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写像とは

このサイトでは「関数」を主に数を扱う写像という語感で使いますが、数学的には写像とほぼ同じ意味で扱います。

写像を定めるには、定義域、終域、対応規則の三つが必要です。同じ式 f(x)=x2f(x)=x^2 でも f:R→R,qquadg:[0,∞)→[0,∞)f:\mathbb R\to\mathbb R,qquad g:[0,\infty)\to[0,\infty) は別の写像です。

恒等写像 id⁡A:A→A\operatorname{id}_A:A\to A は id⁡A(x)=x\operatorname{id}_A(x)=x、定数写像はすべての入力を固定した一つの値へ送ります。

∵証明

任意の入力 xx に対して両辺の値はどちらも h(g(f(x)))h(g(f(x))) です。定義域・終域も一致するので写像として等しいです。

写像がwell-definedであるとは、許された各入力に、表示の選び方に依存しない終域内の値が一つ定まることです。たとえば同じ対象に複数の表示がある場合、表示を変えても出力が変わらないことを確かめます。

二つの写像が等しいとは、定義域と終域が同じで、すべての入力で値が一致することです。

逆写像 f−1:B→Af^{-1}:B\to A は f−1(f(x))=xf^{-1}(f(x))=x と f(f−1(y))=yf(f^{-1}(y))=y を満たす写像です。存在するには ff が全単射でなければなりません。詳しい条件は次の記事で扱います。

Q定義域・終域・値域★☆☆

f:{−2,−1,0,1,2}→{0,1,2,3,4}f:\{-2,-1,0,1,2\}\to\{0,1,2,3,4\}、f(x)=x2f(x)=x^2 の値域を求めてください。

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各入力の値を列挙します。
ANS解答を見る

出力は4、1、0、1、4なので、値域は {0,1,4}\{0,1,4\} です。終域 {0,1,2,3,4}\{0,1,2,3,4\} とは一致しません。

Q合成と逆像★★☆

f:R→Rf:\mathbb R\to\mathbb R、f(x)=2x−1f(x)=2x-1、g:R→Rg:\mathbb R\to\mathbb R、g(x)=x2g(x)=x^2 とします。g∘fg\circ f と (g∘f)−1([0,1])(g\circ f)^{-1}([0,1]) を求めてください。

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(2x−1)2≤1(2x-1)^2\le1 を解きます。
ANS解答を見る

(g∘f)(x)=(2x−1)2(g\circ f)(x)=(2x-1)^2 です。

(2x−1)2≤1  ⟺  −1≤2x−1≤1  ⟺  0≤x≤1.(2x-1)^2\le1 \iff -1\le2x-1\le1 \iff 0\le x\le1.

したがって逆像は [0,1][0,1] です。

Q逆像が共通部分を保つことを示す★★★

写像 f:X→Yf:X\to Y と部分集合 A,B⊆YA,B\subseteq Y に対して

f−1(A∩B)=f−1(A)∩f−1(B)f^{-1}(A\cap B)=f^{-1}(A)\cap f^{-1}(B)

を示してください。

HINTヒントを見る
x∈Xx\in X を一つ取り、左辺に属する条件を順に言い換えます。
ANS解答を見る

x∈f−1(A∩B)x\in f^{-1}(A\cap B) は f(x)∈A∩Bf(x)\in A\cap B と同値です。これは f(x)∈Af(x)\in A かつ f(x)∈Bf(x)\in B、すなわち x∈f−1(A)x\in f^{-1}(A) かつ x∈f−1(B)x\in f^{-1}(B) と同値です。よって両辺は同じ要素を持ちます。