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合成写像ごうせいしゃぞうcomposite map逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map

date2026-07-14document_iddoc_6d2625a2f1f1a80f75bc4d220cdf8379description合成写像を操作の順序として説明し、恒等写像、逆写像、全単射との同値性を整理する講義である。prerequisites写像の基本 / 単射・全射・全単射type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/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/exercise/math/discrete-math/maps-injections-and-surjections.exercise.n.md
mathdiscrete-mathcompositioninverse-maplecture

Composite maps合成写像ごうせいしゃぞう and inverse maps逆写像ぎゃくしゃぞう

1導入どうにゅう

合成写像ごうせいしゃぞうcomposite map重要じゅうようなのは、写像しゃぞうmap操作そうさとしてむことである。f:ABAげんelementBげんelementおく操作そうさであり、g:BC はその結果けっかをさらに Cおく操作そうさである。この 2 つをつづけておこなうのが合成写像ごうせいしゃぞうcomposite mapである。

逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapは、操作そうさもともど操作そうさinverse operationである。ただし、もどすためには、入力にゅうりょくつぶれておらず、出力側しゅつりょくがわあまりもないことが必要ひつようである。この条件じょうけん全単射ぜんたんしゃbijectionである。

合成ごうせいcompositionでは順序じゅんじょ重要じゅうようで、さき適用てきようした写像しゃぞうmap終域しゅういきcodomainが、つぎ写像しゃぞうmap定義域ていぎいきdomain必要ひつようがある。逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapは、この移動いどうをすべての入力にゅうりょく出力しゅつりょくもどせるときにだけ存在そんざいする。

1Introduction

The key to a composite map合成写像ごうせいしゃぞう is to read a map写像しゃぞう as an operation. A map f:AB sends an elementげん of A to an element of B, and a map g:BC sends that result further into C. Performing these two operations in sequence is composition.

An inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう is an operation that restores the original input. To restore inputs, no two inputs may have collapsed to the same output, and no element of the output side may be left unused. This condition is exactly bijection全単射ぜんたんしゃ.

Order matters in composition合成ごうせい. The codomain終域しゅういき of the first map must match the domain定義域ていぎいき of the next map. An inverse map exists only when every input-output move can be undone in both directions.

2用語ようご定義ていぎ

写像しゃぞうmap f:ABg:BCあたえられたとき、合成写像ごうせいしゃぞうcomposite map gf:AC

(gf)(a)=g(f(a))

定義ていぎする。記号きごう gf は、さきf適用てきようし、つぎg適用てきようすることをあらわす。

集合しゅうごうset A うえ恒等写像こうとうしゃぞうidentity map idA:AA は、

idA(a)=a

定義ていぎされる写像しゃぞうmapである。

写像しゃぞうmap f:ABたいして、写像しゃぞうmap h:BA

hf=idA,fh=idB

たすとき、hf逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapといい、f-1く。

2Terms and definitions

Given maps f:AB and g:BC, define the composite map合成写像ごうせいしゃぞう gf:AC by

(gf)(a)=g(f(a)).

The notation gf means that f is applied first and g is applied second.

The identity map恒等写像こうとうしゃぞう idA:AA on a set A is the map defined by

idA(a)=a.

For a map f:AB, if a map h:BA satisfies

hf=idA,fh=idB,

then h is called the inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう of f and is written f-1.

3基本法則きほんほうそく恒等写像こうとうしゃぞうidentity map結合則けつごうそく

写像しゃぞうmap f:ABたいして、

idBf=f,fidA=f

成立せいりつする。実際じっさい任意にんいaA について

(idBf)(a)=idB(f(a))=f(a),(fidA)(a)=f(idA(a))=f(a)

である。

また、f:ABg:BCh:CDたいして、合成ごうせいcomposition結合則けつごうそくassociative law

h(gf)=(hg)f

たす。どちらも aAh(g(f(a)))おくるからである。したがって、3 以上いじょう写像しゃぞうmap合成ごうせいするとき、括弧かっこかた結果けっかえない。ただし、gffg のように順序じゅんじょorderえることとはべつである。

3Basic laws: identity maps恒等写像こうとうしゃぞう and associativity

For a map写像しゃぞう f:AB,

idBf=f,fidA=f.

Indeed, for every aA,

(idBf)(a)=idB(f(a))=f(a),(fidA)(a)=f(idA(a))=f(a).

For f:AB, g:BC, and h:CD, composition also satisfies the associative law結合則けつごうそく

h(gf)=(hg)f,

because both sides send aA to h(g(f(a))). Thus parentheses do not change the result when three or more maps are composed. This is different from changing the order, as in gf versus fg.

