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1 MATEMÁTICA Unidade de Aprendizagem 3 Operações básicas com Conjuntos Ao final da Unidade você deverá ser capaz de formar novos conjuntos a partir das operações de Intersecção, União, Complementação, Diferença e Diferença simétrica de conjuntos. Abstração dos elementos e conceitos relacionados às operações com conjuntos a serem utilizadas na descrição de fenômenos e na solução de determinadas situações-problema. Aplicar adequadamente as operações com conjuntos na resolução de situações-problema. Usar corretamente a linguagem pertinente a essa teoria na descrição de fenômenos e resolução de problemas. 2 Operações básicas com Conjuntos Apresentação Nas Unidades de Aprendizagem 01 e 02 você teve contato com a teoria dos Conjuntos e pôde perceber que ela facilita o entendimento de situações- problema. Nesta Unidade você vai avançar um pouco mais neste estudo, tendo contato com as operações básicas com conjuntos. Estas operações são importantes quando um problema envolve dois ou mais subconjuntos do mesmo Universo se inter-relacionando. Todas as ideias e todas as representações estudadas nas unidades anteriores, simbólicas e gráficas, serão importantes aqui. Você vai estudar: Intersecção, União, Complementação, Diferença e Diferença Simétrica de conjuntos, bem como reconhecer as propriedades destas operações. Para começar A Matemática é uma ferramenta importante que ajuda a representar e solucionar muitas situações na vida profissional além de auxiliar na tomada de decisões. Nas Unidades de Aprendizagem anteriores você teve contato com exemplos por meio dos quais pôde constatar essa afirmação, usando algum conhecimento de conjuntos. Utilizando todas as ideias estudadas até agora e mais algumas operações possíveis entre conjuntos que veremos nessa Unidade de Aprendizagem, você compreenderá que os caminhos para se estruturar e resolver determinados problemas ficam mais simples e interessantes. Muitas empresas, por exemplo, apoiam a melhoria da qualificação 3 profissional dos seus colaboradores. Com base em um diagnóstico do perfil de seus colaboradores, ações podem ser desenvolvidas no sentido de incentivar o aperfeiçoamento profissional e a melhoria da prestação de serviços da empresa, tendo em vista o cumprimento de objetivos e metas estabelecidas. Nesse contexto, suponha que o setor de Gestão de Pessoal de uma empresa tenha obtido, depois de uma pesquisa com 50 colaboradores, as seguintes informações relativas ao conhecimento das línguas estrangeiras Inglês e Espanhol: Total de colaboradores: 50 Gênero: Feminino: 25 Masculino: 25 Fluência em Inglês: 20 Fluência em Espanhol: 25 Fluência em Inglês e em Espanhol: 10 Dados como esses podem subsidiar o gestor na elaboração de um planejamento para aprimoramento de sua equipe em relação à língua estrangeira. Uma medida, por exemplo, pode ser o oferecimento de bolsas de estudos em determinada língua àqueles que não a dominam fluentemente. Contudo, o gestor precisa saber exatamente, dentre os 50 colaboradores: 4 Quantos são fluentes em Inglês e não são fluentes em Espanhol? Quantos são fluentes em Espanhol e não são fluentes em Inglês? Quantos são fluentes nos dois idiomas? Quantos não são fluentes nos dois idiomas? Antes de prosseguir a leitura, pense em responder a essas questões a partir das informações disponibilizadas ao gestor. Anote o seu raciocínio. Bem, você deve ter percebido que não é um bom caminho somar os valores 20, 25 e 10. “A conta não fecha”, não resulta 50, que é o total de pessoas, não é mesmo? Por que essa soma de valores não deu certo? Observe que uma informação dada é que 20 colaboradores possuem fluência em Inglês. Essa afirmação considera todos os que falam Inglês e inclui aqueles que falam outro idioma além de Inglês. Seria diferente se a informação fosse: 20 colaboradores possuem fluência apenas em Inglês. Nesse último caso, estaria explícito que nenhum deles teria conhecimento de outro idioma estrangeiro, apenas de Inglês. A mesma ideia vale para a informação sobre o número de colaboradores que possuem fluência em Espanhol. Por isso, ao somar os valores 20, 25 e 10, você contará duas vezes algumas pessoas (aquelas que têm fluência em mais de um idioma). É possível resolver o problema do gestor utilizando algum raciocínio e cálculos. Porém, vale a pena aplicar aqui o pensamento do filósofo chinês Confúcio (que viveu em 470 a. C.): “Uma imagem vale mais que mil palavras”. 