Benutzer:Bin im Garten/Mathematik/Mengen

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Zahlreiche mathematische Disziplinen werden heute auf der Mengenlehre aufgebaut, darunter Algebra, Analysis, Maßtheorie, Stochastik und Topologie. Mengen sind das Alphabet des Matematikers und des Naturwissenschaftlers, der sich mit Mathematik befasst. Die Mengenlehre gehört zum Grundbestand des mathematischen Wissens.

In der modernen Mathematik werden die Zahlenbereiche rein mit den Methoden der Mengenlehre (mit der leeren Menge als einzigem Grundbaustein) schrittweise aufgebaut.

Kurze Theorie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beispiel: Venn-Diagramm der Menge der griechischen, lateinischen und kyrillischen Großbuchstaben und ihre Schnittmengen
Beispiel: Venn-Diagramm der politischen Geografie von "England"

Definition der Menge: "Mengen sind eine Zusammenfassung bestimmter, wohlunterschiedener Objekte unserer Anschauung oder unseres Denkens zu einem Ganzen."

Das ist die einfache Versionen, die sogenannte „naive Definition“ ihres "Erfinders" (eigentlich "Entdecker") Georg Cantor, der die Mengen erst um 1900 zur Basis der Mathematik gemacht hat. Canto hat die Mengenlehre begründet. Nahezu die ganze mathematik wurde durch den Mengenbegriff stark beeinflusst. Durch den Mengenbegriff wurde eine weitgehende Vereinheitlichung und Präzisierung des mathematischen Denkens erreicht.

Mengen sind eigentlich schnell erklärt und gelernt (Schnittmenge, Vereinigungsmenge, Differenzmenge, Teilmenge) , wenn da nicht die zahlreichen Fallen wären, die wegen der leeren Menge zu beachten sind. Und dann wird es immer verschachtelter: Mengen von Mengen, Mengen die leere Mengen enthalten. Völligg beiseite lassen wir hier die unendlichen Mengen und beschränken uns hier auf endliche Mengen. Weiterhin sind Potenzmengen und Mengenprodukt ( = Kartesisches Produkt) zu lernen; beide können auch kombiniert werden - auch in unterschiedlicher Reihenfolge. Und dann wäre da noch die Mächtigkeit einer Menge und das Komplement.

Es gibt auch noch eine symmetrische Differenz, in Analogie zum exklusiven ODER in der Logik. Der Operator dafür ist ein Dreieck. Die symmetrische Differenz ist folgendermaßen definiert:

Bei Verwendung des ausschließenden Oder (XOR oder ) kann man dafür auch schreiben:

Die Vereinigungsmenge ist dann als inklusives ODER anzusehen (nicht-ausschließende Disjunktion).

Weiterhin gibt es das Komplement, wobei zwischen relativem und absolutem Komplement unterschieden wird. Das relative Komplement ist das gleiche, wie die oben erwähnte Differenzmenge: (sprich „A ohne B“ oder „das relative Komplement von B in A“ - Achtung: im zweiten Ausdruck sind A und B vertauscht - das ist so!). Das relative Komplement wird auch mengentheoretisches Komplement oder mengentheoretische Differenz genannt.

Das Komplement von A in U

Das absolute Komplement erfordert einen "Rahmen". Ist ein Universum U definiert, so wird für jede Menge A ⊆ U das relative Komplement von A in U auch absolutes Komplement (oder einfach Komplement) von A genannt und als AC (manchmal auch als A′, oder auch als bzw. wenn U fest ist) notiert, es ist also:

So wird auch der Begriff "Komplement" (Ergänzung) deutlicher. Die Menge A (im Bild) soll "ergänzt" werden, um den gesamten Rahmen zu füllen - das ist das Kompelement (die Ergänzung) der Menge A: . Das hochgestellt "C" steht für "Complement".

