常常从上下文就明确; 但有些题的答案恰恰全押在范围那一半上。{x∈N∣x2⩾5}\{x \in \mathbf{N} \mid x^{2} \geqslant 5\} 解出来是 x⩾5x \geqslant \sqrt{5},而 5=2.236…\sqrt{5} = 2.236\ldots 根本不是自然数——这时候”端点取不取得到” 这个问题是不存在的,真正该问的是”哪些自然数落在 5\sqrt{5} 的右边”。用 22=4<52^{2} = 4 < 5、 32=9⩾53^{2} = 9 \geqslant 5 把它夹住,集合就是 {3,4,5,… }\{3,4,5,\dots\}。 竖线右边解出一条界,竖线左边的范围负责把它翻译成具体元素——两半缺一不可。

五、易错清单

按失分频率排:

  1. N\mathbf{N} 漏掉 00。 自然数集含 00;要排除 00 写 N∗\mathbf{N}^{*}。
  2. 描述法没解就答。 见到 {x∣x2+x−6=0}\{x \mid x^2 + x - 6 = 0\} 先解出 {−3,2}\{-3, 2\},再判断谁属于它。
  3. 代表元看错。 {x∣… }\{x \mid \dots\} 与 {y∣… }\{y \mid \dots\} 与 {(x,y)∣… }\{(x,y) \mid \dots\} 是三个不同的集合。
  4. 列举法里把”所有""全体”再写一遍。 花括号已经承担了这个意思。
  5. 元素写重。 互异性要求同一个元素只出现一次,{1,1,2}\{1,1,2\} 不是合法写法。
  6. 把 ∈\in 用在两个集合之间。 ∈\in 连接元素与集合;集合与集合之间的关系是下一节的事。
  7. 端点与不等号抄错。 {x∈Z∣−3<2x−1<3}\{x \in \mathbf{Z} \mid -3 < 2x - 1 < 3\} 解出来是 −1<x<2-1 < x < 2, 整数只有 00 和 11——先解不等式,再挑整数,两步都别跳。

六、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期从知识图谱派生出来的完整清单,这里只说读的顺序:

  • 先做 2022 年第 1 题:两个列举法集合求并集,练的就是”合成一张名单、公共元素只写一次”, 是本节写法的最直接应用;
  • 再做 2023 年第 1 题与 2024 年第 1 题:都要先把描述法给出的集合解成能数的形式, 再去做运算。这两道正是第四节”先解,再写”那一条;
  • 顺带做 2014 年第 1 题:同样是”先解,再写”,但解出来的界 5\sqrt{5} 卡在两个自然数中间, 于是只能回到代表元范围 x∈Nx \in \mathbf{N} 才能定下这个集合究竟装了谁——第四节最后一条的原题;
  • 然后是 2025 年第 2 题:补集数个数,考的是”把描述法的全集老老实实列举清楚”—— 列举时按顺序写、写完数一遍个数,正是本节列举法的要求;
  • 最后看 2022 年第 4 题:它表面上是三角函数的充分必要条件题,但判断的方式是 “满足 sin⁡x=1\sin x = 1 的 xx 全体”与”满足 cos⁡x=0\cos x = 0 的 xx 全体”这两个解集谁包含谁。 这道题是本节真正的上限:集合不是一类题,它是把”条件”写成”对象”的那套语言。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节课本习题共 8 道:第 12 页「练习」3 道,第 12–13 页「习题 1.1」5 道(复习巩固 2 道、综合运用 2 道、拓广探索 1 道)。其中拓广探索第 5 题不收——它要求查阅资料写一份关于康托尔与集合论的 短报告,是开放式作业,没有唯一解答,写出来的只会是一份读书笔记而不是详解。其余 7 道逐题全做。 每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 12 页)第 1 题

  1. 判断下列元素的全体是否组成集合,并说明理由:

(1) A, B 是平面 α\alpha 内的定点,在平面 α\alpha 内与 A, B 等距离的点;

(2) 高中学生中的游泳能手.

