内容正文:
§1 集合
1.1 集合的概念与表示
知识
目标
1.通过实例了解集合与元素的含义,利用集合中元素的三个特征解决一些简单的问题,能判断元素与集合的关系.2.初步掌握集合的表示方法——列举法、描述法、区间,感受集合语言的意义和作用.
素养
目标
通过集合概念的学习,逐步养成数学抽象素养;借助集合中元素的互异性的应用,培养逻辑推理素养.
知识点一 元素与集合的概念
问题1.阅读下面的例子,并回答提出的问题:
①方程x2-2 024x-2 025=0的所有实数根;
②在平面直角坐标系中,第一象限的点的全体;
③某中学2024年入学的全体高一学生;
④所有的正方形;
⑤地球上的四大洋;
⑥中国著名的高等院校.
(1)以上各例子中要研究的对象分别是什么?哪个例子的对象不确定,为什么?
(2)观察并讨论①-⑤中各例有什么共同特点?
提示:(1)分别为实数根、点、学生、正方形、大洋、高等院校.其中⑥的对象不确定,因为“著名”没有明确的划分标准.
(2)①-⑤中各例指的都是“所有的”,即某些研究对象的全体.
1.集合与元素的含义及符号表示
集合
一般地,我们把指定的某些对象的全体称为集合
元素
集合中的每个对象叫作这个集合的元素
符号
表示
集合通常用大写英文字母A,B,C,…表示,
元素通常用小写英文字母a,b,c,…表示
2.集合中元素的性质
一个集合中的任何两个元素都不相同,也就是说,集合中的元素没有重复,集合中元素的特性:确定性,互异性,无序性.
[微思考] (1)集合中的元素只能是数、点、代数式吗?(2)“中国各地最美的乡村”能否构成一个集合?(3)“唐宋散文八大家”能否构成一个集合?
提示:(1)集合中的元素可以是数学中的数、点、代数式,也可以是现实生活中的各种各样的事物或人等.(2)不能.因为“最美”没有明确的划分标准.(3)能.因为标准确定.
[多选题]下列各组对象能构成集合的是( )
A.2023年参加杭州亚运会的全体电竞选手
B.小于的正整数
C.2024年高考数学难题
D.直角坐标系中横、纵坐标互为相反数的点
答案:ABD
解析:对于A,参加杭州亚运会的全体电竞选手是确定的,可以构成集合;对于B,小于的正整数是确定的,可以构成集合;对于C,2024年高考数学难题,难题的标准是不确定的,不能构成集合;对于D,直角坐标系中横、纵坐标互为相反数的点都是确定的,能构成集合.故选ABD.
判断所描述的对象能否构成集合的标准
判断所描述的对象能否构成集合,关键看所描述的对象是否具有确定性,如果具有确定性,就可以组成集合;否则,就不能组成集合.在集合元素的三个特性中,元素的确定性是其本质属性.
对点练1.(1)[多选题]下列对象能组成集合的是( )
A.不超过 20的素数 B.π的近似值
C.方程x=1的实数根 D.最小的正整数
(2)[多选题]若以集合A中的四个元素a,b,c,d为边长构成一个四边形,则这个四边形不可能是( )
A.梯形 B.平行四边形
C.菱形 D.矩形
答案:(1)ACD (2)BCD
解析:(1)对于A,不超过20的素数是确定的,可以组成集合;对于B,π的近似值无法确切取到,不能组成集合;对于C,方程x=1的实数根是确定的,就是1,可以组成集合;对于D,最小的正整数是确定的,是1,可以组成集合.故选ACD.
(2)因为集合中的元素具有互异性,所以a≠b≠c≠d,所以可以构成四边都不相等的梯形,但是不可能构成平行四边形,菱形和矩形.故选BCD.
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知识点二 元素与集合的关系
问题2.在体育课上,如果体育老师说“男同学踢足球,女同学打羽毛球”,你会去踢足球吗?
提示:是男生就去,不是男生就不去.
