В математике, особенно теории множеств, декартово произведение двух наборы A и B, обозначенные A × B, являются набором всех упорядоченных пар (a, b), где a находится в A, а b находится в B. В терминах set -билдер, то есть
Таблица может быть создана взяв декартово произведение набора строк и набора столбцов. Если берется декартово произведение строк × столбцы, ячейки таблицы содержат упорядоченные пары формы (значение строки, значение столбца).
Аналогичным образом можно определить декартово произведение n наборов, также известное как n-кратное декартово произведение, которое может быть представлено n-мерным массивом, где каждый элемент представляет собой n- кортеж. Упорядоченная пара - это 2-кортеж или пара. В более общем плане можно определить декартово произведение индексированного семейства наборов.
Декартово произведение названо в честь Рене Декарта, чья формулировка аналитической геометрии породила концепцию, которая далее обобщается в терминах прямого произведения.
Наглядным примером является стандартная колода из 52 карт. Стандартная игральная карта рангов {A, K, Q, J, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2} образуют набор из 13 элементов. Масти карт {♠, ♥, ♦, ♣} образуют набор из четырех элементов. Декартово произведение этих наборов возвращает набор из 52 элементов, состоящий из 52 упорядоченных пар, которые соответствуют всем 52 возможным игральным картам.
Ranks × Suits возвращает набор вида {(A, ♠), (A, ♥), (A, ♦), (A, ♣), (K, ♠),..., (3, ♣), (2, ♠), (2, ♥), (2, ♦), (2, ♣)}.
Suits × Ranks возвращает набор вида {(♠, A), (♠, K), (♠, Q), (♠, J), (♠, 10),..., (♣, 6), (♣, 5), (♣, 4), (♣, 3), (♣, 2)}.
Эти два набора различны, даже не пересекаются.
Основным историческим примером является декартова плоскость в аналитической геометрии. Чтобы представить геометрические формы числовым способом и извлечь числовую информацию из числовых представлений форм, Рене Декарт присвоил каждой точке на плоскости пару действительных чисел, названных ее координаты. Обычно первую и вторую компоненты такой пары называют ее координатами x и y соответственно (см. Рисунок). Таким образом, набор всех таких пар (т.е. декартово произведение ℝ × ℝ, где ℝ обозначает действительные числа) присваивается набору всех точек на плоскости.
Формальное определение декартова произведения из теоретико-множественных принципов следует из определения упорядоченной пары. Наиболее распространенное определение упорядоченных пар, определение Куратовского, это . Согласно этому определению является элементом , а является подмножеством этого набора, где представляет оператор набора мощности. Следовательно, существование декартова произведения любых двух множеств в ZFC следует из аксиом спаривания, union, power set, и спецификация. Поскольку функции обычно определяются как частный случай отношений, а отношения обычно определяются как подмножества декартова произведения, определение декартова произведения из двух множеств обязательно предшествует большинству другие определения.
Пусть A, B, C и D - множества.
Декартово произведение A × B не является коммутативным,
потому что упорядоченные пары меняются местами, если не выполняется хотя бы одно из следующих условий:
Для пример:
. Строго говоря, декартово произведение не является ассоциативным (если один из задействованных наборов не пуст).
Если, например, A = {1}, тогда (A × A) × A = {((1,1), 1)} ≠ {(1, (1,1))} = A × (A × A).
A = {y∈ ℝ : 1≤y≤4},. B = {x ∈ℝ: 2≤x≤5} и C = {x∈ℝ: 4≤x≤7}, демонстрируя. A × (B∩C) = (A × B) ∩ (A × C),. A × (B∪C) = (A × B) ∪ (A × C) и.
A × (B \ C) = (A × B) \ (A × C) Примеры наборов.A = {x∈ℝ: 2≤x≤5}, B = {x∈ℝ: 3≤x≤7},. C = {y∈ℝ: 1≤y ≤3}, D = {y∈ℝ: 2≤y≤4}, демонстрируя.
(A∩B) × (C∩D) = (A × C) ∩ (B × D). (A∪B) × (C∪D) ≠ (A × C) ∪ (B × D) можно увидеть из того же примера.Декартово произведение удовлетворяет следующему свойству относительно пересечений (см. Средний рисунок).
В большинстве случаев приведенное выше утверждение неверно, если мы заменим пересечение на union (см. крайний правый рисунок).
На самом деле, мы имеем:
Для разницы множеств мы также имеем следующую идентичность:
Вот несколько правил, демонстрирующих дистрибутивность с другими операторами (см. Крайний левый рисунок):
где обозначает абсолютное дополнение к A.
