1 Základní pojmy. 1.1 Množiny

Transkript

1 1 Základní pojmy V této kapitole si stručně připomeneme základní pojmy, bez jejichž znalostí bychom se v dalším studiu neobešli. Nejprve to budou poznatky z logiky a teorie množin. Dále se budeme věnovat reálným číslům. Nakonec připomeneme pojmy kartézský součin a zobrazení, čímž se připravíme na další kapitolu. 1.1 Množiny Pojem množiny je jedním ze základních pojmů moderní matematiky. Množinou rozumíme soubor navzájem různých (rozlišitelných) matematických či jiných objektů. Jednotlivé objekty, které do dané množiny patří, se nazývají prvky množiny. Zápis a A znamená, že a je prvkem množiny A, neboli a patří do množiny A. Zápis a A znamená, že a není prvkem množiny A. Prvky množiny dáváme do složených závorek, např. A = {a, b, c}. Nejčastěji bývá množina zadána výčtem prvků nebo pomocí charakteristické vlastnosti prvků, např. B = {x R : 3 x 7}, kde R značí množinu reálných čísel. Pojmy množina, prvek a býti prvkem nějaké množiny patří mezi základní, nejjednodušší, pojmy teorie množin, které se ani nedefinují, ale pomocí nichž se definují ostatní pojmy. Např. rovnost množin nebo pojem podmnožina. Zápis A = znamená, že množina A je prázdná, a zápis A značí, že množina A není rovna prázdné množině, tj. obsahuje alespoň jeden prvek. Je tedy neprázdná. Uvědomte si { }. Prázdná množina je podmnožinou každé množiny. Připomeňte si základní množinové operace sjednocení, průnik, rozdíl a doplněk. Lze odvodit řadu početních pravidel pro operace s množinami jako komutativní, asociativní a distributivní zákony, taky de Morganovy zákony. Speciálními případy množin jsou tzv. číselné množiny. To jsou množiny, jejichž prvky jsou čísla. Protože budeme v matematické analýze pracovat téměř výhradně s číselnými množinami, připomeneme nyní některá standartní označení číselných množin, známá již ze střední školy. Dále značíme N = {1, 2, 3,...} Z = {..., 2, 1, 0, 1, 2, 3,...} Q = { p q : p Z, q N} R I = R\Q C R + = {x R : x > 0} = {x R : x 0} R + 0 množina přirozených čísel, množina celých čísel, množina racionálních čísel, množina reálných čísel, množina iracionálních čísel, množina komplexních čísel. množina kladných reálných čísel, množina kladných reálných čísel včetně nuly 1

2 2 1. ZÁKLADNÍ POJMY a podobně N 0, R, R 0, Q+, Q + 0, Q, Q 0, Z+, Z + 0, Z, Z 0. Poznámka 1.1. (1) Platí N Z Q R. (2) Racionální čísla mají buď ukončený desetinný rozvoj (např. 3 4 = 0.75) nebo neukončený periodický desetinný rozvoj (např = 2.09 = nebo 30 = 1.23 = ). (3) Čísla iracionální mají neukončený neperiodický desetinný rozvoj (např. π, 2, 3 5). Množinou reálných čísel se budeme podrobněji zabývat v dalším textu. Ještě předtím si připomeneme základní pojmy z výrokové logiky. 1.2 Výroky a operace s výroky Matematická logika je disciplína, která se věnuje jazyku matematiky, logické výstavbě matematických teorií, dokazování matematických vět atd. Základním pojmem matematické logiky je výrok. Výrokem nazýváme jakékoliv tvrzení, o němž lze rozhodnout, zda je pravdivé nebo nepravdivé (nastává právě jedna z těchto možností). Výroky, o kterých není dosud známo, zda jsou pravdivé nebo nepravdivé, avšak jedna z těchto možností musí nastat, se nazývají hypotézy. Příklad 1.2. Tvrzení, která jsou výroky: Venku svítí slunce. Číslo 3 je liché. Dnes je středa. Věty, které nejsou výroky: Číslo x je sudé. Přednáška z matematiky. Kdo má rád matematiku? Toto není pravda. Tato věta je pravdivá, právě tehdy, když není pravdivá. Vzhledem k tomu, že nemůže něco platit a zároveň neplatit, tzv. princip vyloučení třetího, se nejedná o výrok. U každého výroku nás bude zajímat, zda je pravdivý nebo nepravdivý. Je-li výrok pravdivý, přiřadíme mu hodnotu 1, je-li nepravdivý, přiřadíme hodnotu 0. Tyto hodnoty se nazývají pravdivostní hodnoty. Jsou-li p, q výroky můžeme z nich pomocí logických spojek negace, konjunkce, disjunkce, implikace a ekvivalence tvořit nové, tzv. složené výroky. Definice 1.3. Nechť p, q jsou výroky. (1) Negací výroku p (značíme p nebo non p) rozumíme výrok, který je pravdivý, právě když je výrok p nepravdivý. (2) Konjunkcí výroků p, q (značíme p q) rozumíme výrok, který je pravdivý, právě když jsou pravdivé oba výroky p, q (platí p a zároveň q). (3) Disjunkcí výroků p, q (značíme p q) rozumíme výrok, který je pravdivý, právě když je pravdivý alespoň jeden z výroků p, q (platí p nebo q). (4) Implikací výroků p, q (značíme p q) rozumíme výrok, který je pravdivý ve všech případech s vyjímkou případu, že výrok p je pravdivý a výrok q nepravdivý. Říkáme, že výrok p implikuje výrok q nebo z p plyne q nebo platí-li p, pak platí q. (5) Ekvivalencí výroků p, q (značíme p q) rozumíme výrok, který je pravdivý, právě když jsou oba výroky zároveň pravdivé nebo zároveň nepravdivé. Říkáme, že výrok p je ekvivalentní s výrokem q nebo p platí právě, když platí q.