1.元素与集合的关系
关系
语言描述
符号描述
读法
属于
如果元素a在集合A中,就说元素a属于集合A
a∈A
a属于集合A
不属于
如果元素a不在集合A中,就说元素a不属于集合A
a∉A
a不属于集合A
2.常用的数集及表示符号
数集
自然
数集
正整
数集
整数集
有理
数集
实数集
正实
数集
符号
N
N+或N*
Z
Q
R
R+
[微提醒] 符号“∈”“∉”一般只能用在元素与集合之间,表示元素与集合之间的从属关系,注意开口方向.
(1)[多选题]下列关系中正确的是( )
A.∈Q B.∈R
C.0∉N D.π∈Z
(2)已知不等式x-a>0的解集为集合A,若1∈A,则实数a的取值范围是________.
答案:(1)AB (2)a<1
解析:(1)因为Q表示有理数集,R表示实数集,N表示自然数集,Z表示整数集,故A、B正确.故选AB.
(2)由1∈A,得1-a>0,解得a<1,故答案为a<1.
[变式探究]
1.(变条件)将本例(2)中的条件1∈A变为1∉A,其余条件不变,则实数a的取值范围是________.
答案:a≥1
解析:由1∉A,得1-a≤0,解得a≥1.
2.(变条件,变结论)已知集合A中的元素为2,4,6,当a∈A时,6-a∈A,则a为________.
答案:2或4
解析:集合A中含有3个元素2,4,6,且当a∈A时,6-a∈A,当a=2∈A时,6-a=4∈A,则a=2;当a=4∈A时,6-a=2∈A,则a=4;当a=6∈A时,6-a=0∉A;综上所述,a=2,或4.
1.判断元素与集合关系的两种方法
(1)直接法:如果集合中的元素是直接给出,只要判断该元素在已知集合中是否出现即可.
(2)推理法:对于给出具有公共特征元素的集合,只要判断该元素是否满足集合中元素所具有的特征即可,此时应首先明确已知集合中的元素具有什么特征.
2.已知元素与集合的关系求参数的思路
(1)当a∈A时,则a一定等于集合A中的某个元素.反之,当a∉A时,结论恰恰相反.
(2)利用上述结论建立方程(组)或不等式(组)求解参数即可,注意根据集合中元素的互异性对求得的参数进行检验.
对点练2.已知集合A是由a-2,2a2+5a,12三个元素组成的,且-3∈A,求实数A.
解:由-3∈A,可得-3=a-2,或-3=2a2+5a,
所以a=-1,或a=-.
当a=-1时,a-2=-3,2a2+5a=-3,不符合集合中元素的互异性,故a=-1应舍去;
当a=-时,a-2=-,2a2+5a=-3,符合集合中元素的互异性,所以a=-.
知识点三 集合的表示
问题3.(1)用A表示“大于-2且小于2的整数”构成的集合,这是利用哪种方法表示集合?你能把集合A中的所有元素逐一列举出来吗?
(2)“大于-2且小于2的实数”构成的集合能用列举法表示吗?为什么?
提示:(1)这是用自然语言法表示集合;我们可以一一写出其元素为-1,0,1.
(2)不能,集合中的元素有无数多个,元素不能完全列举.
1.列举法
把集合中的元素一一列举出来写在花括号“{__}”内表示集合的方法叫作列举法,一般可将集合表示为{a,b,c,…}.
2.描述法
通过描述元素满足的条件表示集合的方法叫作描述法.一般可将集合表示为{x及x的范围|x满足的条件},
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即在花括号内先写出集合中元素的一般符号及范围,再画一条竖线“|”,在竖线后写出集合中元素所具有的共同特征.
3.有限集、无限集、空集
含有有限个元素的集合叫作有限集;
含有无限个元素的集合叫作无限集;
不含任何元素的集合叫作空集,记作∅.
[微提醒] (1)列举法元素间用“,”隔开,把元素一一列举出来并用“{ }”括起来即可.对于无限集,有时也可用列举法,比如正整数集可表示为{1,2,3,4,5,…}.(2)描述法应写清该集合中元素的代表符号,代表元素的取值(或变化)范围,从上下文的关系来看,若x∈R是明确的,则x∈R可省略不写.
