内容正文:
1.1.1 集合及其表示方法
第一章 1.1 集合
知识目标
1.通过实例了解集合与元素的含义,掌握集合中元素的三个
特性.
2.体会元素与集合的“属于”和“不属于”关系,记住常用
数集的表示符号并会应用.
3.掌握集合的两种表示方法.
4.掌握区间的概念及表示方法.
素养目标
通过集合概念的学习,逐步形成数学抽象素养;借助集合中元素的互异性的应用,培养逻辑推理素养;通过学习集合的两种表示方法,培养数学运算素养.
新知导学
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课时测评
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合作探究
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内容索引
随堂演练
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新知导学
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1.看下面的几个例子:
(1)平面内到定点O的距离等于2的所有的点;
(2)方程x2-1=0的所有实数根;
(3)1~10之间的所-有偶数;
(4)2023年杭州第19届亚运会上中国运动员金牌获得者;
(5)地球上的四大洋.
问题导思
问题1.以上各语句中所研究的对象分别是什么?
提示:以上各语句中所研究的对象分别为:平面内到定点O的距离等于2的所有的点的轨迹为圆、±1、2,4,6,8,10、2023年杭州第19届亚运会上中国运动员金牌获得者、太平洋,印度洋,大西洋,北冰洋.
问题2.以上各语句中的研究对象确定吗?研究的对象有相同的吗?
提示:研究对象确定.研究的对象没有相同的.
2.观察下面两个集合:
(1)中国的“五岳”组成的集合M;
(2)小于6的正整数构成的集合N.
问题3.上述问题中的集合M,N中的元素能一一列举出来吗?
提示:能.集合M中的元素为:泰山、华山、衡山、恒山、嵩山;集合N中的元素为:1,2,3,4,5.
问题4.上述集合M与N除了用自然语言描述外,还可以用什么方式表示呢?如何表示?
提示:列举法.M={泰山,华山,衡山,恒山,嵩山},N={1,2,3,4,5}.
知识点一 集合与元素的相关概念
1.集合的概念
在数学中,我们经常用“集合”来对所研究的对象进行分类.把一些能够确定的、不同的对象______________,就说由这些对象组成一个集合(有时简称为集),组成集合的每个对象都是这个集合的元素.
集合通常用英文大写字母A,B,C,…表示,集合的元素通常用英文小写字母a,b,c,…表示.
新知构建
汇集在一起
集合的三个特性
1.描述性:“集合”是一个原始的不加定义的概念,它同平面几何中的“点”“线”“面”等概念一样,都只是描述性的说明.
2.整体性:集合是一个整体,暗含“所有”“全部”“全体”的含义,因此一些对象一旦组成了集合,这个集合就是这些对象的总体.
3.广泛性:组成集合的对象可以是数、点、图形、多项式、方程,也可以是人或物等.
微提醒
2.元素与集合的关系
关系 语言表达 符合 读法
属于 a是集合A的元素 a∈A a属于A
不属于 a不是集合A的元素 a∉A a不属于A
1.a∈A与a∉A取决于a是不是集合A的元素.元素a与集合A的关系在a∈A与a∉A这两种情况中必有一种且只有一种成立.
2.符号“∈”“∉”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.
微提醒
3.集合的分类
(1)一般地,我们把______________的集合称为空集,记作∅.
(2)集合可以根据它含有的元素的个数分为两类:含有________元素的集合称为有限集,含有________元素的集合称为无限集.空集可以看成包含0个元素的集合,所以空集是有限集.
4.集合相等
给定两个集合A和B,如果组成它们的元素__________,就称这两个集合相等,记作A=B.
不含任何元素
有限个
无限个
完全相同
知识点二 集合中元素的三个特性
特性 含义 示例
确定性 集合的元素必须是确定的.这就是说,不能确定的对象不能组成集合,即给定一个集合,任何对象是不是这个集合的元素,应该可以明确地判断出来. 集合A={1,2,3},则1∈A,4∉A.
