
Teoría de conjuntos II: operaciones entre conjuntos, leyes de conjuntos
Aprenderás a combinar conjuntos mediante unión, intersección, diferencia, complemento y diferencia simétrica, y a aplicar sus leyes para simplificar y resolver problemas de encuestas y grupos.
Ruta de estudio
Estudia a tu ritmo
El contenido cambia según tu experiencia, pero tu progreso queda separado y nunca se pierde.
El porqué del tema
¿Para qué estudiamos este tema?
En el tema anterior aprendiste a describir un conjunto, a representarlo por extensión o por comprensión, a reconocer cuándo un elemento pertenece a un conjunto y cuándo un conjunto está incluido en otro. También estudiaste los conjuntos especiales: vacío, unitario, universal y potencia. Esa base responde a la pregunta «¿qué hay dentro de un conjunto?».
Ahora pasamos a otra pregunta: «¿qué podemos construir a partir de dos o más conjuntos?».
Para responderla existen las operaciones entre conjuntos: unión, intersección, diferencia, complemento y diferencia simétrica. Con ellas se representan ideas como «A o B», «A y B», «solo A», «ninguno de los dos», etc. Además, las leyes del álgebra de conjuntos permiten simplificar expresiones complicadas, de manera parecida a como en aritmética simplificamos expresiones numéricas con propiedades de las operaciones.
En los exámenes de admisión, este tema aparece con mucha frecuencia en problemas de encuestas, grupos de estudiantes, deportes, preferencias y voluntariados. La dificultad casi nunca está en conocer la definición, sino en traducir el problema al lenguaje de conjuntos, identificar la operación correcta y calcular cardinales de regiones específicas.
Este tema se conecta directamente con el siguiente, Numeración: allí trabajarás con conjuntos de cifras y restricciones sobre dígitos en distintas bases, por lo que el manejo de cardinalidades, uniones e intersecciones te será de utilidad permanente.
Antes de empezar
Lo que necesitas saber antes
Recordemos brevemente los conceptos previos imprescindibles:
- Un conjunto es una colección de objetos llamados elementos.
- indica que es elemento de ; , que no lo es.
- significa que está incluido en ; es decir, todo elemento de también es elemento de .
- Dos conjuntos son iguales, , si y .
- El cardinal de un conjunto finito , denotado o , es su número de elementos.
- El conjunto universal contiene a todos los conjuntos con los que se trabaja en un problema.
- El conjunto vacío no tiene elementos y cumple para todo conjunto .
- El conjunto potencia es el conjunto cuyos elementos son todos los subconjuntos de .
Con estas ideas claras, ya podemos operar con conjuntos.
1. Unión e intersección
1.1 Unión de conjuntos
Dados dos conjuntos y , su unión es el conjunto formado por todos los elementos que pertenecen a , a , o a ambos.
Formalmente:
El símbolo se lee «o» e incluye la posibilidad de que el elemento esté en ambos conjuntos; es el «o inclusivo».
Ejemplo. Si y , entonces
Observa que los elementos repetidos y se escriben una sola vez.
1.2 Intersección de conjuntos
La intersección es el conjunto de elementos comunes a y a :
El símbolo se lee «y».
Ejemplo. Para los conjuntos anteriores,
1.3 Conjuntos disjuntos
Si , decimos que y son disjuntos: no tienen elementos en común.
Dos conjuntos diferentes no necesariamente son disjuntos. Por ejemplo, y son diferentes, pero no disjuntos porque comparten el .
Figura 1. Conjuntos disjuntos A y B dentro del universo U
Propiedades básicas de la unión e intersección:
- Si , entonces y .
2. Diferencia, complemento y diferencia simétrica
2.1 Diferencia de conjuntos
La diferencia (también se escribe ) es el conjunto formado por los elementos que están en y no están en :
Se lee «A menos B» o «A pero no B».
Ejemplo. Si y , entonces
La diferencia no es conmutativa: y no suelen ser iguales.
Casos importantes:
- Si y son disjuntos, entonces y .
- Si , entonces .
- Si , entonces .
Además, la diferencia se puede expresar mediante intersección y complemento:
Esta igualdad es muy usada para simplificar expresiones.
2.2 Complemento de un conjunto
Sea el conjunto universal y . El complemento de , denotado , , o , es el conjunto de elementos de que no pertenecen a :
Ejemplo. Si y , entonces
Propiedades inmediatas:
La diferencia se relaciona con el complemento mediante:
2.3 Diferencia simétrica
La diferencia simétrica es el conjunto de elementos que pertenecen a o a , pero no a ambos a la vez.
Se define como:
También se puede escribir:
En palabras: son los elementos que están exactamente en uno de los dos conjuntos.
