Круги Эйлера. Решение задач. Применение диаграмм эйлера-венна при решении логических задач

При решении многих задач, связанных с множествами, незаменимым оказывается приём, основанный на использовании так называемых «кругов Эйлера». Эти диаграммы впервые появились в работах одного из величайших математиков в истории Леонарда Эйлера, который в течение продолжительного времени жил и работал в России и был членом Петербургской академии наук. Использование кругов Эйлера добавляет наглядности при решении сложных задач, делая многие вещи буквально очевидными. Предлагаю вам в этом убедиться самостоятельно на примере решения следующей задачи.

Пример решения задачи с помощью кругов Эйлера

Тут нужно понимать, что если сказано, что «42 человека используют метро», то это вовсе не означает, что кроме метро они не используют никаких других видов транспорта. Кто-нибудь из них может быть и использует. Может быть ещё какой-то один вид транспорта, трамвай или автобус. А может и сразу оба! Вопрос задачи как раз и состоит в том, чтобы посчитать людей, которые используют все три вида транспорта.

С первого взгляда даже непонятно, с чего начинать решение. Но если немного поразмыслить, становится ясно, что действовать нужно по следующему алгоритму. Будем стараться расписать всех людей (58 человек) через известные из условия данные. Нам известно, что автобус используют 44 человека. Прибавим к этому количество людей, которые используют метро. Их всего 42 человек. С помощью кругов Эйлера эту операцию можно изобразить наглядно в следующем виде:

То есть пока что мы имеем дело с выражением 58 = 44 + 42… Знак «…» означает, что выражение ещё не закончено. Проблема в том, что мы посчитали людей на пересечении этих кругов дважды. Соответствующая область на диаграмме выделена тёмно-зелёным цветом. Поэтому один раз их нужно вычесть. Это люди, которые пользуются автобусом и метро. Их, как известно, 31. То есть наше «неоконченное» выражение принимает вид: 58 = 44 + 42 — 31… И на диаграмме при этом пропадает тёмно-зелёный цвет:

Пока всё хорошо. Прибавляем теперь людей, которые ездят на трамвае. Таких людей 32. Выражение принимает вид: 58 = 44 + 42 — 31 + 32… Диаграмма с кругами Эйлера, в свою очередь, становится следующей:

К счастью в незакрашенной области как раз и находятся те люди, число которых нам нужно посчитать. Действительно, эти бедняги используют ежедневно все три вида транспорта для того, чтобы добраться до работы, ведь они находятся на пересечении всех трёх множеств. Обозначим количество этих бедолаг за . Тогда диаграмма примет следующий вид:

А уравнение станет следующим:

Расчёты дают . Это и есть ответ к задаче. Столько людей используют все три вида транспорта каждый день, чтобы добраться на работу.

Вот такое вот простое решение. Фактически, в одно уравнение. Просто удивительно, не правда ли?! А теперь представьте, как пришлось бы решать эту задачу без использования кругов Эйлера. Это было бы настоящее мучение. Так что в очередной раз убеждаемся, что любые методы визуализации чрезвычайно полезны при решении задач по математике. Используйте их, это поможет вам в решении сложных задач как на олимпиадах, так и на вступительных экзаменах по математике в лицеи и вузы.

Чтобы проверить, хорошо ли вы поняли решение данной задачи, ответьте на следующие вопросы:

Сколько человек используют только один вид транспорта для того, чтобы добраться до работы?
Сколько человек используют для этого ровно два вида транспорта?

Свои ответы и варианты решения присылайте в комментариях.

Материал подготовил , Сергей Валерьевич

Диаграммы Эйлера-Венна – геометрические представления множеств. Построение диаграммы заключается в изображении большого прямоугольника, представляющего универсальное множество U, а внутри его – кругов (или каких-нибудь других замкнутых фигур), представляющих множества.

Фигуры должны пересекаться в наиболее общем случае, требуемом в задаче, и должны быть соответствующим образом обозначены. Точки, лежащие внутри различных областей диаграммы, могут рассматриваться как элементы соответствующих множеств. Имея построенную диаграмму, можно заштриховать определенные области для обозначения вновь образованных множеств.

Операции над множествами рассматриваются для получения новых множеств из уже существующих.

