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@@ -12,11 +12,11 @@ Diese Axiomatisierung wird hier allerdings nicht direkt vorgestellt oder explizi
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Stattdessen werden manche Axiome beiläufig eingeführt.
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Es können auch Axiome vorkommen, die in anderen Axiomatisierungen der Mengenlehre auftreten.
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## Mengenbildung
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## Mengenbildung {/* #mengenbildung */}
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*Bertrand Russell* entwickelte die *Typentheorie*, nach der man die Mengenlehre auch stufenweise aufbauen kann.
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Hierbei gibt es eine kleinste Stufe, deren Elemente man *Urelemente* oder *Urmengen* nennt.
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:::note Stufenaufbau nach Russell
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:::note[Stufenaufbau nach Russell]
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$$
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\begin{array}{c|c||c}
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@@ -32,7 +32,7 @@ $$
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:::
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#### Beispiele
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#### Beispiele {/* #beispiele */}
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Dabei sind die Elemente der jeweiligen Stufe stets Elemente der vorigen Stufe.
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Eine Menge von Urelementen ist also eine Menge erster Stufe: $M^1 = \{ X^0, Y^0 \} = \{ a, b \} = A$.
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@@ -43,7 +43,7 @@ Mengensysteme spielen u.a. in der Maßtheorie eine wichtige Rolle, in der auch d
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Folgendes Axiom bildet eine Brücke zur Logik:
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:::tip Mengenbildungsaxiom
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:::tip[Mengenbildungsaxiom]
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Sei $H(M^n)$ Aussage über Mengen $n$-ter Stufe.
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$$
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@@ -56,7 +56,7 @@ wobei $M^{n+1}$ nicht in $H(M^n)$ vorkommt.
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:::
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Das Mengenbildungsaxiom sagt aus, dass es eine Menge $M^{n+1}$ gibt, die aus den Elementen $M^n$ besteht, die eine gewisse Aussage erfüllen.
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#### Beispiele
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#### Beispiele {/* #beispiele-1 */}
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Sei $n = 0$, dann können wir die Aussage im Satz mit den üblichen Benennungen wie folgt schreiben:
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$$
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\begin{equation*}
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@@ -75,7 +75,7 @@ So eine Aussagenform $H(x)$ nennt man auch *definierenden Ausdruck*.
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Man schreibt Mengen mit definierenden Ausdrücken häufig so:
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$M = \{ x\ |\ H(x) \}$.
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#### Beispiele
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#### Beispiele {/* #beispiele-2 */}
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Das obige Beispiel mit den geraden natürlichen Zahlen schreibt man also so:
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$M = \{ x\ |\ x \in \mathbb{N} \wedge x \text{ gerade} \}$
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@@ -85,7 +85,7 @@ Weitere Beispiele sind:
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- Menge der ganzzahligen Lösungen einer Gleichung: $M = \{ x\ |\ x \in \mathbb{Z} \wedge x^2 + 2 = 4x - 1 \}$
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- Menge aller ganzen Quadratzahlen: $M = \{ x\ |\ \exists y \in \mathbb{Z} \colon x = y^2 \}$
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:::note Extensionalitätsaxiom (ZF) / Gleichheit von Mengen
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:::note[Extensionalitätsaxiom (ZF) / Gleichheit von Mengen]
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Zwei Mengen sind gleich, wenn sie die gleichen Elemente besitzen:
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$$
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@@ -96,13 +96,13 @@ $$
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:::
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## Mengenalgebra
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## Mengenalgebra {/* #mengenalgebra */}
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Auf Mengen kann verschiedene Operationen durchführen.
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Man stelle sich vor, man möchte zwei Mengen zusammenfassen zu einer oder man möchte eine Menge erzeugen,
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die nur die Elemente enthält, die zwei Mengen gemeinsam haben.
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Diese Mengenoperationen werden im folgenden vorgestellt.
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### Mengenoperationen
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### Mengenoperationen {/* #mengenoperationen */}
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Charakteristisch für Mengenoperationen ist, dass sie direkt auf den logischen Operatoren basieren und das auch in ihren
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Operationssymbolen wiederspiegeln.
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Zwischen den Mengen- und den Logikoperatoren besteht also eine enge Verbindung,
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@@ -115,11 +115,11 @@ Diese Ovale können überlappen, um zu zeigen, dass sie Elemente gemeinsam haben
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Der in lila eingefärbte Bereich ist dann die neue Menge, die entsteht, wenn man eine Mengenoperation auf den vorhanden Mengen ausführt.
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Eine solche Darstellung nennt man *Venn-Diagramm*[^2].
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#### Durchschnitt
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#### Durchschnitt {/* #durchschnitt */}
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Die Menge die entsteht, wenn man nur die Elemente aus zwei gegebenen Mengen nimmt, die sie gemeinsam haben nennt man *Durchschnitt*
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oder *Schnittmenge*.
