Книга: Песни о Паскале

Глава 35 Множества

Глава 35

Множества


С малых лет я завидовал обладателям волшебных палочек, ковров-самолетов и прочих волшебных штучек! Смел ли я мечтать о таких игрушках? И вот познакомился с Паскалем… Мы приступаем к мощнейшим средствам этого языка – сложным типам данных. Овладейте ими, и мудреные задачи разрешатся сказочно просто!

В директорском кабинете

Редкий смельчак сунется в директорский кабинет. Но чтобы вникнуть в предстоящую задачу, нам надо тайно проникнуть к директору школы. Вот вам шапка-невидимка (ещё одна волшебная штуковина), вдохните глубже и ступайте на цыпочках за мной.

Мы находим усталого Семена Семеновича перед кипой исчерканных листков с фамилиями учеников. Чем озабочен директор? Сейчас объясню. В начале учебного года Семен Семенович распорядился, чтобы все ученики вступили в какой-либо кружок или спортивную секцию – по желанию. А теперь, спустя пару месяцев, он проверяет исполнение приказа. Директор намерен наказать тех, кто не исполнил распоряжения, и поощрить состоящих в нескольких кружках или секциях. Но, промучившись неделю со списками кружков, он готов уж отказаться от своей затеи, – задача не поместилась в директорской голове. Судите сами: ведь в школе двести пятьдесят учеников! Спасайте Семена Семеновича!

Первым делом, первым делом – оцифровка

Директорскую задачу поручим компьютеру, а тому сподручней орудовать с числами. Заменим фамилии учеников числами, назначив каждому ученику уникальный, несовпадающий с другими, номер. Переход от фамилий к номерам и обратно – простая задачка, её мы оставим Семену Семеновичу. Таким образом, наш входной файл со списками учеников будет содержать по одной строке для каждого кружка, где перечисляются через пробел номера учеников, состоящих в этом кружке. Вот пример входного файла для трех кружков.

2 11 4 13
9 17 12 11 3 5 18
14 2 13 15 20

Здесь в первый кружок записались 4 школьника, во второй – 7, а в третий – 5 учеников. Как видите, их номера перечислены в произвольном порядке, что затрудняет ручную обработку таких списков. От компьютера требуется выявить номера учеников (от 1 до 250), которых нет в таком файле. Хочется найти простое решение, а оно возможно лишь с применением нового для нас типа данных – множества.

Множества глазами математика

Слово «множество» намекает на большое количество чего-либо. Чего именно? А все равно! Множества придумали математики, а им безразлично, что считать. Так подать сюда математика, и пусть ответит за всех! Скоро явился математик, взял два кружочка – черный и белый – и, протерев свои толстые очки, стал объяснять. Вот суть его речи.


Рис. 80 – Множества точек черного (B) и белого (W) кругов

Вы полагаете, что это кружочки? Нет, друзья, это два множества точек, – одно принадлежит черному кругу, другое – белому. Обозначим первое из них латинской буквой B (от Black – «черный»), а второе буквой W (от White – «белый»). Итак, черные и белые точки этих кружков назовём элементами множеств. Сколько там этих точек? Доказано, что бесконечно много, но к свойствам множеств это не имеет отношения. Что же это за свойства?

Добавление к множеству существующих элементов

Покройте черный круг таким же или меньшим черным кругом, или почеркайте его углем, – заметите разницу? Если на белый круг наложить такой же, или почеркать его мелом, – тоже не увидите изменений. Значит, множество не изменится при добавлении к нему элементов, уже входящих в это множество. На языке математики это свойство выразится так:

B + B = B

или так:

W + W + W = W

Не правда ли, странная арифметика?

Объединение множеств

Продолжим наши мысленные опыты и перекрасим оба круга в серый цвет. Будем считать их теперь одной фигурой, разорванной на части.


Рис. 81 – Объединение непересекающихся множеств G = B + W

Так мы получили новое множество, представляющее сумму или объединение двух предыдущих. Обозначим это новое множество буквой G (от Gray – «серый») и выразим то, что сделали, формулой.