判据只有一条——确定性:给定一个对象,“它在不在里面”必须有确定的答案。

(1) 能组成集合。 入选标准是”到 AA 的距离等于到 BB 的距离”,这是一个可以逐点验证的等式: 平面 α\alpha 内任取一点 PP,量出 PAPA 与 PBPB 两个长度,相等就在里面、不相等就不在里面, 没有第三种可能。所以它满足确定性,是一个集合。

这个集合还能说得更具体:当 AA、BB 是两个不同的定点时,它就是线段 ABAB 在平面 α\alpha 内的垂直平分线;退化情形 AA 与 BB 重合时,平面内每一点都满足条件,集合就是整个平面 α\alpha。 两种情形下”能组成集合”这个结论都不变——确定性只要求标准清楚,不要求集合非空或有限。

(2) 不能组成集合。 “游泳能手”没有确定的标准:游多快、多远、拿过什么名次才算能手, 题目没有说,不同的人会给出不同的名单。于是对某一位具体的高中学生,“他是不是能手”答不出确定的 是或否,确定性不成立。

对照着看,把它改成”高中学生中 100100 米自由泳成绩快于 11 分钟的人”就成了集合——差别不在 “能不能数清楚”,而在入选标准是不是一句话说得死。

练习(第 12 页)第 2 题

  1. 用符号 “∈” 或 “∉” 填空:

0____N; -3____N; 0.5____Z; 2\sqrt{2}____Z; 13\frac{1}{3}____Q; π\pi____R.

逐个按数集的定义判断。

0∈N,−3∉N,0.5∉Z,2∉Z,13∈Q,π∈R.0 \in \mathbf{N}, \qquad -3 \notin \mathbf{N}, \qquad 0.5 \notin \mathbf{Z}, \qquad \sqrt{2} \notin \mathbf{Z}, \qquad \frac{1}{3} \in \mathbf{Q}, \qquad \pi \in \mathbf{R}.

逐条说明:

  • 0∈N0 \in \mathbf{N}——课本把 N\mathbf{N} 定义为全体非负整数组成的集合,00 是非负整数。 这是本节唯一需要死记的边界,要把 00 排除掉得写 N∗\mathbf{N}^{*}。
  • −3∉N-3 \notin \mathbf{N}——−3-3 是负整数,不是非负整数。
  • 0.5∉Z0.5 \notin \mathbf{Z}——Z\mathbf{Z} 是整数集,0.50.5 不是整数。
  • 2∉Z\sqrt{2} \notin \mathbf{Z}——1<2<21 < \sqrt{2} < 2,它落在两个相邻整数之间,不可能是整数。
  • 13∈Q\frac{1}{3} \in \mathbf{Q}——有理数集里的元素就是能写成 qp\frac{q}{p}(p,q∈Zp, q \in \mathbf{Z}, p≠0p \neq 0)的数,13\frac{1}{3} 已经是这个形状。
  • π∈R\pi \in \mathbf{R}——π\pi 是实数(顺带一提它不是有理数,所以 π∉Q\pi \notin \mathbf{Q}, 但本题问的是 R\mathbf{R})。

这道题的关键动作:先想清楚这个记号代表的是哪一批数,再看给的数在不在那一批里。

练习(第 12 页)第 3 题

  1. 用适当的方法表示下列集合:

(1) 由方程 x2−9=0x^{2}-9=0 的所有实数根组成的集合;

(2) 一次函数 y=x+3y = x + 3 与 y=−2x+6y = -2x + 6 图象的交点组成的集合;

(3) 不等式 4x-5<3 的解集.

“适当的方法”的判据是元素列得完就列举、列不完就描述。

(1) 先解方程:x2−9=0x^2 - 9 = 0 即 (x−3)(x+3)=0(x-3)(x+3) = 0,所以 x=3x = 3 或 x=−3x = -3。 两个元素,列得完,用列举法:

{−3,3}.\{-3, 3\}.

(2) 交点要同时满足两个函数的解析式,所以解方程组

{y=x+3,y=−2x+6.\begin{cases} y = x + 3, \\ y = -2x + 6. \end{cases}

把第一式的 yy 代入第二式,得 x+3=−2x+6x + 3 = -2x + 6,即 3x=33x = 3,x=1x = 1; 回代第一式得 y=1+3=4y = 1 + 3 = 4。

核一遍:x=1x = 1 时第二式给出 y=−2×1+6=4y = -2 \times 1 + 6 = 4,与第一式一致,交点确实是 (1,4)(1,4)。 两条直线斜率分别是 11 与 −2-2,不相等,所以交点有且只有一个。

集合的元素是点,不是数,写成有序数对:

{(1,4)}.\{(1, 4)\}.