4方針ほうしん

合成写像ごうせいしゃぞうcomposite mapでは、かたさき確認かくにんする。この講義こうぎあつか標準的ひょうじゅんてきかた合成ごうせいtyped compositionでは、f:ABg:BC のように、f終域しゅういきcodomaing定義域ていぎいきdomainおな集合しゅうごう B として宣言せんげんする。このとき f(a)B なので、すべての aAg(f(a))適用てきようできる。

逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapでは、f-1 という記号きごうまえに、f全単射ぜんたんしゃbijectionであることを確認かくにんする。逆像ぎゃくぞうpreimage f-1(T)任意にんい写像しゃぞうmap定義ていぎできるが、逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map f-1:BA全単射ぜんたんしゃbijectionでなければ存在そんざいしない。

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4Method

For a composite map合成写像ごうせいしゃぞう, check the types first. In the standard typed compositionかた合成ごうせい used here, the maps are declared as f:AB and g:BC, so the codomain終域しゅういき of f is the same set B as the domain定義域ていぎいき of g. Then f(a)B ensures that g(f(a)) is defined for every aA.

For an inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう, check that f is a bijection全単射ぜんたんしゃ before writing f-1 as a map. A preimage逆像ぎゃくぞう f-1(T) is defined for any map, but an inverse map f-1:BA exists only when f is bijective.

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5直感的ちょっかんてき説明せつめい

合成写像ごうせいしゃぞうcomposite mapは、機械きかい直列ちょくれつ接続せつぞくすることに対応たいおうする。最初さいしょ機械きかい f入力にゅうりょくinput aれると f(a)出力しゅつりょくされる。つぎ機械きかい gf(a)れると g(f(a))出力しゅつりょくされる。したがって全体ぜんたい機械きかいgf である。

逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapは、機械きかい結果けっかから入力にゅうりょく完全かんぜん復元ふくげんする機械きかいである。もし 2 つの入力にゅうりょくおな出力しゅつりょくつぶれていれば、出力しゅつりょくだけをてももと入力にゅうりょくえらべない。もし終域しゅういきcodomainとどかないげんelementがあれば、そのげんelementもど入力にゅうりょく存在そんざいしない。

合成ごうせいcomposition矢印やじるしじゅんにつなぐ操作そうさであり、一般いっぱんには gffgおなじではない。どちらか一方いっぽうしかかたtypeわないこともあり、かたわなければ、その合成ごうせいcomposition定義ていぎできない。

5Intuitive explanation

A composite map合成写像ごうせいしゃぞう is like connecting machines in series. Put an input入力にゅうりょく a into the first machine f, and the output is f(a). Put that output into the second machine g, and the output is g(f(a)). The whole machine is therefore gf.

An inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう is a machine that reconstructs the input from the result. If two inputs collapse to the same output, the output alone cannot tell which input was used. If some element of the codomain終域しゅういき is never reached, there is no input to send back from that element.

Composition connects arrows in sequence. In general, gf and fg are not equal. Sometimes only one of them has compatible typesかた; if the types do not match, that composition is not defined.

6厳密げんみつ説明せつめい逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map全単射ぜんたんしゃbijection

f:AB逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map h:BAつとする。f(a1)=f(a2) なら、両辺りょうへんh適用てきようして

h(f(a1))=h(f(a2))

る。hf=idA より a1=a2 である。したがって f単射たんしゃinjectionである。

また、任意にんいbBたいして、a=h(b)くと、f(a)=f(h(b))=b である。ここで fh=idBもちいた。したがって f全射ぜんしゃsurjectionである。

ぎゃくf全単射ぜんたんしゃbijectionなら、任意にんいbBたいして、f(a)=bたす aA存在そんざいし、しかも単射性たんしゃせいinjectivityにより一意いちいである。そこで f-1(b)=a定義ていぎできる。この一意性いちいせいがなければ、逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapあたいvalueまらない。

この定義ていぎから、任意にんいaAbB について

f-1(f(a))=a,f(f-1(b))=b

である。したがって f-1f=idA かつ ff-1=idB であり、構成こうせいした写像しゃぞうmap実際じっさい逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapである。

6Rigorous explanation: inverse maps and bijections

Suppose f:AB has an inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう h:BA. If f(a1)=f(a2), then applying h to both sides gives

h(f(a1))=h(f(a2)).

Since hf=idA, we get a1=a2. Hence f is an injection単射たんしゃ.

Also, for any bB, put a=h(b). Then f(a)=f(h(b))=b by fh=idB. Hence f is a surjection全射ぜんしゃ.

Conversely, if f is a bijection全単射ぜんたんしゃ, then for every bB there exists aA with f(a)=b, and injectivity単射性たんしゃせい makes this a unique. Therefore one can define f-1(b)=a. Without this uniqueness, the value of the inverse map would not be determined.

By this definition, for every aA and bB,

f-1(f(a))=a,f(f-1(b))=b.