5 Queremos dizer o seguinte para você: usando Diagrama de Venn é possível “enxergar” melhor o problema. Então, vamos utilizá-lo agora. Esse assunto já foi tratado na seção 2.3 da UA 02. Lembra-se? Figura 1: Forma geral do diagrama com 2 subconjuntos de um conjunto S Você pode considerar: S = conjunto dos colaboradores que participaram da pesquisa (Universo) A= conjunto dos colaboradores com fluência em Inglês B = conjunto dos colaboradores com fluência em Espanhol Desta maneira, podemos indicar os colaboradores que participaram da pesquisa nas regiões justapostas de um diagrama conforme Figura 2: Figura 2: Diagrama – fluência em língua estrangeira 6 Começando pela região comum a A e a B, indicaremos nela os colaboradores que têm fluência em Inglês e em Espanhol. Sobre eles, não temos seus nomes, mas sabemos que totalizam 10. Podemos registrar este número nessa região. Na região A estão todos aqueles que têm fluência em Inglês (20 colaboradores), logo, os que estão em A e não estão em B totalizam 10 (=20- 10) colaboradores. Na região B estão todos aqueles que têm fluência em Espanhol, logo, os que estão em B e não estão em A somam 15 (=25-10) colaboradores. Somando-se os fluentes somente em Inglês, os fluentes somente em Espanhol e os fluentes simultaneamente em Inglês e Espanhol, totalizamos 35. Concluímos, então, que o número de colaboradores que não têm fluência em Inglês e nem em Espanhol é 15 (o cálculo realizado foi 50-35). Todos esses números podem ser visualizados no diagrama da Figura 3: 7 Figura 3: Diagrama – número de colaboradores com fluência em língua estrangeira Perceba que, com essa organização das informações, o gestor consegue visualizar todas as respostas para as suas perguntas. Esses dados lhe permitirão fazer um planejamento adequado para sua proposta de aprimoramento profissional. Observe que as quatro regiões justapostas de S são subconjuntos de S: são conjuntos resultantes de alguma operação. O conjunto que contém todos os elementos comuns a A e B é denominado Intersecção de A e B. Também podemos ver como conjunto a reunião de todos os elementos que pertencem a A ou a B; este conjunto é chamado União de A e B e envolve os elementos de três casos que exemplificamos com as fluências em Inglês e Espanhol: elementos que pertencem somente a A, elementos que pertencem somente a B e todos os elementos que pertencem a A e a B simultaneamente. E o conjunto de todos os elementos que pertencem a S e não pertencem a A é chamado Complementar de A em relação a S. Intersecção, União e Complementação são algumas operações realizadas com conjuntos. Nesta Unidade de Aprendizagem você aprenderá cinco operações básicas (Intersecção, União, Complementação, Diferença e Diferença Simétrica) bem como suas propriedades. As diferentes operações com conjuntos vão 8 ATENÇÃOAo estudar as operações básicas, você vai observar a presença de determinadas palavras que relacionam os conjuntos envolvidos. Essas palavras expressam conectivos lógicos entre os conjuntos. Nessa Unidade, vai aparecer: o conectivo e, o conectivo ou, o conectivo não e o conectivo ou...ou. Fique atento(a) à ocorrência e ao uso adequado de cada um deles. permitir que você estruture e resolva outros problemas. Cabe antecipar que tudo o que você está estudando sobre Conjuntos vai ser muito aplicado numa disciplina que você vai cursar no próximo semestre: Estatística. Particularmente, conjuntos, subconjuntos e suas operações ajudam a organizar problemas de probabilidade, que é um assunto extremamente importante em todas as áreas de conhecimento, uma vez que ajuda a “calcular a chance” de ocorrer um determinado resultado de interesse. Bem, antes de se aprofundar nesse assunto, você precisa dominar a UA 3. Vamos aos seus Fundamentos! Fundamentos 1. Operações básicas com Conjuntos Operações com conjuntos podem ser realizadas somente se os conjuntos envolvidos estiverem contidos num mesmo Universo. Para aplicar as operações entre conjuntos, vamos considerar inicialmente o conjunto Universo do problema e indicá-lo pela letra maiúscula U. 9 ATENÇÃO Observe que utilizamos o conectivo e para expressar os elementos da Interseção de A e B. Isso porque A ∩ B indica o conjunto dos elementos de U que pertencem a A e também pertencem a B. 1.1 Intersecção de Conjuntos Se A e B são subconjuntos de U, a Intersecção de A e B é o conjunto dos elementos de U que pertencem simultaneamente a A e a B. O símbolo utilizado para a operação de intersecção de conjuntos é ∩ (similar à letra maiúscula U, com abertura para baixo). A intersecção de A e B é indicada por 𝐴 ∩ 𝐵, que se lê: “A intersecção B”, ou simplesmente, “A inter B”. A Intersecção de A e B é o conjunto representado simbolicamente por 𝐴 ∩ 𝐵 = {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∈ 𝐴 𝑒 𝑥 ∈ 𝐵}. Usando a representação em Diagrama de Venn, 𝐴 ∩ 𝐵 é a região comum a A e a B. Vejamos algumas possibilidades: 1) De uma forma geral, a representação de 𝐴 ∩ 𝐵 fica: Figura 4: Intersecção de A e B 10 Seguem alguns exemplos: a) Sejam A={0,1,2,3,4,5} e B={1,3,5,7,9} subconjuntos de U={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}. Então os elementos da Intersecção de A e B são os elementos que pertencem a A e pertencem a B, simultaneamente. Portanto, A∩B={1,3,5}. Veja a representação de 𝐴 ∩ 𝐵 usando os Diagramas de Venn na Figura 5: Figura 5: Exemplo - Intersecção de A e B b) Vamos retomar um exemplo visto na UA 2. O Universo U lista os nomes dos profissionais de uma equipe de trabalho: U={Ana, Lia, Sara, João, Caio, Beto, Lucas, Célia, Léo, Diego} Nos conjuntos A e B são listados os nomes dos profissionais selecionados para trabalhar no desenvolvimento de um projeto, num determinado final de semana: Sábado: A={Ana, Lia, Caio, Lucas, Léo} Domingo: B={Caio, Beto, Lucas, Léo, Diego} 11 Os profissionais selecionados para trabalhar no sábado e no domingo formam a Intersecção de A e B, ou seja, A∩B = {Caio, Lucas, Léo}. Veja os Diagramas de Venn para esse exemplo na Figura 6: Figura 6: Exemplo – Intersecção de 2 conjuntos 2) Se os conjuntos A e B não possuem elementos comuns, dizemos que A e B são disjuntos. Neste caso, a intersecção de A e B é o conjunto vazio. A representação dessa operação fica: 𝐴 ∩ 𝐵 = ∅. Figura 7: Intersecção de conjuntos vazia 12 Como exemplo, considere A={0,2,4} e B={1,3,5} subconjuntos de U={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}. Como A e B não tem elementos comuns, a Intersecção de A e B é o conjunto vazio. Portanto, A∩B=∅. 3) Todos os elementos de A pertencem a B, ou seja, se 𝐴 ⊂ 𝐵, então 𝐴 ∩ 𝐵 = 𝐴. Figura 8: Intersecção de 2 conjuntos no caso 𝐴 ⊂ 𝐵 Outro exemplo: suponha que João e Felipe moram na mesma cidade; vamos representar dois conjuntos A e B, respectivamente, que indicam os locais frequentados por eles em seus momentos de lazer: A={clube, cinema, boate} B={cinema, boate, clube, escola de dança, academia} Os locais comuns frequentados por eles formam a Intersecção de A e B. Como 𝐴 ⊂ 𝐵, segue que A∩B = {clube, cinema, boate} = A. 13 A operação de Intersecção também pode ser realizada com três ou mais conjuntos. É bom lembrar a representação geral em Diagramas de Venn de três subconjuntos de um conjunto S, estudada na seção 2.3 da UA 2: Figura 9: Diagrama de 3 subconjuntos Se A, B e C são subconjuntos de um Universo U, a Intersecção de A, B e C é o conjunto dos elementos de U que pertencem simultaneamente a A, B e C. A Intersecção dos conjuntos A, B e C é o conjunto representado simbolicamente por 𝐴 ∩ 𝐵 ∩ 𝐶 = {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∈ 𝐴 𝑒 𝑥 ∈ 𝐵 𝑒 𝑥 ∈ 𝐶}. 14 Usando Diagrama de Venn, a representação de 𝐴 ∩ 𝐵 ∩ 𝐶 é a região dos elementos que pertencem a A, B e C, simultaneamente, conforme a Figura 10. Figura 10: Intersecção de 3 subconjuntos Como exemplo, vamos retomar o diagrama do exemplo da UA 2 que mostra a distribuição dos profissionais do universo U={Ana, Lia, Sara, João, Caio, Beto, Lucas, Célia, Léo, Diego}, de acordo com o(s) transporte(s) público(s) que utiliza(m): Figura 11: Exemplo de Diagrama de Intersecção de 3 subconjuntos 15 Se A = conjunto dos profissionais que utilizam metrô B = conjunto dos profissionais que utilizam ônibus C = conjunto dos profissionais que utilizam trem Concluímos que: A∩B={Lucas, João, Diego} (utilizam metrô e ônibus) A∩C={Sara, Diego} (utilizam metrô e trem) B∩C={Léo, Diego} (utilizam ônibus e trem) A∩B∩C={Diego} (utilizam metrô, ônibus e trem) Ao estudar uma operação matemática, é importante observar quais são as propriedades válidas para essa operação, pois estas ajudam na hora de resolver um problema. No caso de Intersecção de conjuntos, as principais propriedades válidas para subconjuntos A, B e C do Universo U são as seguintes: 1. Associativa: (A ∩ B) ∩ C = A ∩ (B ∩ C) 2. Elemento Neutro: A ∩ U = 𝑈 ∩ A = 𝐴 3. Comutativa: A ∩ B = B ∩ A 4. Idempotência: A ∩ A = A 5. Intersecção com Vazio: A ∩ ∅ = ∅ ∩ A = ∅ A validade de cada uma dessas igualdades pode ser verificada com facilidade se você utilizar Diagrama de Venn. Que tal tentar? Após essa verificação, acesse o Momento da Verdade e exercite todas essas ideias relativas a Intersecção de conjuntos. 16 ATENÇÃO Observe que usamos o conectivo ou para expressar a união de A e B. Ou seja, a união de A e B indica o conjunto dos elementos que estão em A ou estão em B, e isso inclui a possibilidade de um elemento estar simultaneamente em A e em B. Alguns profissionais da Língua Portuguesa chamam esse ou de ou inclusivo. Exemplo: “nesse jogo haverá gol de atacante ou gol de zagueiro!”. Essa frase é verdadeira se houver apenas gol de atacante, se houver apenas gol de zagueiro ou mesmo se houver gol de atacante e de zagueiro. 