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Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales CONJUNTOS Y OPERACIONES CON CONJUNTOS Conjuntos Intuitivamente podemos decir que un conjunto es una colección cualquiera de objetos. Los objetos que están en el conjunto se denominan elementos del conjunto y se dice que pertenecen al conjunto. • A los conjuntos los nombramos con letras mayúsculas. A los elementos del conjunto con letras minúsculas. • Si a es un elemento del conjunto A escribiremos a∈A (y se lee a pertenece a A). En caso contrario a∉A (se lee a no pertenece a A). Dos conjuntos especiales son: • El conjunto universal o referencial, que representaremos con la letra U, es el conjunto de todas las cosas sobre las que estemos tratando. • El conjunto vacío, que se denota ∅, es el conjunto que no tiene elementos. En el caso de los conjuntos numéricos usaremos las siguientes notaciones: • N conjunto de los números naturales • N0 conjunto de los números naturales con el cero • Z conjunto de los números enteros • Q conjunto de los números racionales • R conjunto de números reales Definición de conjuntos por extensión Un conjunto puede definirse enumerando los objetos que lo forman. En este caso diremos que el conjunto ha sido definido por extensión o enumeración. Por ejemplo: B = {a; e; i; o; u} Sólo los conjuntos finitos pueden definirse de esta manera. (finitos: que podemos contar sus elementos) Definición de conjuntos por comprensión Otra forma de definir un conjunto es dando una propiedad que caracterice los objetos que están en él. Es decir, si todos los elementos de un conjunto satisfacen alguna propiedad que puede ser expresada como una proposición. Material de uso exclusivamente educativo 1 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales Por ejemplo: M = {x/x es un múltiplo de 5} donde “x” representa a todos los elementos del conjunto y la expresión “x es un múltiplo de 5” es proposición que podemos simbolizar por p(x). Para decidir si un elemento pertenece al conjunto M debemos comprobar si verifica o no ser múltiplo de 5. Así, • 3 no pertenece al conjunto M pues 3 no es múltiplo de 5 • 15 pertenece al conjunto M pues 15 es múltiplo de 5. Para representar gráficamente a los conjuntos suelen utilizarse los llamados diagramas de Venn que son figuras planas cerradas, dentro de las cuales se escriben los elementos del conjunto. Por ejemplo, si consideramos como conjunto universal U = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} y un conjunto A incluido en U tal que A ={2, 4, 6} la representación de esta situación es; Igualdad de conjuntos Diremos que dos conjuntos son iguales cuando tienen los mismos elementos. Por ejemplo: A = {1;3;5;7;9} B = {x/x número natural impar menor que 10} C = {5; 3; 7; 1; 9} D = {1;3;5; 5;7; 7; 9} Podemos escribir A = B = C = D ya que los conjuntos, sin importar la forma en que se los definió, tienen los mismos elementos. Como vemos no interesa el orden ni si están repetidos los elementos. Recordamos que la igualdad de conjuntos tiene las propiedades: • Reflexiva: Para todo conjunto A; A = A • Simétrica: Si A = B entonces B = A • Transitiva: Si A = B y B = C entonces A = C (Se dice que la igualdad de conjuntos es una relación de equivalencia) Material de uso exclusivamente educativo 2 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales Conjuntos disjuntos A y B se dicen disjuntos si no tienen ningún elemento en común. Inclusión A partir de un conjunto dado