互异性 对于一个给定的集合,集合中的元素一定是不同的.这就是说,集合中的任意两个元素必须都是不同的对象,相同的对象归入同一集合时只能算作集合中的一个元素. 集合{x,x2-x}中的x应满足x≠x2-x,即x≠0且x≠2.
无序性 集合中的元素可以任意排列. 集合{1,0}和集合{0,1}是同一个集合.
元素特性的主要作用
1.确定性的主要作用是判断一组对象能否组成集合,只有这组对象具有确定性时才能组成集合.
2.无序性的主要作用是方便定义集合相等.当两个集合相等时,其元素不一定依次对应相等.
3.互异性的主要作用是警示我们做题后要检验.特别是题中含有参数(字母)时,一定要检验求出的参数是否使集合的元素满足互异性.
微提醒
知识点三 几种常见的数集及其记法
集合 意义 记法
自然数集 所有非负整数组成的集合. N
正整数集 在自然数集N中,去掉元素0之后的集合. N+或N*
整数集 所有整数组成的集合. Z
有理数集 所有有理数组成的集合. Q
实数集 所有实数组成的集合. R
常用数集之间的关系
微提醒
知识点四 集合表示
1.自然语言
用文字叙述的形式描述集合的方法.使用此方法应注意叙述清楚,如由所有正方形组成的集合,就是用自然语言表示的,不能叙述成“正方形”;再如由全体实数组成的集合,或实数集等.
2.列举法
把集合中的元素__________出来(相邻元素之间用逗号分隔),以此来表示集合的方法称为________.
一一列举
列举法
列举法表示集合时的4个关注点
1.元素与元素之间必须用“,”隔开.
2.列举法表示集合,要分清是数集还是点集.
3.列元素时要做到不重复,不遗漏.
4.集合中的元素可以是任何事物.
微提醒
3.描述法
一般地,如果属于集合A的任意一个元素x都具有性质P(x),而不属于集合A的元素都不具有这个性质,则性质P(x)称为集合A的一个特征性质,此时,集合A可以用它的特征性质P(x)表示为{x|P(x)},这种表示集合的方法,称为特征性质描述法,简称为描述法.
描述法表示集合时的3个关注点
1.写清楚集合中元素的符号,如数或点等.
2.说明该集合中元素的共同特征,如方程、不等式、函数式或几何图
形等.
3.不能出现未被说明的字母.
微提醒
知识点五 区间及其表示
1.区间的概念
设a,b是两个实数,而且a<b.我们作出规定:
定义 名称 符号 几何表示
{x|a≤x≤b} 闭区间 [a,b]
{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]
这里的实数a,b分别称为区间的左、右端点,b-a称为区间的长度.
2.无穷大的概念
实数集R可表示为区间(-∞,+∞),“-∞”读作“负无穷大”,“+∞”读作“正无穷大”.我们可以把满足x≥a,x>a,x≤b,x<b的实数x的集合分别表示为[a,+∞),(a,+∞),(-∞,b],(-∞,b),其定义、符号及几何表示如下表:
定义 符号 几何表示
{x|-∞<x<+∞} (-∞,+∞)
{x|x≥a} [a,+∞)
{x|x>a} (a,+∞)
{x|x≤b} (-∞,b]
{x|x<b} (-∞,b)
1.下列语句能构成集合的是
A.大于2且小于8的实数全体
B.某班中性格开朗的男生全体
C.所有接近1的数的全体
D.某校高个子女生全体
√
自主检测
对于A,“大于2且小于8的实数全体”是确定的,能构成集合,所以该选项正确;对于B,“某班中性格开朗的男生全体”中,性格开朗是不确定的,不能构成集合,所以该选项错误;对于C,“所有接近1的数的全体”中,接近1的,是不确定的,不能构成集合,所以该选项错误;对于D,“某校高个子女生全体”中,高个子是不确定的,不能构成集合,所以该选项错误.故选A.