注意花括号不能丢——问的是”交点组成的集合”,答 (1,4)(1,4) 是答了那个点,没答那个集合。

(3) 解不等式:4x−5<34x - 5 < 3 即 4x<84x < 8,即 x<2x < 2。满足 x<2x < 2 的实数有无穷多个, 列举不完,用描述法:

{x∣x<2}.\{x \mid x < 2\}.

按课本的约定,上下文里 x∈Rx \in \mathbf{R} 是明确的,所以 {x∈R∣x<2}\{x \in \mathbf{R} \mid x < 2\} 可以简写成上式;两种写法都对。

习题 1.1 第 1 题

  1. 用符号 “∈” 或 “∉” 填空:

(1) 设 A 为所有亚洲国家组成的集合,则

中国____A,美国____A,印度____A,英国____A;

(2) 若 A={x∣x2=x}A=\{x \mid x^{2}=x\} ,则 -1 ____ A;

(3) 若 B={x∣x2+x−6=0}B=\{x \mid x^{2}+x-6=0\} ,则 3 ____ B;

(4) 若 C={x∈N∣1⩽x⩽10}C=\{x\in N\mid1\leqslant x\leqslant10\} ,则 8 ____ C,9.1 ____ C.

后三小问的共同动作:先把描述法解成列举法,再判断。

(1) AA 是所有亚洲国家组成的集合。中国、印度在亚洲,美国在北美洲、英国在欧洲:

中国∈A,美国∉A,印度∈A,英国∉A.\text{中国} \in A, \qquad \text{美国} \notin A, \qquad \text{印度} \in A, \qquad \text{英国} \notin A.

(2) 先解 x2=xx^2 = x:移项得 x2−x=0x^2 - x = 0,即 x(x−1)=0x(x-1) = 0,所以 x=0x = 0 或 x=1x = 1, 于是 A={0,1}A = \{0, 1\}。−1-1 不是这两个数之一,所以

−1∉A.-1 \notin A.

也可以不解方程直接验证:把 x=−1x = -1 代进条件,左边 (−1)2=1(-1)^2 = 1,右边 −1-1,1≠−11 \neq -1, 条件不成立,故 −1∉A-1 \notin A。两条路结论一致。

(3) 先解 x2+x−6=0x^2 + x - 6 = 0:(x+3)(x−2)=0(x+3)(x-2) = 0,所以 x=−3x = -3 或 x=2x = 2,于是 B={−3,2}B = \{-3, 2\}。 33 不在其中,所以

3∉B.3 \notin B.

代入验证也一样:32+3−6=9+3−6=6≠03^2 + 3 - 6 = 9 + 3 - 6 = 6 \neq 0。

(4) C={x∈N∣1⩽x⩽10}C = \{x \in \mathbf{N} \mid 1 \leqslant x \leqslant 10\},代表元限定在自然数里, 所以 C={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}C = \{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10\}。88 是其中之一;9.19.1 虽然满足 1⩽9.1⩽101 \leqslant 9.1 \leqslant 10,但它不是自然数,代表元那一关就没过:

8∈C,9.1∉C.8 \in C, \qquad 9.1 \notin C.

9.19.1 这一空正是描述法的考点:竖线左边的范围与右边的条件要同时满足,漏看左边就会填错。

习题 1.1 第 2 题

  1. 用列举法表示下列集合:

(1) 大于 1 且小于 6 的整数;

(2) A={x∣(x−1)(x+2)=0}A=\{x\mid(x-1)(x+2)=0\} ;

(3) B={x∈Z∣−3<2x−1<3}B=\{x\in\mathbf{Z}\mid-3<2x-1<3\} .

(1) 大于 11 且小于 66 的整数,两端都取不到,所以是 2,3,4,52,3,4,5:

{2,3,4,5}.\{2, 3, 4, 5\}.

(2) 解方程 (x−1)(x+2)=0(x-1)(x+2) = 0:两个因式之积为零,故其中至少一个为零,得 x=1x = 1 或 x=−2x = -2。

A={−2,1}.A = \{-2, 1\}.

(3) 先解不等式 −3<2x−1<3-3 < 2x - 1 < 3。三边同时加 11:−2<2x<4-2 < 2x < 4;三边同时除以 22 (2>02 > 0,不等号方向不变):−1<x<2-1 < x < 2。

再用代表元的限制 x∈Zx \in \mathbf{Z}:−1-1 与 22 都取不到,中间的整数只有 00 和 11。

B={0,1}.B = \{0, 1\}.

