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像と逆像の演習md d29fa4f
exercise/math/discrete-math/images-and-preimages.exercise.n.md

ぞうimage逆像ぎゃくぞうpreimage演習えんしゅう

document_iddoc_ce91c3baaa7e5d4d8beef3d8a3948a8btitle像と逆像 演習type問題演習content_typeexercisedate2026-07-14categorymathdescription像と逆像の計算、逆像による補集合の保存、像と逆像の往復包含、および単射・全射の特徴づけを確認する演習。prerequisites写像の基本 / 写像の像と逆像 / 集合演算と包含関係relateddata/lecture/math/discrete-math/discrete-mathematics-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/map-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/images-and-preimages-of-maps.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/injections-surjections-and-bijections.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/set-operations-and-inclusion.lecture.n.md

2問題もんだい1:ぞうimageもとめる

A={1,2,3,4}B={0,1} とし、写像しゃぞうmap f:AB を、f(x)x を 2 でったあまり、とさだめる。S={1,2,4}ぞうimage f(S)もとめよ。

2.1解答かいとう

f(1)=1f(2)=0f(4)=0 なので、

f(S)={0,1}

である。

2.2解説かいせつ

ぞうimageは、部分集合ぶぶんしゅうごうsubsetかくげんelement実際じっさいうつしてられる集合しゅうごうsetである。重複ちょうふくしておなあたいになっても、集合しゅうごうsetでは 1 かいだけかぞえる。

3問題もんだい2:逆像ぎゃくぞうpreimageもとめる

問題もんだい1の写像しゃぞうmap f について、T={0}逆像ぎゃくぞうpreimage f-1(T)もとめよ。

3.1解答かいとう

f(x)=0 となるのは x=2,4 である。したがって

f-1({0})={2,4}

である。

3.2解説かいせつ

逆像ぎゃくぞうpreimageは、終域しゅういきcodomainがわ指定していされた集合しゅうごうはい出力しゅつりょくoutput入力にゅうりょくinput全体ぜんたいである。逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapとはべつ概念がいねんなので、写像しゃぞうmap全単射ぜんたんしゃbijectionでなくてももとめられる。

4問題もんだい3:逆像ぎゃくぞうpreimage補集合ほしゅうごうcomplementたもつことをしめ

f:ABTB とする。

f-1(BT)=Af-1(T)

しめせ。

4.1解答かいとう

任意にんいxA について、

\begin{aligned} x\in f^{-1}(B\setminus T) &\Longleftrightarrow f(x)\in B\setminus T\\ &\Longleftrightarrow f(x)\notin T\\ &\Longleftrightarrow x\notin f^{-1}(T)\\ &\Longleftrightarrow x\in A\setminus f^{-1}(T). \end{aligned}

任意にんいxA所属条件しょぞくじょうけん同値どうちなので、2 つの集合しゅうごうsetひとしい。

4.2解説かいせつ

補集合ほしゅうごうcomplementでは、どの全体集合ぜんたいしゅうごうたいする補集合ほしゅうごうかが重要じゅうようである。BT出力側しゅつりょくがわ補集合ほしゅうごうcomplementであり、その逆像ぎゃくぞうpreimage入力側にゅうりょくがわ補集合ほしゅうごうcomplement Af-1(T) になる。

5証明しょうめい演習えんしゅうぞうimage逆像ぎゃくぞうpreimage往復おうふく

5.1問題もんだい

f:AB とする。つぎ証明しょうめいせよ。

  1. 任意にんいSA について Sf-1(f(S)) である。すべての SA等号とうごう成立せいりつすることと、f単射たんしゃinjectionであることは同値どうちである。
  2. 任意にんいTB について f(f-1(T))=Tf(A)T である。すべての TBf(f-1(T))=T成立せいりつすることと、f全射ぜんしゃsurjectionであることは同値どうちである。

5.2解答かいとう

  1. xS なら f(x)f(S) なので、xf-1(f(S)) である。よって Sf-1(f(S)) である。

f単射たんしゃinjectionで、xf-1(f(S)) とする。ある sS存在そんざいして f(x)=f(s) だから、単射性たんしゃせいinjectivityより x=sS である。したがってすべての S等号とうごう成立せいりつする。

ぎゃくに、すべての S等号とうごう成立せいりつするとする。f(x1)=f(x2) とし、S={x1}く。すると x2f-1(f(S))=S なので x2=x1 である。よって f単射たんしゃinjectionである。

  1. yf(f-1(T)) なら、ある xf-1(T)存在そんざいして y=f(x) である。逆像ぎゃくぞうpreimage定義ていぎより f(x)T であり、また y=f(x)f(A) だから、yTf(A) である。

ぎゃくyTf(A) なら、ある xA存在そんざいして f(x)=y である。yT なので xf-1(T)、したがって yf(f-1(T)) である。よって

f(f-1(T))=Tf(A)T

である。

f全射ぜんしゃsurjectionで、yT とする。ある xA存在そんざいして f(x)=y である。すると xf-1(T) なので yf(f-1(T)) であり、すべての T等号とうごう成立せいりつする。

ぎゃくに、すべての T等号とうごう成立せいりつするとする。T=Bけば

f(A)=f(f-1(B))=B

だから、f全射ぜんしゃsurjectionである。

5.3解説かいせつ

入力側にゅうりょくがわから「ぞうimageって逆像ぎゃくぞうpreimageもどす」と、おな出力しゅつりょくoutputおくられる入力にゅうりょく追加ついかされうる。その追加ついかきないための条件じょうけん単射性たんしゃせいinjectivityである。

出力側しゅつりょくがわから「逆像ぎゃくぞうpreimageってぞうimageもどす」と、もともと写像しゃぞうmap到達とうたつしないげんelementうしなわれうる。その欠落けつらくきないための条件じょうけん全射性ぜんしゃせいsurjectivityである。

ここで単射性たんしゃせいinjectivity全射性ぜんしゃせいsurjectivity同値どうちなのは、「特定とくていの 1 つの部分集合ぶぶんしゅうごう等号とうごう成立せいりつすること」ではなく、「すべての部分集合ぶぶんしゅうごう等号とうごう成立せいりつすること」である。量化りょうかちがいに注意ちゅういする。

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