podemos definir nuevos conjuntos llamados subconjuntos de aquel. Consideremos el conjunto A = {1; 3; 5; 7; 9}. Entonces son subconjuntos de A los conjuntos: {1; 3; 5; 7; 9}, {1; 3; 5}, {1}, { } = ∅ Se dice que un subconjunto B es subconjunto de A y escribimos B ⊂ A, cuando todo elemento de B pertenece también a A. El símbolo “⊂” se lee “incluido en“. Decimos que B está incluido en A o que A incluye a B. Ejemplo: Consideremos los conjuntos A = {1,0, 1} B = {-1, 0, 1} C = {0, 1, -1} D = {-1, 0} Son verdaderas las siguientes afirmaciones: • B = C ya que tienen los mismos elementos, aunque en distinto orden. • A ⊂ B ya que todo elemento de A pertenece a B • D es un subconjunto de B Observamos que: • Todo conjunto está incluido en sí mismo • El conjunto vacío está incluido en cualquier conjunto. Ejemplo: Todos los subconjuntos del conjunto M = {1, 2, 3, 4} son: • El conjunto vacío: ∅ • El mismo M • Los subconjuntos de M con un elemento: {1}, {2}, {3}, {4} • Los subconjuntos de M con dos elementos: {1, 2},{1, 3}, {1, 4}, {2, 3}, {2, 4}, {3, 4} • Los subconjuntos de M con tres elementos: {1, 2, 3},{1, 3, 4}, {1, 2, 4}, {2, 3, 4} Material de uso exclusivamente educativo 3 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales Operaciones entre conjuntos. Consideremos los conjuntos A y B. A partir de ellos definimos las siguientes operaciones: Unión de conjuntos. La unión de A y B denotada como A ∪ B, es el conjunto formado por todos los elementos que pertenecen a A ó B ó a ambos. En símbolos; A ∪ B = {x/x∈ A ó x ∈ B} Ejemplo: Si A = {1, 2}; B = {1; 3} y C = {0}, entonces: • A ∪ B = { 1, 2, 3 } • A ∪ C = {0, 1, 2} • B ∪ C = {1, 3, 0} Propiedades. • A ∪ B = B ∪ A son conjuntos iguales ya que la unión de conjuntos es una operación conmutativa. • (A ∪ B) ∪ C = A ∪ (B ∪ C) lo que nos dice que la unión de conjuntos es asociativa • A ∪ A = A • A ⊂ A ∪ B y B ⊂ A ∪ B (lo enunciamos diciendo que cada conjunto está incluido en su unión con otro) • A ∪ B = A si B ⊂ A ya que si B ⊂ A todos los elementos de B pertenecen también a A. • A ∪ ∅ = A • A ∪ U = U Intersección de conjuntos La intersección de conjuntos que denotamos como A ∩ B, es el conjunto formado por todos los elementos que pertenecen a la vez a A y a B. En símbolos: A ∩ B = {x/x∈ A y x ∈ B} Ejemplo: Si A = {0, 1}; B = {1; 3} y C = {0,1, 3}, entonces: • A ∩ B = {1} • A ∩ C = {0, 1} • B ∩ C = {1, 3} Material de uso exclusivamente educativo 4 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales Propiedades Es fácil ver que la intersección de conjuntos es conmutativa y asociativa. Lo que expresamos mediante: • A ∩ B = B ∩ A • (A ∩ B) ∩ C = A ∩ (B ∩ C) También se verifica que: • A ∩ B ⊂ A y A ∩ B ⊂ B • Si A ⊂ B entonces A ∩ B = A • A ∩ U = A • A ∩ ∅ = ∅ • Si A y B son conjuntos disjuntos, A ∩ B = ∅ Existen dos leyes distributivas que ligan las operaciones de unión e intersección. Estas son: • A ∩ (B ∪ C) = (A ∩ B) ∪ (A ∩ C) • A ∪ (B ∩ C) = (A ∪ B) ∩ (A ∪ C) Diferencia de conjuntos. Es el conjunto de elementos del conjunto A que no se encuentran en B. Lo notamos A – B. Simbólicamente: A – B = {x/x∈ A y x ∉B} Ejemplo: Si A = {1, 2, 3, 4, 5, 6} y B = { 2, 4, 8, 10} es: • A – B = {1, 3, 5, 6} • B – A = {8, 10} Complemento de un conjunto El complemento del conjunto A respecto al conjunto universal que incluye a A, es el conjunto de todos los elementos del universal que no pertenecen a A. Se lo denota; A o Ac. En símbolos: Ac = {x/x ∈ U y x∉A} Observación: si x∉A entonces x∈ AC. Material de uso