核一遍两个端点附近的整数:x=−1x = -1 时 2x−1=−32x - 1 = -3,而条件要求严格大于 −3-3,不满足; x=2x = 2 时 2x−1=32x - 1 = 3,条件要求严格小于 33,不满足。所以 −1-1、22 都不在 BB 里,与上面一致。

习题 1.1 第 3 题

  1. 把下列集合用另一种方法表示出来:

(1) {2,4,6,8,10}\{2, 4, 6, 8, 10\};

(2)由1,2,3这三个数字抽出一部分或全部数字(没有重复)所组成的一切自然数;

(3) {x∈N∣3<x<7}\{x \in N \mid 3 < x < 7\} ;

(4) 中国古代四大发明.

“另一种方法”是指在自然语言、列举法、描述法三者之间换一种:给的是列举法就改写成描述法或 自然语言,给的是描述法或自然语言就改写成列举法。

(1) 给的是列举法,改写成描述法。这五个数是 1010 以内的正偶数,即形如 2k2k 且 1⩽k⩽51 \leqslant k \leqslant 5:

{x∣x=2k, k∈N∗, k⩽5}.\{x \mid x = 2k,\ k \in \mathbf{N}^{*},\ k \leqslant 5\}.

核一遍:kk 取 1,2,3,4,51,2,3,4,5 依次给出 2,4,6,8,102,4,6,8,10,不多不少五个,与原集合相同。 用自然语言说也可以:不大于 1010 的所有正偶数组成的集合。

(2) 给的是自然语言,改写成列举法。按位数分类,逐类写全(这一步不分类就一定会漏):

  • 一位数:从 1,2,31,2,3 中抽 11 个,得 1,2,31,2,3,共 33 个;
  • 两位数:从 1,2,31,2,3 中抽 22 个再排序,得 12,13,21,23,31,3212,13,21,23,31,32,共 3×2=63 \times 2 = 6 个;
  • 三位数:三个数字全用上再排序,得 123,132,213,231,312,321123,132,213,231,312,321,共 3×2×1=63 \times 2 \times 1 = 6 个。

{1, 2, 3, 12, 13, 21, 23, 31, 32, 123, 132, 213, 231, 312, 321}.\{1,\ 2,\ 3,\ 12,\ 13,\ 21,\ 23,\ 31,\ 32,\ 123,\ 132,\ 213,\ 231,\ 312,\ 321\}.

个数核一遍:3+6+6=153 + 6 + 6 = 15,与上面列出的 1515 个相符。题目说”没有重复”,指的是同一个数字 在一个数里不重复使用,所以 1111、122122 这类不在其中。

(3) 给的是描述法,改写成列举法。代表元限定 x∈Nx \in \mathbf{N},条件是 3<x<73 < x < 7, 两端取不到,所以自然数只有 4,5,64,5,6:

{4,5,6}.\{4, 5, 6\}.

(4) 给的是自然语言,改写成列举法:

{造纸术, 印刷术, 指南针, 火药}.\{\text{造纸术},\ \text{印刷术},\ \text{指南针},\ \text{火药}\}.

元素不是数,但列得完,列举法照用——花括号里写什么由集合装的是什么决定。

习题 1.1 第 4 题

  1. 用适当的方法表示下列集合:

(1) 二次函数 y=x2−4y = x^{2} - 4 的函数值组成的集合;

(2) 反比例函数 y=2xy=\frac{2}{x} 的自变量的取值组成的集合;

(3) 不等式 3x⩾4−2x3x \geqslant 4 - 2x 的解集.

三小问的元素都有无穷多个,都用描述法。真正的考点是代表元该写谁。

(1) 问的是函数值,所以代表元是 yy,不是 xx。二次函数 y=x2−4y = x^2 - 4 的定义域是全体实数, 要定的是 yy 的取值范围,得把”取不到更小的”与”不小于 −4-4 的都取得到”两头分别说清。

取不到更小的:对任何实数 xx 都有 x2⩾0x^2 \geqslant 0,故 y=x2−4⩾−4y = x^2 - 4 \geqslant -4。

不小于 −4-4 的都取得到:任给一个 y0⩾−4y_0 \geqslant -4,此时 y0+4⩾0y_0 + 4 \geqslant 0, 可取 x=y0+4x = \sqrt{y_0 + 4}(根号内非负,这个 xx 取得出来),代入即得 x2−4=(y0+4)−4=y0x^2 - 4 = (y_0 + 4) - 4 = y_0。

两头合起来,函数值恰好是全体不小于 −4-4 的实数:

{y∣y⩾−4}.\{y \mid y \geqslant -4\}.