3 1. VÝROKY A OPERACE S VÝROKY 3 U implikace lze vycházet z nepravdivého výroku. Pak ať tvrdíme cokoliv, je výsledná implikace pravdivá. Například výrok Jestliže číslo 5 je sudé, pak číslo 2 je záporné je pravdivý. Pro přehled si uveďme tabulku pravdivostních hodnot pro výroky získané z původních výroků negací, konjunkcí, disjunkcí, implikací a ekvivalencí. p q p p q p q p q p q Ukažme si nyní, jak lze negovat složené výroky. ( A) A, (A B) ( A) ( B), (A B) ( A) ( B), (A B) A ( B), (A B) [(A B) (B A)] [(A B) (B A)]. Doposud jsme mluvili o výrocích, tj. o tvrzeních, o nichž lze rozhodnout, zda jsou pravdivá nebo nepravdivá. Např. tvrzení číslo x je sudé není výrok. Dosadíme-li za x konkrétní hodnoty, konstanty, pak už dostaneme výrok. Obecně, jestliže se nějaké tvrzení stane výrokem, dosadíme-li za proměnné konkrétní hodnoty, nazýváme takové tvrzení výrokovou formou. Výroková forma o jedné proměnné x se značí V (x), výroková forma o n proměnných x 1, x 2,..., x n se značí V (x 1, x 2,..., x n ). Např. výroková forma číslo x je sudé se stane výrokem, dosadíme-li za x konkrétní hodnotu: číslo 5 je sudé. Zde se jedná o nepravdivý výrok. Dosazení konstant za proměnné do výrokové formy není jediným způsobem, jak z ní vytvořit výroky. Další možností je vázat proměnné pomocí slovních vazeb, které nazýváme kvantifikátory. (1) Kvantifikátor obecný (značíme symbolem ) je vazba pro všechna nebo pro každé. (2) Kvantifikátor existenční (značíme symbolem ) je vazba existuje (alespoň jeden). (3) Kvantifikátor jednoznačné existence (značíme symbolem!) je vazba existuje právě jeden. Nechť V (x) je výroková forma proměnné x. Pak pomocí zmíněných kvantifikátorů lze tvořit následující typy kvantifikovaných výroků. x A : V (x) čteme: pro každé x z množiny A platí V (x). Někdy také zapisujeme ve tvaru x A V (x) a čteme: je-li x z množiny A, pak platí V (x). x A : V (x) čteme: existuje (alespoň jeden) prvek z množiny A takový, že platí V (x).! x A : V (x) čteme: existuje právě jeden prvek x z množiny A takový, že platí V (x). V prvním případě mluvíme o obecném výroku, v druhém o existenčním výroku a poslední případ se nazývá výrok o existenci a jednoznačnosti. Příklad 1.4. Určete, zda jsou následující výroky pravdivé nebo nepravdivé: 1. x R : x 2 0, 2. x R + : x 2 x 0, 3. n N : n < 2, 4.! x R : x 2 = 16, 5.! n N : n 2 = 16.