1.2 União de Conjuntos Se A e B são subconjuntos de U, a União de A e B é o conjunto dos elementos de U que pertencem a A ou pertencem a B, incluindo os elementos que pertencem a A e a B, simultaneamente. O símbolo utilizado para a operação de União de conjuntos é ∪ (similar à letra U maiúscula). A união de dois conjuntos A e B é indicada por 𝐴 ∪ 𝐵, que se lê: “A união B”. A uniãodos conjuntos A e B é o conjunto representado simbolicamente por 𝐴 ∪ 𝐵 = {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∈ 𝐴 𝑜𝑢 𝑥 ∈ 𝐵}. A representação de 𝐴 ∪ 𝐵 em Diagramas de Venn abrange: ➢ a região dos elementos que pertencem a A e não pertencem a B; ➢ a região dos elementos que pertencem a B e não pertencem a A; ➢ a região dos elementos que pertencem a A e a B, simultaneamente. Vejamos algumas possibilidades: 17 1) Em geral, o diagrama da União de A e B é representado conforme a Figura 12: Figura 12: Diagrama da união de dois conjuntos Alguns exemplos ajudam a compreender melhor a operação. Vejamos: a) Consideremos A={0,1,2,3,4,5} e B={1,3,5,7,9} subconjuntos de U={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}. Os elementos da União de A e B são os elementos que pertencem a A ou pertencem a B, incluindo os que pertencem aos dois conjuntos. Logo, A∪B={0,1,2,3,4,5,7,9}. A representação de 𝐴 ∪ 𝐵 em diagrama é mostrada na Figura 13: Figura 13: Exemplo de união de dois conjuntos 18 b) Podemos retomar o exemplo visto na UA 2, em que o Universo U consiste nos profissionais de uma equipe de trabalho: U={Ana, Lia, Sara, João, Caio, Beto, Lucas, Célia, Léo, Diego} e A e B são os conjuntos dos profissionais selecionados para trabalhar no desenvolvimento de um projeto, num determinado final de semana: Sábado: A={Ana, Lia, Caio, Lucas, Léo} Domingo: B={Caio, Beto, Lucas, Léo, Diego} Os profissionais selecionados para trabalhar no sábado ou no domingo formam a União de A e B. Temos: AUB = {Ana, Lia, Caio, Beto, Lucas, Léo, Diego}. A Figura 14 ilustra os Diagramas de Venn para o sábado e para o domingo: Figura 14: Exemplo de diagrama da união de 2 conjuntos 2) Se A e B são disjuntos, podemos representar a união conforme a Figura 15: 19 Figura 15: União de dois conjuntos disjuntos Considerando A={0,2,4} e B={1,3,5} subconjuntos de U={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, a União de A e B é dada por A∪B={0,1,2,3,4,5}. Como A e B são disjuntos, basta listar todos os elementos de A e todos os de B para obter a união de A e B. 3) Se todos os elementos de A pertencem a B, ou seja, se 𝐴 ⊂ 𝐵, então 𝐴 𝐵 = 𝐵. Figura 16: União de dois conjuntos Recordando o exemplo dos locais frequentados por João e Felipe, que moram na mesma cidade: 20 João: A={clube, cinema, boate} Felipe: B={cinema, boate, clube, escola de dança, academia} Temos: A∪B={cinema, boate, clube, escola de dança, academia} = B. A operação de União pode ser realizada com três ou mais conjuntos. Se A, B e C são subconjuntos de um universo U, a União de A, B e C é o conjunto dos elementos de U que pertencem a qualquer um dos conjuntos: A, B ou C. A União dos conjuntos A, B e C é o conjunto representado simbolicamente por 𝐴 ∪ 𝐵 ∪ 𝐶 = {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∈ 𝐴 𝑜𝑢 𝑥 ∈ 𝐵 𝑜𝑢 𝑥 ∈ 𝐶}. Usando Diagrama de Venn, a representação de 𝐴 ∪ 𝐵 ∪ 𝐶 é a região dos elementos que pertencem a A, B ou C, incluindo todos que pertencem às interseções. Figura 17: União de 3 subconjuntos Voltando a observar os diagramas do exemplo dos meios de transporte da UA 2: 21 Figura 18: Exemplo de Diagramas de 3 subconjuntos Temos o universo U={Ana, Lia, Sara, João, Caio, Beto, Lucas, Célia, Léo, Diego} que lista os profissionais da empresa em questão. Segundo o(s) transporte(s) público(s) que utilizam, já definimos: A = conjunto dos profissionais que utilizam metrô B = conjunto dos profissionais que utilizam ônibus C = conjunto dos profissionais que utilizam trem Concluímos que: A∪B={Ana, Sara, Lucas, João, Diego, Beto, Léo} (utilizam metrô ou ônibus) 22 A∪C={Ana, Sara, Lucas, João, Diego, Lia, Léo} (utilizam metrô ou trem) B∪C={Sara, Léo, Diego, Lia, Lucas, João, Beto} (utilizam ônibus ou trem) A∪B∪C={Ana, Lia, Sara, João, Beto, Lucas, Léo, Diego}(utilizam metrô, ônibus ou trem) Agora, vamos às propriedades da operação da União de conjuntos. Todas elas podem ser verificadas por meio de Diagramas de Venn. Se A, B e C são subconjuntos de um Universo U, valem as seguintes propriedades: 1. Associativa: (𝐴 ∪ 𝐵) ∪ 𝐶 = 𝐴 ∪ (𝐵 ∪ 𝐶) 2. Elemento Neutro: A ∪ ∅ = ∅ ∪ 𝐴 = 𝐴 3. Comutativa: A ∪ 𝐵 = 𝐵 ∪ 𝐴 4. Idempotência: A ∪ 𝐴 = 𝐴 5. Distributiva da intersecção em relação à união: 𝐴 ∩ (𝐵 ∪ 𝐶) = (𝐴 ∩ 𝐵) ∪ (𝐴 ∩ 𝐶) 6. Distributiva da união em relação à intersecção: 𝐴 ∪ (𝐵 ∩ 𝐶) = (𝐴 ∪ 𝐵) ∩ (𝐴 ∪ 𝐶) Agora, caro estudante, sugerimos que você acesse o Momento da Verdade, e mostre que entendeu tudo o que discutimos sobre União de Conjuntos resolvendo os exercícios indicados. 1.3 Complementação de um conjunto Se A é um subconjunto de U, a Complementação de A ou o Complemento de A ou o Complementar de A, tomado em relação a U, é o conjunto dos elementos que pertencem a U e não pertencem a A. O complementar de A em relação a U será indicada por A̅, que se lê: “A barra”. 