Und wenn dann einiges kombiniert wird, dann wird es doch nicht mehr so banal und erfordert höchste Konzentration. Beispiel: gegeben sein zwei Mengen A = {1, 3, 7, 21} und B = {2, 4, 0, ∅}, diese werden in längeren geschachtelten Klammerausdrücken als Schnittmenge und Vereinigungsmenge verarbeitet, dann davon das Mengenprodukt gebildet, zwei mal hintereinander die Potenzmenge bilden und abschließend die Mächtigkeit ermittelt. Das Ergebnis ist am Anfang mit hoher Wahrscheinlichkeit falsch.

Ach ja: und statt nur sinnlos lange Rechnungen aufzustellen sollte man auch noch die Rechenregeln kennen, nach denen solche Ausdrücke vereinfacht oder umgestellt werden können:

  • die berühmten De Morgansche Regeln (De Morgan’sche Gesetze)
    • oder in der alternativen Schreibweise (Das Komplement AC wird manchmal auch geschriben als A′ oder auch als A oder )
  • Komplementgesetze:
    • A ∪ AC = U
    • A ∩ AC = Ø
    • ØC = U
    • UC = Ø
    • Ist A ⊆ B, so ist BC ⊆ AC
  • Involution:
    • ACC = A
  • Beziehungen zwischen relativen und absoluten Komplementen:
    • A \ B = A ∩ BC
    • (A \ B)C = AC ∪ B

Neben den De Morganschen Regeln gbit es zu allen Mengenbeziehungen (Schnittmenge, Vereinigungsmenge, Differenzmenge, symmetrische Differenz) jeweil ein Assoziativgesetz, Kommutativgesetz und ein Distributivgesetzt.

  • Gesetzte für Vereinigungsmengen und Schnittmengen: (Die Mengen‐Operationen Schnitt ∩ und Vereinigung ∪ sind kommutativ, assoziativ und zueinander 

distributiv: )

    • Assoziativgesetz: 
      • (A ∪ B) ∪ C = A ∪ (B ∪ C)
      •  (A ∩ B) ∩ C = A ∩ (B ∩ C)  
    • Kommutativgesetz: 
      • A ∪ B = B ∪ A
      •  A ∩ B = B ∩ A  
    • Distributivgesetz:
      •  A ∪ (B ∩ C) = (A ∪ B)  ∩ (A ∪ C) 
      • A ∩ (B ∪ C) = (A ∩ B)  ∪ (A ∩ C) 
    • De Morgansche Gesetze: 
      • C(A ∪ B) = CA ∩ CB
      •  C(A ∩ B) = CA ∪ CB  
  • Gesetzte für Differenzmengen:
    • Assoziativgesetze: 
      • (A \ B) \ C = A \ (B ∪ C) 
      • A \ (B \ C) = (A \ B) ∪ (A ∩ C)  
    • Distributivgesetze: 
      • (A ∩ B) \ C = (A \ C) ∩ (B \ C)
      • (A ∪ B) \ C = (A \ C) ∪ (B \ C)
      • A \ (B ∩ C)= (A \ B) ∪ (A \ C) 
      • A \ (B ∪ C)= (A \ B) ∩ (A \ C)  
  • Gesetzte für symmetrische Differenz:
    • Assoziativgesetz: (A  B)  C = A  (B  C)  
    • Kommutativgesetz:  A  B = B  A  
    • Distributivgesetz: 
      • (A  B) ∩ C = (A ∩ C)  (B ∩ C)  
      •  ∅ = A
      •  A  A = ∅  

Testaufgaben 1 zu Mengen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Lösungen befinden sich weiter unten

Erstens[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lösungen zu "Erstens"

  • A = {3, 4, 5}; Welche der folgenden Aussagen sind wahr? (mit W oder F beschriften)
    • 100.
    • 101.
    • 102.
    • 103.
    • 104.
    • 105.
    • 106.
    • 107.
    • 108.
    • 109.
    • 110.
    • 111.
    • 112.
    • 113.
    • 114.
    • 115.
    • 116.
    • 117.
    • 118.
    • 119.
    • 120.
    • 121.
    • 122.
    • 123.
    • 124.
    • 125.
    • 126.

