第一章集合与函数概念
§1.1集合
1.1.1 集合的含义与表示(一)
1.体验由实例分析探究集合中元素的特性的过程,了解集合的含义以及集合中元素的特性,培养自己的抽象、概括能力.
2.掌握“属于”关系的意义,知道常用数集及其记法,初步体会集合语言和符号语言表示数学内容的简洁性和准确性.
1.元素与集合的概念
(1)把研究对象统称为元素,通常用小写拉丁字母表示.
(2)把一些元素组成的总体叫做集合(简称为集),通常用大写拉丁字母表示.
2.集合中元素的特性:确定性、互异性、无序性.
3.集合相等:只有构成两个集合的元素是一样的,才说这两个集合是相等的.
4.元素与集合的关系
(1)如果a是集合A的元素,就说a属于集合A,记作a∈A.
(2)如果a不是集合A的元素,就说a不属于集合A,记作a A.
5.实数集、有理数集、整数集、非负整数集、正整数集分别用字母R、Q、Z、N、N*或N+来表示.
对点讲练
集合的概念
【例1】考查下列每组对象能否构成一个集合:
(1)著名的数学家;(2)某校2007年在校的所有高个子同学;
(3)不超过20的非负数;(4)方程x2-9=0在实数范围内的解;
(5)直角坐标平面内第一象限的一些点;(6)3的近似值的全体.
解(1)“著名的数学家”无明确的标准,对于某个人是否“著名”无法客观地判断,因此“著名的数学家”不能构成一个集合;类似地,(2)也不能构成集合;(3)任给一个实数x,可以明确地判断是不是“不超过20的非负数”,即“0≤x≤20”与“x>20或x<0”,两者必居其一,且仅居其一,故“不超过20的非负数”能构成集合;类似地,(4)也能构成集合;(5)“一些点”无明确的标准,对于某个点是否在“一些点”中无法确定,因此“直角坐标平面内第一象限的一些点”不能构成集合;(6)“3的近似值”不明确精确到什么程度,因此很难判断一个数如“2”是不是它的近似值,所以(6)不能构成集合.
规律方法判断指定的对象能不能形成集合,关键在于能否找到一个明确标准,对于任何一个对象,都能确定它是不是给定集合的元素,同时还要注意集合中元素的互异性、无序性.
变式迁移1 下列给出的对象中,能构成集合的是()
A.高个子的人B.很大的数C.聪明的人D.小于3的实数
答案 D
集合中元素的特性
【例2】已知集合A是由a-2,2a2+5a,12三个元素组成的,且-3∈A,求a.
分析考查元素与集合的关系,体会分类讨论思想的应用.
解∵-3∈A,则-3=a-2或-3=2a2+5a,
∴a=-1或a=-3
2.则当a=-1时,a-2=-3,2a
2+5a=-3,不符合集合中元素的互异性,故a=-1应舍去.
当a=-3
2时,a-2=-7
2
,2a2+5a=-3,
∴a=-3
2.
规律方法对于解决集合中元素含有参数的问题一定要全面思考,特别关注元素在集合中的互异性.分类讨论的思想是中学数学中的一种重要的数学思想,我们一定要在以后的学习中熟练掌握.
变式迁移2 已知集合A是由0,m,m2-3m+2三个元素组成的集合,且2∈A,求实数m的值.
解∵2∈A,∴m=2或m2-3m+2=2.
若m=2,则m2-3m+2=0,
不符合集合中元素的互异性,舍去.
若m2-3m+2=2,求得m=0或3.
m=0不合题意,舍去.经验证m=3符合题意,
∴m只能取3.
元素与集合的关系
【例3】若所有形如3a+2b(a∈Z,b∈Z)的数组成集合A,判断6-22是不是集合A中的元素.
分析解答本题首先要理解∈与D/∈的含义,然后要弄清所给集合是由一些怎样的数构成的,6-22能否化成此形式,进而去判断6-22是不是集合A中的元素.
解因为在3a+2b(a∈Z,b∈Z)中,
令a=2,b=-2,
即可得到6-22,
所以6-22是集合A中的元素.
规律方法判断一个元素是不是某个集合的元素,就是判断这个元素是否具有这个集合的元素的共同特征.像此类题,主要看能否将所给对象的表达式转化为集合中元素所具有的形式.