2.(多选)下面四个说法中错误的是
A.10以内的质数组成的集合是{2,3,5,7}
B.由1,2,3组成的集合可表示为{1,2,3}或{3,2,1}
C.方程x2-2x+1=0的所有解组成的集合是{1,-1}
D.0与{0}表示同一个集合
√
√
10以内的质数组成的集合是{2,3,5,7},故A正确;由集合中元素的无序性知{1,2,3}和{3,2,1}表示同一集合,故B正确;方程x2-2x+1=0的所有解组成的集合是{1},故C错误;由集合的表示方法知0不是集合,故D错误.故选CD.
3.下列关系中正确的个数是
√
A.1 B.2
C.3 D.4
4.用列举法表示集合{x|0≤x<5,x∈N}=_________________.
{0,1,2,3,4}
{x|0≤x<5,x∈N}={0,1,2,3,4}.
5.用区间表示下列集合:
(2){x|x<1或2<x≤3}=_________________.
(-∞,1)∪(2,3]
注意集合中的“或”对应区间中的“∪”,故{x|x<1或2<x≤3}=(-∞,1)∪(2,3].
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题型一 集合的概念
(多选)下列每组对象,能构成集合的是
A.中国各地最美的乡村
B.直角坐标系中横、纵坐标相等的点
C.一切很大的数
D.清华大学2024年入学的全体学生
√
例1
√
对于A,中国各地最美的乡村,无法确定集合中的元素,故A不能;对于C,一切很大的数,无法确定集合中的元素,故C不能;所以根据集合元素的确定性可知,B、D都能构成集合,故选BD.
对点练1.下列说法正确的是
A.我校爱好足球的同学组成一个集合
B.{1,2,3}是不大于3的自然数组成的集合
C.集合{1,2,3,4,5}和{5,4,3,2,1}表示同一集合
√
题型二 元素和集合的关系
用符号“∈”或“∉”填空:
例2
∉
∈
点拨:确定元素是否在集合中,要根据元素是否满足代表元素所具有的属性来确定.
(2)设集合C是满足方程x=n2+1(其中n为正整数)的实数x的集合,则3____C,5____C;
∉
∈
因为n是正整数,所以任何一个n,都不能使n2+1=3,所以3∉C;当n=2时,n2+1=5,所以5∈C.
(3)设集合D是满足方程y=x2的有序实数对(x,y)的集合,则-1____D,(-1,1)____D.
∉
∈
因为集合D中的元素是有序实数对(x,y),而-1是数,所以-1∉D;又(-1)2=1,所以(-1,1)∈D.
规律方法
判断元素和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的,只要判断该元素在已知集合中是否给出即可.此时应首先明确集合是由哪些元素构成的.
2.推理法:对于某些不便直接表示的集合,判断元素与集合的关系时,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的元素具有什么属性.即该集合中元素要符合哪种表达式或满足哪些条件.
对点练2.设集合A={x|3x-1<m},若1∈A且2∉A,则实数m的取值范围是
A.(2,5) B.[2,5)
C.(2,5] D.[2,5]
√
因为集合A={x|3x-1<m},若1∈A且2∉A,所以3×1-1<m且3×2-1≥m;解得2<m≤5,故选C.
题型三 集合的表达
用适当的方法表示下列集合:
例3
点拨:本例题要用一种适当方法表示集合,这就需要我们首先要弄清相应集合到底含有哪些元素,然后再确定用列举法或是描述法.要弄清集合含有哪些元素,这就需要对集合进行等价转化.转化时应根据具体情景选择相应方法.
(2)由所有小于13的既是奇数又是素数的自然数组成的集合;
解:小于13的既是奇数又是素数的自然数有4个,分别为3,5,7,11.可用列举法表示为{3,5,7,11}.
(3)方程x2-2x+1=0的实数根组成的集合;
解:方程x2-2x+1=0的实数根为1,因此可用列举法表示为{1},也可用描述法表示为{x∈R|x2-2x+1=0}.
(4)二次函数y=x2+2x-10的图象上所有的点组成的集合.
解:二次函数y=x2+2x-10的图象上所有的点组成的集合中,代表元素为有序实数对(x,y),其中x,y满足y=x2+2x-10,由于点有无数个,则用描述法表示为{(x,y)|y=x2+2x-10}.