Zweitens: Mächtigkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • bestimme die Mächtigkeit der folgenden Mengen ( Beispiel: A = {1, 3, 7, 21} ⇒ ):
    • 130.
    • 131.
    • 132.
    • 133.
    • 134.

Drittens: Potenzmenge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Potenzmenge von {x, y, z}, dargestellt als Hasse-Diagramm.
  • bestimme die Potenzmengen der folgenden Mengen ( Beispiel: ) - die Potenzmenge ist eine Menge, die als Elemente wiederum mengen hat:
    • 140.
    • 141.
    • 142.
    • 143.
    • 144.
    • 145.
    • 146.
    • 147.


Viertens: Vereinigungsmenge, Schnittmenge, Differenmenge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Entscheide, was jeweils für das Fragezeichen eingesetzt werden muss: , , ,
    • 160.
    • 161.
    • 162.
  • Ermittle die Menge:
    • 163.
    • 164.
    • 165.
    • 166.
    • 167.
    • 168.
    • 169.
    • 170.
    • 171.
    • 172.
    • 173.
    • 174.
    • 175.
    • 176.
    • 177.
    • 178.
    • 179.
    • 180.
    • 181.
    • 182.
    • 183.
    • 184.
    • 185.
    • 186.

Fünftens: Mengenprodukt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bestimme die Mengen:
    • 190.
    • 191.
    • 192.
    • 193.
    • 194.
    • 195.

Sechstens: Mächtigkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bestimme die Mächtigkeit
    • 210.
    • 211.
    • 212.
    • 213.
    • 214.

Siebentens[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Gebe jeweils ein einfaches Zahlenbeispiel (kleine Mengen), um die folgenden Aussagen zu überprüfen:
    • 230.
    • 231.
    • 232.
    • 233.
  • Bestimme die Mengen:
    • 234.
    • 235.
    • 236.
    • 237.
    • 238.
    • 239.
    • 240.
    • 241.
    • 242.
    • 243.
  • Gegeben sind die Mengen A und B mit A = {-2, -1, 0} und B = {1, 2}. Bestimme die folgenden Mengen:
    • 244.
    • 245.
    • 246.
    • 247.
    • 248.
    • 249.
    • 250.
    • 251.
  • Gegeben sind wieder die Mengen A und B mit A = {-2, -1, 0} und B = {1, 2}. Welche der folgenden Aussagen sind wahr? (mit W oder F beschriften)
    • 252.
    • 253.
    • 254.
    • 255.
    • 256.
    • 257.
    • 258.
    • 259.
    • 260.
    • 261.
    • 262.
  • Bestimme:
    • 263.
    • 264.
    • 265.
    • 266.
    • 267.
    • 268.

Achtens[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Wahr oder falsch?
    • 290.
    • 291.
    • 292.
    • 293.
    • 294.
    • 295. (X ist eine beliebige Menge)
    • 296.
  • Welche Aussage ist wahr? (A, B und C sind beliebige Mengen)
    • 297. wenn und dann ist
    • 298. wenn und dann ist
    • 299.
    • 300. wenn und dann ist
    • 301.

Neuntens: symmetrische Differenz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bestimme die Mengen:
    • 320.
    • 321.
    • 322.

Diagramme[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bild 1
Bild 2
Bild 3
Bild 4
Bild 5
Bild 6
Bild 7
Bild 8
Bild 9
Bild 10
Bild 11
Bild 12
Bild 13
Bild 14
Bild 15
Datei:Menge Venn-Diagramm 016.svg
Bild 16


Venn-Diagramme mit Komplementmenge (Ergänzungsmenge)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bild 101

Der linke Kreis symbolisiert die Menge A, der rechte Kreis die Menge B, das REchtreckt umrahmt die Komplementmenge C.

Aufgabe: Schreibe für jedes Bild (ab Nr. 102) für alle roten Flächen den Mengenausdruck auf.