变式迁移3 集合A是由形如m+3n(m∈Z,n∈Z)的数构成的,判断1
2-3
是不是集合A中的元素.
解∵1
2-3
=2+3=2+3×1,而2,1∈Z,
∴2+3∈A,即1
2-3
∈A.
1.充分利用集合中元素的三大特性是解决集合问题的基础.
2.两集合中的元素相同则两集合就相同,与它们元素的排列顺序无关.
3.解集合问题特别是涉及求字母的值或范围,把所得结果代入原题检验是不可缺少的步骤.特别是互异性,最易被忽视,必须在学习中引起足够重视.
课时作业
一、选择题
1.下列几组对象可以构成集合的是()
A.充分接近π的实数的全体B.善良的人
C.某校高一所有聪明的同学D.某单位所有身高在1.7 m以上的人
答案 D
2.下列四个说法中正确的个数是()
①集合N中最小数为1;②若a∈N,则-a?N;
③若a∈N,b∈N,则a+b的最小值为2;④所有小的正数组成一个集合.
A.0 B. 1 C.2 D.3
答案 A
3.由a2 ,2-a,4组成一个集合A,A中含有3个元素,则实数a的取值可以是() A.1 B.-2 C.6 D.2
答案 C
解析验证,看每个选项是否符合元素的互异性.
4.已知集合S的三个元素a、b、c是△ABC的三边长,那么△ABC一定不是() A.锐角三角形B.直角三角形C.钝角三角形D.等腰三角形
答案 D
解析由元素的互异性知a,b,c均不相等.
5.已知x、y、z为非零实数,代数式x
|x|+y
|y|+
z
|z|+
|xyz|
xyz的值所组成的集合是M,则下列
判断正确的是()
A.0?M B.2∈M C.-4?M D.4∈M
答案 D
解析分类讨论:x、y、z中三个为正,两个为正,一个为正,全为负,此时代数式的值分别为4,0,0,-4,∴4∈M.
二、填空题
6.用“∈”或“?”填空
(1)-3______N;(2)3.14______Q;(3)1
3______Z;(4)-
1
2______R;(5)1______N
*;
(6)0________N.
答案(1)?(2)∈(3)?(4)∈(5)∈(6)∈
7.集合A={1,2,3,5},当x∈A时,若x-1?A,x+1?A,则称x为A的一个“孤立元素”,则A中孤立元素的个数为________.
答案 1
解析当x=1时,x-1=0?A,x+1=2∈A;
当x=2时,x-1=1∈A,x+1=3∈A;
当x=3时,x-1=2∈A,x+1=4?A;
当x=5时,x-1=4?A,x+1=6?A;
综上可知,A中只有一个孤立元素5.
8.由下列对象组成的集体属于集合的是________(填序号).
①不超过π的正整数;②高一数学课本中所有的难题;③中国的大城市;
④平方后等于自身的数;⑤某校高一(2)班中考试成绩在500分以上的学生.
答案①④⑤
三、解答题
9.已知集合M ={-2,3x 2+3x -4,x 2+x -4},若2∈M ,求x . 解 当3x 2+3x -4=2时,即x 2+x -2=0, 则x =-2或x =1.
经检验,x =-2,x =1均不合题意.
当x 2+x -4=2时,即x 2+x -6=0,则x =-3或2. 经检验,x =-3或x =2均合题意.
∴x =-3或x =2.
10.设P 、Q 为两个非空实数集合,P 中含有0,2,5三个元素,Q 中含有1,2,6三个元素,定义集合P +Q 中的元素是a +b ,其中a ∈P ,b ∈Q ,则P +Q 中元素的个数是多少? 解 ∵当a =0时,b 依次取1,2,6,得a +b 的值分别为1,2,6; 当a =2时,b 依次取1,2,6,得a +b 的值分别为3,4,8; 当a =5时,b 依次取1,2,6,得a +b 的值分别为6,7,11. 由集合元素的互异性知P +Q 中元素为1,2,3,4,6,7,8,11共8个. 【探究驿站】
11.设A 为实数集,且满足条件:若a ∈A ,则1
1-a
∈A (a ≠1).