(1)(链教材P3例1)用列举法表示下列集合:
①由大于1且小于6的整数组成的集合A;
②方程x2-16=0的实数根组成的集合B;
③一次函数y=x+2的图象与坐标轴的所有交点组成的集合C.
解:①因为大于1且小于6的整数包括2,3,4,5,所以A={2,3,4,5}.
②方程x2-16=0的实数根为-4,4,
所以B={-4,4}.
③由y=x+2,令x=0得y=2,令y=0得x=-2;所以一次函数y=x+2与坐标轴的所有交点为(0,2),(-2,0),所以C=.
(2)(链教材P3例2)用描述法表示下列集合:
①小于6的所有的整数组成的集合A;
②被3除余2的正整数组成的集合B;
③平面直角坐标系中第二象限内的点组成的集合C.
解:①设x∈A,则x∈Z,且使x<6成立,因此用描述法可以表示为A=.
②设被3除余2的数为x,则x=3n+2,n∈Z,但元素为正整数,故x=3n+2,n∈N,所以被3除余2的正整数组成的集合B={x|x=3n+2,n∈N}.
③平面直角坐标系中第二象限内的点的横坐标为负数,纵坐标为正数,即x<0,y>0,故第二象限内的点组成的集合为C={(x,y)|x<0,y>0}.
1.用列举法表示集合的三个步骤
第一步:求出集合的元素;
第二步:把元素一一列举出来,且相同元素只能列举一次;
第三步:用花括号括起来.
[注意] (1)应先弄清集合中的元素是什么,是数还是点,还是其他元素;(2)若集合中的元素是点,则应将有序实数对用小括号括起来表示一个元素.二元方程组的解集,函数图象上的点构成的集合都是点的集合.
2.用描述法表示集合的三个步骤
第一步,写出代表元素:弄清楚集合的元素是数、点还是其他元素,一般地,数用一个字母表示,点用一个有序实数对表示;
第二步,明确元素特征:语言力求简明、准确,对代表元素以外的字母要指出其含义或其取值范围;
第三步,用花括号括起来:在通常情况下,集合中竖线左侧元素的所属范围为实数集时可以省略不写.
对点练3.选择适当的方法表示下列集合:
(1)方程=0的所有实数根组成的集合;
(2)不大于15的质数集;
(3)坐标平面内,所有不在第一、三象限的点组成的集合.
解:(1)方程=0的实数根为2,故其实数根组成的集合为{2}.
(2)不大于15的质数有2,3,5,7,11,13,故不大于15的质数集为{2,3,5,7,11,13}.
(3)因为不在第一、三象限的点分布在第二、四象限或坐标轴上,所以坐标平面内,所有不在第一、三象限的点组成的集合为{(x,y)|xy≤0,x∈R,y∈R}.知识点四 区间及其表示
问题4.你能用列举法表示集合{x|x-5<2}吗?你还有其它的方法表示{x|x-5<2}吗?
提示:集合{x|x-5<2}可化简为{x|x<7},因为满足x<7的实数有无数多个,所以无法用列举法表示;还可以用区间表示.
1.区间的概念及记法
设a,b是两个实数,且a<b,我们规定:
集合表示
名称
符号表示
数轴表示
{x|a≤x≤b}
闭区间
[a,b]
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{x|a<x<b}
开区间
(a,b)
{x|a≤x<b}
半开半
闭区间
[a,b)
{x|a<x≤b}
半开半
闭区间
(a,b]
2.无穷大
实数集R可以用区间表示为(-∞,+∞),“∞”读作“无穷大”,“-∞”读作“负无穷大”,“+∞”读作“正无穷大”.
3.特殊区间的表示
集合表示
符号表示
数轴表示
{x|x≥a}
[a,+∞)
{x|x>a}
(a,+∞)
{x|x≤b}
(-∞,b]
{x|x<b}
(-∞,b)
[微思考] (1)区间是数集的另一种表示方法,那么任何数集都能用区间表示吗?(2)“∞”是数吗?以“-∞”或“+∞”作为区间一端时,这一端可以是中括号吗?
