4.3 4.3 Propiedades de la unión y la intersección

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Propiedades fundamentales de las operaciones

PropiedadUnión ($$\cup $$)Intersección ($$\cap $$)
Conmutativa$$A \cup B = B \cup A $$$$A \cap B = B \cap A $$
Asociativa$$(A \cup B) \cup C = A \cup (B \cup C) $$$$(A \cap B) \cap C = A \cap (B \cap C) $$
Idempotencia$$A \cup A = A $$$$A \cap A = A $$
Elemento neutro$$A \cup \emptyset = A $$$$A \cap E = A $$
Absorción$$A \cup (A \cap B) = A $$$$A \cap (A \cup B) = A $$
📝 Ejemplo:

Con \(A = \{1,2, 3\} \) se comprueba la idempotencia: \(A \cup A = \{1,2, 3\} = A \) y \(A \cap A = A \); unir o intersecar un suceso consigo mismo no añade ni quita ningún resultado.

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Leyes distributivas

Distributiva de la unión respecto de la intersección:

$$A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C) $$

Distributiva de la intersección respecto de la unión:

$$A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C) $$
📝 Ejemplo:

Con \(A = \{1,2\} \), \(B = \{2,3\} \) y \(C = \{3,4\} \): \(B \cap C = \{3\} \), luego \(A \cup (B \cap C) = \{1,2, 3\} \); y \((A \cup B) \cap (A \cup C) = \{1,2, 3\} \). Ambos miembros coinciden.

📝 Ejemplo 1: Verificación numérica de la ley distributiva de la unión respecto de la intersección

Con los mismos conjuntos \(A = \{1,2\} \), \(B = \{2,3\} \) y \(C = \{3,4\} \), comprueba numéricamente la ley distributiva $$A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C) $$

💡 Explicación

Para comprobar esta ley distributiva calcularemos por separado el miembro de la izquierda y el de la derecha, operando siempre desde los paréntesis hacia fuera.

Empezaremos por la izquierda: primero la intersección interior \(B \cap C \) y después su unión con \(A \). A continuación haremos lo mismo con la derecha: las uniones \(A \cup B \) y \(A \cup C \), y después su intersección.

Para terminar compararemos ambos resultados.

👉 PASO 1

Cálculo del miembro izquierdo.

El único elemento común a \(B \) y \(C \) es el tres (el dos solo está en B y el cuatro solo en C):

$$B \cap C = \{3\} $$

Ahora unimos con \(A \): el uno y el dos están en A, y el tres está en la intersección:

$$A \cup (B \cap C) = \{1,2\} \cup \{3\} = \{1,2, 3\} $$
👉 PASO 2

Cálculo del miembro derecho.

La unión de \(A \) y \(B \) recoge el uno, el dos y el tres:

$$A \cup B = \{1,2, 3\} $$

La unión de \(A \) y \(C \) recoge el uno, el dos, el tres y el cuatro:

$$A \cup C = \{1,2, 3,4\} $$

La intersección de ambos resultados contiene los elementos comunes: el uno, el dos y el tres (el cuatro solo está en el segundo):

$$(A \cup B) \cap (A \cup C) = \{1,2, 3\} \cap \{1,2, 3,4\} = \{1,2, 3\} $$
👉 PASO 3

Comparación de ambos miembros.

Ambos miembros valen \(\{1,2, 3\} \), luego la igualdad queda verificada numéricamente:

$$A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C) $$
✅ Conclusión

Con los conjuntos dados se verifica numéricamente la ley distributiva de la unión respecto de la intersección.

📝 Ejemplo 2: Elemento neutro y elemento absorbente de la unión y la intersección

Para cualquier suceso \(A \) contenido en el espacio muestral \(E \), comprueba con un ejemplo numérico que se cumplen \(A \cup E = E \) y \(A \cap \emptyset = \emptyset \)

💡 Explicación

Para comprobar estas propiedades empezaremos por recordar que el espacio muestral \(E \) contiene todos los resultados posibles y que el conjunto vacío \(\emptyset \) no contiene ninguno.