求证:(1)若2∈A ,则A 中必还有另外两个元素; (2)集合A 不可能是单元素集.
证明 (1)若a ∈A ,则1
1-a
∈A .
又∵2∈A ,∴1
1-2
=-1∈A .
∵-1∈A ,∴11-(-1)=1
2
∈A .
∵12∈A ,∴11-1
2
=2∈A . ∴A 中另外两个元素为-1,1
2.
(2)若A 为单元素集,则a =1
1-a ,
即a 2-a +1=0,方程无解.
∴a ≠11-a
,∴A 不可能为单元素集.
1.1.1集合的含义与表示(二)
自主学习
1.掌握集合的表示方法,能在具体问题中选择适当的方法表示集合.
2.通过实例和阅读自学体会用列举法和描述法表示集合的方法和特点,培养自主探究意识和自学能力.
1.把集合的元素一一列举出来,并用花括号“{}”括起来表示集合的方法叫做列举
法.
2.用集合所含元素的共同特征表示集合的方法称为描述法. 3.不等式x -7<3的解集为{x |x <10}.
4.所有偶数的集合可表示为{x ∈Z |x =2k ,k ∈Z }。
5.方程(x +1)(x -3)=0的所有实数根组成的集合为{-1,3}
对点讲练
用列举法表示集合
【例1】 用列举法表示下列集合:
(1)已知集合M =??????x ∈N |61+x ∈Z ,求M ; (2)方程组?
????
x +y =2
x -y =0的解集;
(3)由|a |a +b
|b |
(a ,b ∈R )所确定的实数集合.
分析 解答本题可先弄清集合元素的性质特点,然后再按要求改写.
解 (1)∵x ∈N ,且6
1+x ∈Z ,
∴1+x =1,2,3,6,
∴x =0,1,2,5,∴M ={0,1,2,5}.
(2)由????? x +y =2x -y =0,得?????
x =1y =1
,
故方程组的解集为{(1,1)}.
(3)要分a >0且b >0,a >0且b <0,a <0且b >0,a <0且b <0四种情况考虑,故用列举法表示为{-2,0,2}.
规律方法 (1)列举法表示集合,元素不重复、不计次序、不遗漏,且元素与元素之间用“,”隔开.(2)列举法适合表示有限集,当集合中元素的个数较少时,用列举法表示集合较为方便,而且一目了然. 变式迁移1 用列举法表示下列集合:
(1)A ={x ||x |≤2,x ∈Z }; (2)B ={x |(x -1)2(x -2)=0};
(3)M ={(x ,y )|x +y =4,x ∈N *,y ∈N *}; (4)已知集合C =?
???
??
61+x ∈Z |x ∈N ,求C .
解 (1)∵|x |≤2,x ∈Z ,
∴-2≤x ≤2,x ∈Z , ∴x =-2,-1,0,1,2. ∴A ={-2,-1,0,1,2}.
(2)∵1和2是方程(x -1)2(x -2)=0的根, ∴B ={1,2}.
(3)∵x +y =4,x ∈N *,y ∈N *,
∴????? x =1,y =3,或????? x =2,y =2,或?????
x =3,y =1.
∴M ={(1,3),(2,2),(3,1)}.
(4)结合例1(1)知,6
1+x =6,3,2,1,
∴C ={6,3,2,1}.
用描述法表示集合
【例2】 用描述法表示下列集合:
(1)所有正偶数组成的集合; (2)方程x 2+2=0的解的集合;
(3)不等式4x -6<5的解集; (4)函数y =2x +3的图象上的点集. 解 (1)文字描述法:{x |x 是正偶数}. 符号描述法:{x |x =2n ,n ∈N *}. (2){x |x 2+2=0,x ∈R }. (3){x |4x -6<5,x ∈R }.
(4){(x ,y )|y =2x +3,x ∈R ,y ∈R }.
规律方法 用描述法表示集合时,要注意代表元素是什么?同时要注意代表元素所具有的性质.
变式迁移2 用描述法表示下列集合:
(1)函数y =ax 2+bx +c (a ≠0)的图象上所有点的集合;
(2)一次函数y =x +3与y =-2x +6的图象的交点组成的集合; (3)不等式x -3>2的解集.