Ejemplo. Si y , entonces
Propiedades útiles:
Su cardinal se calcula con:
La razón es que al sumar y , los elementos comunes se cuentan dos veces, pero en la diferencia simétrica esos elementos no deben aparecer; por eso se restan dos veces.
3. Conjunto potencia y cardinal
Dado un conjunto , su conjunto potencia es el conjunto de todos los subconjuntos de , incluidos y el propio .
Ejemplo. Si , entonces
Su cardinal es .
En general, si tiene elementos, el número de subconjuntos de es
Esto se justifica pensando en que cada elemento de puede estar o no estar en un subconjunto, lo que da posibilidades.
Ejemplo. Si tiene elementos, entonces .
También conviene recordar:
- El número de subconjuntos propios es , porque se excluye al mismo conjunto .
- El número de subconjuntos no vacíos es , porque se excluye al vacío.
4. Cardinal de uniones e intersecciones
En muchos problemas no se listan todos los elementos, sino que se dan cardinales. Para resolverlos se usan fórmulas de cardinalidad, casi siempre acompañadas de diagramas de Venn.
4.1 Fórmula para dos conjuntos
Para dos conjuntos y :
La justificación es clara: al sumar y , los elementos de la intersección se cuentan dos veces, por lo que hay que restar una vez .
Si y son disjuntos, , y la fórmula se reduce a:
También se puede despejar la intersección:
Ejemplo. Si , y , entonces
4.2 Fórmula para tres conjuntos
Para tres conjuntos , y :
La lógica es: sumas los cardinales de cada conjunto, restas las intersecciones de a pares porque se contaron de más, y vuelves a sumar la intersección triple porque al restar los pares la quitaste más veces de lo necesario.
Ejemplo. Si , , , , , y , entonces
4.3 Relación entre totales y regiones exclusivas
Muchos problemas piden el número de elementos que están exactamente en un solo conjunto, sin dar todas las intersecciones de a pares. En esos casos se usa una relación muy práctica.
Llamemos:
- : número de elementos que están exactamente en un conjunto.
- : número de elementos que están exactamente en dos conjuntos.
- : número de elementos que están en los tres conjuntos.
Entonces, la unión se descompone como:
Por otro lado, al sumar los cardinales de cada conjunto, cada elemento de se cuenta una vez, cada elemento de se cuenta dos veces y cada elemento de se cuenta tres veces:
Restando la primera ecuación de la segunda:
Esta igualdad permite hallar cuando se conocen y las sumas totales, y luego hallar .
5. Producto cartesiano
Aunque el tema central son las operaciones entre conjuntos, el producto cartesiano también se estudia en esta unidad porque su resultado es un conjunto.
Dados dos conjuntos y , su producto cartesiano es el conjunto de pares ordenados:
El primer elemento del par proviene de y el segundo de .
Ejemplo. Si y , entonces
Su cardinal es
El producto cartesiano no es conmutativo en general: , salvo que o se trate de casos triviales.
6. Leyes del álgebra de conjuntos
Las leyes del álgebra de conjuntos son identidades que se cumplen para conjuntos cualesquiera , y dentro de un universal . Sirven para simplificar expresiones, demostrar igualdades y resolver operaciones sin necesidad de listar elementos.
6.1 Idempotencia
6.2 Conmutatividad
6.3 Asociatividad
Esto permite escribir sin paréntesis.
6.4 Distributiva
Hay dos versiones: la unión se distribuye sobre la intersección y la intersección se distribuye sobre la unión.
6.5 Identidad o de la unidad
6.6 Del complemento
6.7 De Morgan
En palabras: el complemento de la unión es la intersección de los complementos, y el complemento de la intersección es la unión de los complementos.
Para tres conjuntos, De Morgan se generaliza:
Ejemplo. Si , y , entonces , por lo que . Por otra parte, , y . Se verifica De Morgan.
6.8 Absorción
También son útiles las formas con complemento:
6.9 De la diferencia
La diferencia simétrica se define:
6.10 Cómo se usan estas leyes
Para simplificar una expresión conjuntista:
- Reescribe toda diferencia como intersección con complemento.
- Aplica De Morgan para eliminar complementos de uniones o intersecciones grandes.
- Usa distributiva para expandir si es necesario.
- Aplica y .
- Simplifica con identidad y absorción.
Ejemplo breve. Simplifiquemos .
Por distributiva:
Por lo tanto, .
7. Uso de diagramas en problemas de conteo
Los diagramas de Venn ayudan a visualizar operaciones y a resolver problemas donde se cuentan elementos de varios conjuntos.
7.1 Diagrama de Venn con dos conjuntos
Para dos conjuntos y , se forman cuatro regiones:
- Solo
- Solo
- Fuera de ambos, dentro de
Diagrama de Venn con dos conjuntos A y B
Al resolver, se asigna una variable a cada región y se traducen los datos a ecuaciones.