Другие свойства, связанные с подмножествами :
Мощность набора - это количество элементов набора. Например, определение двух наборов: A = {a, b} и B = {5, 6}. Оба набора A и B состоят из двух элементов каждый. Их декартово произведение, записанное как A × B, приводит к новому набору, который имеет следующие элементы:
где каждый элемент A связан с каждым элементом B, и где каждая пара составляет один элемент выходного набора. Количество значений в каждом элементе результирующего набора равно количеству наборов, декартово произведение которых берется; 2 в данном случае. Мощность выходного набора равна произведению мощностей всех входных наборов. То есть
В этом случае | A × B | = 4
Аналогично
и так далее.
Набор A × B является бесконечным, если A или B бесконечны, а другой набор не является пустым набором.
Декартово произведение может быть обобщено до n-арного декартова произведения по n множествам X 1,..., X n как множество
из n-кортежей. Если кортежи определены как вложенные упорядоченные пары, они могут быть идентифицированы как (X 1 ×... × X n − 1) × X n. Если кортеж определен как функция на {1, 2,..., n}, которая принимает свое значение в i как i-й элемент кортежа, то декартово произведение X 1 ×... × X n - это набор функций
Декартов квадрат множества X равен декартово произведение X = X × X. Примером является двумерная плоскость R= R× R, где R - это набор действительных чисел, :R- это набор всех точек ( x, y), где x и y - действительные числа (см. декартова система координат ).
n-арная декартова степень множества X, обозначенная , может быть определена как
Примером этого является R= R× R× R, с R снова набор действительных чисел, и в более общем смысле R.
n-арная декартова степень множества X изоморфна пространству функций из n-элементного множества в X. В качестве специального В этом случае 0-арная декартова степень X может быть взята как одноэлементный набор, соответствующий пустой функции с codomain X.
Можно определить декартово произведение произвольного (возможно, бесконечного ) индексированного семейства наборов. Если I - любой набор индексов, и - семейство наборов, индексированных I, затем декартово произведение наборов в определяется как
то есть, набор всех функций, определенных в набор индексов таким образом, что значение функции по конкретному индексу i является элементом X i. Даже если каждое из X i непусто, декартово произведение может быть пустым, если аксиома выбора, которая эквивалентна утверждению о том, что каждое такое произведение непусто, не предполагается.
Для каждого j в I функция
определяется как называется jth карта проекции.
Декартова степень - это декартово произведение, где все множители X i являются одним и тем же набором X. В этом случае
- это набор всех функций из I к X и часто обозначается X. Этот случай важен при изучении кардинального возведения в степень. Важным частным случаем является случай, когда набор индексов равен , натуральные числа : это декартово произведение представляет собой набор всех бесконечных последовательностей. с i-м членом в соответствующем наборе X i. Например, каждый элемент
можно визуализировать как вектор со счетно бесконечными компонентами действительного числа. Этот набор часто обозначается как или .
Если несколько наборов умножаются вместе (например, X 1, X 2, X 3,…), то некоторые авторы предпочитают сокращать декартово произведение как просто ×Xi.
Если f - функция от A до B, а g - функция от X до Y, то их декартово произведение f × g является функцией от A × X до B × Y с
Это можно расширить до кортежей и бесконечных наборов функций. Это отличается от стандартного декартова произведения функций, рассматриваемых как множества.
Пусть будет набором, а . Тогда цилиндр относительно является декартовым произведением из и .
Обычно считается юниверсом контекста и не учитывается. Например, если является подмножеством натуральных чисел , то цилиндр is .
Хотя декартово произведение традиционно применяется к множествам, теория категорий обеспечивает более общую интерпретацию произведения математических структур. Это отличается, хотя и связано с понятием декартова квадрата в теории категорий, которое является обобщением продукта волокна.
Возведение в степень является правым присоединенным декартова произведения; таким образом, любая категория с декартовым произведением (и конечным объектом ) является декартовой замкнутой категорией.
В теории графов Декартово произведение двух графов G и H - это граф, обозначенный G × H, чье множество вершин представляет собой (обычное) декартово произведение V (G) × V (H) и такое, что две вершины (u, v) и (u ′, v ′) смежны в G × H, если и только если u = u ′ и v смежна с v ′ в H, или v = v ′ и u смежна с u ′ в G. Декартово произведение графов не является произведением в смысле теории категорий. Вместо этого категориальный продукт известен как тензорное произведение графов.