数学I 第4章 論理と集合 — 条件の結合

この節の前提命題の結合/条件と真理集合

前の節では、ある条件 を真とする の集まり、真理集合を学んだ。命題が組み合わされて命題が作れたように、条件の場合にも条件の組み合わせによって、新たに条件を作ることができる。この新たに作られた条件の真理集合は、集合の基礎で学んだ集合と対応させて理解することができる。

条件の「かつ」と「または」

「かつ」の真理集合

§

定義1条件の「かつ」

2つの条件 、 に対して、「 は共に真である」という主張は条件となり

「 かつ 」

と書く。

いま、ある条件 において、変数 のとり得る範囲を考え、それを全体集合 とし、 の真理集合をそれぞれ とする。

『命題の「かつ」』でみたように、命題 が共に真のときに限り、命題「 かつ 」は真になるので、条件「 かつ 」の真理集合は となる。

全体集合 U を表す長方形の中に、集合 P と集合 Q を表す 2 つの円が交わって描かれている。集合 P と集合 Q の共通部分にあたる中央の部分に斜線が引かれている。

「または」の真理集合

§

定義2条件の「または」

2つの条件 に対して、「 の少なくとも一方は真である」という主張は条件となり

「 または 」

と書く。

いま、ある条件 において、変数 のとり得る範囲を考え、それを全体集合 とし、 の真理集合をそれぞれ とする。

『命題の「または」』でみたように、命題 が共に偽のときに限り、命題「 または 」は偽になるので、それ以外のときを考えて、条件「 または 」の真理集合は となる。

全体集合Uを表す長方形の中に、一部が重なる2つの集合PとQの円が描かれている。集合Pと集合Qを合わせた部分全体に斜線が引かれている。

条件の否定

否定の真理集合

§

定義3条件の否定

条件 に対して

「 ではない」

という主張は条件となり、条件 の否定という。

条件 の否定は、記号 で表すこともある。

いま、ある条件 において、 のとり得る範囲を考え、それを全体集合 とし、命題 が真となるような要素 の集合、つまり条件 の真理集合を とする。

全体集合Uを表す長方形の中に、集合Pを表す円が描かれている。長方形内部のうち円の外側にあたるPの補集合の領域に斜線が引かれ、その領域にPの補集合を表す記号が書かれている。

『命題の否定』でみたように、命題 が偽のときに命題 は真になるので、条件 の真理集合は の補集合 となる。

問題1条件の否定

は実数とする。次の条件の否定を答えよ。

  1. は無理数である
解答を見る
  1. 「 は である」の否定は「 は ではない」、よって

  2. 「 は 以上である」の否定は「 は 以上ではない」、つまり「 は より小さい」、よって

  3. 「 と を足したものは より大きい」の否定は「 と を足したものは より大きくはない」、つまり「 と を足したものは 以下である」、よって

  4. 「 は無理数である」の否定は「 は無理数ではない」、つまり

    「 は有理数である」

条件の「ならば」

「ならば」の真理集合

§

定義4条件の「ならば」

2つの条件 に対して、「もし が真であるならば、 は真である」という主張は条件となり

「 ならば 」

と書き、記号では と表す。

このとき、初めの条件 を仮定といい、後の条件 を結論という。

いま、ある条件 において、変数 のとり得る範囲を考え、それを全体集合 とし、 の真理集合をそれぞれ とする。

『命題の「ならば」』でみたように、 として命題 が真で命題 が偽のときに限り命題 は偽になるので、それ以外の場合を考えて、条件 の真理集合は となる。

全体集合Uの中に交わる2つの集合PとQがある。集合Pのうち集合Qに含まれない領域に点aがあり、その白い領域を除く全体が着色されている。

必要条件と十分条件

ここまで、条件 の真理集合を考えてきた。条件は の値が決まるまで真偽が決まらないので、それ自体は命題ではない。

ところで、『命題』の問題「真・偽の判断」では、「 ならば 」の真偽を答えた。 の値を決めていないのに、命題として扱っている。これは、この文を「どんな をとっても、 ならば である」という意味で読んでいたからである。そう読めば、 のとき なのに でないので、この主張は偽と決まる。

このように、条件 の全体に「全体集合内のすべての において」を付けると、 の値によらず真偽が1つに決まる。つまり

A:「全体集合内のすべての において、 は真となる」

という主張は命題となる。

条件の「ならば」の図のような場合では、白抜きの部分の要素 では、 は真、 は偽だから命題「 」は偽である。つまり、命題Aは偽となる。

この要素 のことを、この命題の反例 (counterexample) という。

しかし、次の図のように、条件 の真理集合 が となる場合には、全体集合内のいかなる要素をとろうとも、 は真となるので、この命題Aは真となる。

全体集合 U を表す長方形の中に集合 Q を表す円があり、その Q の円の中に集合 P を表す円が含まれている。長方形の内部全体には斜線が引かれている。
§

定義5必要条件と十分条件

全体集合内のすべての に対して、 が真であるとき

  • は であるための必要条件 (necessary condition) である
  • は であるための十分条件 (sufficient condition) である