Определение. Объединением множеств А и В называется множество, состоящее из всех тех элементов, которые принадлежат хотя бы одному из множеств А, В (рис. 1):

Определение. Пересечением множеств А и В называется множество, состоящее из всех тех и только тех элементов, которые принадлежат одновременно как множеству А, так и множеству В (рис. 2):

Определение.

Разностью множеств А и В называется множество всех тех и только тех элементов А, которые не содержатся в В (рис. 3):

Определение. Симметрической разностью множеств А и В называется множество элементов этих множеств, которые принадлежат либо только множеству А, либо только множеству В (рис. 4):

Определение. Абсолютным дополнением множества А называется множество всех тех элементов, которые не принадлежат множеству А (рис. 5):

Рис. 6.

Убедились, что в обоих случаях получаем равные множества. Следовательно, исходное соотношение справедливо.

П О Н Я Т И Е

Каждый предмет или явление обладает некими свойствами (признаками).

Получается, что составить понятие об объекте означает, прежде всего, умение отличить его от других сходных с ним объектов.

Можно сказать, что понятие – это мысленное содержание слова.

Понятие – это форма мысли, отображающая предметы в их наиболее общих и существенных признаках*.

Понятие – это форма мысли, а не форма слова, так как слово лишь метка, которой мы помечаем ту или иную мысль.

Слова могут быть различны, но при этом обозначать одно и то же понятие. По-русски – «карандаш», по-английски – «pencil», по-немецки –bleistift. Одна и та же мысль в разных языках имеет разное словесное выражение.

ОТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ПОНЯТИЯМИ. КРУГИ ЭЙЛЕРА.

Понятия, имеющие в своих содержаниях общие признаки, называются СРАВНИМЫМИ («адвокат» и «депутат»; «студент» и «спортсмен»).

В противном случае, понятия считаются НЕСРАВНИМЫМИ («крокодил» и «блокнот»; «человек» и «пароход»).

Если кроме общих признаков понятия имеют и общие элементы объёма, то они называются СОВМЕСТИМЫМИ .

Существует шесть видов отношений между сравнимыми понятиями. Отношения между объёмами понятий удобно обозначать с помощью кругов Эйлера (круговые схемы, где каждый круг обозначает объём понятия).

ВИД ОТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ПОНЯТИЯМИ

ИЗОБРАЖЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ КРУГОВ ЭЙЛЕРА

РАВНОЗНАЧНОСТЬ (ТОЖДЕСТВЕННОСТЬ)

Объёмы понятий полностью совпадают.

Т.е. это понятия, которые различаются по содержанию, но в них мыслятся одни и те же элементы объёма.

1) А – Аристотель

В – основатель логики

2) А – квадрат

В – равносторонний прямоугольник

ПОДЧИНЕНИЕ (СУБОРДИНАЦИЯ)

Объём одного понятия полностью входит в объём другого, но не исчерпывает его.

1) А – человек

В – студент

2) А – животное

ПЕРЕСЕЧЕНИЕ (ПЕРЕКРЕЩИВАНИЕ)

Объёмы двух понятий частично совпадают. То есть понятия содержат общие элементы, но и включают элементы, принадлежащие только одному из них.

1) А – юрист

В – депутат

2) А – студент

В – спортсмен

СОПОДЧИНЕНИЕ (КООРДИНАЦИЯ)

Понятия, не имеющие общих элементов, полностью входят в объём третьего, более широкого понятия.

1) А – животное

В – кот; С – собака; D– мышь

2) А – драгоценный металл

В – золото; С – серебро;

D- платина

ПРОТИВОПОЛОЖНОСТЬ (КОНТРАРНОСТЬ)

Понятия А и В не просто включены в объём третьего понятия, а как бы находятся на его противоположных полюсах. То есть, понятие А имеет в своём содержании такой признак, которых в понятии В заменён на противополжный.

1) А – белый кот; В – рыжий кот

(коты бывают и чёрными и серыми)

2) А – горячий чай; холодный чай

(чай может быть и тёплым)

Т.е. понятия А и В не исчерпывают всего объёма понятия, в которое они входят.

ПРОТИВОРЕЧИЕ (КОНТРАДИКТОРНОСТЬ)

Отношение между понятиями, одно из которых выражает наличие каких-либо признаков, а другое – их отсутствие, то есть просто отрицает эти признаки, не заменяя их никакими другими.