规律方法
选用列举法或描述法的原则
要根据集合元素所具有的属性选择适当的表示方法.列举法的特点是能清楚地展现集合的元素,通常用于表示元素较少的集合,当集合中元素较多或无限时,就不宜采用列举法;描述法的特点是形式简单、应用方便,通常用于表示元素具有明显共同特征的集合,当元素共同特征不易寻找或元素的限制条件较多时,就不宜采用描述法.
对点练3.将不超过30的正整数分成A、B、C三个集合,分别表示可被3整除的数、被3除余1的数、被3除余2的数.请分别用两种方法表示集合A、B、C.
解:A={3,6,9,12,15,18,21,24,27,30}={x|x=3k,k∈N,1≤k≤10},
B={1,4,7,10,13,16,19,22,25,28}={x|x=3k-2,k∈N,1≤k≤10},
C={2,5,8,11,14,17,20,23,26,29}={x|x=3k-1,k∈N,1≤k≤10}.
题型四 区间及其表示
用区间表示下列集合:
(1){x|x≥1}=__________;
例4
点拨:进行几何表示时,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.
[1,+∞)
{x|x≥1}=[1,+∞).
(-∞,-1)∪[2,+∞)
(3){x|x=1或2≤x≤8}=____________.
{1}∪[2,8]
{x|x=1或2≤x≤8}={1}∪[2,8].
规律方法
理解区间概念的注意点
1.一般地,区间的左端点的值小于右端点的值.
2.区间符号中的两个端点(字母或数字)之间只能用“,”隔开.
3.左、右端点a,b都能取到的叫闭区间;左、右端点a,b有一端能取到、另一端不能取到的叫半开半闭区间;左、右端点a,b都不能取到的叫开区间.
对点练4.将下列集合用区间以及数轴表示出来:
(1){x|x<2};
解:{x|x<2}用区间表示为(-∞,2),数轴表示如图①.
(2){x|x=0或1≤x≤5};
解:{x|x=0或1≤x≤5}用区间表示为{0}∪[1,5],数轴表示如图②.
(3){x|x=3或4≤x≤8};
解:{x|x=3或4≤x≤8}用区间表示为{3}∪[4,8],数轴表示如图③.
(4){x|2≤x≤8且x≠5};
解:{x|2≤x≤8且x≠5}用区间表示为[2,5)∪(5,8],数轴表示如图④.
(5){x|3<x<5}.
解:{x|3<x<5}用区间表示为(3,5),数轴表示如图⑤.
易错一 忽略集合元素的互异性
1.方程x2-(a+1)x+a=0的解集为_______________________________.
{1}(当a=1时),或{1,a}(当a≠1时).
正解: x2-(a+1)x+a=(x-a)(x-1)=0,所以方程的解为1,a.
因此,若a=1,则方程的解集为{1};若a≠1,则方程的解集为{1,a}.
易错探因 本题易错的地方是忽略元素互异性,没有考虑参数a的不确定性,从而得到错误的答案“方程的解集为{1,a}”.
误区警示 当集合中元素含有参数时,求出参数的值后一定要代回检验,确保满足集合中元素的互异性.
易错精析
易错二 忽略元素形式
2.集合A={(x,y)|y=-x2+6,x∈N,y∈N}用列举法可表示为________
________________.
{(0,6),
(1,5),(2,2)}
正解:x,y满足条件y=-x2+6,x∈N,y∈N,
易错探因 本题易错的地方是忽略元素的形式,从而得到错误答案{0,6,1,5,2,2}.
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1.(多选)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
√
√
A中,接近于1的所有正整数标准不明确,故不能构成集合;B中,小于0是一个明确的标准,能构成集合;C中,(2 024,1)与(1,2 024)是两个不同的点,是确定的,能构成集合;D中,未来世界的高科技产品不能构成一个集合.故选BC.
