1.3集合间的基本运算
3集合的基本运算
一、学习目标
1. 理解两个集合的并集与交集的含义,会求两个简单集合的并集与交集.2. 能使用Venn 图表达集合的关系及运算,体会直观图示对理解抽象概念的作用.3. 能够利用交集、并集的性质解决有关问题.4. 了解全集的意义和它的记法.理解补集的概念,能正确运用补集的符号和表示形式,会用图形表示一个集合及其子集的补集.5. 会求一个给定集合在全集中的补集,并能解答简单的应用题.
二、知识梳理
1.并集和交集的概念及其表示
2. 3.全集
(1)为全集.
(2)记法:全集通常记作. 4.补集
5. ∁U U =,∁U ∅=U ,∁U (∁U A ) =.
三、典型例题
知识点一 集合并集的简单运算
例1 (1)设集合M ={4,5,6,8},集合N ={3,5,7,8},那么M ∪N 等于( ) A .{3,4,5,6,7,8} B .{5,8} C .{3,5,7,8} D .{4,5,6,8}
(2)已知集合P ={x |x <3},Q ={x |-1≤x ≤4},那么P ∪Q 等于
( ) A .{x |-1≤x <3} B .{x |-1≤x ≤4} C .{x |x ≤4} D .{x |x ≥-1} 答案 (1)A (2)C
解析 (1)由定义知M ∪N ={3,4,5,6,7,8}. (2)在数轴上表示两个集合,如图.
规律方法 解决此类问题首先应看清集合中元素的范围,简化集合,若是用列举法表示的数集,可以根据并集的定义直接观察或用Venn 图表示出集合运算的结果;若是用描述法表示的数集,可借助数轴分析写出结果,此时要注意当端点不在集合中时,应用“空心点”表示. 跟踪演练1 (1)已知集合A ={x |(x -1)(x +2) =0};B ={x |(x +2)(x -3) =0},则集合A ∪B 是( )
A .{-1,2,3} B .{-1,-2,3} C .{1,-2,3} D .{1,-2,-3}
(2)若集合M ={x |-3<x ≤5},N ={x |x <-5,或x >5},则
M ∪N =________. 答案 (1)C (2){x |x <-5,或x >-3} 解析 (1)∵A ={1,-2},B ={-2,3}, ∴A ∪B ={1,-2,3}.
(2)将-3<x ≤5,x <-5或x >5在数轴上表示出来.
则M ∪N ={x |x <-5,或x >-3}. 知识点二 集合交集的简单运算
例2 (1)已知集合A ={0,2,4,6},B ={2,4,8,16},则A ∩B 等于( ) A .{2} B .{4}
C .{0,2,4,6,8,16} D .{2,4}
(2)设集合A ={x |-1≤x ≤2},B ={x |0≤x ≤4},则A ∩B 等于( ) A .{x |0≤x ≤2} B .{x |1≤x ≤2} C .{x |0≤x ≤4} D .{x |1≤x ≤4} 答案 (1)D (2)A
解析 (1)观察集合A ,B ,可得集合A ,B 的全部公共元素是2,4,所以A ∩B ={2,4}. (2)在数轴上表示出集合A 与B ,如下图.
则由交集的定义可得A ∩B ={x |0≤x ≤2}.
规律方法 求交集就是求两集合的所有公共元素组成的集合,和求并集的解决方法类似. 5
跟踪演练2 已知集合A ={x |-1<x ≤3},B ={x |x ≤0,或x ≥},求A ∩B ,A ∪B .
25
解 ∵A ={x |-1<x ≤3},B ={x |x ≤0,或x ≥,
2把集合A 与B 表示在数轴上,如图.
5
∴A ∩B ={x |-1<x ≤3}∩{x |x ≤0,或x ≥25
={x |-1<x ≤0,或x ≤3};
2
5
A ∪B ={x |-1<x ≤3}∪{x |x ≤0或x ≥=R .
2知识点三 已知集合交集、并集求参数
例3 已知A ={x |2a ≤x ≤a +3},B ={x |x <-1,或x >5},若A ∩B =∅,求实数a 的取值范围.