Bild 102
Bild 103
Bild 104
Bild 105
Bild 106
Bild 107
Bild 108
Bild 109
Bild 110
Bild 111
Bild 112
Bild 113
Bild 114
Bild 115
Bild 116


Lösungen zu Testaufgaben 1[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

zurück zu den Aufgaben

Lösungen Erstens[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

zurück zu den Aufgaben "Erstens"

  • A = {3, 4, 5}; Welche der folgenden Aussagen sind wahr? (mit W oder F beschriften)
    • 100. --- F - 6 ist nicht Element von A
    • 101. --- F - denn 4 ist Element von A
    • 102. --- W - 3 ist Element von A
    • 103. --- F
    • 104. --- F - A = {3, 4, 5} enthält keine leere Menge, sonst müsste es ja heißen: A = {, 3, 4, 5} ; MERKE: Wenn man M = {a, b} festlegt, dann hat M auch wirklich nur die Elemente a und b. Und nicht noch irgendwelche „versteckten“ Elemente. ABER: Die leere Menge ist Teilmenge jeder Menge: ; DENN: zur Entscheidung über das Kriterium der Teilmenge nehme man jedes Element aus der zu überprüfenden Teilmenge (in unserem Fall die leere Menge auf der linken Seite) und prüfe, ob es in der Obermenge auf der rechten Seite (in unserem Fall A) enthalten ist. Da in der leeren Menge kein Element drin ist, findet man auch kein Element in der linken Menge, dass man nicht auch in der rechten Menge A findet. Und nach welcher Logik entscheidet man über: ? oder die alternative Schreibweise {} such man in der Menge A. Dort findet sich aber nichts, denn die Menge A ist ja nicht geschrieben worden als A = {, 3, 4, 5} oder A = {{}, 3, 4, 5}
    • 105. --- F - man suche stur, ob das Element der Teilmenge (rechts) in der Obermenge (links) zu finden ist; dagegen ist das Wahr: ; das folgende ist Falsch: ; richtig ist dagegen:
    • 106. --- F - übrigens ist nicht gleichzusetzen mit ; ABER: ist das gleiche wie {}
    • 107. --- W - man nehme das Element aus der zu überprüfenden Menge (die 0 von links) und suche sie in der Menge auf der rechten Seite - bingo! - also Wahr; VORSICHT FALLE: etwas anderes ist das ist falsch, denn damit eine ganze Menge Element in einer anderen Menge ist, benötigt man doppelte geschweifte Klammern - etwa so: ; das ist etwas anderes und stimmt auch:
    • 108. --- W - alle Elemente von links findet man auch rechts - also bingo! - dass es sich nicht um eine echte Teilmenge handelt ist unerheblich, denn dort steht ja nicht (das wäre falsch)
    • 109. --- W
    • 110. --- W - MERKE: die leere Menge ist Teilmenge jeder Menge, nicht jedoch Element jeder Menge; Definition der Teilmenge: das heißt: A ist Teilmenge von B genau dann, wenn für alle x Element von A gilt, dass x Element von B ist.
    • 111. --- W - echte Teilmenge
    • 112. --- F - denn es ist nur eine Teilmenge und nicht eine echte Teilmenge. Definition der Teilmenge: (sprich: A ist Teilmenge von B ist äquivalent mit: für alle x Element von A gilt x Element von B); Definition der echten Teilmenge: (sprich: A ist echte Teilmenge von B genau dann wenn A Teilmenge von B ist und A ungleich B ist)
    • 113. --- F - analog Aufgabe 112; eine mehrfache Aufzählung von Elementen in einer Menge (bei einer aufzählenden Mengenbeschreibung) muss man einfach ignorieren
    • 114. --- W
    • 115. --- W - die Leere Menge ist Teilmenge jeder Menge, denn schließlich enthält sie (als Untermenge) keine Elemente (nie! ), die nicht auch in der Obermenge enthalten sind - das ist auch einfach, wenn gar keine Elemente in der leeren Menge enthalten sind
    • 116. --- W - wie Aufgabe 116; und nicht etwa, weil eine Null in der Menge ist; MERKE: ; sondern:
    • 117. --- W - Aber falsch wäre
    • 118. --- F - richtig wäre: ; auch das wäre richtig:
    • 119. --- W
    • 120. --- W
    • 121. --- W
    • 122. --- F
    • 123. --- F
    • 124. --- F
    • 125. --- F
    • 126. --- W - die linke Seite der Aussage ist nicht Teilmenge der rechten Seite - also ist die Aussage wahr