(2) 问的是自变量的取值,所以代表元是 xx。y=2xy = \frac{2}{x} 里分母不能为零, 除此之外没有别的限制:

{x∣x≠0}.\{x \mid x \neq 0\}.

(3) 解不等式:3x⩾4−2x3x \geqslant 4 - 2x,两边同加 2x2x 得 5x⩾45x \geqslant 4, 两边同除以 55(5>05 > 0,不等号方向不变)得 x⩾45x \geqslant \frac{4}{5}:

{x  |  x⩾45}.\left\{x \;\middle|\; x \geqslant \frac{4}{5}\right\}.

端点核一遍:x=45x = \frac{4}{5} 时左边 3×45=1253 \times \frac{4}{5} = \frac{12}{5}, 右边 4−2×45=4−85=1254 - 2 \times \frac{4}{5} = 4 - \frac{8}{5} = \frac{12}{5},两边相等, 而条件是”大于或等于”,所以端点取得到,写成闭的。

这三小问放在一起就是本节最该带走的动作:读题时先认出问的是哪一个字母,再去写条件。

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1.1 集合的概念

在小学和初中,我们已经接触过一些集合。例如,自然数的集合,同一平面内到一个定点的距离等于定长的点的集合(即圆)等。为了更有效地使用集合语言,我们需要进一步了解集合的有关知识。下面先从集合的含义开始。

看下面的例子:

(1) 1~10 之间的所有偶数;

(2) 立德中学今年入学的全体高一学生;

(3) 所有的正方形;

(4)到直线 ll 的距离等于定长 dd 的所有点;

(5) 方程 x2−3x+2=0x^{2}-3x+2=0 的所有实数根;

(6) 地球上的四大洋.

例(1)中,我们把 1∼101\sim 10 之间的每一个偶数作为元素,这些元素的全体就是一个集合;同样地,例(2)中,把立德中学今年入学的每一位高一学生作为元素,这些元素的全体也是一个集合.

思考

上面的例(3)到例(6)也都能组成集合吗?它们的元素分别是什么?

一般地,我们把研究对象统称为元素(element),把一些元素组成的总体叫做集合(set)(简称为集).

给定的集合,它的元素必须是确定的。也就是说,给定一个集合,那么一个元素在或不在这个集合中就确定了。例如,“1~10之间的所有偶数”构成一个集合,2,4,6,8,10是这个集合的元素,1,3,5,7,9,…不是它的元素;“较小的数”不能构成集合,因为组成它的元素是不确定的。

一个给定集合中的元素是互不相同的.也就是说,集合中的元素是不重复出现的.

只要构成两个集合的元素是一样的,我们就称这两个集合是相等的。

我们通常用大写拉丁字母 A, B, C, …表示集合,用小写拉丁字母 a, b, c, …表示集合中的元素.

如果 aa 是集合 AA 的元素, 就说 aa 属于 (belong to) 集合 AA, 记作 a∈Aa \in A; 如果 aa 不是

集合 AA 中的元素, 就说 aa 不属于集合 AA, 记作 a∉Aa \notin A.

例如,若用 AA 表示前面例(1)中“1∼101 \sim 10 之间的所有偶数”组成的集合,则有 4∈A,3∉A4 \in A, 3 \notin A,等等.

数学中一些常用的数集及其记法

全体非负整数组成的集合称为非负整数集(或自然数集),记作 N;

全体正整数组成的集合称为正整数集,记作 N∗\mathbf{N}^{*} 或 N+\mathbf{N}_{+};

全体整数组成的集合称为整数集,记作 Z;

全体有理数组成的集合称为有理数集,记作 Q;

全体实数组成的集合称为实数集,记作R.\text {全体实数组成的集合称为实数集,记作} \mathbf {R}.

从上面的例子看到,我们可以用自然语言描述一个集合。除此之外,还可以用什么方式表示集合呢?