解 由A ∩B =∅,
(1)若A =∅,有2a >a +3,∴a >3. (2)若A ≠∅,如下图:
2a ≥-1,⎧⎪1∴⎨a +3≤5,解得-≤a ≤2.
2
⎪⎩2a ≤a +3,
1
综上所述,a 的取值范围是{a |-a ≤2,或a >3}.
2
规律方法 1. 与不等式有关的集合的运算,利用数轴分析法直观清晰,易于理解.若出现参数应注意分类讨论,最后要归纳总结.
2.建立不等式时,要特别注意端点值是否能取到,分类的标准取决于已知集合,最好是把端点值代入题目验证.
跟踪演练3 设集合A ={x |-1<x <a },B ={x |1<x <3}且A ∪B ={x |-1<x <3},求a 的取值范围. 解 如下图所示,
由A ∪B ={x |-1<x <3}知,1<a ≤3. 知识点四 简单的补集运算
例4 (1)设全集U ={1,2,3,4,5},集合A ={1,2},则∁U A 等于( ) A .{1,2} B .{3,4,5} C .{1,2,3,4,5} D .∅
(2)若全集U =R ,集合A ={x |x ≥1},则∁U A =________. 答案 (1)B (2){x |x <1}
解析 (1)∵U ={1,2,3,4,5},A ={1,2}, ∴∁U A ={3,4,5}.
(2)由补集的定义,结合数轴可得∁U A ={x |x <1}.
规律方法 1. 根据补集定义,当集合中元素离散时,可借助Venn 图;当集合中元素连续时,可借助数轴,利用数轴分析法求解.
2.解题时要注意使用补集的几个性质:∁U U =∅,∁U ∅=U ,A ∪(∁U A ) =U .
跟踪演练1 已知全集U ={x |x ≥-3},集合A ={x |-3<x ≤4},则∁U A =________. 答案 {x |x =-3,或x >4}
解析 借助数轴得∁U A ={x |x =-3,或x >4}. 知识点五 交集、并集、补集的综合运算
例5 (1)已知集合A 、B 均为全集U ={1,2,3,4}的子集,且∁U (A ∪B ) ={4},B ={1,2},则A ∩∁U B 等于( ) A .{3} B .{4} C .{3,4} D .∅
(2)设集合S ={x |x >-2},T ={x |-4≤x ≤1},则(∁R S ) ∪T 等于( ) A .{x |-2<x ≤1} B .{x |x ≤-4} C .{x |x ≤1} D .{x |x ≥1}
答案 (1)A (2)C
解析 (1)∵U ={1,2,3,4},∁U (A ∪B ) ={4}, ∴A ∪B ={1,2,3}.又∵B ={1,2}, ∴{3}⊆A ⊆{1,2,3}. 又∁U B ={3,4}, ∴A ∩∁U B ={3}.
(2)因为S ={x |x >-2},所以∁R S ={x |x ≤-2}. 而T ={x |-4≤x ≤1},
所以(∁R S ) ∪T ={x |x ≤-2}∪{x |-4≤x ≤1} ={x |x ≤1}.
规律方法 1. 集合的交、并、补运算是同级运算,因此在进行集合的混合运算时,有括号的先算括号内的,然后按照从左到右的顺序进行计算.
2.当集合是用列举法表示时,如数集,可以通过列举集合的元素分别得到所求的集合;当集合是用描述法表示时,如不等式形式表示的集合,则可借助数轴求解.
跟踪演练2 设全集为R ,A ={x |3≤x <7},B ={x |2<x <10},求∁R (A ∪B ) 及(∁R A ) ∩B . 解 把全集R 和集合A 、B 在数轴上表示如下:
由图知,A ∪B ={x |2<x <10}, ∴∁R (A ∪B ) ={x |x ≤2,或x ≥10}. ∵∁R A ={x |x <3,或x ≥7},
∴(∁R A ) ∩B ={x |2<x <3,或7≤x <10}. 要点六 补集的综合应用
例6 已知全集U =R ,集合A ={x |x <-1},B ={x |2a <x <a +3},且B ⊆∁R A ,求a 的取值范围.
解 由题意得∁R A ={x |x ≥-1}.
