한양과학기술고등학교

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집합의 연산과 벤 다이어그램

집합의 연산과 벤 다이어그램

공통수학2 · 집합과 명제. 합집합·교집합·여집합·차집합을 그림으로 보고, 원소 개수의 합의 법칙을 직접 검증한다.

집합 연산은 기호만 보면 헷갈리지만, 벤 다이어그램으로 영역을 칠해 보면 한눈에 들어온다. 전체집합 U는 바깥 사각형, 두(또는 세) 집합은 원으로 그린다. 아래에서 원소를 이리저리 옮기고 연산 버튼을 눌러 어느 영역이 칠해지는지, 그리고 원소 개수가 어떻게 맞아떨어지는지 확인해 보자.

1. 직접 해보기

원소 버튼을 클릭하면 바깥 → A만 → A∩B → (A∩B∩C) → A∩C → B만 → B∩C → C만 순서로 영역을 순환한다. 연산 버튼을 누르면 해당 영역이 색칠되고, 아래에 원소 목록과 개수가 나온다.

클릭할 때마다 원소가 다음 영역으로 이동합니다. (아래 작은 글씨 = 현재 영역)

연산을 선택하세요
버튼을 누르면 색칠된 영역의 원소와 개수가 여기에 표시됩니다.
n(A)
0
n(B)
0
n(A ∩ B)
0
n(A ∪ B)
0
n(A ∪ B) = n(A) + n(B) − n(A ∩ B)

2. 집합의 연산 정리

위젯에서 색칠해 본 영역을 기호로 정리하면 다음과 같다. U는 전체집합이다.

연산기호정의벤 영역
합집합A ∪ BA에 속하거나 B에 속하는 원소 전체두 원을 합친 부분
교집합A ∩ BA에도 속하고 B에도 속하는 원소두 원이 겹치는 부분
여집합AᶜU의 원소 중 A에 속하지 않는 원소A 바깥 전체
차집합A − BA에 속하지만 B에는 속하지 않는 원소 (= A ∩ Bᶜ)A에서 겹침을 뺀 부분
대칭차A △ B(A − B) ∪ (B − A), 한쪽에만 속하는 원소겹침을 제외한 두 초승달

연산 법칙

이름식
교환법칙A ∪ B = B ∪ A,   A ∩ B = B ∩ A
결합법칙(A ∪ B) ∪ C = A ∪ (B ∪ C)
분배법칙A ∩ (B ∪ C) = (A ∩ B) ∪ (A ∩ C)
드모르간 법칙(A ∪ B)ᶜ = Aᶜ ∩ Bᶜ,   (A ∩ B)ᶜ = Aᶜ ∪ Bᶜ
드모르간을 위젯으로 확인 — (A ∪ B)ᶜ 버튼을 누르면 두 원 바깥 영역이 칠해진다. 이 원소들은 정확히 "A에도 없고 B에도 없는" 원소, 즉 Aᶜ ∩ Bᶜ와 같다.

3. 부분집합과 부분집합의 개수

집합 A의 모든 원소가 B에도 속하면 A는 B의 부분집합(A ⊆ B)이다. A ⊆ B 이고 A ≠ B 이면 진부분집합(A ⊊ B)이다. 공집합 ∅ 과 자기 자신은 항상 부분집합이다.

원소가 n개인 집합의 부분집합은 각 원소를 "넣는다/뺀다" 2가지로 정하므로 2ⁿ개다.

부분집합의 개수  23 = 8
진부분집합의 개수  2ⁿ − 1 = 7  ·  공집합·자기자신 제외  2ⁿ − 2 = 6

4. 유한집합의 원소 개수 — 합의 법칙

합집합의 원소를 셀 때 그냥 n(A) + n(B) 를 하면 겹치는 부분 n(A ∩ B) 를 두 번 센다. 그래서 한 번 빼 준다.

n(A ∪ B) = n(A) + n(B) − n(A ∩ B)

원이 세 개면 두 개씩 겹친 부분은 빼고, 세 개 모두 겹친 부분은 다시 더한다 (포함–배제).

n(A ∪ B ∪ C) = n(A) + n(B) + n(C) − n(A∩B) − n(B∩C) − n(C∩A) + n(A∩B∩C)

1번 위젯의 수치판과 식은 원소를 어떻게 옮겨도 항상 등식이 성립한다.

한 줄 요약 — 집합 연산은 벤 다이어그램에서 "어느 영역인가"로 바꿔 생각하면 쉽다. 합집합의 원소 개수는 겹친 부분을 빼 주는 포함–배제가 핵심이고, 부분집합은 2ⁿ개다. 관련: 순열과 조합, 조건부확률, 주사위 확률.