提示:(1)不是任何数集都能用区间表示,如集合{0}就不能用区间表示.(2)“∞”读作“无穷大”,是一个符号,不是数.以“-∞”或“+∞”作为区间一端时,这一端必须是小括号.
(1)不等式x-2≥0的所有解组成的集合表示成区间是( )
A.(2,+∞) B.[2,+∞)
C.(-∞,2) D.(-∞,2]
(2)若为一个确定区间,则实数a的取值范围是________.
答案:(1)B (2)a>
解析: (1)不等式x-2≥0的所有解组成的集合为{x|x≥2},表示成区间为[2,+∞).故选B.
(2)由题设知,5a-2>a,可得a>.
区间表示的关注点
1.(1)区间左端点值小于右端点值;(2)区间两端点之间用“,”隔开;(3)含端点值的一端用中括号,不含端点值的一端用小括号.
2.区间的几何意义可用数轴表示,用实心点表示包括在区间内的端点,用空心点表示不包括在区间内的端点.
对点练4.(1)区间(-3,2]用集合可表示为( )
A.{-2,-1,0,1,2} B.{x|-3<x<2}
C.{x|-3<x≤2} D.{x|-3≤x≤2}
(2)用区间表示下列集合:
①{x|x>-1}=________;
②{x|2<x≤5}=________;
③{x|x≤-3}=________;
④{x|2≤x≤4}=________.
答案:(1)C (2)①(-1,+∞) ②(2,5]
③(-∞,-3] ④[2,4]
解析:(1)由区间和集合的关系,可得区间(-3,2]可表示为{x|-3<x≤2}.故选C.
(2)①集合{x|x>-1}可用开区间表示为(-1,+∞);②集合{x|2<x≤5}可用半开半闭区间表示为(2,5];③集合{x|x≤-3}可用半开半闭区间表示为(-∞,-3];④集合{x|2≤x≤4}可用闭区间表示为[24].
利用集合中元素的性质求参数
已知集合A={a2+4a+1,a+1},B={x|x2+px+q=0},1∈A.
(1)求实数a的值;
(2)如果集合A是集合B的列举表示法,求实数p,q的值.
解:(1)因为1∈A,所以a2+4a+1=1,或a+1=1,得a=-4,或a=0.
当a=0时,a2+4a+1=a+1=1,不符合元素的互异性,故a=0舍去;
当a=-4时,a2+4a+1=1,a+1=-3,符合题意.所以a=-4.
(2)由(1)得A={1,-3},故集合B中,方程x2+px+q=0的两根为1,-3.
由一元二次方程根与系数的关系,得p=-[1+(-3)]=2,q=1×(-3)=-3.
[变式探究] (变条件)若将本例中“1∈A”换成“2a∈A”,求实数a的值.
解:因为2a∈A,所以a2+4a+1=2a,或a+1=2a,解得a=-1,或a=1.
当a=-1时,此时集合A中有两个元素-2,0,符合题意;
当a=1时,此时集合A中有两个元素6,2,符合题意.
故所求a的值为-1或1.
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根据集合中元素的特性求值的三个步骤
[注意] 在求参数的值或范围时,一定注意集合中元素的互异性、无序性,用描述法表示集合时要注意分析清楚元素表示的含义.
对点练5.(开放题)有限数集S中至少含有1个元素且满足:若a,b∈S,则必有a2,b2,ab∈S.则满足条件且含有两个元素的数集S=__________(写出一个即可).
答案:(或)
解析:不妨设S=,根据题意有a2,ab,b2∈S,所以a2,b2,ab中必有两个是相等的.若a2=b2,则a=-b,故ab=-a2,又a2=a,或a2=b=-a,所以a=0(舍去),或a=1,或a=-1,此时S=.若a2=ab,则a=0,此时b2=b,故b=1,此时S=.若b2=ab,则b=0,此时a2=a,故a=1,此时S=.综上,S=或S=.
