📐 第 3 課 · 集合間的基本關係

子集、真子集與相等

A ⊆ B 是什麼意思?為什麼空集是任何集合的子集?

🎮 互動教學 ⏱ 約 15 分鐘 📐 人教版必修第一冊 · 第一章

🎯 這節課你能學到

學完這節課,你將能夠:

① 遊戲→ ② 概念→ ③ 實驗→ ④ 挑戰
1
🎮 拖拽元素,理解子集關係
👆 👆 點選按鈕體驗

🎮 把元素放入 A 和 B,觀察關係

👆 點選按鈕把元素放入集合 A、集合 B 或交集(共同元素)區域。觀察:什麼時候 A ⊆ B 成立?什麼時候 A = B?

💡 小提示:先只往 A 放元素,再看關係;2️⃣把 A 的元素也放進 B,關係怎麼變?
👆 點選元素分配 關係: —
集合 A
{ }
集合 B
{ }
關係
—

📊 分類記錄表

操作AB關係

📈 集合元素統計

💡 觀察要點:把元素只放入 A,A 還是 B 的子集嗎?把 A 的所有元素也放進 B,關係怎麼變?試試讓 A 和 B 完全一樣!
2
從遊戲到數學:集合間的基本關係
核心概念 · 重點學會

🔍 從遊戲中「抽象」

剛才的遊戲中,我們往集合 A 和 B 裡放元素。仔細想想:

遊戲中的事實
A 裡的每個元素,B 裡都有
↓ 抽象
A 是 B 的子集 (A ⊆ B)
關鍵特徵
A 的元素 B 都有,B 還有更多
↓ 抽象
A 是 B 的真子集 (A ⊊ B)
數學表達
A 和 B 的元素完全相同
↓ 抽象
A = B
特殊情況
空集合沒有元素
↓ 抽象
∅ ⊆ A 恆成立

📖 子集的定義

📘 定義(人教版 P7)

如果集合 A 中的每一個元素都是集合 B 的元素,那麼稱 A 是 B 的子集,記作 A ⊆ B。

A ⊆ B ⟺ ∀x, x∈A → x∈B
💡 一句話理解:「小集合」的所有元素都在「大集合」裡。就像道具欄 A 是倉庫 B 的子集——道具欄裡每件道具,倉庫裡都能找到。

🧩 真子集與集合相等

① 真子集 (A ⊊ B) 🔽
A ⊆ B 且 A ≠ B
↓
B 比 A 多至少一個元素
② 集合相等 (A = B) 💎
A ⊆ B 且 B ⊆ A
↓
兩集合元素完全相同
③ 空集的性質 ∅
∅ 是任何集合的子集
↓
∅ ⊆ A 恆成立
④ 自反性 🪞
任何集合是自身的子集
↓
A ⊆ A 恆成立
💡 小提示:A ⊊ B 表示「包含但不相等」;A = B 表示「互相包含」。空集是任何集合的子集!

📐 子集個數公式(必記)

如果集合 A 有 n 個元素:

子集個數 = 2n (每個元素「在或不在」兩種選擇)
真子集個數 = 2n − 1 (去掉自身)
非空子集個數 = 2n − 1 (去掉空集)
💡 小提示:每個元素都有「在子集裡」或「不在」兩種選擇,n 個元素就有 2×2×...×2 = 2ⁿ 種組合!
3
🔬 判斷子集關係
👆 點選按鈕判斷 →

給出集合 A 和 B,判斷它們的關係。⚠️ 💡 💡 記住:A ⊆ B 要求 A 的每個元素都在 B 中。

💡 判斷子集的關鍵:檢查 A 的每個元素是否都在 B 中。只要有一個不在,A 就不是 B 的子集。
🎮 遊戲對照:把 A 的所有元素都放進 B,就是 A ⊆ B;再多放幾個到 B,就是 A ⊊ B;讓 A 和 B 完全一樣,就是 A = B。回到遊戲演示區試試!
4
🎯 挑戰關卡 — 檢驗你的探索成果
共 4 題 · 👆 點選選項作答
1 已知 A = {1,2}, B = {1,2,3},那麼下列正確的是(  )
A 的所有元素都在 B 中嗎?B 的所有元素都在 A 中嗎?
2 集合 {1,2} 的子集個數為(  )
用公式 2^n 計算,或一一列舉驗證
3 空集 ∅ 與任何集合 A 的關係是(  )
空集沒有元素,所以「每個元素都在 A 中」這句話...
4 如果 A ⊆ B 且 B ⊆ A,那麼(  )
A 包含於 B,同時 B 也包含於 A,說明什麼?
💻
Python 核心程式碼:子集判斷
👆 點選展開程式碼 →
🐍 子集與真子集判斷 ▼ 👆 點選展開程式碼 →
set3_subset.py📋 複製
# 子集判斷
A = {1, 2}
B = {1, 2, 3}
# A ⊆ B ?
print(A <= B) # True (A是B的子集)
print(A < B) # True (A是B的真子集)
print(A == B) # False
# 求所有子集
def subsets(s):
 items = list(s)
 result = []
 for i in range(2 ** len(items)):
 sub = {items[j] for j in range(len(items)) if i & (1<<j)}
 result.append(sub)
 return result
print(subsets({1,2,3})) # 8個子集
▶ 執行輸出
True
True
False
[set(), {1}, {2}, {1,2}, {3}, {1,3}, {2,3}, {1,2,3}]
📊 列舉子集個數驗證公式 ▼ 驗證 2^n →
set3_count_subsets.py📋 複製
# 驗證子集個數公式:2^n
def count_subsets(n):
 """n個元素的集合,子集個數為2^n"""
 return 2 ** n
for n in range(1, 6):
 items = set(range(1, n+1))
 cnt = count_subsets(n)
 print(f'n={n}: 子集個數 = 2^{n} = {cnt}')
# 真子集 = 子集 - 1(去掉自身)
# 非空子集 = 子集 - 1(去掉空集)
# 非空真子集 = 子集 - 2(去掉自身和空集)
▶ 執行輸出
n=1: 子集個數 = 2^1 = 2
n=2: 子集個數 = 2^2 = 4
n=3: 子集個數 = 2^3 = 8
n=4: 子集個數 = 2^4 = 16
n=5: 子集個數 = 2^5 = 32
5
📝 本課小結 — 回顧你的收穫

📝 今天你學到了什麼?

✅ 子集定義
A ⊆ B ⟺ A 的每個元素都在 B 中
✅ 真子集
A ⊊ B ⟺ A ⊆ B 且 A ≠ B
✅ 集合相等
A = B ⟺ A ⊆ B 且 B ⊆ A
✅ 子集個數
n 個元素 → 2ⁿ 個子集
🎉 🎉 太厲害了!你已經理解了集合間的基本關係。下一課我們探索「交集(共同元素)」!
下節預告:第 4 課 —— 交集(共同元素)(A ∩ B)
兩個集合的共同元素——文氏圖的重疊區域
→ 繼續探索