4 4 1. ZÁKLADNÍ POJMY Chceme-li tvořit výroky pomocí kvantifikátorů z výrokové formy více proměnných, musíme přiřadit kvantifikátor každé proměnné. Např. výrok x N y N : x y je nepravdivý výrok, protože např. pro x = 3 a y = 5 neplatí. Uvažujme výrok x A : V (x), tj. pro každé x z množiny A platí V (x). Negováním dostáváme: Není pravda, že pro všechny prvky x A je splněna V (x), tj. existuje alespoň jeden prvek x A, pro který neplatí V (x). Tedy ( x A : V (x)) x A : V (x). Uvažujme výrok: x A : V (x), tj. existuje x z množiny A, pro který platí V (x). Negováním dostáváme: Není pravda, že existuje x z množiny A, pro který platí V (x), tj. pro žádný prvek x A neplatí V (x). Tedy ( x A : V (x)) x A : V (x). Vidíme tedy, že negaci kvantifikovaných výtoků provádíme záměnou kvantifikátorů a negací výrokové formy. A to i u kvantifikovaných výroků vytvořených z výrokové formy o více proměnných. Vyjádření s kvantifikátory a logickými spojkami se nepoužívá pouze v matematice. Např. v relačních databázových systémech je takové vyjádření potřebné pro formulování dotazů v dotazovacích jazycích, jako je např. SQL. 1.3 Reálná čísla V matematické analýze budeme nejčastěji pracovat s množinou reálných čísel a jejími podmnožinami. Proto si nyní tento pojem upřesníme. Na střední škole se vychází z geometrické interpretace reálného čísla. To znamená, že reálná čísla ztotožňujeme s body na přímce (číselné reálné ose). Ne vždy si s tímto pojetím reálných čísel vystačíme. Existují dvě možnosti, jak reálná čísla vybudovat. První možnost je založena na postupném vybudování přirozených čísel, pak celých čísel, dále racionálních a z nich pak čísel reálných. Tato cesta je zdlouhavá a technicky náročná. Druhá možnost je zavést reálná čísla axiomaticky, tedy výčtem základních vlastností, které daný objekt jednoznačně určují. Axiom je to, co se bere za pravdu a nedokazuje se. Uvedeme třináct axiomů, na jejichž základě pak můžeme odvodit všechny vlastnosti reálných čísel, se kterými běžně pracujeme. Množinou reálných čísel R rozumíme množinu, na které jsou definovány operace sčítání (+) a násobení ( ), relace uspořádání (<) a platí následující podmínky pro operaci sčítání (A1) a, b R: a + b = b + a; (A2) a, b, c R: a + (b + c) = (a + b) + c; (A3) 0 R a R: a + 0 = a nulový prvek; (A4) a R a R: a + ( a) = 0 opačný prvek, pro operaci násobení (A5) a, b R: a b = b a; (A6) a, b, c R: a (b c) = (a b) c; (A7) 1 R a R: a 1 = a jednotkový prvek; (A8) a R\{0} a 1 R: a a 1 = 1 inverzní prvek, distributivní zákon (A9) a, b, c R: a (b + c) = a b + a c. Dále definujeme relaci uspořádání menší (<) (A10) a, b R nastává právě jeden z případů: a < b, a = b, b < a; (A11) a, b, c R: (a < b) (b < c) a < c;