1) А – высокий дом

В – невысокий дом

2) А – выигрышный билет

В – невыигрышный билет

Т.е. понятия А и не-А исчерпывают весь объём понятия, в которое они входят, так как между ними нельзя поставить никакое дополнительное понятие.

Упражнение: Определите вид отношений по объёму приведённых ниже понятий. Изобразите их с помощью кругов Эйлера.

1) А – горячий чай; В – холодный чай; С – чай с лимоном

Горячий чай (В) и холодный чай (С) – находятся

в отношении противоположности.

Чай с лимоном (С) может быть как горячим,

так и холодным, но может быть и, например, тёплым.

2) А – деревянный;В – каменный;С – строение;D – дом.

Всякое ли строение (С) – дом (D)? – Нет.

Всякий ли дом (D) – строение (С)? – Да.

Что-то деревянное (А) обязательно ли дом (D) или строение (С) – Нет.

Но можно найти деревянное строение (например, будка),

также можно найти деревянный дом.

Что-то каменное (В) не обязательно дом (D) или строение (С).

Но может быть и каменное строение, и каменный дом.

3) А – российский город;В – столица России;

С – Москва;D – город на Волге;Е – Углич.

Столица России (В) и Москва (С) – один и тот же город.

Углич (Е) является городом на Волге (D).

При этом, Москва, Углич, как и любой город на Волге,

являются российскими городами (А)

Задача №1:
Из 100 туристов, отправляющихся в заграничное
путешествие, немецким языком владеют 30 человек,
английским – 28, французским – 42. Английским и немецким
одновременно владеют 8 человек, английским и
французским 10 , немецким и французским – 5, всеми тремя
языками – 3.
Сколько туристов не владеют ни одним языком?
Решение:
Выразим условие задачи графически. Обозначим кругом тех, кто
знает английский, другим кругом – тех, кто знает французский, и
третьим кругом – тех, кто знают немецкий.
французский
немецкий
английский

Всеми тремя языками владеют три туриста, значит, в
общей части кругов вписываем число 3.
французский
немецкий
5
3
7
английский
Английским и французским
языками владеют 10 человек, а 3
из них владеют ещё и немецким.
Значит, английским и
французским владеют 103=7
человек.
В общую часть английского и
цифру 7.
Английским и немецким языками владеют 8 человек, а 3 из
них владеют ещё и французским. Значит, английским и
немецким владеют 83=5 человек.
В общую часть английского и немецкого кругов
вписываем число 5.

французский
немецкий
20
5
2
3
7
30
13
английский
Немецким и французским
языками владеют 5 человек, а
3 из них владеют ещё и
английским. Значит,
немецким и французским
владеют 53=2 человека.
В общую часть немецкого и
французского кругов вписываем
цифру 2.
Известно, что немецким языком владеют 30 человек, но 5+3+2=10 из
них владеют и другими языками, значит, только немецкий знают
20 человек.
Английский язык знают 28 человек, но 5+3+7=15 человек владеют и
другими языками, значит, только английский знают 13 человек.
Французский язык знают 42 человека, но 2+3+7=12 человек владеют
и другими языками, значит, только французский знают 30 человек.
По условию задачи всего 100 туристов. 20+30+13
+5+2+3+7=80 туристов знают хотя бы один язык,
следовательно, 20 человек не владеют ни одним языком.
Ответ:
20 человек.

Рисунки, подобные тем, что мы
рисовали при решении этой задачи,
называются «кругами Эйлера». Один из
величайших математиков Петербургской
академии Леонард Эйлер написал более
850 научных работ. В одной из них и
появились эти круги. Эйлер писал тогда,
что «они очень подходят для того, чтобы
облегчить наши размышления». Наряду с
кругами в подобных задачах применяют
прямоугольники и другие фигуры.