知识
1.元素与集合的概念、元素与集合的关系.2.常用数集的表示.3.集合中元素的特性及应用.4.集合的表示方法:列举法、描述法、区间
方法
1.判断元素与集合的关系:直接法、推理法.2.利用集合中元素的性质求参数:分类讨论思想、等价转化思想
易错误区
1.集合中忽略互异性的判断.2.自然数集中容易遗忘0这个元素
1.[多选题]下列各组对象能构成集合的有( )
A.接近于1的所有正整数
B.小于0的实数
C.(2 024,1)与(1,2 024)
D.未来世界的高科技产品
答案:BC
解析:对于A,接近于1的所有正整数标准不明确,故不能构成集合;对于B,小于0是一个明确的标准,能构成集合;对于C,(2 024,1)与(1,2 024)是两个不同的点,是确定的,能构成集合;对于D,未来世界的高科技产品不能构成一个集合.故选BC.
2.下列关系中,正确的是( )
A.1∉N B.∈Z
C.∉Q D.0∈∅
答案:C
解析:由于1是自然数,所以1∈N,故A错误;由于不是整数,即∉Z,故B错误;由于是无理数,故∉Q,故C正确;由于∅不含任何元素,故0∉∅,故D错误.故选C.
3.若实数x满足,则用区间表示为( )
A.(3,7) B.(3,7]
C. D.[ 3,7)
答案:D
解析:由3≤x<7可知x可以等于3,不能等于7,所以是半开半闭区间,D选项符合.故选D.
4.若a∈{1,a2-2a+2},则实数a的值为________.
答案:2
解析:因为a∈{1,a2-2a+2},则a=1,或a=a2-2a+2,当a=1时,a2-2a+2=1,与集合中元素的互异性矛盾,舍去;当a≠1时,a=a2-2a+2,解得a=1(舍去)或a=2.
课时测评1 集合的概念与表示
(时间:40分钟 满分:100分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
(1—8每小题5分,共40分)
1.已知集合S中的三个元素a,b,c是△ABC的三条边长,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:因为集合中的元素必须是互异的,所以三角形的三条边长两两不相等.故选D.
2.集合的另一种表示法是( )
A. B.
C. D.
答案:B
解析:由x<5,且x∈N+,得x=1,2,3,4,故集合可表示为.故选B.
3.[多选题]下列说法中,正确的是( )
A.的近似值的全体构成一个集合
B.自然数集N中最小的元素是0
C.在整数集Z中,若a∈Z,则-a∈Z
D.集合是有限集
答案:BCD
解析:因为“的近似值”不具有确定性,所以不能构成集合,故A错误;因为自然数集中最小的元素是0,所以B正确;若a∈Z,则-a也是整数,即-a∈Z,故C正确;对于D,集合=是有限集,故D正确.故选BCD.
4.已知P=,Q=,若M=,则M=( )
A. B.
C. D.
答案:A
解析:1∈P,且1∉Q,则1∈M;2∈P,且2∈Q,则2∉M,所以M=.故选A.
5.[多选题]若集合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:AC
解析:由题意知,解得a≠2且a≠-2且a≠1.故选AC.
6.设a,b是非零实数,那么+可能取的所有值组成的集合是________.
答案:{2,0,-2}
解析:a,b是非零实数,当a>0,b>0时,+=2,当a<0,b<0时,+=-2,当ab<0时,+=0,所以所求集合是{2,0,-2}.
7.(开放题)已知a≥1,集合A=中有且只有三个整数,则符合条件的实数a的一个值是________.
答案:2(答案不唯一)
解析:由题设4>a-(2-a)≥2且a≥1,可得2≤a<3,所以符合条件的一个a值为2(答案不唯一).
8.已知△ABC的两边长AB=2,BC=3,则第三边AC的长的取值范围用区间表示为________.
答案:(1,5)
解析:因为△ABC的两边长AB=2,BC=3,所以BC-AB<AC<AB+BC,即1<AC<5.用区间表示为(1,5).
9.(10分)已知含有两个元素的集合A={m,m2-3m},其中m∈R.
(1)实数m不能取哪些数?(4分)
(2)若4∈A,求实数m的值.(6分)
解:(1)根据题意,可得m≠m2-3m,解得m≠0且m≠4,
因此,实数m不能取0和4.