23 ATENÇÃO Observe que utilizamos o conectivo não para expressar o complementar de um subconjunto A de U. Isso porque o complementar de A em relação a U indica o conjunto dos elementos que estão em U mas não estão em A. O Complementar de um conjunto A é representado simbolicamente por: �̅� = {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∉ 𝐴} Usando Diagrama de Venn, a representação de A̅ pode ser vista na Figura 19: Figura 19: Diagrama do complementar de um conjunto Exemplificando: a) Seja A={0,2,4,6,8} subconjunto de U={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}. O complementar de A em relação a U é o conjunto dos elementos de U que não pertencem em A, ou seja, A̅={1,3,5,7,9}. Veja Figura 20: Figura 20: Exemplo de complementar de um conjunto 24 b) Voltemos a observar o diagrama da Figura 21, que mostra a distribuição dos profissionais de uma empresa conforme uso de transporte(s) público(s): Figura 21: Exemplo de diagrama É possível observar os complementares: �̅�={Lia, Caio, Beto, Célia, Léo} �̅�={Ana, Lia, Sara, Caio,Célia} 𝐶̅={Ana, João, Caio, Beto, Lucas, Célia} 𝐴 ∪ 𝐵̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅={Lia, Caio, Célia} 𝐴 ∩ 𝐶̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅={Ana, Lia, João, Caio, Beto, Lucas, Célia, Léo} 𝐴 ∪ 𝐵 ∪ 𝐶̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅={Caio, Célia} Se A é um subconjunto de U, as seguintes propriedades da 25 complementação de A com relação a U são válidas: 1. A ∪ �̅� = 𝑈 2. A ∩ �̅� = ∅ 3. �̅� = ∅ 4. ∅̅ = 𝑈 5. (A̅)̅̅ ̅̅̅ = 𝐴 As Leis de Morgan são propriedades importantes que serão retomadas em algumas Unidades de Aprendizagem adiante, quando trataremos de Lógica Matemática. Elas dizem respeito ao Complemento da União e da Intersecção. Se A e B são subconjuntos de um Universo U, valem as seguintes leis: 1. BABA )( (O complemento da União de A e B é igual à interseção dos complementos de A e B). 2. BABA )( (O complemento da Interseção de A e B é igual à União dos complementos de A e B). Assim como nas operações anteriores, procure visualizar todas estas igualdades por meio de Diagramas de Venn. 1.4 Diferença de conjuntos Se A e B são subconjuntos de U, a Diferença de A e B é o conjunto dos elementos de U que pertencem a A, mas não pertencem a B. A diferença de A e B é indicada por A − B, que se lê: “diferença de A e B” ou “A menos B”. 26 Simbolicamente representamos: 𝐴 − 𝐵= {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∈ 𝐴 𝑒 𝑥 ∉ 𝐵}. Acompanhe algumas possibilidades de representações desta operação: 1) De uma forma geral, a Diferença de A e B é representada pelo diagrama da Figura 22: Figura 22: Diferença de conjuntos Considerando A={0,2,4, 5, 6} e B={1,2,3,5} subconjuntos de U={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, temos A – B ={0,4,6}. 2) Se A e B são disjuntos, A – B = A. Observe a Figura 23 e o exemplo a seguir (lembre-se que conjuntos disjuntos são aqueles que não possuem elementos em comum, ou seja, a intersecção é o conjunto vazio): 27 Figura 23: Exemplo de diferença de conjuntos Por exemplo, tomando A={0,2,4} e B={1,3,5} subconjuntos de U={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}. Como A e B são disjuntos, A – B ={0,2,4}, ou seja, o próprio conjunto A. 3) Se todos os elementos de B pertencem a A, ou seja, se 𝐵 ⊂ 𝐴, então podemos dizer que A − B é o complemento de B em relação a A. Veja a Figura 24: Figura 24: Diferença de conjuntos Como exemplo, consideremos capitais brasileiras visitadas por Lara e Rose: Lara: A={Salvador, Fortaleza, Natal, Porto Alegre, Manaus, Florianópolis} Rose: B={Fortaleza, Manaus, Florianópolis} 28 Temos que todas as capitais visitadas por Rose foram visitadas por Lara, ou seja, B ⊂ A e A – B = {Salvador, Natal, Porto Alegre}. Neste caso, A – B é formada pelas capitais visitadas por Lara e que não foram visitadas por Rose. Observe na Figura 25 que, se A é subconjunto do Universo U, então 𝑈 − 𝐴 = �̅�. Figura 25: Diferença e complementar Meu caro, agora é o Momento da Verdade: sugerimos os exercícios indicados. Sucesso! 1.5 Diferença simétrica de conjuntos Se A e B são subconjuntos de U, a Diferença Simétrica de A e B é o conjunto dos elementos que pertencem a A ou a B, mas não pertencem a A e a B simultaneamente. Outra maneira de definir a Diferença Simétrica de A e B é dizer que é o conjunto formado pelos elementos que pertencem à união de A e B e não pertencem à intersecção de A e B. O símbolo utilizado para a operação de Diferença Simétrica de conjuntos é delta: ∆. A diferença simétrica de A e B é indicada por 𝐴∆𝐵, que se lê: “diferença simétrica de A e B” ou “A delta B”. Simbolicamente, representamos: 29 ATENÇÃO A diferença simétrica de A e B implica no uso do conectivo ou...ou. Isso porque esta operação indica os elementos que estão ou em A ou em B, não pertencendo simultaneamente a A e a B. Esse conectivo é também chamado de ou exclusivo já que exclui a possibilidade da intersecção. 