Задача №2:
В ясельной группе 11 деток любят манную кашу, 13 –
гречневую и 7 малышей – перловую. Четверо любят и
манную, и гречневую, 3 – манную и перловую, 6 гречневую и
перловую, а двое с удовольствием «уплетают» все три вида
каши. Сколько детей в этой группе, если в ней нет ни одного
ребёнка, вовсе не любящего кашу?
Решение:
манная
перловая
11 6
0
31
4 2
2
13
7
64
5
гречнева
я
Ответ:
6+1+2+2+0+4+5=20 ребят

Задача №3:
В одной семье было много детей. 7 из них любили капусту,
6 – морковь, 5 – горох, 4 – капусту и морковь, 3 – капусту и
горох, 2 – морковь и горох, 1 – и капусту, и морковь, и горох.
Сколько детей было в семье?
Решение:
капуста
7
морковь
1
43
32
1
5 1
горох
21
6
1
Ответ: 10 человек.

Задача №4:
В группе 29 студентов. Среди них 14 любителей
классической музыки, 15джаза, 14 – народной музыки.
Классическую музыку и джаз слушают 6 студентов,
народную музыку и джаз – 7, классику и народную – 9.
Пятеро студентов слушают всякую музыку, а остальные не
любят никакой музыки. Сколько их?
Решение:
джаз
15 7
6 1
7 2
5
14
4
классическая
музыка
9 4
14 3
народная
музыка
Ответ:
297215344=3(человека)
– не любят никакую музыку.

Задача №5:
Учащиеся 5 и 6 классов отправились на экскурсию.
Мальчиков было 16, учащихся 6 класса – 24, пятиклассниц
столько, сколько мальчиков из 6 класса. Сколько всего детей
побывали на экскурсии?
Решение:
16
мальчики
5 класс
мальчики
6 класс
девочки
5 класс
девочки
6 класс
24
Ответ: 40 человек.

10.

Задача №6:
На полу комнаты площадью 24 м² лежат три ковра. Площадь
одного из них 10 м², другого – 8 м², третьего – 6 м². Каждые
два ковра перекрываются по площади 3 м², а площадь
участка пола, покрытого всеми тремя коврами, составляет 1
м². Найдите площадь участка пола:
а)покрытого первым и вторым коврами, но не покрытого
третьим ковром;
б)покрытого только первым ковром;
в)не покрытого коврами.
Решение:
Ответ:
а) 10м²;
б)5 м²;
в) 241051=8 м²
1
2
10
5
32
32
3
1
6
8
3 2
1
3

11.

Задача №7
1. Из 100 приехавших туристов 75 знали немецкий язык и
83 знали французский. 10 человек не знали ни немецкого,
ни французского. Сколько туристов знали оба эти языка?
Решение:
немецкий
французский
75
х
10010=90
83
Получим уравнение: 75+83х=90
158х=90
х=68
Ответ:
68 человек знали оба языка

12.

1. Из 40 опрошенных человек 32
любят молоко, 21 – лимонад, а 15 – и
молоко, и лимонад. Сколько человек
не любят ни молоко, ни лимонад?
Ответ: 2 человека

13.

Задача для самостоятельного решения:
2. В воскресенье 19 учеников нашего
класса побывали в планетарии, 10 – в
цирке и 6 – в музее. Планетарий и цирк
посетили 5 учеников; планетарий и музей –
трое, в цирке и музее был один человек.
Сколько учеников в нашем классе, если
никто не успел посетить все три места, а
трое вообще никуда не ходили?
Ответ: 20 человек

14.

Задача для самостоятельного решения:
3. В детском лагере отдыхало 70 ребят. Из
них 20 занимаются в драмкружке, 32 поют
в хоре, 22 увлекаются спортом. В
драмкружке 10 ребят из хора, в хоре 6
спортсменов, в драмкружке 8
спортсменов, а 3 спортсмена посещают и
драмкружок, и хор. Сколько ребят не
поют в хоре, не увлекаются спортом и не
занимаются в драмкружке? Сколько
ребят заняты спортом?
Ответ: 10 ребят, 11 спортсменов.

15.

Задача для самостоятельного решения:
4.Из сотрудников фирмы 16
побывали во Франции, 10 – в
Италии, 6 – в Англии. В Англии и
Италии – пятеро, в Англии и
Франции – 6, во всех трёх странах
– 5 сотрудников. Сколько человек
посетили и Италию, и Францию,
если всего в фирме работает 19
человек, и каждый их них
побывал хотя бы в одной из
названных стран?
Ответ: 7 сотрудников

16.