A continuación tomaremos un suceso concreto \(A \) y calcularemos su unión con \(E \). Para terminar calcularemos su intersección con el conjunto vacío.

👉 PASO 1

Unión de un suceso con el espacio muestral.

Tomamos el espacio muestral del dado \(E = \{1,2, 3,4, 5,6\} \) y el suceso \(A = \{2,4\} \), que está contenido en \(E \)

Por definición, la unión \(A \cup E \) contiene los elementos que están en al menos uno de los dos.

Como todo elemento de \(A \) ya está en \(E \), la unión no añade nada nuevo:

$$A \cup E = \{1,2, 3,4, 5,6\} = E $$

El espacio muestral actúa como elemento absorbente de la unión: unir cualquier suceso con \(E \) devuelve \(E \)

👉 PASO 2

Intersección de un suceso con el conjunto vacío.

Por definición, la intersección \(A \cap \emptyset \) contiene los elementos que pertenecen a ambos conjuntos a la vez.

Como el conjunto vacío no tiene ningún elemento, es imposible que haya elementos comunes:

$$A \cap \emptyset = \emptyset $$

El conjunto vacío actúa como elemento absorbente de la intersección: intersecar cualquier suceso con \(\emptyset \) devuelve \(\emptyset \)

✅ Conclusión

Queda comprobado que \(A \cup E = E \) (el espacio muestral es absorbente para la unión) y que \(A \cap \emptyset = \emptyset \) (el vacío es absorbente para la intersección).

De forma dual, \(\emptyset \) es el elemento neutro de la unión (\(A \cup \emptyset = A \)) y \(E \) el de la intersección (\(A \cap E = A \)).

📝 Ejemplo 3: Verificación numérica de la ley de absorción

Comprueba numéricamente la ley de absorción \(A \cap (A \cup B) = A \) con los conjuntos \(A = \{1,2\} \) y \(B = \{2,3\} \)

💡 Explicación

Para comprobar la ley de absorción empezaremos por calcular la unión interior \(A \cup B \). A continuación intersecaremos el resultado con \(A \), quedándonos solo con los elementos comunes.

Para terminar compararemos el resultado con el suceso \(A \) original.

👉 PASO 1

Cálculo de la unión interior.

La unión de \(A \) y \(B \) recoge los elementos de al menos uno de los dos: el uno está solo en A, el dos está en ambos y el tres está solo en B:

$$A \cup B = \{1,2, 3\} $$
👉 PASO 2

Intersección con A.

Intersecamos \(A \) con el resultado anterior: los elementos comunes a \(\{1,2\} \) y \(\{1,2, 3\} \) son el uno y el dos:

$$A \cap (A \cup B) = \{1,2\} \cap \{1,2, 3\} = \{1,2\} = A $$
✅ Conclusión

Queda comprobada numéricamente la ley de absorción \(A \cap (A \cup B) = A \): al intersecar \(A \) con una unión que ya lo contiene, se recupera \(A \)

📝 Ejemplo 4: Verificación numérica de la ley distributiva de la intersección respecto de la unión

Sean los conjuntos \(A = \{1,2\} \), \(B = \{2,3\} \) y \(C = \{3,4\} \)

Comprueba numéricamente que se cumple la ley distributiva $$A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C) $$

💡 Explicación

Para comprobar esta ley distributiva calcularemos por separado el miembro de la izquierda y el de la derecha, operando siempre desde los paréntesis hacia fuera.

Empezaremos por la izquierda: primero la unión interior \(B \cup C \) y después su intersección con \(A \). A continuación haremos lo mismo con la derecha: las intersecciones \(A \cap B \) y \(A \cap C \), y después su unión.

Para terminar compararemos ambos resultados.

👉 PASO 1

Cálculo del miembro izquierdo.