2.下列表示正确的是
A.0∈N B. ∈N
C.-3∉Z D.π∈Q
√
3.集合{x∈N|x-2<2}用列举法表示是
A.{1,2,3} B.{1,2,3,4}
C.{0,1,2,3,4} D.{0,1,2,3}
√
集合{x∈N|x-2<2}={x∈N|x<4}={0,1,2,3}.故选D.
4.若由a, ,1组成的集合A与由a2,a+b,0组成的集合B相等,则a2 024+b2 024的值为___.
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由已知可得a≠0,因为两集合相等,又1≠0,所以 =0,所以b=0,所以a2=1,即a=±1,又当a=1时,集合A不满足集合中元素的互异性,舍去,所以a=-1.所以a2 024+b2 024=1.
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课时测评
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1.下列各项中,不能组成集合的是
A.所有正数 B.所有老人
C.不等于0的数 D.我国古代四大发明
√
选项A、C、D均符合集合定义,正确,而B项老人标准不确定,错误.故选B.
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A.1 B.2
C.3 D.4
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3.区间[8,+∞)表示的集合是
A.{x|x≤8或x>8} B.{x|-8<x≤8}
C.{x|x≥8} D.{x∈N|-1<x<4}
√
区间[8,+∞)表示的集合是{x|x≥8}.故选C.
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4.集合{x∈N+|x<3}的另一种表示法是
A.{0,1,2,3} B.{1,2,3}
C.{0,1,2} D.{1,2}
√
因为集合{x∈N+|x<3}是用描述法来表示的,用另一种方法来表示就是用列举法,即{x∈N+|x<3}={1,2}.故选D.
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5.已知集合A含有三个元素2,4,6,且当a∈A,有6-a∈A,那么a为
A.2 B.2或4
C.4 D.0
√
集合A含有三个元素2,4,6,当a∈A,有6-a∈A.因为a=2∈A时,6-a=4∈A,所以a=2;或者a=4∈A时,6-a=2∈A,所以a=4.综上所述,a=2或4.故选B.
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6.设集合A={1,-2,a2-1},B={1,a2-3a,0},若A,B相等,则实数a=____.
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7.若集合{x|ax2+x+2=0}有且只有一个元素,则实数a的取值集合为
________.
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8.用符号“∈”和“∉”填空.
(1)设A是正整数组成的集合,则0____A, ____A;
∉
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正整数是不包含0的自然数,如:1,2,3,…,所以0和 都不属于A.
∉
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9.(10分)已知A={a+2,(a+1)2,a2+3a+3},若1∈A,求实数a的值.
解:由题意,分别令集合A中三个元素分别为1时,得到的a的值,验证集合中元素是否互异,从而得到结果.
A={a+2,(a+1)2,a2+3a+3},1∈A,
因为当a+2=1时,则a=-1,
所以(a+1)2=0,a2+3a+3=1,
所以A中有两个元素相同,不符合题意;
因为当(a+1)2=1,则a=0或a=-2,
若a=0,则a+2=2,a2+3a+3=3,符合题意;
若a=-2,则a+2=0,a2+3a+3=1,不符合题意;
因为当a2+3a+3=1,则a=-1或-2,均不符合题意,所以综上可得a=0.
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10.(10分)用适当的方法表示下列集合.
(1)方程x(x2+2x+1)=0的解集;(4分)
解:因为方程x(x2+2x+1)=0的解为0或-1,所以解集为{0,-1}.
(2)平面直角坐标系中第二象限内的点组成的集合D.(6分)
解:平面直角坐标系中第二象限内的点的横坐标为负,纵坐标为正,即x<0,y>0,故第二象限内的点的集合为D={(x,y)|x<0,y>0}.
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A.2 B.3
C.4 D.5
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12.(5分)若集合A={x|ax2+ax+1=0,x∈R}不含有任何元素,则实数a的取值范围是__________.
0≤a<4
当a=0时,原方程可化为1=0,显然无解,
当a≠0时,一元二次方程ax2+ax+1=0无解,
则需Δ=a2-4a<0,即a(a-4)<0,解得0<a<4,综上0≤a<4.