(1)若B =∅,则a +3≤2a ,即a ≥3,满足B ⊆∁R A . (2)若B ≠∅,则由B ⊆∁R A ,得2a ≥-1且2a <a +3, 1
a <3.
21
综上可得a ≥-2
规律方法 1. 与集合的交、并、补运算有关的求参数问题一般利用数轴求解,涉及集合间关系时不要忘掉空集的情况;
2.不等式中的等号在补集中能否取到,要引起重视,还要注意补集是全集的子集.
跟踪演练3 已知集合A ={x |x <a },B ={x <-1,或x >0},若A ∩(∁R B ) =∅,求实数a 的取值范围.
解 ∵B ={x |x <-1,或x >0}, ∴∁R B ={x |-1≤x ≤0},
因而要使A ∩(∁R B ) =∅,结合数轴分析(如图) , 可得a ≤-
1.
四、课堂练习
1.若集合A ={0,1,2,3},B ={1,2,4},则集合A ∪B 等于( ) A .{0,1,2,3,4} B .{1,2,3,4} C .{1,2} D .{0} 答案 A
解析 集合A 有4个元素,集合B 有3个元素,它们都含有元素1和2,因此,A ∪B 共含有5个元素.故选A.
2.设A ={x ∈N |1≤x ≤10},B ={x ∈R |x 2+x -6=0},则如图中阴影部分表示的集合为(
)
A .{2} B .{3} C .{-3,2} D .{-2,3} 答案 A
解析 注意到集合A 中的元素为自然数,因此易知A ={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10},而直接解集合B 中的方程可知B ={-3,2},因此阴影部分显然表示的是A ∩B ={2}. 3.集合P ={x ∈Z |0≤x <3},M ={x ∈R |x 2≤9},则P ∩M 等于( ) A .{1,2} B .{0,1,2}
C .{x |0≤x <3} D .{x |0≤x ≤3} 答案 B
解析 由已知得P ={0,1,2},M ={x |-3≤x ≤3},故P ∩M ={0,1,2}. 4.已知集合A ={x |x >2,或x <0},B ={x |-5<x <5},则( ) A .A ∩B =∅ B .A ∪B =R C .B ⊆A D .A ⊆B 答案 B
解析 ∵A ={x |x >2,或x <0},B ={x |-5<x 5},
∴A ∩B ={x |-5<x <0,或2<x 5},A ∪B =R . 故选B.
5.设集合M ={x |-3≤x <7},N ={x |2x +k ≤0},若M ∩N ≠∅,则实数k 的取值范围为________. 答案 k ≤6
k 解析 因为N ={x |2x +k ≤0}={x |x ≤-,
2k
且M ∩N ≠∅,所以-≥-3⇒k ≤6.
2
6.若全集M ={1,2,3,4,5},N ={2,4},则∁M N 等于( ) A .∅ B .{1,3,5} C .{2,4} D .{1,2,3,4,5} 答案 B
解析 ∁M N ={1,3,5},所以选B.
7.已知全集U ={1,2,3,4,5},集合A ={1,2},B ={2,3,4},则B ∩∁U A 等于( ) A .{2} B .{3,4} C .{1,4,5} D .{2,3,4,5} 答案 B
解析 ∵U ={1,2,3,4,5},A ={1,2}, ∴∁U A ={3,4,5},
∴B ∩∁U A ={2,3,4}∩{3,4,5}={3,4}.
8.已知M ={0,1,2,3,4},N ={1,3,5},P =M ∩N ,则P 的子集共有( ) A .2个 B .4个 C .6个 D .8个 答案 B
解析 ∵P ={1,3},∴子集有22=4个.
9. 已知全集U =Z ,集合A ={0,1},B ={-1,0,1,2},则图中阴影部分所表示的集合为(
)
A .{-1,2} B .{-1,0} C .{0,1} D .{1,2} 答案 A
解析 图中阴影部分表示的集合为(∁U A ) ∩B ,因为A ={0,1},B ={-1,0,1,2},所以(∁U A ) ∩B ={-1,2}.
10.若全集U =R ,集合A ={x |x ≥1}∪{x |x ≤0},则∁U A =________. 答案 {x |0<x <1}
解析 ∵A ={x |x ≥1}∪{x |x ≤0},
∴∁U A ={x |0<x <1}.