Ч
е
р
т
с

И
х
м
ы
ы
в
н
о
ь
н

Л
о
е
т
Д
а
м
и
и
м
н
а
а
ч
з
а
д

История

Определение 1

Леонарду Эйлеру задали вопрос: можно ли, прогуливаясь по Кенигсбергу, обойти через все мосты города, дважды не проходя ни через один из них. План города с семью мостами прилагался.

В письме знакомому итальянскому математику Эйлер дал краткое и красивое решение проблемы кенигсбергских мостов: при таком расположении задача неразрешима. При этом он указал, что вопрос показался ему интересным, т.к. «для его решения недостаточны ни геометрия, ни алгебра...» .

При решении многих задач Л. Эйлер изображал множества с помощью кругов, поэтому они и получили название «круги Эйлера» . Этим методом ещё ранее пользовался немецкий философ и математик Готфрид Лейбниц, который использовал их для геометрического объяснения логических связей между понятиями, но при этом чаще использовал линейные схемы. Эйлер же достаточно основательно развил метод. Особенно знаменитыми графические методы стали благодаря английскому логику и философу Джону Венну, который ввел диаграммы Венна и подобные схемы часто называют диаграммами Эйлера-Венна . Используются они во многих областях, например, в теории множеств, теории вероятности, логике, статистике и информатике.

Принцип построения диаграмм

До сих пор диаграммы Эйлера-Венна широко используют для схематичного изображения всех возможных пересечений нескольких множеств. На диаграммах изображают все $2^n$ комбинаций n свойств. Например, при $n=3$ на диаграмме изображают три круга с центрами в вершинах равностороннего треугольника и одинаковым радиусом, который приближенно равен длине стороны треугольника.

Логические операции задают таблицы истинности. На диаграмме изображается круг с названием множества, которое он представляет, например, $A$. Область в середине круга $A$ будет отображать истинность выражения $A$, а область вне круга -- ложь. Для отображения логической операции заштриховывают только те области, в которых значения логической операции при множествах $A$ и $B$ истинны.

Например, конъюнкция двух множеств $A$ и $B$ истинна только в том случае, когда оба множества истинны. В таком случае на диаграмме результатом конъюнкции $A$ и $B$ будет область в середине кругов, которая одновременно принадлежит множеству $A$ и множеству $B$ (пересечению множеств).

Рисунок 1. Конъюнкция множеств $A$ и $B$

Использование диаграмм Эйлера-Венна для доказательства логических равенств

Рассмотрим, как применяется метод построения диаграмм Эйлера-Венна для доказательства логических равенств.

Докажем закон де Моргана, который описывается равенством:

Доказательство:

Рисунок 4. Инверсия $A$

Рисунок 5. Инверсия $B$

Рисунок 6. Конъюнкция инверсий $A$ и $B$

После сравнения области для отображения левой и правой части видим, что они равны. Из этого следует справедливость логического равенства. Закон де Моргана доказан с помощью диаграмм Эйлера-Венна.

Решение задачи поиска информации в Интернет с помощью диаграмм Эйлера-Венна

Для осуществления поиска информации в Интернет удобно использовать поисковые запросы с логическими связками, аналогичными по смыслу союзам "и", "или" русского языка. Смысл логических связок становится более понятным, если проиллюстрировать их с помощью диаграмм Эйлера-Венна.

Пример 1

В таблице приведены примеры запросов к поисковому серверу. Каждый запрос имеет свой код -- буква от $A$ до $B$. Нужно расположить коды запросов в порядке убывания количества найденных страниц по каждому запросу.

Рисунок 7.

Решение:

Построим для каждого запроса диаграмму Эйлера-Венна:

Рисунок 8.

Ответ: БВА.

Решение логической содержательной задачи с помощью диаграмм Эйлера-Венна

Пример 2

За зимние каникулы из $36$ учеников класса $2$ не были ни в кино, ни в театре, ни в цирке. В кино сходило $25$ человек, в театр -- $11$, в цирк -- $17$ человек; и в кино, и в театре -- $6$; и в кино и в цирк -- $10$; и в театр и в цирк -- $4$.

Сколько человек побывало и в кино, и в театре, и в цирке?

Решение:

Обозначим количество ребят, побывавших и в кино, и в театре, и в цирке -- $x$.

Построим диаграмму и узнаем количество ребят в каждой области: