論理数学 - 写像

概要

写像 (関数) とは、ある集合Aの全ての要素に対して、集合Bの要素をただ1つ返すものである。

この時、集合Aを始域または定義域、集合Bを終域、関数の対応先となり得る集合𝐵の部分集合を値域という。

写像の定義

定義 :

集合Aの全ての要素に対して、その要素を入力すると集合Bの特定の要素をただ1つ出力するものを関数 (function) または 写像 (mapping) という。
この時、集合Aをその写像の始域または定義域 (domain) といい、集合Bを終域 (codomain) という。

また、集合Aを入力したときの出力となり得る集合Bの部分集合全体を関数 (写像) の値域 (像 range) という。

写像についての注意点を、以下に示す。

• 始域Aの全ての要素において、終域Bの要素をただ1つ返すこと。
• 始域Bの要素であれば、どの要素を返してもよい。
  始域Aの各々の要素に対して、終域Bの同じ要素を返してもよい。
  また、終域Bの全ての要素を対応付ける必要はない。
• 終域は、値域と呼ばれることもある。

恒等写像

定義 :

集合X上の写像 (定義域Xと終域Xが同一である写像) において、$\forall a\in X$ に対して $f(a)=a$ が成り立つ時、$f$ を $X$ 上の恒等写像という。

補足 :
$\forall a\in X$ は、集合Xの任意の要素aという意味である。

写像の表記

写像は関数 (function) の頭文字を用いて、$f$と表記されることが多い。
2つ以上の写像がある場合は、アルファベット順に$f,\,g,\,h,\,\cdots$ 等と表記する。

始域が集合A、終域が集合Bである写像 $f$ を、$f:A\longrightarrow B$ と記述する。

集合Aの各要素 構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle x \in A} に対して、それに対応する集合Bの要素が 構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle y \in B} であるとき、これを 構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle f(x) = y} または 構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle f : x \longmapsto y, \quad x \overset{f}{\longmapsto} y} と記述する。

また，終域・値域は、構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle f(A) = \{ f(x) \in B | x \in A \}} と記述する。

写像の例

構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle R} は実数全体の集合、構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle Z} は整数全体の集合を表す。

例題 1:

$f:\{a,b,c,\cdots ,z\}\longrightarrow \{A,B,C,\cdots ,Z\}$ があるとする。
この写像は、英語の小文字を入力する時、その大文字を出力する。

この時、構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle f(a) = A, f(b) = B}
 であり、終域・値域は $\{A,B,C,\cdots ,Z\}$ である。

例題 2:

$f:\mathbb {Z} \longrightarrow \mathbb {Z}$ があるとする。
この写像は、整数を入力する時、2で剰余した値を出力する。

この時、$3\longmapsto 1,\quad 8\longmapsto 0$ であり、値域は $\{0,1\}$ である。

例題 3:

$f:\mathbb {R} \longrightarrow \mathbb {R}$ があるとする。
この写像は、$f(x)=x^{2}$ と定義する。

この時、$f(0)=0,\quad f(2)=4$ であり、値域は $\{x\in R\,|\,x\geq 0\}$ である。

単射

定義 :

始域Xから終域Yへの写像fが $\forall x_{1}\in X,\quad \forall x_{2}\in X$ に対して、常に $x_{1}\neq x_{2}\rightarrow f(x_{1})\neq f(x_{2})$ を満たす時、
写像fは単射 (１対１対応) であるという。

補足 :
対偶 $\forall x_{1}\in X,\quad \forall x_{2}\in X$ に対して、常に $f(x_{1})=f(x_{2})\rightarrow x_{1}=x_{2}$ を満たす、と同義である。

図(a). 単射の例
図(b). 単射でない例

全射

定義 :

始域Xから終域Yへの写像fについて、$\forall y\in Y$ に対して、常に $y=f(x)$ を満たす要素 $x\in X$ が存在する時、
写像fは全射（上への対応）であるという。

図(a). 全射の例
図(b). 全射でない例

全単射

定義 :

全射であり、かつ、単射である写像を全単射 (上への１対1対応) という。

図(a). 単射の例
図(b). 全射の例
図(c). 全単射の例

逆写像

定義 :

集合Xから集合Yへの写像fが全単射である時、$\forall y\in Y$ に対して、
$y=f(x)$ を満たす要素 $x\in X$ を対応させる写像をfの逆写像といい、$f^{-1}$ で表す。

$y=f(x)\,\iff \,x=f^{-1}(y)$

図(a). 写像
図(b). 逆写像

例 :
$f(x)=2x+1$ の逆写像 $y=2x+1$ とおき、xについて解く。

${\begin{array}{lcl}2x&=&y-1\\x&=&{\dfrac {1}{2}}y-{\dfrac {1}{2}}\end{array}}$

したがって、
$f^{-1}(y)={\frac {1}{2}}y-{\frac {1}{2}}$

一般的に、写像はxの式で表すので、yをxに置き換えて次式のように表す。
$f^{-1}(x)={\frac {1}{2}}y-{\frac {1}{2}}$

逆像

定義 :

始域Xから終域Yへの写像$f:X\rightarrow Y$ とYの部分集合Bが与えられた時、

Xの部分集合 $f^{-1}(B)=\{x\,|\,x\in X,\,\,f(x)\in B\}$ をfによるBの逆像という。


補足 :
多価写像に対しても、上と同様に逆像が定義される。

例 :

$f:\mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R}$ を $f(x)=x^{2}$ とする。
この時、$f([1,\,2])=[1,\,4]$ である。

図. $y=x^{2}$ の像のイメージ

また、$f^{-1}([1,\,4])=[-2,\,-1]\cup [1,\,2]$ である。

写像の合成

定義 :

写像 構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle f: X \rightarrow Y}
 と写像 構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle g: Y \rightarrow Z}
 に対して、
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle x \longmapsto g(f(x))}
 で定められる写像 構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle h: X \rightarrow Z}
 をfとgの合成写像といい、
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle h = g \circ f \qquad \mbox{or} \qquad h(x) = g \circ f(x) \equiv g(f(x))}

で表す。

図. 合成写像

補足 :
写像の合成は、合成の順序に依存することに注意する。
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle g \circ f \ne f \circ g}


例 :
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle f(x) = x^{2}, \quad g(x) = x + 1}
 の時、

構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle g \circ f(x) = g(f(x)) = g(x^{2}) = x^{2} + 1}

構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle f \circ g(x) = f(g(x)) = f(x + 1) = (x + 1)^{2} = x^{2} + 2x + 1}