G = B + W

Очевидно, что число точек во вновь образованном множестве равно их сумме в двух исходных. Пока в этом нет ничего интересного, – ведь исходные множества B и W, как говорят математики, не пересекаются. Сблизим круги так, чтобы добиться их частичного перекрытия (рис. 82).


Рис.82 – Объединение пересекающихся множеств G < B + W

Теперь количество точек в объединенном множестве будет меньше, чем в двух исходных по отдельности.

G < B + W

В общем случае при объединении множеств (как пересекающихся, так и не пересекающихся) соблюдается правило.

G ? B + W

Пересечение множеств

Иногда математиков (и не только их) интересует область пересечения множеств, отметим её серым цветом (рис. 83).


Рис.83 – Пересечение множеств G = B * W

Операцию пересечения множеств обозначают знаком умножения.

G = B • W

Количество точек в пересечении, как понимаете, не может быть больше, чем в любом из исходных множеств B и W. Для этого случая справедливо утверждение: пересечение множеств не больше любого из них.

B • W ? B и B • W ? W

Вычитание множеств

О солнечных и лунных затмениях слышали все, а кто-то и наблюдал их. Для математика это зримые примеры вычитания множеств; взгляните на рис. 84 – чем не затмения? Серую область можно трактовать как результат вычитания одного круга из другого. На левом рисунке белый круг «отгрыз» часть черного, превратив его в серую область, а на правом – наоборот. Подобающие этим случаям формулы будут таковы.

G = B – W или G = W – B


Рис.84 – Вычитание множеств

А если вычитаемый круг окажется больше того, из которого вычитают, и полностью поглотит его? В алгебре разность получится отрицательной, а здесь? Ничего подобного! При вычитании большего множества из меньшего или равного ему получается пустое множество, оно обозначается символом ?. Из пустого множества тоже можно вычитать, и результатом опять будет пустое множество.

(B – B) – B = ?

(? – W) – B = ?

Вот такими интересными свойствами обладают множества!

Подмножества и надмножества

На рис. 85 белый круг полностью поглощен черным. Тогда говорят, что множество точек белого круга составляет подмножество точек черного. Или так: множество точек черного круга является надмножеством точек белого. Математик выразит это формулой:

B > W


Рис.85 Надмножество (B) и подмножество (W)

А если круги совпадают и полностью перекрывают друг друга? Тогда говорят, что множества равны, и любое из них является и подмножеством, и надмножеством другого. В общем случае:

если B ? W, то B является надмножеством W;

если B ? W, то B является подмножеством W.

Числовые множества

Мы рассмотрели несметные множества бесконечно маленьких точек. Но компьютеры ещё не умеют работать с бесконечностями. Так умерим свой аппетит и перейдем к множествам с конечным числом элементов. Поступим так: вместо раскраски кругов расставим на них ряд жирных точек и пронумеруем их числами от 1 до 9 (рис. 86). В ходе последующих опытов нас будут интересовать лишь эти избранные точки (то есть, числа).


Рис.86 – Множества чисел

Так мы получили два конечных множества чисел. Одно из них, обозначенное буквой A, содержит числа 8, 7, 9, 3, 5, 2. Другое обозначено буквой B и включает числа 5, 4, 6, 1, 2. Эти множества математики записали бы так:

A = { 8, 7, 9, 3, 5, 2 }

B = { 5, 4, 6, 1, 2 }

Для записи множеств они используют фигурные скобки. Обратите внимание: числа в скобках следуют в произвольном порядке. Это значит, что порядок перечисления элементов множества не важен. Учтите также, что числа 2 и 5 входят в оба множества.

Подобно точкам на круге, каждый элемент числового множества уникален, иными словами, может входить в множество лишь единожды. Вспомните нашу попытку покрасить углем черный круг, – добавление к множеству существующих в нём элементов не изменяет его. Этим же свойством обладают и числовые множества. Например, для нашего случая справедливо следующее.

A + { 8, 7 } = A

Множество A после объединения с множеством {8,7} не изменилось, поскольку уже содержало эти числа.

С числовыми множествами поступают так же, как и с бесконечными: объединяют, пересекают, вычитают и сравнивают. Вот примеры этих операций для нашего случая.