解 (1){(x ,y )|y =ax 2+bx +c ,x ∈R ,a ≠0}.
(2)?
?????????(x ,y )|???
??
y =x +3y =-2x +6=?
?????
???
?(x ,y )|???
??
x =1
y =4. (3){x ∈R |x -3>2}.
列举法和描述法的灵活运用
【例3】 用适当的方法表示下列集合:
(1)比5大3的数; (2)方程x 2+y 2-4x +6y +13=0的解集; (3)二次函数y =x 2-10图象上的所有点组成的集合.
分析 对于(1),比5大3的数就是8,宜用列举法;对于(2),方程为二元二次方程,可将方程左边因式分解后求解,宜用列举法;对于(3),所给二次函数图象上的点有无数个,宜采用描述法.
解 (1)比5大3的数显然是8,故可表示为{8}. (2)方程x 2+y 2-4x +6y +13=0可化为 (x -2)2+(y +3)2=0,
∴?????
x =2y =-3
,∴方程的解集为{(2,-3)}. (3)“二次函数y =x 2-10的图象上的点”用描述法表示为{(x ,y )|y =x 2-10}. 规律方法 用列举法与描述法表示集合时,一要明确集合中的元素;二要明确元素满足的条件;三要根据集合中元素的个数来选择适当的方法表示集合. 变式迁移3 用适当的方法表示下列集合:
(1)由所有小于10的既是奇数又是素数的自然数组成的集合; (2)由所有周长等于10 cm 的三角形组成的集合;
(3)从1,2,3这三个数字中抽出一部分或全部数字(没有重复)所组成的自然数的集合;
(4)二元二次方程组?
???
?
y =x y =x 2的解集. 解 (1)列举法:{3,5,7}.
(2)描述法:{周长为10 cm 的三角形}.
(3)列举法:{1,2,3,12,13,21,31,23,32,123,132,213,231,312,321}. (4)列举法:{(0,0),(1,1)}.
课时作业
一、选择题
1.集合{1,3,5,7,9}用描述法表示应是( )
A .{x |x 是不大于9的非负奇数}
B .{x |x ≤9,x ∈N }
C .{x |1≤x ≤9,x ∈N }
D .{x |0≤x ≤9,x ∈Z } 答案 A
2.在直角坐标系内,坐标轴上的点的集合可表示为( )
A .{(x ,y )|x =0,y ≠0}
B .{(x ,y )|x ≠0,y =0}
C .{(x ,y )|xy =0}
D .{(x ,y )|x =0,y =0} 答案 C
3.下列语句:
①0与{0}表示同一个集合;②由1,2,3组成的集合可表示为{1,2,3}或{3,2,1}; ③方程(x -1)2(x -2)2=0的所有解的集合可表示为{1,1,2};④集合{x |4 正确的是( ) A .只有①和④ B .只有②和③ C .只有② D .以上语句都不对 答案 C 4.已知集合A =?????? ????a ?? 65-a ∈N *,则A 为( ) A .{2,3} B .{1,2,3,4} C .{1,2,3,6} D .{-1,2,3,4} 答案 D 解析 由6 5-a ∈N *可知,5-a 为6的正因数,所以5-a 可以等于1,2,3,6,相应的a 分 别等于4,3,2,-1,即A ={-1,2,3,4}. 5.下列集合中表示同一集合的是( ) A .M ={(3,2)},N ={(2,3)} B .M ={3,2},N ={2,3} C .M ={(x ,y )|x +y =1},N ={y |x +y =1} D .M ={1,2},N ={(1,2)} 答案 B 二、填空题 6.下列可以作为方程组? ???? x +y =3 x -y =-1的解集的是__________(填序号). (1){x =1,y =2}; (2){1,2}; (3){(1,2)}; (4){(x ,y )|x =1或y =2}; (5){(x ,y )|x =1且y =2}; (6){(x ,y )|(x -1)2+(y -2)2=0}. 答案 (3)(5)(6) 7.已知a ∈Z ,A ={(x ,y )|ax -y ≤3}且(2,1)∈A ,(1,-4)?A ,则满足条件的a 的值为________. 