集合的异或运算(对称差)

本文介绍了集合的对称差(异或)运算,包括定义、基本定律及其交换律的证明,并探讨了在计算机中异或运算的应用,如数据加密和全集子集的相关性质证明。

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1、集合的异或运算(AΔB)定义
属于A或属于B,但不同时属于A和B的元素的集合称为A和B的对称差,即A和B的异或。

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注:草绿色部分即为 AΔB

2、对称差(异或)运算的定律
2.1 AΔB = (A-B)∪(B-A) = (A∪B)-(A∩B)
该公式的证明已在 集合的证明及相关习题 中证明了

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2.2 对称差运算的交换律
(AΔB)ΔC = (AΔC)ΔB

### 异或运算的数学性质 异或(XOR),作为逻辑运算的一部分,在二元逻辑操作中具有独特的属性。对于任意两个输入A和B,当两者不同时返回真(1),相同则返回假(0)。具体来说: - \( A \oplus 1 = A'\),表示任何值与1做异或等于该值取反; - \( A \oplus 0 = A\),意味着任何数值同0作异或保持不变; - \( A \oplus A = 0\),表明相同的两数异或结果为零; - \( A \oplus A' = 1\),说明一数与其补码异或得1。 这种特殊的性质使得异或成为一种强大的工具用于检测异性和执行位级操作[^2]。 ### 编程中的应用实例 #### 数据加密解密 利用\( P \oplus K = C \) 和 \( C \oplus K = P \),其中P代表明文、K是秘钥而C则是密文。通过简单的两次异或变换即可完成加解密过程而不需额外存储空间来保存中间状态。 ```csharp public static string EncryptDecrypt(string input, byte[] key) { var bytes = System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(input); for (int i = 0; i < bytes.Length; ++i) bytes[i] ^= key[i % key.Length]; return Convert.ToBase64String(bytes); // 返回编码后的字符串形式 } ``` #### 交换变量值无需临时变量 借助于上述提到过的自反律(\(a=a\oplus b\oplus a=b)\),可以在没有第三方辅助的情况下轻松互换两个整型变量的内容: ```csharp static void Swap(ref int x, ref int y) { if(x != y){ x ^= y; y ^= x; x ^= y; } } ``` #### 错误检测机制 由于异或具备良好的抗干扰能力以及唯一性特征——即不同元素间相互作用产生的特定模式难以被其他组合复制出来,因此非常适合用来构建校验码或者奇偶检验等功能模块。 #### 对称集计算 在集合论里,给定两个有限集合S,T,则它们之间的对称定义为属于其中一个而非另一个成员组成的子集\[ S△T=(S-T)\cup(T-S)=\{e:e∈S∨e∈T∧¬(e∈S∧e∈T)\}\].此概念同样适用于数组或列表对象间的比较场景下找出独有的项目[^3].
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