五、巩固训练
1.已知集合A ={x |x ≥0},B ={x |-1≤x ≤2},则A ∪B 等于( ) A .{x |x ≥-1} B .{x |x ≤2} C .{x |0<x ≤2} D .{x |1≤x ≤2} 答案 A
解析 结合数轴得A ∪B ={x |x ≥-1}.
2.已知集合M ={x |(x -1) 2<4,x ∈R },N ={-1,0,1,2,3},则M ∩N 等于( ) A .{0,1,2} B .{-1,0,1,2} C .{-1,0,2,3} D .{0,1,2,3} 答案 A
解析 集合M ={x |-1<x <3,x ∈R },N ={-1,0,1,2,3},则M ∩N ={0,1,2},故选A. 3.设集合M ={x |x 2+2x =0,x ∈R },N ={x |x 2-2x =0,x ∈R },则M ∪N 等于( ) A .{0} B .{0,2} C .{-2.0} D .{-2,0,2} 答案 D
解析 集合M ={0,-2},N ={0,2},故M ∪N ={-2,0,2},选D. 4.设集合M ={x |-3<x <2},N ={x |1≤x ≤3},则M ∩N 等于( ) A .{x |1≤x <2} B .{x |1≤x ≤2} C .{x |2<x ≤3} D .{x |2≤x ≤3} 答案 A
解析 ∵M ={x |-3<x <2}且N ={x |1≤x ≤3}, ∴M ∩N ={x |1≤x <2}.
5.设A ={x |-3≤x ≤3},B ={y |y =-x 2+t }.若A ∩B =∅,则实数t 的取值范围是( ) A .t <-3 B .t ≤-3 C .t >3 D .t ≥3 答案 A
解析 B ={y |y ≤t },结合数轴可知t <-
3.
6.若集合A ={x |x ≤2},B ={x |x ≥a },满足A ∩B ={2},则实数a =________. 答案 2
解析 ∵A ∩B ={x |a ≤x ≤2}={2}, ∴a =2.
7.已知集合A ={x |-1≤x <3},B ={x |2x -4≥x -2}. (1)求A ∩B ;
(2)若集合C ={x |2x +a >0},满足B ∪C =C ,求实数a 的取值范围. 解 (1)∵B ={x |x ≥2},∴A ∩B ={x |2≤x <3}. a
(2)∵C ={x |x >-,B ∪C =C ⇔B ⊆C ,
2a
,∴a >-4.
2
8.集合A ={0,2,a },B ={1,a 2},若A ∪B ={0,1,2,4,16},则a 的值为( ) A .0 B .1 C .2 D .4 答案 D
解析 ∵A ∪B ={0,1,2,a ,a 2}, 又A ∪B ={0,1,2,4,16}, ∴{a ,a 2}={4,16},∴a =4.
9已知集合A ={x |-2≤x ≤7},B ={x |m +1<x <2m -1},且B ≠∅,若A ∪B =A ,则( ) A .-3≤m ≤4 B .-3<m <4 C .2<m <4 D .2<m ≤4 答案 D
解析 ∵A ∪B =A ,∴B ⊆A . 又B ≠∅, m +1≥-2,⎧⎪
∴⎨2m -1≤7,即2<m ≤4. ⎪⎩m +1<2m -1,
10.设集合A ={x |-1≤x ≤2},B ={x |-1<x ≤4},C ={x |-3<x <2}且集合A ∩(B ∪C ) ={x |a ≤x ≤b },则a =________,b =________. 答案 -1 2
解析 ∵B ∪C ={x |-3<x ≤4},∴A (B ∪C ) . ∴A ∩(B ∪C ) =A ,
由题意{x |a ≤x ≤b }={x |-1≤x ≤2}. ∴a =-1,b =2.
11.已知A ={x |-2≤x ≤4},B ={x |x >a }. (1)若A ∩B ≠A ,求实数a 的取值范围;
(2)若A ∩B ≠∅,且A ∩B ≠A ,求实数a 的取值范围.