𝐴∆𝐵 = {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∈ 𝐴 ∪ 𝐵 𝑒 𝑥 ∉ 𝐴 ∩ 𝐵} ou 𝐴∆𝐵 = {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∈ 𝐴 − 𝐵 𝑜𝑢 𝑥 ∈ 𝐵 − 𝐴} ou ainda 𝐴∆𝐵 = (𝐴 − 𝐵) ∪ (𝐵 − 𝐴) O Diagrama de Venn dá uma boa visualização desta operação. Ele está representado na Figura 26: Figura 26: Diagrama de diferença simétrica de 2 conjuntos 30 Se você acessa a rede social facebook, sabe que na sua página inicial você visualiza todos os amigos que estão na sua rede. Posicionando o cursor sobre a imagem de uma pessoa X, você visualiza os amigos e o número de amigos que você tem em comum com ela. Bem, se você considerar como A o conjunto dos seus amigos e B o conjunto dos amigos da pessoa X, a diferença simétrica de A e B será o conjunto de todos os seus amigos que não são amigos de X reunidos com os amigos de X que não são seus amigos na rede. Outra maneira de pensar é que a diferença simétrica de A e B é a união dos seus amigos com os da pessoa X, não incluindo os amigos em comum. Agora, vamos às propriedades desta operação. Para A, B e C subconjuntos do Universo U, valem as igualdades abaixo, que podem ser verificadas por meio dos Diagramas de Venn: 1. Associativa: (A∆B)∆C = A∆(B∆C) 2. Elemento Neutro: A∆∅ = ∅∆A = A 3. Elemento Inverso: 𝐴∆𝐴 = ∅ 4. Comutativa: 𝐴∆𝐵 = 𝐵∆𝐴 2. Cardinalidade A cardinalidade de um conjunto finito, como vimos na UA 1, é o número de elementos do conjunto. Considerando que as operações com conjuntos finitos resultam em conjuntos finitos, faz sentido falar em cardinalidade da Intersecção, União, Complementação, Diferença e também da Diferença Simétrica de conjuntos. 31 Ao resolver um problema, muitas vezes, lidamos apenas com a cardinalidade dos conjuntos envolvidos, sem necessariamente listar seus elementos. Um exemplo é o problema do gestor da seção Para começar dessa UA. Você verá agora que, além dos Diagramas de Venn, temos algumas fórmulas que auxiliam no cálculo da cardinalidade dos subconjuntos finitos resultantes das operações estudadas nessa Unidade. 2.1 Cardinalidade da União Se A e B são subconjuntos finitos disjuntos de um universo U, a cardinalidade de 𝐴 ∪ B fica n(A ∪ 𝐵) = 𝑛(𝐴) + 𝑛(𝐵). Isso quer dizer que para obter a cardinalidade da união de dois conjuntos que não tem elementos comuns basta somar a cardinalidade dos conjuntos. Este resultado pode ser estendido para o cálculo de qualquer número finito de conjuntos disjuntos. De uma forma geral, se A e B são dois subconjuntos finitos de um universo U, então A − B, B − A e 𝐴 ∩ 𝐵 são disjuntos dois a dois, conforme Figura 27. Figura 27: Diagrama – dois subconjuntos Lembrando que n(X) é a notação que usamos para representar a cardinalidade do conjunto X, temos que a cardinalidade da união de A e B pode ser expressa como 𝑛(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑛(A − B) + n(B − A) + n(𝐴 ∩ 𝐵) 32 ou ainda n(A ∪ 𝐵) = 𝑛(𝐴) + 𝑛(𝐵) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) Na segunda fórmula, no cálculo da cardinalidade da união de A e B incluímos o número de elementos de A e o número de elementos de B, mas excluímos o número de elementos da intersecção de A e B para evitar contá- los duas vezes. Você pode observar a validade dessa igualdade no exemplo já visto, dos colaboradores escalados para desenvolver projeto no sábado (A) e no domingo (B), representado na Figura 28: Figura 28: Exemplo – Intersecção de 2 conjuntos Como A e B dividem U em 4 regiões justapostas, podemos representar a cardinalidade em cada região. Obtemos a Figura 29: 33 Figura 29: Exemplo – Diagrama 2 conjuntos (cardinalidade) Temos que 𝑛(𝐴) = 5, 𝑛(𝐵) = 5 𝑒 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) = 3 . Então n(A ∪ 𝐵) = 𝑛(𝐴) + 𝑛(𝐵) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) implica em n(A ∪ 𝐵) = 5 + 5 − 3 = 7. Portanto, a cardinalidade da união de A e B é 7. Agora, dados três conjuntos A, B e C, a cardinalidade da união de A, B e C fica: n(A ∪ 𝐵 ∪ 𝐶) = 𝑛(𝐴) + 𝑛(𝐵) + 𝑛(𝐶) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐶) − 𝑛(𝐵 ∩ 𝐶) + 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵 ∩ 𝐶). É possível estender essa fórmula para cardinalidade da união de mais de três conjuntos, mas vamos nos restringir ao exposto. 2.2 Cardinalidade do Complementar Se A é subconjunto finito de um universo U (finito), então A e A̅ são disjuntos e vale a seguinte propriedade: 𝐴 ∪ A̅ = U. 34 Assim, vale também que n(A) + 𝑛(�̅�) = 𝑛(𝑈). Chegamos à seguinte fórmula para a cardinalidade do complementar de um conjunto A em relação ao universo U: 𝑛(�̅�) = 𝑛(𝑈) − n(A). 2.3 Cardinalidade da Diferença Se A e B são subconjuntos finitos de um universo U, a cardinalidade de 𝐴 − B é dada por n(A − 𝐵) = 𝑛(𝐴) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵). Analogamente, a cardinalidade de B − A é dada por n(B − 𝐴) = 𝑛(𝐵) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵).2.4 Cardinalidade da Diferença Simétrica A diferença simétrica de dois subconjuntos finitos A e B de um universo U foi definida simbolicamente na seção 1.5 como segue: 𝐴∆𝐵 = {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∈ 𝐴 ∪ 𝐵 𝑒 𝑥 ∉ 𝐴 ∩ 𝐵} ou 𝐴∆𝐵 = {𝑥 ∈ 𝑈 | 𝑥 ∈ 𝐴 − 𝐵 𝑜𝑢 𝑥 ∈ 𝐵 − 𝐴} ou ainda 𝐴∆𝐵 = (𝐴 − 𝐵) ∪ (𝐵 − 𝐴) 35 ATENÇÃO Um momento importante se refere à passagem das informações fornecidas no enunciado para o modelo matemático. Sem dúvida, é necessário que o enunciado seja preciso em suas informações. Nesse caminho, você precisa ficar atento ao real significado dos dados fornecidos pelo problema para modelá-lo adequadamente. Preste muita atenção à presença (ou não) de palavras como: apenas, somente, e, ou, não. Seguindo a lógica dessas definições, podemos calcular a cardinalidade de 𝐴∆𝐵 das diferentes formas: n(A∆𝐵) = 𝑛(𝐴 ∪ 𝐵) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) ou n(A∆B) = 𝑛(𝐴 − 𝐵) + 𝑛(𝐵 − 𝐴). 