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:::note Durchschnitt
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:::note[Durchschnitt]
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$$
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A \cap B \coloneqq \{ x\ |\ x \in A \wedge x \in B \}
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@@ -132,7 +132,7 @@ Zugehöriges Venn-Diagramm:
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##### Beispiele
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##### Beispiele {/* #beispiele-3 */}
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Gegeben seien $A = \{ a, b, c \}$ und $B = \{ b, c, d \}$.
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Dann ist $A \cap B = \{ b, c \}$.
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@@ -147,12 +147,12 @@ Die beiden Mengen $A$ und $B$ sind gleich - entsprechend auch deren Durchschnitt
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Gegeben seien $A = \{ x\ |\ x \in \mathbb{N} \wedge x \text{ ist gerade} \}$ und $B = \{ 2, 8, 1001, 4088, 9999 \}$.
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Dann ist $A \cap B = \{2, 8, 4088 \}$.
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#### Vereinigung
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#### Vereinigung {/* #vereinigung */}
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Die Menge die entsteht, wenn man die Elemente aus zwei gegebenen Mengen nimmt, und sie in einer Menge *vereinigt*
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nennt man *Vereinigung* oder *Vereinigungsmenge*.
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Elemente, die in beiden vorkommen, werden dabei nur einmal gezählt.
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:::note Vereinigung
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:::note[Vereinigung]
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$$
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A \cup B \coloneqq \{ x\ |\ x \in A \vee x \in B \}
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@@ -165,7 +165,7 @@ Zugehöriges Venn-Diagramm:
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##### Beispiele
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##### Beispiele {/* #beispiele-4 */}
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Gegeben seien $A = \{ a, b, c \}$ und $B = \{ b, c, d \}$.
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Dann ist $A \cup B = \{ a, b, c, d \}$.
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@@ -176,10 +176,10 @@ Gegeben seien $A = \{ a, b, c \}$ und $B = \{ a, b, c \}$.
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Dann ist $A \cup B = \{ a, b, c \} = A = B$.
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Die beiden Mengen $A$ und $B$ sind gleich - entsprechend auch deren Vereinigung.
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#### Komplement
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#### Komplement {/* #komplement */}
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Das *Komplement* einer Menge besteht gerade aus den Elementen, die nicht in der Menge $A$ liegen, also alles andere außer die Menge $A$.
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:::note Komplement
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:::note[Komplement]
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$$
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\overline{A} = A^\complement \coloneqq \{ x\ |\ \neg (x \in A) \} = \{ x\ |\ x \notin A \}
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@@ -192,7 +192,7 @@ Zugehöriges Venn-Diagramm:
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##### Beispiele
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##### Beispiele {/* #beispiele-5 */}
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Gegeben seien $M = \{ a, b, c, d, e \}$ und $A = \{ b, c, d \}$.
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Dann ist $\overline{A} = \{ a, e \}$.
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Hier ist es wichtig, dass wir $A$ in einen Bezug zu einer anderen "Übermenge" $M$ setzen.
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@@ -202,11 +202,11 @@ Die Menge $A$ ist ein Teil des Universums $M$.
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Gegeben sei das Universum $A = \{ b, c, d \}$.
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Dann ist $\overline{A} = \emptyset$.
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#### Differenz
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#### Differenz {/* #differenz */}
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Wenn man zwei Mengen hat und man möchte eine Menge bilden, die nur die Elemente enthält, die in einer Menge vorkommen,
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aber ohne die Elemente, die auch in der anderen liegen, dann ist das die *Differenzmenge* oder *Mengendifferenz*.
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:::note Differenz
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:::note[Differenz]
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$$
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A \setminus B \coloneqq \{ x\ |\ x \in A \wedge x \notin B \}
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@@ -223,7 +223,7 @@ Zugehöriges Venn-Diagramm:
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Für die Differenz und das Komplement gilt eine besondere Beziehung:
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Sei $M$ das Universum und $A$ Teil des Universums, dann gilt: $M \setminus A = \overline{A}$.
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##### Beispiele
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##### Beispiele {/* #beispiele-6 */}
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Gegeben seien $A = \{ a, b, c, d \}$ und $B = \{ b, c, d, e \}$.
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Dann ist $A \setminus B = \{ a \}$.
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@@ -236,10 +236,10 @@ Dann ist $M \setminus A = \{ a, d \} = \overline{A}$.
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Die Mengenoperationen wurden anhand Mengen 1. Stufe eingeführt, wie es die Symboliken erahnen lassen.
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Jedoch gelten diese auch für Mengen höherer Stufen.
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### Rechenregeln für Mengenoperationen
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### Rechenregeln für Mengenoperationen {/* #rechenregeln-für-mengenoperationen */}
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Für die Mengenoperationen gibt es gewisse Rechenregeln, die hier nun vorgestellt werden sollen.
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:::tip Rechenregeln für Mengenoperationen
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:::tip[Rechenregeln für Mengenoperationen]
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1. $$
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\begin{align*}
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@@ -294,7 +294,7 @@ so ist es keineswegs sicher, dass es im Allgemeinen gilt.
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In der Mathematik muss man auch solche Kleinigkeiten beweisen.
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Also folgt an dieser Stelle ein erster Beweis für die Assoziativität des Durchschnitts:
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#### Beweis
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#### Beweis {/* #beweis */}
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Zu zeigen ist: $(A \cap B) \cap C = A \cap (B \cap C)$
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$$
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\begin{alignat*}{2}
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@@ -313,13 +313,13 @@ Das $\blacksquare$ markiert schließlich das Ende des Beweises.
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Nach ähnlichem Schema können nun auch die anderen Regeln bewiesen werden.
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### Teilmenge
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### Teilmenge {/* #teilmenge */}
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In den Beispielen beim [Komplement](#beispiele-5) tauchte folgender Satz auf:
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> Die Menge $A$ ist ein Teil des Universums $M$.
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Dieses Wort "Teil" lässt sich wie folgt definieren:
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:::note Inklusion
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:::note[Inklusion]
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Seien $M, A$ Mengen.
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- $A \subseteq M \coloneqq \forall x \colon x \in A \rightarrow x \in M$
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@@ -332,7 +332,7 @@ für $A \subset M$ spricht man "$A$ ist *echte Teilmenge* von $M$"
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Eine Teilmenge $A$ ist also mit ihren Elementen ganz und gar in ihrer *Obermenge* $M$ enthalten.
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Man bezeichnet diese Teilmengenbeziehung auch als *Inklusion*.
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#### Beispiele
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#### Beispiele {/* #beispiele-7 */}
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Gegeben seien $M = \{ a, b, c, d \}$ und $A = \{ a, b \}$.
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Dann gilt $A \subseteq M$.
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Es gilt sogar $A \subset M$.
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@@ -343,13 +343,13 @@ Dann gilt $A \subseteq M$, aber nicht $A \subset M$.
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Gegeben seien $M = \{ a, b, c, d \}$ und $A = \{ e, f, g \}$.
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Dann gilt $A \not\subseteq M$.
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### Verband
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### Verband {/* #verband */}
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In der Mathematik untersucht man viele Strukturen.
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Strukturen sind dabei meist eine Menge mit zusätzlichen Dingen, wie Operationen.
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Die formale Definition einer ($n$-stelligen) Operation erfolgt später.
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Hier sei nur gesagt, dass $\cap$ und $\cup$ *zweistellige Operationen* sind.
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:::note Verband
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:::note[Verband]
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Seien $\mathfrak{M}$ Menge und $\cap, \cup$ zweistellige Operationen in $\mathfrak{M}$.
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@@ -371,11 +371,11 @@ Wie diese Operation aussieht ist egal.
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Es kann also auch eine völlig andere Operation gewählt werden, solange sie die Rechenregeln erfüllt ist es ein Verband.
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$\cap$ und $\cup$ stehen also lediglich für ein Symbol, das gegen ein anderes Symbol und entsprechender Bedeutung ausgetauscht werden kann.
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### Potenzmenge
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### Potenzmenge {/* #potenzmenge */}
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Eine wichtige Menge (mindestens) zweiter Stufe ist die *Potenzmenge*.
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Die *Menge aller Teilmengen*.
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:::note Potenzmenge
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:::note[Potenzmenge]
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Sei $M$ Menge, dann heißt $2^M = \mathcal{P}(M) = \{ A\ |\ A \subseteq M \}$ *Potenzmenge* von $M$.
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@@ -384,7 +384,7 @@ Die Bezeichnung $2^M$ kommt daher, da die Anzahl der Elemente in der Potenzmenge
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Wenn also $M$ drei Elemente enthält, dann hat $\mathcal{P}(M)$ $2^3 = 8$ Elemente.
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Die Anzahl der Elemente einer Menge wird im Abschnitt [Endlichkeit und Kardinalzahlen](./endlichkeit) weiter thematisiert.
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#### Beispiele
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#### Beispiele {/* #beispiele-8 */}
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Gegeben sei $M = \{ a, b, c \}$.
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Dann ist $\mathcal{P}(M) = \{ \emptyset, \{a\}, \{b\}, \{c\}, \{a, b\}, \{a, c\}, \{b, c\}, M \}$ Potenzmenge von $M$.
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Man beachte, dass insbesondere auch die leere Menge $\emptyset$ und die Menge $M$ selbst Teilmengen von $M$ sind.
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