5 1. ROZšÍŘENÁ MNODINA REÁLNÝCH ČÍSEL 5 (A12) a, b, c R: a < b a + c < b + c, (a < b) (0 < c) a c < b c. Pro úplnost nadefinujeme ještě relaci menší nebo rovno ( ): Pro každé a, b R platí a b právě tehdy, když a < b nebo a = b. Zbývá uvést poslední, třináctý, axiom, který odliší reálná čísla od racionálních. Zvolíme formulaci pomocí pojmů supremum a ohraničená množina, které jsme zatím nedefinovali. Po objasnění těchto pojmů se k axiomu vrátíme. (A13) Každá neprázdná shora ohraničená množina M R má v R supremum. 1.4 Rozšířená množina reálných čísel Přidáme-li k množině R dva nové prvky, a to + a, mluvíme o rozšířené množině reálných čísel a značíme-ji R, tj. R = R {, + }. S + a pracujeme do jisté míry jako s reálnými čísli. Pro uspořádání platí Pro každé x R : < x < +, < +. Dále definujeme v množině R následující operace s + a : Pro x > pro x < + : pro x R + {+ }: x + (+ ) = + + x = +, x + ( ) = + x =, x (+ ) = + x = +, x ( ) = x =, pro x R { }: x (+ ) = + x =, x ( ) = x = +, pro x R x + = x = 0, = + = +. Následující operace nejsou definovány (nelze je provést): + + ( ), + (+ ), 0 (± ), (± ) 0, ± ±, x 0, x R Podmnožiny množiny R Všechny známé číselné množiny jako jsou N, Z, Q, I, R jsou podmnožinami R. Dalšími důležitými podmnožinami jsou intervaly.

6 6 1. ZÁKLADNÍ POJMY Definice 1.5. Nechť a, b R, a < b. Pak (1) Uzavřeným intervalem s krajními body a a b rozumíme množinu a, b = {x R : a x b}, (2) otevřeným intervalem s krajními body a a b rozumíme množimu (a, b) = {x R : a < x < b}, (3) zleva uzavřeným a zprava otevřeným intervalem s krajními body a a b rozumíme množimu a, b) = {x R : a x < b}, (4) zleva otevřeným a zprava uzavřeným intervalem s krajními body a a b rozumíme množimu (a, b = {x R : a < x b}, 1.5 Maximum, minimum, supremum, infimum Definice 1.6. Nechť M R a nechť k, l R. Řekneme, že (1) k je horní závora množiny M, jestliže pro každé x M platí x k. (2) l je dolní závora množiny M, jestliže pro každé x M platí x l. (3) k je maximum množiny M, jestliže k je horní závora množiny M a k M. Píšeme k = max M. (4) l je minimum množiny M, jestliže l je dolní závora množiny M a l M. Píšeme l = min M. Poznámka 1.7. (1) je-li k (resp. l) horní (resp. dolní) závora množiny M, pak také každé číslo k > k (resp. l < l) je horní (resp. dolní) závorou množiny M. (2) Je-li k = max M, je k největším prvkem množiny M, tedy pro každý prvek x M platí x k. (3) Je-li l = min M, je l nejmenším prvkem množiny M, tedy pro každý prvek x M platí x l. Definice 1.8. Nechť M R a nechť U(M) značí množinu všech horních závor a L(M) množinu všech dolních závor množiny M. Nechť s, i R. Řekneme, že (1) s je supremum množiny M (píšeme s = sup M), jestliže s je minimum množiny všech horních závor množiny M, tj. s = min U(M). (2) i je infimum množiny M (píšeme i = inf M), jestliže i je maximum množiny všech dolních závor množiny M, tj. i = max L(M). Poznámka 1.9. (1) Supremum je nejmenší horní závora a infimum největší dolní závora. Pokud supremum resp. infimum existuje, je určeno jednoznačně.