7.2 Diagrama de Venn con tres conjuntos
Para tres conjuntos , y , se forman ocho regiones: tres exclusivas, tres intersecciones de a pares, la intersección triple y la exterior.
Diagrama de Venn con tres conjuntos
Procedimiento recomendado:
- Identifica el universal y los tres conjuntos.
- Coloca primero la intersección triple, si se conoce.
- Llena las intersecciones de a pares; si el dato incluye la triple, réstala.
- Llena las regiones exclusivas restando de cada total las partes ya colocadas.
- Completa la región exterior con el total del universal menos la unión.
7.3 Diagrama de Lewis Carroll
Se usa cuando hay dos clasificaciones que forman categorías complementarias, por ejemplo hombres/mujeres y con lentes/sin lentes, o comunitario/deportivo/medioambiental con inclusiones?
En realidad, el diagrama de Lewis Carroll es una tabla de doble entrada. Es ideal cuando las categorías son disjuntas y cubren todo el universo.
Ejemplo. Personas clasificadas por sexo y por uso de lentes.
| Sexo / Uso de lentes | Con lentes | Sin lentes | Total |
|---|---|---|---|
| Varones | a | b | a+b |
| Mujeres | c | d | c+d |
| Total | a+c | b+d | a+b+c+d |
Tabla de doble entrada: Varones/Mujeres y Con/Sin lentes
La ventaja es que cada celda representa una intersección y los totales por fila o columna se suman directamente.
8. Simplificación de expresiones
En los problemas de admisión, a veces se pide simplificar una expresión conjuntista para luego calcular un cardinal o identificar una condición. Veamos un método general.
Dada una expresión como
se procede así:
Reescribir diferencias:
.
La expresión queda:
Aplicar complemento de una unión:
, donde .
Por lo tanto, el corchete es .
La expresión se reduce a:
.
Así, la expresión original es .
En otros casos conviene usar De Morgan y distributiva, como se mostró en la sección de leyes.
Cuidado
Errores frecuentes
Confundir pertenencia con inclusión.
Por ejemplo, no es lo mismo que . es un conjunto, no un elemento.Sumar cardinales sin restar intersecciones.
Al calcular , se escribe y se olvida restar .Calcular mal la diferencia simétrica.
Se usa en lugar de .Olvidar que el complemento depende del universal.
Si cambia , cambia . No se puede hallar sin saber .Aplicar mal De Morgan.
Es frecuente creer que , cuando lo correcto es .Confundir con .
no tiene elementos; tiene un elemento: el conjunto vacío. Sus cardinales son y , respectivamente.Olvidar la intersección triple al llenar diagramas de tres conjuntos.
Al llenar las intersecciones de a pares, si el dato incluye la triple, hay que restarla; de lo contrario se cuentan mal las regiones.Asumir que «al menos uno» es el total del universal.
A veces hay personas fuera de todos los conjuntos. «Al menos uno» corresponde a la unión, no necesariamente a .Confundir con .
Si tiene 4 elementos, tiene , no 4 ni 8.Confundir diferencia ordinaria con diferencia simétrica.
contiene solo lo exclusivo de ; contiene lo exclusivo de y lo exclusivo de .
Aprende resolviendo
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1
Sean , y . Calcula
.
Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.
Ejemplo 2
Simplifica la expresión
Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.
Ejemplo 3
En un salón de 90 estudiantes, 55 aprobaron Aritmética, 60 aprobaron Geometría y 15 no aprobaron ninguno de los dos cursos. Calcula cuántos aprobaron exactamente uno de los dos cursos.
Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.
Ejemplo 4
En una encuesta a 100 deportistas sobre tres disciplinas , y , se obtuvo: 48 practican , 40 practican , 36 practican , y 85 practican al menos una de las tres. Además, 7 practican las tres. Calcula cuántos practican exactamente dos disciplinas.
Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.
Lo que viene
Hacia el siguiente tema
Con este tema has aprendido a combinar conjuntos, calcular sus cardinales y simplificar expresiones mediante las leyes del álgebra de conjuntos. En el próximo tema, «Numeración», trabajarás con sistemas de numeración posicional y representación de números en distintas bases. Allí usarás conjuntos de cifras, restricciones sobre dígitos y conteo de posibilidades, de modo que las operaciones y cardinalidades que acabas de estudiar serán una herramienta directa para plantear y resolver problemas.
¿Lo dominas?
Pon a prueba lo que aprendiste
20 preguntas de práctica tipo admisión y 5 preguntas reales de San Marcos, con clave y resolución explicada.
Evaluación del tema
20 preguntas para medir aprendizaje real
Hasta 6 básicas, 8 intermedias y 6 avanzadas; si un nivel no alcanza, se completa con el nivel más cercano. El diagnóstico recomienda una ruta; la evaluación final actualiza el porcentaje y puede marcar el tema como aprendido.
Aprender desde las preguntas
