📐 集合課程 · 第 5 課

並集(所有元素)

A ∪ B —— 把所有元素「合在一起」的運算

🎮 文氏圖遊戲 ⏱ 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
🎮 文氏圖與並集(所有元素)
👆 點選區域 →

🎮 👆 點選區域新增元素,觀察並集(所有元素)

選擇區域(A獨有 / 交集(共同元素) / B獨有),2️⃣👆 點選文氏圖新增元素。觀察:並集(所有元素) A∪B 如何隨著元素的增加而變化?

💡 小提示:往交集(共同元素)中新增一個元素,|A| 和 |B| 同時增加嗎?並集(所有元素)大小與 |A|、|B|、|A∩B| 有什麼關係?
👆 點選區域新增元素 A∪B: 0 個元素
|A| 元素數
0
個
|B| 元素數
0
個
|A∪B| 並集(所有元素)
0
個

📊 操作記錄表

操作ABA∪B

📈 集合大小統計

💡 觀察要點:往交集(共同元素)中新增一個元素,|A| 和 |B| 同時增加嗎?往 A 獨有區域新增,只有 |A| 增加嗎?並集(所有元素)的大小 |A∪B| 與 |A|、|B|、|A∩B| 有什麼關係?
2
從遊戲到數學:並集(所有元素)的定義與性質
核心概念 · 重點學會

🔍 從文氏圖中「抽象」

剛才的遊戲中,我們往三個區域新增元素,2️⃣觀察並集(所有元素)的變化。仔細想想:

遊戲中的事實
把 A 和 B 的所有元素合在一起
↓ 抽象
A ∪ B(並集(所有元素))
關鍵特徵
重複的元素只算一次
↓ 抽象
集合中元素互異
數學表達
屬於 A 或屬於 B 的所有元素
↓ 抽象
x∈A 或 x∈B
數量關係
並集(所有元素)大小 = A大小 + B大小 - 交集(共同元素)大小
↓ 抽象
|A∪B| = |A| + |B| - |A∩B|

📖 並集(所有元素)的定義

📘 定義(人教版 P10)

由所有屬於集合 A 或屬於集合 B 的元素組成的集合,叫做 A 與 B 的並集(所有元素)。記作:A ∪ B(讀作「A並B」)。

A ∪ B = { x | x∈A 或 x∈B }
💡 一句話理解:並集(所有元素)就是「你有的 + 我有的」,重複的只算一次。就像兩個口袋裡的糖果倒在一起——同一種糖果不會變多。

🧩 並集(所有元素)的性質

① 交換律 🔄
A∪B = B∪A
↓
順序無關
② 結合律 🔗
三個集合相併,順序無關
↓
(A∪B)∪C = A∪(B∪C)
③ 自反性 🪞
A∪A = A
↓
與自身並是自己
④ 單位元 ∅
A∪∅ = A
↓
與空集並是自己
⑤ 包含關係 📐
A ⊆ A∪B,B ⊆ A∪B
↓
並集(所有元素)包含原集合
⑥ 容斥原理 ⭐
並集(所有元素)大小 = A + B - 交集(共同元素)
↓
|A∪B| = |A|+|B|-|A∩B|
💡 小提示:容斥原理是重點!交集(共同元素)被加了兩次,所以要減一次。

📐 並集(所有元素)與交集(共同元素)的關係

並集(所有元素)和交集(共同元素)是「對偶」的運算——一個用「或」,一個用「且」:

並集(所有元素) 🚪
屬於 A 或屬於 B
↓
A∪B = {x | x∈A 或 x∈B}
交集(共同元素) 🔒
既屬於 A 又屬於 B
↓
A∩B = {x | x∈A 且 x∈B}
A∪B 包含的範圍 ≥ A∩B
💡 記憶口訣:並集(所有元素)用「或」——只要滿足一個就行;交集(共同元素)用「且」——要同時滿足兩個。並集(所有元素)「更大」,交集(共同元素)「更小」!
3
🔬 容斥原理驗證
拖動滑塊驗證 →

|A∪B| = |A| + |B| - |A∩B| 叫做容斥原理。拖動滑塊驗證這個公式!

💡 小提示:把 |A∩B| 拖到 0,看看並集(所有元素)大小是不是正好等於 |A|+|B|?這就是「不相交集(共同元素)合」的特殊情況!
5
4
2
|A∪B| = 5 + 4 − 2 = 7
💡 當 |A|=5, |B|=4, |A∩B|=2 時,並集(所有元素)大小為 7。交集(共同元素)被加了兩次,所以要減一次。
🎮 遊戲對照:把 |A∩B| 拖到 0,看看並集(所有元素)大小是不是正好等於 |A|+|B|?這就是「不相交集(共同元素)合」的特殊情況——沒有重複元素!
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 = {1,2,3}, B = {3,4,5},那麼 A∪B = (  )
⚠️ 💡 💡 記住:集合中重複元素只寫一次
2 設 A = {x | x>0}, B = {x | x<5},那麼 A∪B = (  )
用數軸思考:x>0 覆蓋了哪些數?x<5 覆蓋了哪些數?
3 下列關於並集(所有元素)的性質,正確的是(  )
回憶剛才實驗中驗證的性質
4 如果 A∪B = B,那麼下列正確的是(  )
A∪B = B 說明 A 的所有元素都已經在 B 中了
💻
Python 核心程式碼:並集(所有元素)運算
👆 點選展開程式碼 →
🐍 並集(所有元素)運算的三種寫法 ▼ 核心 8 行 →
set5_union.py📋 複製
# 並集(所有元素)運算
A = {1, 2, 3}
B = {3, 4, 5}
# 三種方式求並集(所有元素)
print(A | B) # {1, 2, 3, 4, 5}
print(A.union(B)) # {1, 2, 3, 4, 5}
print({x for x in A} | {x for x in B})
# 多個集合的並集(所有元素)
C = {5, 6}
print(A | B | C) # {1, 2, 3, 4, 5, 6}
▶ 執行輸出
{1, 2, 3, 4, 5}
{1, 2, 3, 4, 5}
{1, 2, 3, 4, 5}
{1, 2, 3, 4, 5, 6}
📊 驗證容斥原理 ▼ 一行驗證公式 →
set5_inclusion_exclusion.py📋 複製
# 容斥原理:|A∪B| = |A| + |B| - |A∩B|
A = {1, 2, 3, 4, 5}
B = {4, 5, 6, 7}
union_size = len(A | B)
formula = len(A) + len(B) - len(A & B)
print(f'|A∪B| = {union_size}') # 7
print(f'|A|+|B|-|A∩B| = {formula}') # 7
print(union_size == formula) # True
# 判斷子集關係
print(A <= B) # False (A不是B的子集)
print(A <= A|B) # True (A是A∪B的子集)
▶ 執行輸出
|A∪B| = 7
|A|+|B|-|A∩B| = 7
True
False
True
5
📝 本課小結 — 回顧你的收穫

📝 今天你學到了什麼?

✅ 並集(所有元素)定義
A∪B = {x | x∈A 或 x∈B}
✅ 基本性質
交換律、結合律、自反性、單位元
✅ 容斥原理
|A∪B| = |A| + |B| - |A∩B|
✅ 並集(所有元素)與交集(共同元素)
並集(所有元素)用「或」,交集(共同元素)用「且」;A∩B ⊆ A∪B
🎉 🎉 太厲害了!你已經理解了並集(所有元素)的核心概念。集合運算的課程告一段落,💪 繼續加油,你可以的!
下節預告:第 6 課 —— 補集(剩下的元素)
全集中不屬於A的元素,就是A的補集(剩下的元素) ∁U A
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