解 (1)如图可得,在数轴上实数a 在-2的右边,可得a ≥-2;
(2)由于A ∩B ≠∅,且A ∩B ≠A ,所以在数轴上,实数a 在-2的右边且在4的左边,可得-2≤a <4.
12.已知集合A ={x |-2≤x ≤5},B ={x |2a ≤x ≤a +3},若A ∪B =A ,求实数a 的取值范围. 解 ∵A ∪B =A ,∴B ⊆A . 若B =∅时,2a >a +3,即a >3; 2a ≥-2,⎧⎪
若B ≠∅时,⎨a +3≤5,
⎪⎩2a ≤a +3,解得-1≤a ≤2,
综上所述,a 的取值范围是{a |-1≤a ≤2,或a >3}.
13.已知集合A ={x |2a +1≤x ≤3a -5},B ={x |x <-1,或x >16},分别根据下列条件求实数a 的取值范围.
(1)A ∩B =∅;(2)A ⊆(A ∩B ) . 解 (1)若A =∅,则A ∩B =∅成立. 此时2a +1>3a -5, 即a <6.
2a +1≤3a -5,⎧⎪
若A ≠∅,如图所示,则⎨2a +1≥-1,
⎪⎩3a -5≤16,
解得6≤a ≤7.
综上,满足条件A ∩B =∅的实数a 的取值范围是{a |a ≤7}. (2)因为A ⊆(A ∩B ) ,且(A ∩B ) ⊆A , 所以A ∩B =A ,即A ⊆B . 显然A =∅满足条件,此时a <6.
⎧⎪2a +1≤3a -5,
若A ≠∅,如图所示,则⎨
⎪3a -5<-1⎩⎧⎪2a +1≤3a -5,
或⎨ ⎪2a +1>16. ⎩
⎧⎪2a +1≤3a -5,由⎨解得a ∈∅; ⎪3a -5<-1⎩
⎧⎪2a +1≤3a -5,15由⎨解得a 2⎪⎩2a +1>16
15综上,满足条件A ⊆(A ∩B ) 的实数a 的取值范围是{a |a <6,或a . 2
13.已知全集U ={1,2,3,4},集合A ={1,2},B ={2,3},则∁U (A ∪B ) 等于( )
A .{1,3,4} B .{3,4} C .{3} D .{4}
答案 D
解析 ∵A ={1,2},B ={2,3},∴A ∪B ={1,2,3},
∴∁U (A ∪B ) ={4}.
14.已知A ={x |x +1>0},B ={-2,-1,0,1},则(∁R A ) ∩B 等于( )
A .{-2,-1} B .{-2}
C .{-1,0,1} D .{0,1}
答案 A
解析 因为集合A ={x |x >-1},
所以∁R A ={x |x ≤-1},
则(∁R A ) ∩B ={x |x ≤-1}∩{-2,-1,0,1}
={-2,-1}.
15.设U =R ,A ={x |x >0},B ={x |x >1},则A ∩(∁U B ) 等于( )
A .{x |0≤x <1} B .{x |0<x ≤1}
C .{x |x <0} D .{x |x >1}
答案 B
解析 ∁U B ={x |x ≤1},∴A ∩(∁U B ) ={x |0<x ≤1}.
16.设全集U 是实数集R ,M ={x |x <-2,或x >2},N ={x |1≤x ≤3}.如图所示,则阴影部分所表示的集合为(
)
A .{x |-2≤x <1} B .{x |-2≤x ≤3}
C .{x |x ≤2,或x >3} D .{x |-2≤x ≤2}
答案 A
解析 阴影部分所表示的集合为∁U (M ∪N ) =(∁U M ) ∩(∁U N ) ={x |-2≤x ≤2}∩{x |x <1或x >3}={x |-2≤x <1}.故选A.
5.已知集合A ={x |0≤x ≤5},B ={x |2≤x <5},则∁A B =________.
答案 {x |0≤x <2,或x =5}
解析 如图:
由数轴可知:∁A B ={x |0≤x <2,或x =5}.
17.设全集U =R ,集合A ={x |x ≥0},B ={y |y ≥1},则∁U A 与∁U B 的包含关系是________. 答案 ∁U A ∁U B
解析 ∵∁U A ={x |x <0},∁U B ={y |y <1}={x |x <1}.