3. Aplicações Com o conhecimento de conjuntos até o momento, você pode olhar com mais ousadia para diversas situações-problema do mundo, de uma forma mais curiosa e científica. Neste item, propomos a você acompanhar alguns problemas e suas resoluções que envolvem o que você estudou até agora. 36 Problema 1. Uma pesquisa realizada com 950 consumidores registrou que 600 deles trabalham com cartão de crédito da bandeira A, 400 trabalham com cartão de crédito da bandeira B e que 250 trabalham com cartão de crédito da bandeira A e da bandeira B. Queremos saber exatamente quantos consumidores: a) utilizam somente cartão de crédito da bandeira A; b) não utilizam cartão de crédito da bandeira B; c) utilizam cartão de crédito da bandeira A ou da bandeira B; d) utilizam apenas um desses dois cartões; e) não utilizam cartão de crédito da bandeira A ou da bandeira B. Resposta: Para responder a todos os itens solicitados, é importante expressar os números utilizando um diagrama de Venn. Vamos usar as seguintes notações: U = conjunto de todos os consumidores participantes da pesquisa A = conjunto dos usuários do cartão de bandeira A B = conjunto dos usuários do cartão de bandeira B Temos que: 𝑛(𝐴) = 600 𝑛(𝐵) = 400 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) = 250 𝑛(𝑈) = 950 Começando pela intersecção, representamos a cardinalidade dos subconjuntos das regiões justapostas no diagrama: 37 Figura 29: Exemplo de diagrama de Venn Observando o diagrama, podemos responder: a) 350 consumidores b) 350+200=550. Logo, 550 consumidores. c) 350+250+150=750. Logo, 750 consumidores. d) 350+150=500. Logo, 500 consumidores. e) 200 consumidores. Problema 2. Numa determinada cidade há três clubes: A, B e C. Numa determinada festa na cidade, observou-se que: 64 pessoas são sócias do clube A, 30 do clube B, 55 do clube C, 22 dos clubes A e B, 32 dos clubes A e C, 18 dos clubes B e C, 10 dos 3 clubes e 8 de nenhum dos clubes. Desejamos saber exatamente quantas pessoas: a) Pertencem somente ao clube A; b) Pertencem ao clube A ou ao clube B; c) Pertencem ao clube A ou ao clube B, e não pertencem a C; d) Pertencem somente ao clube B; 38 e) Não pertencem ao clube B ou ao C; f) Não pertencem ao clube B; g) Pertencem ao clube C e não pertencem ao clube B; h) Estavam na festa. Resposta: Vamos representar os dados em diagrama de Venn, considerando: U = conjunto de todas as pessoas que compareceram à festa A = conjunto dos sócios do clube A B = conjunto dos sócios do clube B C = conjunto dos sócios do clube C A ideia é começar representando o número de pessoas que está na intersecção dos três conjuntos A ∩ B ∩ C. Depois, observando as intersecções A ∩ B, B ∩ C e A ∩ C, representar os números de pessoas de (A ∩ B) − C, (B ∩ C) − A e (A ∩ C) − B, respectivamente; em seguida, observando as interseções anteriores, representar os números de pessoas que estão somente em um dos conjuntos A, B e C. Vejamos como fica: Figura 30: exemplo de Diagrama de Venn 39 a) 20 pessoas. b) 72 pessoas. c) 32 pessoas. d) Nenhuma. e) 28 pessoas. f) 65 pessoas. g) 37 pessoas. h) 95 pessoas. Os problemas 1 e 2 podem ser resolvidos usando as fórmulas de cardinalidade discutidas na seção 2. Tente fazer isso. Muito bem! Agora você tem condições de finalizar os exercícios propostos no Momento da Verdade com confiança. Bom estudo! Antena Parabólica Você, certamente, já fez pesquisa de algum assunto na internet, de cunho pessoal ou profissional, por meio de algum site de busca. No Google, por exemplo. Digitando uma ou mais palavras-chave na barra de busca que definem o assunto que você está interessado, o site retorna uma lista de páginas que contêm a palavra ou as palavras-chave indicadas. Contudo, ao fazer uma busca, é comum se deparar com grande excesso de informação e visualizar grande número de páginas, uma mistura de páginas que abordam o assunto com diferentes níveis de qualidade, além de páginas que não correspondem ao assunto que se procura, apesar de envolverem as palavras referenciadas. Selecionar as informações que interessam com a devida qualidade é uma tarefa que pode ser simplificada quando se entende a estrutura do processo de 40 busca e se conhece alguns recursos lógicos que muitos sites de busca permitem. Você acredita que essas ideias estão relacionadas com conjuntos e operações com conjuntos? Se você pesquisar