7 1. EXISTENCE SUPREMA 7 (2) Pro každou M R existuje sup M i inf M, zatímco max M a min M někdy existují a někdy ne. Pokud existuje max M, resp. min M, pak platí max M = sup M a min M = inf M. (3) Je-li M, pak platí inf M sup M. Rovnost nastane právě tehdy, je-li množina M jednoprvková. (4) Je-li M =, pak platí inf M > sup M. Protože libovolné číslo x R je jak horní tak dolní závorou prázdné množiny, dostáváme inf = max R = a sup = min R =. 1.6 Existence suprema Věta Každá množina M R má v R supremum. Toto supremum může být buď konečné nebo nekonečné + resp.. Prázdná množina má supremum rovno. Konečnost suprema souvisí s tím, zda je daná množina shora ohraničená, či nikoliv. Definice Nechť M R. (1) Existuje-li konečná horní závora množiny M, pak se množina M nazývá shora ohraničená. (2) Existuje-li konečná dolní závora množiny M, pak se množina M nazývá zdola ohraničená. (3) Množina M se nazývá ohraničená, jestliže je současně ohraničená shora i zdola. První bod z definice znamená, že množina M je shora ohraničená, právě když je supremum konečné číslo nebo. Tedy každá neprázdná shora ohraničená má sup M R. Množina M, která je neprázdná a není shora ohraničená, má supremum sup M = +. Z předchozích úvah je zřejmé, že sup M R právě tehdy, když je M neprázdná shora ohraničená množina. A to je právě axiom (A13) reálných čísel. Ještě jednou si ho připomeňme: (A13) Každá neprázdná shora ohraničená množina M R má v R supremum. Analogicky pro zdola ohraničené množiny. Platí, že inf M R právě tehdy, když je M neprázdná zdola ohraničená množina. Axiom (A13) je jediný axiom, který odlišuje reálná čísla od čísel racionálních. Množina všech racionální čísel Q splňuje také axiomy (A1)-(A12) (v axiomech stačí zaměnit Q za R). Poslední axiom, který platí již pouze pro R, obdařuje R vlastností, která se nazývá úplnost. Populárně řečeno, tento axiom říká, že v R nejsou žádné díry ani mezery. Např. mezi racionálními čísly naleznete díry, které vyplňují iracionální čísla. Lze ukázat, že racinální i iracionální čísla jsou na číselné ose rozložena velmi hustě, tj. mezi každými dvěma, jakkoliv blízkými, různými reálnými čísly leží jak nekonečně mnoho racionálních, tak nekonečně mnoho iracionálních čísel. Axiom (A13) bude mít v dalším výkladu mimořádnou důležitost. Z něj lze dokázat např. existenci libovolných odmocnin z kladných čísel. Abychom například definovali číslo 2, tj. kladné řešení rovnice x 2 = 2, položíme 2 = sup{x Q : x 2 < 2}. Díky tomu, že množinu {x Q : x 2 < 2} bereme jako podmnožinu R (která je navíc neprázdná a shora ohraničená), pak podle axiomu (A13) je zaručena existence suprema. Stačí tedy ukázat, že toto supremum splňuje rovnici x 2 = 2, tj. ( 2) 2 = 2.

8 8 1. ZÁKLADNÍ POJMY Uvědomte si, že {x Q : x 2 < 2} má supremum v R, ale nemá supremum v Q. To je také důvodem toho, proč pracujeme právě s reálnými čísly a ne například s čísly racionálními Obecná mocnina Ukažme si nyní, jak využijeme axiomu (A13) k definici mocniny a r, kde a R +, r R. (1) Pro n N je symbol a n zkráceným zápisem pro součin a } {{ a}. Podobně symbol a n značí n-krát podíl 1/a n. Dále víme, že pro n N, n 2, symbol a 1 n značí n-tou odmocninu z čísla a, n tj. a. Kombinací těchto označení se na střední škole zavádí tzv. mocnina s racionálním exponentem: pro m Z a n N, n 2, je a m n = n a m. Máme tak definován symbol a r pro libovolné racionální číslo r = m/n. Platí: a r a s = a r+s, a r /a s = a r s, (a r ) s = a rs. Dále pro r < s a a > 1 je a r < a s a pro 0 < a < 1 je a r > a s. (2) Nyní pomocí axiomu (A13) rozšíříme definici symbolu a r pro libovolné reálné, tedy i iracionální číslo. Nechť r I, a > 1. Vezmeme množinu A Q všech racionálních čísel s menších než dané číslo r. Množina čísel a s, s A, s racionálními exponenty je shora ohraničená (je-li t > r, t racionální, je a t horní závora). Supremum množiny všech těchto čísel (podle zmíněné věty existuje) označíme a r. Tedy a r = sup{a s : s < r, s Q}. Pro r I, 0 < a < 1 se postupuje obdobně, jen se použije infimum (jestliže se s zvětšuje, pak a s se zmenšuje). Pro takto definované mocniny a r s libovolným reálným mocnitelem r platí stejná početní pravidla jako pro racionální mocnitele. Od této chvíle mají pro nás smysl výrazy 2 π, π 2, ( 2) 3 atd. 1.7 Kartézský součin Na základě pojmu uspořádané dvojice budeme definovat tzv. kartézský součin množin, jenž je jedním ze základních pojmů v celé matematice. Uvidíme, že na pojmu kartézského součinu jsou založeny důležité pojmy zobrazení a funkce. Uspořádaná dojice (x, y) je dvojice prvků x, y, přičemž prvek x je první a y druhý (záleží na pořadí prvků) a zřejmě (x, y) (y, x) pro x y. Tím se uspořádaná dvojice liší od dvouprvkové množiny {x, y}, neboť u množin nezáleží na pořadí prvků. Přesně matematicky definujeme uspořádanou dvojici (x, y) jako množinu, jejímiž prvky jsou jednoprvková množina {x} a dvouprvková množina {x, y}, tj. (x, y) = {{x}, {x, y}}, přičemž jednoprvková množina obsahuje první prvek uspořádané dvojice. Definice Nechť A, B jsou množiny. Kartézským součinem množin A a B nazýváme množinu všech uspořádaných dvojic (x, y) takových, že x A a y B. Značíme jej A B. Tedy A B = {(x, y) : x A y B} a Příklad Uvažujme množiny A = {1, 2, 3} a B = { 1, 0}. Pak A B = {(1, 1), (1, 0), (2, 1), (2, 0), (3, 1), (3, 0)} B A = {( 1, 1), ( 1, 2), ( 1, 3), (0, 1), (0, 2), (0, 3)}.

