问题

集合相等的定义与空集的定义的矛盾如何理解?

回答
我们来聊聊集合论里一个挺有意思的话题,就是“集合相等”和“空集”这两个概念,以及它们之间看似存在的“矛盾”。

首先,我们得把这两个概念说清楚。

集合相等的定义:

在集合论里,两个集合相等,不是说它们长得一样,而是说它们包含完全相同的元素。换句话说,如果集合 A 和集合 B 包含一样的所有元素,那么 A 就等于 B。我们可以用符号来表达:

A = B 当且仅当 对于任意元素 x,如果 x ∈ A,那么 x ∈ B;并且如果 x ∈ B,那么 x ∈ A。

这就像是说,你手里有一堆苹果,我手里也有一堆苹果。如果你们俩手里的苹果品种、数量都完全一样,那你们的“苹果集合”就是相等的,不管你们怎么排列这些苹果,或者苹果是红的还是绿的,都不影响“集合相等”这个事实。

空集的定义:

空集,顾名思义,就是不包含任何元素的集合。它是集合论里的一个基础构件,一个必然存在的对象。我们通常用符号 {} 或者 ∅ 来表示空集。

那“矛盾”在哪里呢?

有些人会觉得,空集不包含任何元素,那它怎么能等于另一个不包含任何元素的集合呢? 这似乎有点绕。比如,我们说“A=B”,意味着 A 和 B 必须有一样的元素。但空集连元素都没有,怎么能“有”一样的元素呢?

这种困惑的根源,往往在于我们习惯性地把“包含元素”想象成一种“拥有”或“占据”,而空集似乎是“一无所有”。

如何理解这种“非矛盾”:

其实,这并不是真正的矛盾,而是我们对定义理解的细微之处需要把握。让我们回到集合相等的定义上,特别是那个“对于任意元素 x”的说法。

集合相等的定义是 全称量词 (∀) 的应用。它说的是:“对于所有 x,只要 x 在集合 A 里,它就一定在集合 B 里;同时,只要 x 在集合 B 里,它就一定在集合 A 里。”

现在我们把这个定义应用到两个空集上。假设我们有两个空集,我们称它们为 A 和 B。

A = ∅, B = ∅

我们来验证集合相等的定义:

1. “对于任意元素 x,如果 x ∈ A,那么 x ∈ B”
现在,A 是空集,也就是说,不存在任何元素 x 使得 x ∈ A。
在逻辑学里,当一个“如果 P,那么 Q”的命题的前件 P 是假的时候,整个命题就是真的(这被称为“蕴含的真”)。
所以,对于任意的 x,因为“x ∈ A”是假(因为 A 是空集),那么“如果 x ∈ A,那么 x ∈ B”这个命题就是 真 的。这个条件满足了。

2. “对于任意元素 x,如果 x ∈ B,那么 x ∈ A”
同理,B 也是空集,所以 不存在 任何元素 x 使得 x ∈ B。
因此,对于任意的 x,因为“x ∈ B”是假,那么“如果 x ∈ B,那么 x ∈ A”这个命题也是 真 的。这个条件也满足了。

因为集合相等的两个条件都被满足了,所以根据定义,任何两个空集都是相等的。

更形象的比喻:

你可以想象一下,集合相等的定义是在检查“两个袋子里的东西是否完全一致”。

袋子 A 是空的。
袋子 B 也是空的。

现在我们来检查:

1. “袋子 A 里有的东西,袋子 B 里也一定有吗?”
因为袋子 A 里什么都没有,所以这句话自然是真的。你找不到一个“在 A 里有但不在 B 里有”的东西,因为根本就没有“在 A 里有的东西”。
2. “袋子 B 里有的东西,袋子 A 里也一定有吗?”
同理,袋子 B 里也什么都没有,所以这句话也是真的。

所以,两个空袋子当然是“一样”的,它们包含的“东西集合”是相同的——都是“什么也没有”这个集合。

关键点在于“假前提”的真值:

很多时候,我们之所以觉得有矛盾,是因为我们潜意识里认为“如果一个集合是空的,那么它就不满足关于元素条件的陈述”。但集合相等的定义是以“蕴含”的形式给出的,而蕴含的性质是“假蕴真”和“假蕴假”都为真。当集合为空时,关于“属于这个集合的元素”的所有陈述都是假前提,而假前提的蕴含总是真的。

总结一下:

集合相等的定义是一种非常严格且逻辑严谨的定义。它不是要求集合里有多少元素,而是要求元素构成的一致性。两个空集,因为它们都不包含任何元素,所以它们在元素构成上是完全一致的——它们都“不包含任何元素”。因此,它们必然是相等的。

这里的关键在于理解逻辑上的蕴含关系,以及全称量词在“空集”这种特殊情况下的运作方式。空集不含任何元素,这使得所有关于“属于该集合的元素”的条件都成了假前提,从而使得集合相等定义中的两个方向的蕴含都自动成立。

所以,不存在矛盾,只有对定义更深入的理解。

网友意见

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题主的问题在于对空集理解是不对的。

“没有元素”这个说法其实在定义∅的空集公理中是不存在的。空集公理是说,存在一个集合∅,使得对任意a,都有a∉∅。并不需要“没有元素”这种容易造成误解的说法。

现在许多体系已经不把它当成公理了,而是别的一些公理的推论。这里是为了方便。

利用这个公理和集合相等的定义可以证明题主的疑问并不存在。

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