num buscador global, por exemplo, a palavra bola, você vai obter como retorno páginas que contêm a palavra bola associada a diferentes contextos: tipos de bolas, sites que tratam de esportes específicos com bola, estabelecimentos que comercializam bola, artigos que usam o termo bola etc. Agora, se você estiver interessado em pesquisar sobre bola de futebol, você pode digitar as palavras-chave bola e futebol na barra de busca. Seu retorno será uma lista de páginas em que aparece o termo bola (sem mencionar futebol), páginas em que aparece o termo futebol (sem incluir bola), e páginas em que aparecem as duas palavras: bola e futebol. Em linguagem de conjuntos, podemos definir: U = conjunto de todas as páginas da Internet (Universo) A = conjunto das páginas que contêm a palavra bola B = conjunto das páginas que contêm a palavra futebol. Assim, o conjunto das páginas que envolvem as palavras bola e/ou futebol forma o conjunto 𝐴 ∪ 𝐵 e a lista das páginas que contemplam as duas palavras, ou seja, bola e futebol, forma o conjunto 𝐴 ∩ 𝐵. Digitar mais palavras-chave que especifiquem o assunto refina a pesquisa, pois a busca será direcionada para uma intersecção, diminuindo o número de retornos. Boa parte dos sites de busca permite que você pesquise uma sequência específica de palavras. Este recurso também possibilita um refinamento na busca. Para isso, você deve digitar a sequência de palavras entre aspas. Para pesquisar exatamente bola de futebol, você pode digitar na barra de busca “bola de futebol”. O site vai restringir a busca às páginas que contêm exatamente esse termo. Desta forma, você obterá como retorno um subconjunto de 𝐴 ∩ 𝐵. 41 Se D = conjunto das páginas que contém bola de futebol então 𝐷 ⊂ 𝐴 ∩ 𝐵. Alguns buscadores suportam pesquisas utilizando conectivos da lógica simbólica para melhor especificar a busca. Alguns deles são: OU: OR ou | (seleciona as páginas que contém, pelo menos, uma das palavras)E: AND ou & ou + (seleciona as páginas que contém as duas palavras, independente se estão juntas ou da ordem em que aparecem) NÃO: AND NOT ou – (seleciona as páginas que não incluem a palavra) Por exemplo, se você estiver interessado em bola de futebol de campo ou americano, para restringir a sua pesquisa, você pode digitar, por exemplo: “bola de futebol” + (“de campo” | americano) Considerando: F = conjunto das páginas que contém bola de futebol de campo G = conjunto das páginas que contém bola de futebol americano Sua busca resultará o conjunto 𝐹 ∪ 𝐺. Se você quiser excluir páginas que envolvem preço de bolas de futebol da sua pesquisa, você pode solicitar “bola de futebol” + (“de campo” | americano) – preço. Vamos considerar: H = conjunto de páginas que contém preço Então, o resultado desejado da pesquisa será o conjunto de páginas da rede que se situam na região referente à operação: (𝐹 ∪ 𝐺) − 𝐻. Combinando estes recursos às palavras-chave de um determinado assunto de interesse, o retorno será de um número menor de páginas para ler e realizar uma pesquisa mais produtiva na internet. 42 Glossário Complemento de um conjunto A com relação a U: conjunto dos elementos que pertencem a U e não pertencem a A, considerando A contido em U. Conjuntos disjuntos: conjuntos que não têm elemento em comum. Diferença de conjuntos: a diferença de dois conjuntos A e B de um universo U é uma operação que resulta no conjunto dos elementos que pertencem a A, mas não pertencem a B. Diferença simétrica de conjuntos: a diferença simétrica de dois conjuntos A e B de um universo U é uma operação que resulta no conjunto dos elementos que pertencem a A ou a B e não pertencem a A e a B simultaneamente. Intersecção de conjuntos: a interseção de conjuntos é uma operação que resulta no conjunto dos elementos que pertencem simultaneamente a todos os conjuntos envolvidos. União de conjuntos: a união de conjuntos é um conjunto resultante da reunião dos elementos que pertencem aos conjuntos envolvidos, incluindo aqueles que pertencem às intersecções. 43 E agora José? Você já sabe identificar e representar conjuntos, além de realizar várias operações com os conjuntos. Na próxima Unidade você vai estudar especificamente os Conjuntos Numéricos. Além explorar melhor os números que você usa no seu cotidiano, você vai aprender como representá-los geometricamente na reta real. Não perca! Sucesso sempre! Referências GERSTING, Judith L. Fundamentos Matemáticos para a Ciência da Computação – Um tratamento moderno de Matemática Discreta. 5 ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2004. MORETTIN, Pedro A. HAZZAN, Samuel; BUSSAB, Wilton O. Cálculo. Funções de uma e várias variáveis. São Paulo: Saraiva, 2007. SILVA, F C M; ABRAO, M. Matemática básica para decisões administrativas. São Paulo: Atlas, 2008. SILVA, S M; SILVA, E M; SILVA, E M. Matemática básica para cursos superiores. São Paulo: Atlas, 2010.
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