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写像の像と逆像md c6b2274
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写像しゃぞうmapぞうimage逆像ぎゃくぞうpreimage

document_iddoc_e53d624441ddb72346c8fe46db214aaatitle写像の像と逆像 講義type講義content_typelecturedate2026-07-14categorymathdescription写像が集合をどう運ぶかを説明し、像と和集合・共通部分の関係、および逆像が和集合・共通部分・補集合を保存することを整理する。prerequisites集合の基本 / 写像の基本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/injections-surjections-and-bijections.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/composition-and-inverse-maps.lecture.n.md / data/exercise/math/discrete-math/images-and-preimages.exercise.n.md

写像しゃぞうmapげんelementおく規則きそくである。しかし集合論しゅうごうろんでは、1 げんelementだけでなく、部分集合ぶぶんしゅうごうsubset全体ぜんたいがどううつるかをることがおおい。そのために使つかうのがぞうimage逆像ぎゃくぞうpreimageである。

data/lecture/math/discrete-math/map-basics.lecture.n.md

1ぞうimage

f:AB とし、SA とする。Sぞうimage

f(S)={f(x)xS}

定義ていぎする。これは Sげんelementfおくってられる集合しゅうごうsetである。

とくに、f(A)値域ちいきrangeである。終域しゅういきcodomain B値域ちいきrange f(A)区別くべつする。

2逆像ぎゃくぞうpreimage

TB とする。T逆像ぎゃくぞうpreimage

f-1(T)={xAf(x)T}

定義ていぎする。

ここで f-1(T) という記号きごう使つかうが、逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map存在そんざいする必要ひつようはない。逆像ぎゃくぞうpreimageは「Tはい出力しゅつりょく入力にゅうりょく全体ぜんたい」であり、逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapとはべつ概念がいねんである。

data/lecture/math/discrete-math/composition-and-inverse-maps.lecture.n.md

3逆像ぎゃくぞうpreimage集合演算しゅうごうえんざんset operations相性あいしょうがよい

逆像ぎゃくぞうpreimageは、和集合わしゅうごうunion共通部分きょうつうぶぶんintersection補集合ほしゅうごうcomplementたもつ。

f-1(T1T2)=f-1(T1)f-1(T2)
f-1(T1T2)=f-1(T1)f-1(T2)
f-1(BT)=Af-1(T)

理由りゆうは、どれも f(x)みぎがわ集合しゅうごうぞくするかどうかだけで判定はんていできるからである。

4ぞうimageでは共通部分きょうつうぶぶんintersection注意ちゅういする

ぞうimage和集合わしゅうごうunionについてはよくう。

f(S1S2)=f(S1)f(S2)

実際じっさいyf(S1S2) であることは、ある xS1S2 によって y=f(x)けることと同値どうちである。この xS1 または S2ぞくするので、これは yf(S1)f(S2)同値どうちである。

一方いっぽう共通部分きょうつうぶぶんintersectionについては一般いっぱん

f(S1S2)f(S1)f(S2)

までしかえない。等号とうごうがいつも成立せいりつするわけではない。

5反例はんれいぞうimage共通部分きょうつうぶぶんintersection保存ほぞんしない

具体例ぐたいれいとして、A={1,2}B={0}f(1)=0f(2)=0 とする。S1={1}S2={2} とすると、

S1S2=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")]

なので f(S1S2)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] である。しかし

f(S1)f(S2)={0}{0}={0}

である。これは f単射たんしゃinjectionでなく、ことなる入力にゅうりょくおな出力しゅつりょくつぶれているためである。

6命題めいだいぞうimage共通部分きょうつうぶぶんintersection等号とうごう

写像しゃぞうmap f:ABS1,S2Aたいして、つねに

f(S1S2)f(S1)f(S2)

成立せいりつする。さらに f単射たんしゃinjectionなら、すべての S1,S2A について

f(S1S2)=f(S1)f(S2)

成立せいりつする。ぎゃくに、この等号とうごうがすべての S1,S2A成立せいりつするなら、f単射たんしゃinjectionである。

包含ほうがんしめすため、yf(S1S2) とする。ある xS1S2存在そんざいして y=f(x) なので、yf(S1)f(S2) である。

f単射たんしゃinjectionで、yf(S1)f(S2) とする。ある x1S1x2S2存在そんざいして f(x1)=y=f(x2) である。単射性たんしゃせいinjectivityより x1=x2 だから、このげんS1S2ぞくし、yf(S1S2) となる。

最後さいごに、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とする。f(x1)=f(x2) なら、S1={x1}S2={x2}く。f(S1)f(S2)からでないため、仮定かていから f(S1S2)からでない。したがって S1S2からでなく、x1=x2 である。よって f単射たんしゃinjectionである。

7なにわり、なに保存ほぞんされるか

ぞうimageは、入力にゅうりょくがわ部分集合ぶぶんしゅうごうsubset出力しゅつりょくがわはこぶ。写像しゃぞうmap単射たんしゃinjectionでない場合ばあいことなるげんelementおなげんelementつぶれるため、集合しゅうごうおおきさや共通部分きょうつうぶぶん構造こうぞうわりうる。

逆像ぎゃくぞうpreimageは、出力しゅつりょくがわ条件じょうけん入力にゅうりょくがわ条件じょうけんもどす。論理式ろんりしき真偽しんぎをそのまま入力にゅうりょくがわ判定はんていするため、集合演算しゅうごうえんざんとの相性あいしょうがよい。

ぞうimage和集合わしゅうごうとは相性あいしょうがよいが、共通部分きょうつうぶぶんつね保存ほぞんするとはかぎらない。これにたいして逆像ぎゃくぞうpreimage和集合わしゅうごう共通部分きょうつうぶぶん補集合ほしゅうごう論理条件ろんりじょうけんとしてもどすため、保存性ほぞんせいつよい。

8証明しょうめい補足ほそく逆像ぎゃくぞうpreimage集合演算しゅうごうえんざんset operationsたも理由りゆう

f:XYB1,B2YTY とする。和集合わしゅうごうunionについて、

f-1(B1B2)=f-1(B1)f-1(B2)

しめすには、所属条件しょぞくじょうけんえる。

xf-1(B1B2)f(x)B1B2f(x)B1orf(x)B2xf-1(B1)f-1(B2).

共通部分きょうつうぶぶんintersectionについても、論理語ろんりごlogical word orandえて

xf-1(B1B2)xf-1(B1)f-1(B2)

る。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を明示めいじすると、

xf-1(YT)f(x)Txf-1(T)xXf-1(T)

となる。よって逆像ぎゃくぞうpreimage和集合わしゅうごうunion共通部分きょうつうぶぶんintersection補集合ほしゅうごうcomplementを、単射性たんしゃせいinjectivity全射性ぜんしゃせいsurjectivity仮定かていせずに保存ほぞんする。

9つぎ講義こうぎlecture演習えんしゅうリンクとまとめ

data/exercise/math/discrete-math/images-and-preimages.exercise.n.md data/lecture/math/discrete-math/injections-surjections-and-bijections.lecture.n.md

ぞうimage集合しゅうごうまえおく操作そうさであり、逆像ぎゃくぞうpreimage条件じょうけんうしろへもど操作そうさである。逆像ぎゃくぞうpreimage逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapがなくても定義ていぎできるてんかなら区別くべつする。

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