(2)由(1)的结论,可知m≠4,若4∈A,则m2-3m=4,解得m=-1(m=4不符合题意),
因此,实数m的值是-1.
(10—12每小题5分,共15分)
10.若集合M=,则( )
A.(1,3)∈M B.(-1,3)∈M
C.(-1,2)∈M D.(1,2)∈M
答案:B
解析:由已知M=,令x-y=a,x+y=b,解得x=,y=,又y=2x,则=a+b,化简得b=-3A.故选B.
11.[多选题]已知集合A={2,a2+1,a2-4a},B={0,a2-a-2},5∈A,则a为( )
A.2 B.-2
C.5 D.-1
答案:BC
解析:依题意5∈A,当a2+1=5时,a=2,或a=-2,若a=-2,则A=,B=,符合题意;若a=2,则a2-a-2=0,对于集合B,不满足集合中元素的互异性,所以a=2不符合题意.当a2-4a=5时,a=-1,或a=5,若a=-1,则a2+1=2,对于集合A,不满足集合中元素的互异性,所以a=-1不符合题意.若a=5,则A=,B=,符合题意.综上所述,a的值为-2,或5.故选BC.
12.已知集合P={x|x=2k,k∈Z},Q={x|x=2k-1,k∈Z},M={x|x=4k+1,k∈Z},且a∈P,b∈Q,则( )
A.a+b∈P B.a+b∈Q
C.a+b∈M D.以上都不对
答案:B
解析:由题知,因为a∈P,b∈Q,所以a=2k1,k1∈Z,b=2k2-1,k2∈Z,所以a+b=2(k1+k2)-1=2k-1∈Q,k∈Z.故选B.
13.(15分)已知集合A={x∈R|ax2-3x+1=0,a∈R}.
(1)若1∈A,求实数a的值;(4分)
(2)若a=-10,用列举法表示集合A;(4分)
(3)若集合A中仅含有一个元素,求实数a的值.(7分)
解:(1)由1∈A,得a×12-3×1+1=0,解得a=2,所以实数a的值为2.
(2)当a=-10时,A={x∈R|-10x2-3x+1=0}=.
(3)当a=0时,方程-3x+1=0的根为x=,符合题意,因此a=0;
当a≠0时,集合A中仅有一个元素,则Δ=9-4a=0,解得a=,
所以实数a的值为0或.
14.(5分)(新情境)十九世纪下半叶集合论的创立,奠定了现代数学的基础.著名的“康托尔三分集”是数学理性思维的构造产物,具有典型的分形特征,其操作过程如下:将闭区间[0,1]均分为三段,去掉中间的开区间段,记为第一次操作;再将剩下的两个区间,分别均分为三段,并各自去掉中间的开区间段,记为第二次操作;…如此这样,每次在上一次操作的基础上,将剩下的各个区间分别均分为三段,同样各自去掉中间的开区间段.操作过程不断地进行下去,以至无穷,剩下的区间集合即是“康托尔三分集”.第三次操作后,从左到右第四个区间为( )
A. B.
C. D.
答案:C
解析:第一次操作剩下:,;第二次操作剩下:,,,;第三次操作剩下:,,,,,,,;即从左到右第四个区间为.故选C.
15.(15分)(新定义)若集合A具有以下性质,则称集合A是“好集”:①0∈A,1∈A;②若x,y∈A,则x-y∈A,且x≠0时,∈A.
(1)分别判断集合B=,有理数集Q是否是“好集”,并说明理由;(5分)
(2)设集合A是“好集”,求证:若x,y∈A,则x+y∈A.(10分)
解:(1)集合B不是“好集”,理由是-1∈B,1∈B,而-1-1=-2∉B,所以B不是“好集”;
有理数集Q是“好集”,理由是0∈Q,1∈Q;
对任意x∈Q,y∈Q,有x-y∈Q,且x≠0时,∈Q,所以有理数集Q是“好集”.
(2)证明:因为集合A是“好集”,所以0∈A,
若x,y∈A,则0-y∈A,即-y∈A,
所以x-(-y)∈A,即x+y∈A.
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