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Lösungen Zweitens: Mächtigkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • bestimme die Mächtigkeit der folgenden Mengen ( Beispiel: A = {1, 3, 7, 21} ⇒ ):
    • 130. - 3
    • 131. - 4
    • 132. - 1
    • 133. - 4
    • 134. - 5

Lösungen Drittens: Potenzmenge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • bestimme die Potenzmengen der folgenden Mengen ( Beispiel: ) - die Potenzmenge ist eine Menge, die als Elemente wiederum mengen hat:
    • 140.
    • 141. - zur besseren Lesbarkeit wurd hier die 1. und die 3. Menge grün markiert
    • 142. - übrigens sind in der Aufgabenstellung die runden Klammern überflüssig - aber nicht verboten
    • 143.
    • 144.
    • 145.
    • 146.
    • 147.

Lösungen Viertens: Vereinigungsmenge, Schnittmenge, Differenmenge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Entscheide, was jeweils für das Fragezeichen eingesetzt werden muss: , , ,
    • 160. ---
    • 161. ---
    • 162. ---
  • Ermittle die Menge:
    • 163.
    • 164.
    • 165.
    • 166.
    • 167.
    • 168.
    • 169.
    • 170.
    • 171.
    • 172.
    • 173.
    • 174.
    • 175.
    • 176.
    • 177.
    • 178.
    • 179.
    • 180.
    • 181.
    • 182.
    • 183.
    • 184.
    • 185.
    • 186.

Lösungen Fünftens: Mengenprodukt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bestimme die Mengen:
    • 190.
    • 191.
    • 192.
    • 193.
    • 194.
    • 195.

Lösungen Sechstens: Mächtigkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bestimme die Mächtigkeit
    • 210.
    • 211.
    • 212.
    • 213.
    • 214.

Lösungen Siebentens[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Gebe jeweils ein einfaches Zahlenbeispiel (kleine Mengen), um die folgenden Aussagen zu überprüfen:
    • 230.
    • 231.
    • 232.
    • 233.
  • Bestimme die Mengen:
    • 234.
    • 235.
    • 236.
    • 237.
    • 238.
    • 239.
    • 240.
    • 241.
    • 242.
    • 243.
  • Gegeben sind die Mengen A und B mit A = {-2, -1, 0} und B = {1, 2}. Bestimme die folgenden Mengen:
    • 244.
    • 245.
    • 246.
    • 247.
    • 248.
    • 249.
    • 250.
    • 251.
  • Gegeben sind wieder die Mengen A und B mit A = {-2, -1, 0} und B = {1, 2}. Welche der folgenden Aussagen sind wahr? (mit W oder F beschriften)
    • 252.
    • 253.
    • 254.
    • 255.
    • 256.
    • 257.
    • 258.
    • 259.
    • 260.
    • 261.
    • 262.
  • Bestimme:
    • 263.
    • 264.
    • 265.
    • 266.
    • 267.
    • 268.

Lösungen Achtens[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Wahr oder falsch?
    • 290.
    • 291.
    • 292.
    • 293.
    • 294.
    • 295. (X ist eine beliebige Menge)
    • 296.
  • Welche Aussage ist wahr? (A, B und C sind beliebige Mengen)
    • 297. wenn und dann ist
    • 298. wenn und dann ist
    • 299.
    • 300. wenn und dann ist
    • 301.

Lösungen Neuntens: symmetrische Differenz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Bestimme die Mengen:
    • 320.
    • 321.
    • 322.