答案 0,1,2 解析 ∵(2,1)∈A 且(1,-4) ?A , ∴2a -1≤3且a +4>3, ∴-1 ∴a 的取值为0,1,2. 8.已知集合M ={x ∈N |8-x ∈N },则M 中的元素最多有________个. 答案 9 三、解答题 9.用另一种方法表示下列集合. (1){绝对值不大于2的整数}; (2){能被3整除,且小于10的正数}; (3){x |x =|x |,x <5且x ∈Z }; (4){(x ,y )|x +y =6,x ∈N *,y ∈N *}; (5){-3,-1,1,3,5}. 解 (1){-2,-1,0,1,2}. (2){3,6,9}. (3)∵x =|x |,∴x ≥0,又∵x ∈Z 且x <5, ∴x =0或1或2或3或4. ∴集合可以表示为{0,1,2,3,4}. (4){(1,5),(2,4),(3,3),(4,2),(5,1)}. (5){x |x =2k -1,-1≤k ≤3,k ∈Z }. 10.用描述法表示图中阴影部分(含边界)的点的坐标的集合. 解 用描述法表示为(即用符号语言表示): ???? ?? (x ,y )|-1≤x ≤32,-12≤y ≤1,且xy ≥0. 【探究驿站】 11.对于a ,b ∈N +,现规定: a * b =? ???? a + b (a 与b 的奇偶性相同)a ×b (a 与b 的奇偶性不同). 集合M ={(a ,b )|a *b =36,a ,b ∈N +} (1)用列举法表示a ,b 奇偶性不同时的集合M ; (2)当a 与b 的奇偶性相同时集合M 中共有多少个元素? 解 (1)当a ,b 奇偶性不同时,a *b =a ×b =36, 则满足条件的(a ,b )有(1,36),(3,12),(4,9),(9,4),(12,3),(36,1),故集合M 可表示为: M ={(1,36),(3,12),(4,9),(9,4),(12,3),(36,1)}. (2)当a 与b 的奇偶性相同时a *b =a +b =36,由于两奇数之和为偶数,两偶数之和仍为偶数,故36=1+35=2+34=3+33=…=17+19=18+18=19+17=…=35+1, 所以当a ,b 奇偶性相同时这样的元素共有35个. §1.1.2集合间的基本关系 自主学习 了解子集、真子集、空集的概念,掌握用Venn图表示集合的方法,通过子集理解两集合相等的意义. 1.一般地,对于两个集合A、B,如果集合A中任意一个元素都是集合B中的元素,我们就说这两个集合有包含关系,称集合A为集合B的子集,记作A?B(或B?A),读作“A含于B”(或“B包含A”). 2.如果集合A是集合B的子集(A?B),且集合B是集合A的子集(B?A),此时,集合A与集合B中的元素是一样的,因此集合A与集合B相等,记作A=B. 3.如果集合A?B,但存在元素x∈B,且x A,我们称集合A是集合B的真子集,记作A B(或B A). 4.不含任何元素的集合叫做空集,记作?. 5.空集是任何集合的子集,空集是任何非空集合的真子集. 对点讲练 写出给定集合的子集 【例1】(1)写出集合{0,1,2}的所有子集,并指出其中哪些是它的真子集; (2)填写下表,并回答问题. 原集合子集子集的个数 ? {a} {a,b} {a,b,c} 由此猜想:含n12n 数及非空真子集的个数呢? 解(1)不含任何元素的集合:?; 含有一个元素的集合:{0},{1},{2}; 含有两个元素的集合:{0,1},{0,2},{1,2}; 含有三个元素的集合:{0,1,2}. 故集合{0,1,2}的所有子集为?,{0},{1},{2},{0,1},{0,2},{1,2},{0,1,2}. 其中除去集合{0,1,2},剩下的都是{0,1,2}的真子集. ,a2,…,a n}的所有子集的个数是2n n 1 -1,非空真子集的个数是2n-2. 规律方法(1)分类讨论是写出所有子集的有效方法,一般按集合中元素个数的多少来划分,遵循由少到多的原则,做到不重不漏. (2)集合A中有n个元素,则集合A有2n个子集,有(2n-1)个真子集,(2n-1)个非空子集,(2n-2)个非空真子集. 变式迁移1 已知集合M满足{1,2}?M?{1,2,3,4,5},写出集合M. 