∴∁U A ∁U B .
5⎫⎧18.已知全集U =R ,A ={x |-4≤x ≤2},B ={x |-1<x ≤3},P =⎨x |x ≤0,或x 2, ⎩⎭
(1)求A ∩B ;
(2)求(∁U B ) ∪P ;
(3)求(A ∩B ) ∩(∁U P ) .
解 (1)A ∩B ={x |-1<x ≤2}.
(2)∵∁U B ={x |x ≤-1,或x >3},
5⎫⎧∴(∁U B ) ∪P =⎨x |x ≤0,或x ≥2⎬. ⎩⎭
5⎫⎧(3)∵∁U P =⎨x |0<x <2⎬, ⎩⎭
5⎫⎧∴(A ∩B ) ∩(∁U P ) ={x |-1<x ≤2}∩⎨x |0<x <2={x |0<x ≤2}. ⎩⎭
19.已知集合A ={x |x <a },B ={x |1<x <2},且A ∪(∁R B ) =R ,则实数a 的取值范围是( )
A .a ≤1 B .a <1
C .a ≥2 D .a >2
答案 C
解析 如图所示,若能保证并集为R ,则只需实数a 在数2的右边(含端点2) ,所以a ≥
2.
20.如图,I 是全集,M 、P 、S 是I 的3个子集,则阴影部分所表示的集合是(
)
A .(M ∩P ) ∩S B .(M ∩P ) ∪S
C .(M ∩P ) ∩(∁I S ) D .(M ∩P ) ∪(∁I S )
答案 C
解析 依题意,由题干图知,阴影部分对应的元素a 具有性质a ∈M ,a ∈P ,a ∈∁I S, 所以阴影部分所表示的集合是(M ∩P ) ∩(∁I S ) ,故选C.
21.某班共30人,其中15人喜爱篮球运动,10人喜爱乒乓球运动,8人对这两项运动都不喜爱,则喜爱篮球运动但不喜爱乒乓球运动的人数为________.
答案 12
解析 设两项运动都喜欢的人数为x ,画出Venn 图得到方程
15-x +x +10-x +8=30
⇒x =3,
所以,喜爱篮球运动但不喜爱乒乓球运动的人数为15-3=12(人) .
22.已知A ={x |-1<x ≤3},B ={x |m ≤x <1+3m }.
(1)当m =1时,求A ∪B ;
(2)若B ⊆∁R A ,求实数m 的取值范围.
解 (1)m =1,B ={x |1≤x <4},
A ∪B ={x |-1<x <4}.
(2)∁R A ={x |x ≤-1,或x >3}.
1当B =∅时,即m ≥1+3m 得m ≤,满足B ⊆∁R A , 2
当B ≠∅时,使B ⊆∁R A 成立,
⎧⎧⎪m <1+3m ,⎪m <1+3m ,则⎨或⎨解得m >3. ⎪⎪1+3m ≤-1m >3,⎩⎩
综上可知,实数m 的取值范围是
1⎫⎧⎨m |m >3,或m ≤. 2⎭⎩
23.已知集合A ={x |-4≤x ≤-2},集合B ={x |x -a ≥0}.
(1)若A ⊆B ,求a 的取值范围;
(2)若全集U =R ,且A ⊆(∁U B ) ,求a 的取值范围.
解 ∵A ={x |-4≤x ≤-2},B ={x |x ≥a },
(1)由A ⊆B ,结合数轴(如图所示
)
可知a 的范围为a ≤-4.
(2)∵U =R ,∴∁U B ={x |x <a },要使A ⊆∁U B ,
须a >-
2.
24.若集合A ={x |ax 2+3x +2=0}中至多有一个元素,求实数a 的取值范围.
解 假设集合A 中含有2个元素,即ax 2+3x +2=0有两个不相等的实数根,则⎧⎪a ≠0,99⎨解得a <且a ≠0,则a 的取值范围是{a |a <a ≠0}. 88⎪⎩Δ=9-8a >0,
99在全集U =R 中,集合{a |a <,且a ≠0}的补集是{a |a ≥a =0}, 88
9所以满足题意的a 的取值范围是{a |a ≥,或a =0}. 8