Operamos primero el paréntesis interior: la unión de \(B \) y \(C \) recoge el dos (solo en B), el tres (en ambos) y el cuatro (solo en C):

$$B \cup C = \{2,3, 4\} $$

Ahora intersecamos con \(A \): el único elemento común a \(\{1,2\} \) y \(\{2,3, 4\} \) es el dos:

$$A \cap (B \cup C) = \{1,2\} \cap \{2,3, 4\} = \{2\} $$
👉 PASO 2

Cálculo del miembro derecho.

Calculamos primero las intersecciones interiores.

Los elementos comunes a \(A \) y \(B \) son el dos (el uno solo está en A y el tres solo en B):

$$A \cap B = \{2\} $$

Los elementos comunes a \(A \) y \(C \) no existen (el uno y el dos no están en C; el tres y el cuatro no están en A):

$$A \cap C = \emptyset $$

Ahora unimos ambos resultados; por la propiedad del elemento neutro, unir con el vacío no añade ningún elemento:

$$(A \cap B) \cup (A \cap C) = \{2\} \cup \emptyset = \{2\} $$
👉 PASO 3

Comparación de ambos miembros.

Hemos obtenido \(A \cap (B \cup C) = \{2\} \) y \((A \cap B) \cup (A \cap C) = \{2\} \)

Ambos miembros valen lo mismo, luego la igualdad queda verificada numéricamente:

$$A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C) $$
✅ Conclusión

Con los conjuntos dados se verifica numéricamente la ley distributiva de la intersección respecto de la unión.

📝 Ejemplo 5: Ley de idempotencia y simplificación de expresiones compuestas

Demuestra y verifica numéricamente que para cualesquiera sucesos \(A \) y \(B \), la expresión conjuntista \((A \cup B) \cap (A \cup \overline{B}) \) se simplifica exactamente al suceso \(A \)

💡 Explicación

Para resolver este ejercicio utilizaremos la propiedad distributiva de la unión respecto de la intersección en sentido inverso, extrayendo el suceso A común.

Después aplicaremos la ley de la contradicción para conjuntos (B intersección no B es el conjunto vacío) y la propiedad del elemento neutro para la unión.

👉 PASO 1

Expresión algebraica inicial.

$$(A \cup B) \cap (A \cup \overline{B}) $$
👉 PASO 2

Aplicación de la propiedad distributiva en sentido inverso.

Por la propiedad distributiva: $$X \cup (Y \cap Z) = (X \cup Y) \cap (X \cup Z) $$

Tomando \(X = A \), \(Y = B \) y \(Z = \overline{B} \):

$$(A \cup B) \cap (A \cup \overline{B}) = A \cup (B \cap \overline{B}) $$
👉 PASO 3

Propiedad del complementario (conjunto vacío).

Un suceso y su complementario no tienen elementos comunes:

$$B \cap \overline{B} = \emptyset $$

Sustituyendo:

$$A \cup (B \cap \overline{B}) = A \cup \emptyset $$
👉 PASO 4

Elemento neutro de la unión.

El conjunto vacío es el elemento neutro para la operación unión:

$$A \cup \emptyset = A $$

Queda demostrada la identidad teórica.

👉 PASO 5

Verificación numérica en un espacio muestral.

Consideramos el espacio muestral \(E = \{1,2, 3,4\} \), con \(A = \{1,2\} \) y \(B = \{2,3\} \)

El complementario de B es \(\overline{B} = \{1,4\} \)

Calculamos:

$$A \cup B = \{1,2, 3\} $$
$$A \cup \overline{B} = \{1,2, 4\} $$

Intersecamos ambos conjuntos:

$$(A \cup B) \cap (A \cup \overline{B}) = \{1,2, 3\} \cap \{1,2, 4\} = \{1,2\} = A $$
✅ Conclusión

La ley distributiva permite reducir la expresión a $$A \cup (B \cap \overline{B}) = A \cup \emptyset = A $$, verificándose la igualdad tanto formal como numéricamente.