exclusivamente educativo 5 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales Ejemplo. Si es U = {x/x ∈ N y 1 ≤ x ≤ 10} y se definen A = {x/x ∈ N y 1 ≤ x ≤ 2} y B = {1, 10} Hallá Ac y Bc Solución Escribimos por extensión cada conjunto y los representamos en un diagrama de Venn. • U = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10} • A = {1, 2} • B = {1, 10} . Ac son todos los elementos del conjunto universal que nopertenecen a A: (en amarillo en el gráfico) Ac = { 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10} O bien: Ac = {x/ x ∈ N, 2 < x ≤ 10} Bc son todos los elementos del conjunto universal que no pertenecen a B: (en celeste en el gráfico) Bc = { 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} O bien: Bc = {x/ x ∈ N, 2 ≤ x ≤ 9} Propiedades. Sea U el conjunto universal o referencial y A un subconjunto de U. Entonces se cumplen las siguientes propiedades: • U – A = Ac • A ∪ Ac = U • (Ac)c = A • A ∩ Ac = ∅ • Uc = ∅ • ∅c = U • (A ∪ B)c = Ac ∩ Bc • (A ∩ B)c = Ac ∪ Bc (Las dos últimas se conocen como leyes de De Morgan) Material de uso exclusivamente educativo 6 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales Conjuntos finitos Diremos que un conjunto es finito cuando contiene un número finito de elementos diferentes. En caso contrario diremos que el conjunto es infinito. Por ejemplo, • Es finito el conjunto de los alumnos de la universidad. • Pero es infinito el conjunto de los números naturales. Cardinalidad de un conjunto finito Supongamos que A es un subconjunto finito del conjunto universal U. Denominamos cardinal de A al número de elementos de A. Lo denotamos card(A). Así, por ejemplo, • si A = {3, 5, 8}, card(A) = 3 • si A = ∅, card(A) = 0 ya que el conjunto vacío no tiene elementos. Propiedad. 1. Si A ⊂ B, entonces card(A) < card(B) 2. Si A y B son dos conjuntos finitos, entonces: card(A∪B) = card(A) + card(B) – card(A ∩ B) 3. Si A y B son dos conjuntos finitos y disjuntos, entonces: card(A∪B) = card(A) + card(B) En el caso de tres conjuntos, vale que card(A∪B∪C) = card(A) + card(B) + card(C) – card(A ∩ B) – - card(A ∩ C) - card(B ∩ C) + card(A ∩B ∩ C) Ejemplo. Consideremos los conjuntos A = {3, 5, 8} y B = { 2, 4, 6, 10} • card(A) = 3 • card(B) = 4 Además es A ∩ B = ∅. (A y B son disjuntos) Por lo que: card(A∪B) = card(A) + card(B) = 3 + 4 = 7 Material de uso exclusivamente educativo 7 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales Ejemplo; Consideremos ahora los conjuntos M = {3, 4, 5, 6} , N = {2, 3, 4, 5, 7} • card(M) = 4 • card(N) = 5 Además M∩N ≠∅ y es card(M∩N) = 3 Luego es: card(M∪N) = card(M) + card(N) – card(M ∩ N) card(M∪N) = 4 + 5 – 3 = 6 Problemas aplicando conjuntos Mostramos algunos ejemplos que se resuelven utilizando operaciones entre conjuntos finitos. Problema 1 El conjunto A tiene 20 elementos, A ∩B tiene 12 elementos y A∪B tiene 60 elementos. ¿Cuántos elementos tiene B? Solución. Del enunciado, se desprende que: • card(A) = 20 • card(A ∩B) = 12 • card(A∪B) = 60 Como se conoce el cardinal de la unión y el de la intersección (que no es vacía) podemos usar la propiedad del cardinal de la unión: card(A∪B) = card(A) + card(B) – card(A ∩ B) Reemplazamos por los datos: 60 = 20 + card(B) – 12 Por lo que es: card(B) = 60 – 20 + 12 = 52 Luego B tiene 52 elementos. Material de uso exclusivamente educativo 8 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales Problema 2. De 65 estudiantes de comisión B, 30 aprobaron Biología y 40 matemática, mientras que 10 aprobaron ambas materias. a. ¿Cuántos alumnos aprobaron al menos una de las materias? b. ¿Cuántos sólo Biología? c. ¿Cuántos alumnos aprobaron exactamente una de ellas? d. ¿Cuántos no aprobaron ninguna? Solución: Consideremos como conjunto universal, • U = {x/x es alumno de la comisión B} Y sean • B = {x/x aprobó Biología] • M = {x/x aprobó Matemática] Por lo que es: car(B) = 30, card(M) = 40 y card(B∩M) = 10 y card(U) = 65 En el diagrama de Venn, se representa el enunciado: Los números que aparecen el gráfico se corresponden con los cardinales de los conjuntos que representan. Así: • card(B∩M) = 10 • card(B – M) = 30 – 10 = 20 • card(M – B) = 40 – 10 = 30 Mientras que encontramos el cardinal de B ∪ M haciendo: card(B∪M) = card(B) + card(M) – card(B ∩ M) = 30 + 40 – 10 = 60 La cantidad de alumnos que no aprobó ninguna lo encontramos haciendo: card(U) - card(B∪M) = 65 - 60 = 5 Material de uso exclusivamente educativo 9 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales Contestamos las preguntas: a. ¿Cuántos alumnos aprobaron al menos una de las materias? Estos son los alumnos que aprobaron, Biología ó aprobaron Matemática o ambas. Estos alumnos pertenecen a la unión cuyo cardinal calculamos. Respondemos que 60 alumnos aprobaron al menos una de las materias. b. ¿Cuántos sólo Biología? Los alumnos que sólo aprobaron Biología, pertenecen al conjunto B – M. Por lo tanto 20 alumnos aprobaron solo Biología. c. ¿Cuántos alumnos aprobaron exactamente una de ellas? Estos son los que aprobaron, Biología ó aprobaron Matemática pero no las dos. Esto es, pertenecen a: (B – M) ∪ (M – B) Como la unión es disjunta, el número de elementos de este conjunto es: card[(B – M) ∪ (M – B)] = card[(B – M) + card[(M – B) = 20 + 30 = 50 d. ¿Cuántos no aprobaron ninguna? Son los alumnos que pertenecen a U - (B∪M) ó bien (B∪M)c que son 5 alumnos. Problema 3: De las 130 personas que participan en una excursión, 75 usan reloj, 62 usan anteojos y 72 usan gorras, 40 usan reloj y anteojos, 35 usan reloj y gorras, 25 anteojos y gorras y 20 usan las tres prendas. ¿Cuántas personas no usan ninguna de las tres prendas? Solución. Consideremos los conjuntos: • U (universal) el de todas las personas que participan de la excursión. • R el de las personas que usan reloj • G el de las personas que usan gorras • A el de las personas que usan anteojos Material de uso exclusivamente educativo 10 UBA XXI Modalidad virtual Matemática para Agronomía y Ciencias Ambientales La unión de estos 3 conjuntos, se corresponde con las personas que usan anteojos ó relojes ó gorras ó más de una de estas prendas. El complemento de la unión es, en consecuencia, el de las personas que no usan ninguna de estas prendas. El número de elementos de este conjunto será: card(U) – card(R∪G∪A) • El card(U) = 130 ya que es el total de las personas que participan de la excursión. Debemos calcular card(R∪G∪A) Sabemos que: card(R∪G∪A) es igual a: card(R) + card(G) + card(A) – card(R∩G) – card(R∩A) – card(A∩G) + card(R∩G∩A) Y por los datos del problema, card(R) = 75 card(G) = 72 card (A) = 62 card(R∩G) = 35 card(R∩A) = 40 card(A∩G) = 25 card(R∩G∩A) = 20 Reemplazando es card(R∪G∪A) = 75 + 72 + 62 – 35 – 40 – 25 + 20 = 129 Entonces el cardinal de las personas que no usan ninguna de las tres prendas es: card(U) – card(R∪G∪A) = 130 – 129 = 1 Por lo que, de las 130 personas, sólo 1 no usa ninguna de las tres prendas. Material de uso exclusivamente educativo 11
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