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13.(10分)(开放题)集合A中共有3个元素-4,2a-1,a2,集合B中也共有3个元素9,a-5,1-a,现知9∈A且集合B中再没有其他元素属于A,能否根据上述条件求出实数a的值?若能,则求出a的值;若不能,则说明
理由.
解:因为9∈A,所以2a-1=9或a2=9,
若2a-1=9,则a=5,此时A中的元素为-4,9,25;B中的元素为9,0,-4,显然-4∈A且-4∈B,与已知矛盾,故舍去.
若a2=9,则a=±3,当a=3时,A中的元素为-4,5,9;B中的元素为9,-2,-2,B中有两个-2,与集合中元素的互异性矛盾,故舍去.
当a=-3时,A中的元素为-4,-7,9;B中的元素为9,-8,4,符合题意.
综上所述,满足条件的a存在,且a=-3.
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14.(5分)我们一般称b-a(b>a)为{x|a≤x≤b}所表示的区间长度,则{x|-2≤x≤4}所表示的区间长度为____.
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由题意得,所求区间长度为4-(-2)=6.
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(1)若2∈A,则集合A中至少还有几个元素?求出这几个元素.(5分)
(2)集合A中能否只含有一个元素?请说明理由.(10分)
故在实数范围内,集合A中不可能只含有一个元素.
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第
一
章
集
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实数集R
①∈Q ②∉R ③0∈N* ④π∈Z
是有理数,是实数,0不是正整数,π是无理数,当然不是整数.只有①正确.故选为A.
(1)=____________;
注意包括不包括区间的端点与不等式含不含等号对应,故=.
D.数1,0,5,,,,组成的集合有7个元素
选项A,不满足确定性,故A错误;选项B,不大于3的自然数组成的集合是{0,1,2,3},故B错误;选项C,由集合的无序性知,故C正确;选项D,数1,0,5,,,,组成的集合有5个元素,故错误.故选C.
(1)设集合B是小于的所有实数的集合,则2___B,1+___B;
因为2=>,所以2∉B;因为(1+)2=3+2<3+2×4=11,所以1+<,所以1+∈B.
(1)方程组的解集;
解:解方程组得故解集可用描述法表示为,也可用列举法表示为{(4,-2)}.
(2)=______________________;
={x|x<-1或x≥2}=(-∞,-1)∪[2,+∞).
则有所以A={(0,6),(1,5),(2,2)}.
对于A,0是自然数,即有0∈N,故A正确;对于B,是不可约分数,即有∉N,故B错误;对于C,-3是负整数,即有-3∈Z,故C错误;对于D,π是无理数,即有π∉Q,故D错误.
2.给出下列关系:①∈R;②∈Q;③-3∉Z;④-∉N,其中正确的个数为
对于①,因为是实数,用符号表示为:∈R,故①正确;对于②,因为是无理数,用符号表示为:∉Q,故②错误;对于③,因为-3是整数,用符号表示为:-3∈Z,故③错误;对于④,因为-是无理数,-∉N,故④正确.正确命题是①④,共2个.故选B.
由集合相等的概念得解得a=1.
当a=0时,A={-2};当a≠0时,若集合A只有一个元素,由一元二次方程判别式Δ=1-8a=0,得a=.综上,当a=0或a=时,集合A只有一个元素.故答案为.
因为2=>,所以2不属于B;1+<,所以1+属
于B.
(2)设B是小于的所有实数组成的集合,则2____B,1+____B.
11.(5分)由实数x,-x,|x|,,-所组成的集合中,其含有元素的个数最多为
因为=|x|,-=-|x|,故当x=0时,这几个实数均为0;当x>0时,它们分别是x,-x,x,x,-x;当x<0时,它们分别是x,-x,-x,-x,x.故集合中的元素最多为2个.
15.(15分)设A是实数集,满足若a∈A,则∈A,a≠1,且1∉A.
解:因为2∈A,所以=-1∈A,=∈A,=2∈A,
因此A中至少还有两个元素-1和.
解:不能.如果集合A中只含有一个元素,则a=,整理得a2-a+1=0,该方程无实数解,
$$