列举法

“地球上的四大洋”组成的集合可以表示为{太平洋,大西洋,印度洋,北冰洋};“方程 x2−3x+2=0x^{2} - 3x + 2 = 0 的所有实数根”组成的集合可以表示为 {1,2}\{1, 2\}.

像这样把集合的所有元素一一列举出来,并用花括号 “{ }” 括起来表示集合的方法叫做列举法.

例 1 用列举法表示下列集合:

(1) 小于 10 的所有自然数组成的集合;

(2) 方程 x2=xx^{2}=x 的所有实数根组成的集合.

解:(1)设小于10的所有自然数组成的集合为 AA ,那么

A={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}.A = \{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 \}.

(2) 设方程 x2=xx^{2} = x 的所有实数根组成的集合为 BB,那么

B={0,1}.B = \{0, 1 \}.

由于元素完全相同的两个集合相等,而与列举的顺序无关,因此一个集合可以有不同的列举方法。例如,例1(1)的集合还可以写成

A={9,8,7,6,5,4,3,2,1,0}A = \{9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0 \}

等.

思考

(1) 你能用自然语言描述集合 {0,3,6,9}\{0, 3, 6, 9\} 吗?

(2) 你能用列举法表示不等式 x-7<3 的解集吗?

描述法

不等式 x−7<3x - 7 < 3 的解是 x<10x < 10 ,因为满足 x<10x < 10 的实数有无数个,所以 x−7<3x - 7 < 3 的解集无法用列举法表示.但是,我们可以利用解集中元素的共同特征,即: xx 是实数,且x<10x < 10 ,把解集表示为

{x∈R∣x<10}.\{x \in \mathbf {R} \mid x < 1 0 \}.

又如,整数集 Z\mathbf{Z} 可以分为奇数集和偶数集。对于每一个 x∈Zx \in \mathbf{Z},如果它能表示为 x=2k+1(k∈Z)x = 2k + 1 (k \in \mathbf{Z}) 的形式,那么它是一个奇数;反之,如果 xx 是一个奇数,那么它能表示为 x=2k+1(k∈Z)x = 2k + 1 (k \in \mathbf{Z}) 的形式。所以,x=2k+1(k∈Z)x = 2k + 1 (k \in \mathbf{Z}) 是所有奇数的一个共同特征,于是奇数集可以表示为

你能用这样的方法表示偶数集吗?

{x∈Z∣x=2k+1,k∈Z}.\{x \in \mathbf {Z} | x = 2 k + 1, k \in \mathbf {Z} \}.

一般地,设 AA 是一个集合,我们把集合 AA 中所有具有共同特征 P(x)P(x) 的元素 xx 所组成的集合表示为

{x∈A∣P(x)},\{x \in A \mid P (x) \},

这种表示集合的方法称为描述法.

● ●

有时也用冒号或分号代替竖线,写成

例如,实数集 R\mathbf{R} 中,有限小数和无限循环小数都具有 qp\frac{q}{p} (p,q∈Z,p≠0p, q \in \mathbf{Z}, p \neq 0) 的形式,这些数组成有理数集,我们将它表示为

{x∈A:P(x)}\{x \in A: P (x) \}

{x∈A;P(x)}.\{x \in A; P (x) \}.

Q={x∈R∣x=qp,p,q∈Z,p≠0}.\mathbf {Q} = \{x \in \mathbf {R} | x = \frac {q}{p}, p, q \in \mathbf {Z}, p \neq 0 \}.

其中, x=qp(p,q∈Z,p≠0)x = \frac{q}{p} (p,q\in \mathbf{Z},p\neq 0) 就是所有有理数具有的共同特征.

显然,对于任何 y∈{x∈A∣P(x)}y \in \{x \in A \mid P(x)\},都有 y∈Ay \in A,且 P(y)P(y) 成立.

例 2 试分别用描述法和列举法表示下列集合:

(1) 方程 x2−2=0x^{2}-2=0 的所有实数根组成的集合 A;

(2) 由大于 10 且小于 20 的所有整数组成的集合 B.

解:(1)设 x∈Ax \in A,则 xx 是一个实数,且 x2−2=0x^2 - 2 = 0。因此,用描述法表示为

A={x∈R∣x2−2=0}.A = \{x \in \mathbf {R} \mid x ^ {2} - 2 = 0 \}.