9 1. CO JE TŘEBA ZNÁT Z TÉTO KAPITOLY 9 Obecně jsou A B a B A různé množiny. Rovnost nastane právě tehdy, když A = B nebo A = nebo B =. Platí A = A =. Jsou-li A a B číselné množiny, můžeme uspořádanou dvojici (x, y) zobrazit jako bod v rovině. Čísla x a y pak mají význam souřadnic. Tím vlastně zavadíme kartézskou soustavu souřadnic v rovině. Každému bodu roviny odpovídá dvojice reálných čísel, které udávají souřadnice tohoto bodu. Dalším důležitým pojmem je zobrazení. Na střední škole se většinou definuje zobrazení takto: Nechť jsou dány množiny A, B. Předpokládejme, že je dáno pravidlo, podle kterého je každému prvku x z množiny A přiřazen právě jeden prvek y z množiny B. Potom řekneme, že je definováno zobrazení f množiny A do množiny B. Potíž je však v použití nedefinovaného pojmu pravidlo. Nové pojmy lze definovat pouze na základě již dříve definovaných pojmů. Proto je následující definice zobrazení postavena na množinových pojmech. Definice Zobrazením f množiny A do množiny B nazýváme takovou podmnožinu kartézského součinu A B (f A B), že platí: ke každému prvku x množiny A existuje právě jeden prvek y z množiny B takový, že (x, y) f, tj. x A!y B : (x, y) f. V případě, že f A B je zobrazení a množiny A, B jsou číselné množiny (nebo aspoň množina B), používáme často místo pojmu zobrazení pojem funkce. Například zobrazení množiny A do množiny B, kde A R, B = R nazýváme reálnou funkcí jedné reálné proměnné, A R R, B = R nazýváme reálnou funkcí dvou reálných proměnných, A = N, B = R nazýváme posloupností reálných čísel. 1.8 Co je třeba znát z této kapitoly Pojmy k zapamatování výrok kvantifikátor horní a dolní závora množiny maximum a minimum množiny supremum a infimum množiny ohraničená množina axiom (A13) o supremu kartézský součin zobrazení Kontrolní otázky (1) Co se rozumí výrokem a jeho pravdivostní hodnotou? (2) Jaký výrok nazýváme hypotézou? (3) Které jsou základní logické spojky? (4) Jak lze z výrokové formy vytvořit výrok? (5) Udejte příklad množiny M R, jejíž supremum v R neexistuje. (6) Udejte příklad množiny M takové, že sup M = max M. (7) Objasněte rozdíl mezi množinou racionálních čísel a množinou všech reálných čísel. (8) Platí vždy vztah inf M sup M?

10 10 1. ZÁKLADNÍ POJMY (9) Udejte příklad množiny M takové, že platí inf M = sup M.