解由已知条件知所求M为:{1,2},{1,2,3},{1,2,4},{1,2,5},{1,2,3,4},{1,2,3,5},{1,2,4,5},{1,2,3,4,5}. 集合基本关系的应用 【例2】(1)已知集合A={x|-3≤x≤4},B={x|2m-1 (2)本例(1)中,若将“B?A”改为“A?B”,其他条件不变,则实数m的取值范围是什么? 解(1)∵B?A, ①当B =?时,m +1≤2m -1,解得m ≥2. ②当B ≠?时,有???? ? -3≤2m -1m +1≤4 2m -1 解得-1≤m <2, 综上得m ≥-1. (2)显然A ≠?,又A ?B ,∴B ≠?, 如图所示, ∴???? ? 2m -1 2m -1<-3m +1>4 ,解得m ∈?. 规律方法 (1)分析集合关系时,首先要分析、简化每个集合. (2)此类问题通常借助数轴,利用数轴分析法,将各个集合在数轴上表示出来,以形定数,还要注意验证端点值,做到准确无误,一般含“=”用实心点表示,不含“=”用空心点表示. (3)此类问题还应注意“空集”这一“陷阱”,尤其是集合中含有字母参数时,初学者会想当然认为非空集合而丢解,因此分类讨论思想是必须的. 变式迁移2 已知A ={x |x 2-5x +6=0},B ={x |mx =1},若B A ,求实数m 所构成的集合M . 解 由x 2-5x +6=0得x =2或x =3.∴A ={2,3} 由B A 知 B =?或B ={2}或B ={3} 若B =?,则m =0; 若B ={2},则m =1 2; 若B ={3},则m =1 3 . ∴M =??? ? ??0,12,13. 集合相等关系的应用 【例3】 已知集合A ={2,x ,y },B ={2x,2,y 2}且A =B ,求x ,y 的值. 解 方法一 ∵A =B , ∴集合A 与集合B 中的元素相同, ∴????? x =2x y =y 2 或????? x =y 2y =2x , 解得x ,y 的值为????? x =0y =0或????? x =0y =1或??? x =1 4 y =12 验证得,当x =0,y =0时, A ={2,0,0}这与集合元素的互异性相矛盾,舍去. ∴x ,y 的取值为????? x =0, y =1,或??? x =14 ,y =12. 方法二 ∵A =B ,∴A 、B 中元素分别对应相同. ∴????? x +y =2x +y 2,x · y =2x ·y 2 , 即? ???? x +y (y -1)=0, ①xy (2y -1)=0. ② ∵集合中元素互异,∴x 、y 不能同时为0. ∴y ≠0.由②得x =0或y =1 2. 当x =0时,由①知y =1或y =0(舍去); 当y =12时,由①得x =14 . ∴????? x =0, y =1,或??? x =1 4 ,y =12. 规律方法 集合相等则元素相同,但要注意集合中元素的互异性,防止错解. 变式迁移3 含有三个实数的集合可表示为??? ? ??a ,b a ,1,也可表示为{a 2,a +b,0},求a , b . 解 由集合相等得:0∈??? ? ??a ,b a ,1,易知a ≠0, ∴b a =0,即b =0,∴a 2=1且a 2≠a ,∴a =-1. 综上所述:a =-1,b =0. 1.元素、集合间的关系用符号“∈”或“?”表示,集合、集合间的关系用“?”、“=”或“”等表示. 2.在特定的情况下集合也可以作为元素,如集合B ={?,{0},{1},{0,1}},则此时{1}∈B ,而不能是{1} B . 3.解集合关系的问题时还需注意以下几个方面: (1)当A ?B 时,A =B 或A B . (2)判断两个集合间的关系:①先用列举法表示两个集合再判断;②分类讨论. (3)解数集问题学会运用数轴表示集合. (4)集合与集合间的关系可用Venn 图直观表示. 课时作业 一、选择题 1.下列命题 ①空集没有子集;②任何集合至少有两个子集;③空集是任何集合的真子集;④若?A 时,则A ≠?. 其中正确的个数是( ) A .0 B .1 C .2 D .3 答案 B 解析 仅④是正确的. 2.已知集合A ={x |a -1≤x ≤a +2},B ={x |3 A .{a |3 B .{a |3≤a ≤4}