Объединение множеств содержит все числа исходных множеств, при этом повторения (дубликаты) отбрасывают:

G = A + B = { 8, 7, 9, 3, 5, 2 } + { 5, 4, 6, 1, 2 } = { 8, 7, 9, 3, 5, 2, 4, 6, 1 }

Хотя числа 2 и 5 входили в оба исходных множества, в объединении они встречаются по разу.

Пересечение множеств содержит только числа, входящие в оба множества:

A * B = { 8, 7, 9, 3, 5, 2 } * { 5, 4, 6, 1, 2 } = { 5, 2 }

Разность множеств A–B содержит числа, состоящие в множестве A, но отсутствующие в множестве B:

A – B = { 8, 7, 9, 3, 5, 2 } – { 5, 4, 6, 1, 2 } = { 8, 7, 9, 3 }

Разность множеств B–A содержит числа, состоящие в множестве B, но отсутствующие в множестве A:

B – A = { 5, 4, 6, 1, 2 } – { 8, 7, 9, 3, 5, 2 } = { 4, 6, 1 }

Эти «вычисления» легко проверить по рис. 86.

Мощность множества, полные и неполные множества

Мощность множества – это наибольшее количество элементов, которое может содержаться в нём. В нашем числовом примере мощность множества равна девяти.

Множество, содержащее все возможные свои элементы, называют полным. В нашем случае полным является объединение множеств A+B.

Множество, содержащее не все возможные элементы, является неполным. Так, множества A и B по отдельности – неполные.

Все это рассказал нам математик. А что же Семен Семенович, или мы забыли о директоре? Нет, конечно, но к директорской задаче мы вернемся после ознакомления с «паскалевскими» множествами.

Итоги

• Множество – это совокупность различимых объектов (точек, чисел, предметов), которую мы воспринимаем как нечто целое. Отдельные объекты множества называют его элементами.

• К множествам применим ряд операций: объединение, пересечение, вычитание, сравнение.

• Объединение двух множеств содержит по одному элементу из каждого исходного множества.

• Пересечение двух множеств содержит только общие их элементы. Если таких элементов нет, пересечение будет пустым.

• Разность множеств содержит элементы уменьшаемого множества за исключением элементов вычитаемого множества.

• Первое множество является подмножеством второго, если все элементы первого принадлежат второму. И тогда второе множество будет надмножеством первого. Множества совпадают, если содержат одни и те же элементы.

А слабо?

А) Полицейская база данных некоторого государства содержит номера всех автомобилей, сгруппированные в ряд множеств. Три множества составлены по типам автомобилей: легковые, грузовые, автобусы. Шесть множеств образованы по цвету автомобилей: множества белых, черных, желтых, красных, синих и зеленых.

• Пересекается ли множество легковых автомобилей с множеством грузовых? А множество желтых автомобилей с множеством черных?

• Может ли быть непустым пересечение множества желтых автомобилей с множеством автобусов?

• Свидетель дорожно-транспортного происшествия сообщил, что с места преступления скрылся грузовой автомобиль синего цвета. Как вычислить группу подозреваемых автомобилей?

• На улице висит знак: грузовым проезд запрещен. Как определить множество автомобилей, въезд которым разрешен?

Б) Два государства, назовем их A и B, спорят о некой территории, – каждое считает ее своей. Нарисуйте на листочке предполагаемую карту, заштрихуйте спорную область, а затем объясните:

• Как вычислить спорную область государств?

• Как вычислить бесспорную область, включая оба государства?

• Заштрихуйте область, отвечающую формуле G = (A-B) + (B-A).

• Заштрихуйте область, отвечающую формуле G = A+B – A•B. Совпадает ли она с той, что вычислена по предыдущей формуле?

В) Дайте ответы на следующие вопросы.

• Является ли множество ваших одноклассников подмножеством учеников вашей школы?

• Пересекается ли множество ваших друзей с множеством ваших одноклассников?

• Является ли множество ваших друзей подмножеством ваших одноклассников?

Оглавление книги

Оглавление статьи/книги

Генерация: 0.135. Запросов К БД/Cache: 2 / 0
поделиться
Вверх Вниз