という。

§

定義6必要十分条件

また、全体集合内のすべての に対して、 と がともに真であるとき

  • は であるための必要十分条件 (necessary and sufficient condition) である

または同値 (equivalence) であるといい、 と書く。

この場合は、次の図のように真理集合 と は等しく、 は であるための必要十分条件でもある。

全体集合 U を表す長方形の中に1つの円が描かれており、その円の上に P=Q と記されている。長方形の内部で円の外側にあたる部分には斜線が引かれている。

問題2必要条件と十分条件

次の四角の中に

  • (ア) 必要条件であるが十分条件ではない
  • (イ) 十分条件であるが必要条件ではない
  • (ウ) 必要十分条件である
  • (エ) 必要条件でも十分条件でもない

のうち、適当なものを選んで入れよ。

  1. は であるための、
  2. は であるための、
  3. は であるための、
  4. は であるための、
解答を見る
  1. これより

    全体集合Uの中に集合Pを表す円があり、その内部に集合Qを表す円が含まれている。集合Qの中にx=2があり、Pの中かつQの外側にx=0がある。
    • は偽 (反例 )
    • は真

    となるので、 には(ア)が入る。

  2. 積 が 以下になるのは、 の符号が異なるときか、少なくとも一方が のときだから これより

    全体集合 U の枠内に集合 Q の円があり、その中に集合 P の円が含まれている。Q の内部かつ P の外部に点があり、x=-1 かつ y=1 と添えられている。
    • は真
    • は偽 (反例 かつ など)

    となるので、 には(イ)が入る。

  3. に関して、まず このうち、さらに を満たす は かつ である。これより

    全体集合Uを表す長方形の中に、1つの円が描かれている。長方形の上辺に記号Uが、円の上部にP=Qと記されており、集合Pと集合Qが等しいことを示している。
    • は真
    • は真

    つまり、 であるから、 には(ウ)が入る。

  4. 全体集合 U の中に、一部が重なる2つの集合 P, Q が描かれている。P のみに属する部分に x=1、Q のみに属する部分に x=-1 の点がそれぞれ配置されている。
    • は偽 (反例 )
    • は偽 (反例 など)

    となるので、 には(エ)が入る。

「すべて」と「ある」

「すべて」と「ある」の否定

『必要条件と十分条件』でみたように、条件 に「全体集合内のすべての について」を付けると命題になる。同じように、「 を満たす が少なくとも1つある」という主張も命題になる。

§

定義7「すべて」と「ある」

条件 の真理集合を 、全体集合を とする。

  • 「すべての について 」とは、 ということである
  • 「ある について 」( を満たす が存在する)とは、 ということである

例えば、 を実数全体とすると、「すべての について 」は真であり、「ある について 」は偽である。

この2つの命題を否定すると、どうなるだろうか。「すべての について 」が偽であるとは、 でないこと、つまり に入らない が少なくとも1つあることである。言い換えると「ある について でない」となる。同じように、「ある について 」が偽であるとは、 ということ、つまり「すべての について でない」となる。

§

定理8「すべて」と「ある」の否定

  • 「すべての について 」の否定は「ある について でない」
  • 「ある について 」の否定は「すべての について でない」

つまり、「すべて」を否定すると「ある」が現れ、「ある」を否定すると「すべて」が現れる。「全員が合格した」の否定は「全員が不合格だった」ではなく「不合格の人がいる」であり、「合格した人がいる」の否定は「全員が不合格だった」である。

特に、命題A「すべての について 」の否定を考えてみよう。『「ならば」のいいかえ』と『ド・モルガンの法則(命題版)』から、 の否定は「 かつ でない」になるので、命題Aの否定は

「ある について、 かつ でない」

となる。これは「反例となる が存在する」ということであり、命題Aが偽であることを示すには反例を1つ挙げればよい、ということと一致する。

問題3「すべて」と「ある」の否定

次の命題の否定を作れ。また、もとの命題と否定した命題のどちらが真か答えよ。ただし、 は実数、 は整数とする。

  1. すべての について、 である。
  2. ある について、 である。
  3. すべての について、 が偶数ならば は の倍数である。
  4. すべての について、 ならば である。
  5. ある について、 である。
解答を見る
  1. 否定は「ある について、 である」。実数の2乗は 以上なので、もとの命題が真。

  2. 否定は「すべての について、 である」。実数の2乗が負になることはないので、否定した命題が真。

  3. 否定は「ある について、 は偶数であるが は の倍数でない」。 が偶数のとき ( は整数)とおけ、 は の倍数となるので、もとの命題が真。

  4. 否定は「ある について、 であるが である」。 がこれを満たすので、否定した命題が真。

  5. 否定は「すべての について、 である」。 となる整数 は存在しないので、否定した命題が真。

最終更新: 2026-10-14

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