方程 x2−2=0x^{2} - 2 = 0 有两个实数根 2\sqrt{2},−2-\sqrt{2},因此,用列举法表示为

A={2,−2}.A = \{\sqrt {2}, - \sqrt {2} \}.

(2) 设 x∈Bx \in B ,则 x 是一个整数,即 x∈Zx \in Z ,且 10 < x < 20。因此,用描述法表示为

B={x∈Z∣10<x<20}.B = \{x \in \mathbf {Z} \mid 1 0 < x < 2 0 \}.

大于10且小于20的整数有11,12,13,14,15,16,17,18,19,因此,用列举法表示为

我们约定,如果从上下文的关系看, x∈Rx \in \mathbf{R},x∈Zx \in \mathbf{Z} 是明确的,那么 x∈Rx \in \mathbf{R},x∈Zx \in \mathbf{Z} 可以省略,只写其元素 xx。例如,集合 D={x∈R∣x<10}D = \{x \in \mathbf{R} \mid x < 10\} 也可表示为 D={x∣x<10}D = \{x \mid x < 10\};集合 E={x∈Z∣x=2k+1,k∈Z}E = \{x \in \mathbf{Z} \mid x = 2k + 1, k \in \mathbf{Z}\} 也可表示为 E={x∣x=2k+1,k∈Z}E = \{x \mid x = 2k + 1, k \in \mathbf{Z}\}。

思考

举例说明,用自然语言、列举法和描述法表示集合时各自的特点.

练习

  1. 判断下列元素的全体是否组成集合,并说明理由:

(1) A, B 是平面 α\alpha 内的定点,在平面 α\alpha 内与 A, B 等距离的点;

(2) 高中学生中的游泳能手.

  1. 用符号 “∈” 或 “∉” 填空:

0____N; -3____N; 0.5____Z; 2\sqrt{2}____Z; 13\frac{1}{3}____Q; π\pi____R.

  1. 用适当的方法表示下列集合:

(1) 由方程 x2−9=0x^{2}-9=0 的所有实数根组成的集合;

(2) 一次函数 y=x+3y = x + 3 与 y=−2x+6y = -2x + 6 图象的交点组成的集合;

(3) 不等式 4x-5<3 的解集.

习题1.1

复习巩固

  1. 用符号 “∈” 或 “∉” 填空:

(1) 设 A 为所有亚洲国家组成的集合,则

中国____A,美国____A,印度____A,英国____A;

(2) 若 A={x∣x2=x}A=\{x \mid x^{2}=x\} ,则 -1 ____ A;

(3) 若 B={x∣x2+x−6=0}B=\{x \mid x^{2}+x-6=0\} ,则 3 ____ B;

(4) 若 C={x∈N∣1⩽x⩽10}C=\{x\in N\mid1\leqslant x\leqslant10\} ,则 8 ____ C,9.1 ____ C.

  1. 用列举法表示下列集合:

(1) 大于 1 且小于 6 的整数;

(2) A={x∣(x−1)(x+2)=0}A=\{x\mid(x-1)(x+2)=0\} ;

(3) B={x∈Z∣−3<2x−1<3}B=\{x\in\mathbf{Z}\mid-3<2x-1<3\} .

综合运用

  1. 把下列集合用另一种方法表示出来:

(1) {2,4,6,8,10}\{2, 4, 6, 8, 10\};

(2)由1,2,3这三个数字抽出一部分或全部数字(没有重复)所组成的一切自然数;

(3) {x∈N∣3<x<7}\{x \in N \mid 3 < x < 7\} ;

(4) 中国古代四大发明.

  1. 用适当的方法表示下列集合:

(1) 二次函数 y=x2−4y = x^{2} - 4 的函数值组成的集合;

(2) 反比例函数 y=2xy=\frac{2}{x} 的自变量的取值组成的集合;

(3) 不等式 3x⩾4−2x3x \geqslant 4 - 2x 的解集.

拓广探索

  1. 集合论是德国数学家康托尔于19世纪末创立的。当时,康托尔在解决涉及无限量研究的数学问题时,越过“数集”限制,提出了一般性的“集合”概念。关于集合论,希尔伯特赞誉其为“数学思想的惊人的产物,在纯粹理性的范畴中人类活动的最美的表现之一”,罗素描述其为“可能是这个时代所能夸耀的最伟大的工作”。请你查阅相关资料,用简短的报告阐述你对这些评价的认识。

康托尔(Georg Cantor, 1845—1918)