Hence f-1f=idA and ff-1=idB, so the constructed map really is an inverse map.

7命題めいだい逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map一意性いちいせい

写像しゃぞうmap f:AB逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map存在そんざいするなら、それは一意いちいである。実際じっさいh,k:BA がともに f逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapなら、結合則けつごうそくassociative law恒等則こうとうそくidentity lawsより

h=hidB=h(fk)=(hf)k=idAk=k

である。この一意性いちいせいにより、逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapf-1一意いちいあらわせる。

7Proposition: uniqueness of an inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう

If a map写像しゃぞう f:AB has an inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう, that inverse is unique. Indeed, if h,k:BA are both inverse maps of f, the associative law結合則けつごうそく and identity laws恒等則こうとうそく give

h=hidB=h(fk)=(hf)k=idAk=k.

This uniqueness justifies the unambiguous notation f-1.

8例題れいだい逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map両側りょうがわ確認かくにん

8Worked example: an inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう and two-sided verification

8.1問題もんだい

A={1,2,3}B={a,b,c} とし、f:AB

f(1)=b,f(2)=c,f(3)=a

定義ていぎする。f全単射ぜんたんしゃbijectionであることを確認かくにんし、逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapもとめ、両側りょうがわ合成ごうせいcomposition恒等写像こうとうしゃぞうidentity mapになることをたしかめよ。

8.1Problem

Let A={1,2,3} and B={a,b,c}. Define f:AB by

f(1)=b,f(2)=c,f(3)=a.

Check that f is a bijection全単射ぜんたんしゃ, find its inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう, and verify that both composites are identity maps恒等写像こうとうしゃぞう.

8.2解説かいせつ

f(1),f(2),f(3) はそれぞれ b,c,a であり、たがいにことなる。したがってことなる入力にゅうりょくinputことなる出力しゅつりょくoutputおくられるので、f単射たんしゃinjectionである。

また、終域しゅういきcodomain B={a,b,c}すべてのげんelementfあたいvalueとしてあらわれる。したがって f全射ぜんしゃsurjectionである。よって f全単射ぜんたんしゃbijectionである。

逆写像ぎゃくしゃぞうinverse mapは、矢印やじるし逆向ぎゃくむきにむことで

f-1(a)=3,f-1(b)=1,f-1(c)=2

となる。さらに x=1,2,3 のそれぞれについて f-1(f(x))=x であり、y=a,b,c のそれぞれについて f(f-1(y))=y である。したがって

f-1f=idA,ff-1=idB

たしかめられる。

8.2Explanation

The values f(1),f(2),f(3) are b,c,a, and they are distinct. Thus distinct inputs入力にゅうりょく are sent to distinct outputs出力しゅつりょく, so f is an injection単射たんしゃ.

Every elementげん of the codomain終域しゅういき B={a,b,c} appears as a value of f. Therefore f is a surjection全射ぜんしゃ. Hence f is a bijection全単射ぜんたんしゃ.

The inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう is obtained by reading the arrows backward:

f-1(a)=3,f-1(b)=1,f-1(c)=2.

For each x=1,2,3, one has f-1(f(x))=x, and for each y=a,b,c, one has f(f-1(y))=y. Therefore

f-1f=idA,ff-1=idB.

9見分みわかた

  • gfさきfあとg適用てきようする。
  • 合成写像ごうせいしゃぞうcomposite map つくまえに、出力しゅつりょくつぎ入力にゅうりょくかたうかを確認かくにんする。
  • 逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map 全単射ぜんたんしゃbijectionのときにだけ存在そんざいする。
  • 逆像ぎゃくぞうpreimage 逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map混同こんどうしない。

見分みわけるときは、まず定義域ていぎいきdomain終域しゅういきcodomain確認かくにんする。逆写像ぎゃくしゃぞうinverse map候補こうほ g:BA については、片側かたがわだけでなく gf=idAfg=idB両方りょうほう確認かくにんする。

9How to distinguish the ideas

  • In gf, f is applied first and g is applied second.
  • Before forming a composite map合成写像ごうせいしゃぞう, check that the output type and the next input type match.
  • An inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう exists only for a bijection全単射ぜんたんしゃ.
  • Do not confuse a preimage逆像ぎゃくぞう with an inverse map逆写像ぎゃくしゃぞう.

First check the domain定義域ていぎいき and codomain終域しゅういき. For a candidate inverse g:BA of f:AB, verify both gf=idA and fg=idB, not just one side.

10証明しょうめい補足ほそく合成ごうせい単射たんしゃ全射ぜんしゃ保存ほぞんされる理由りゆう

f:XYg:YZ とする。fg がともに単射たんしゃinjectiveなら、gf単射たんしゃである。

証明しょうめいする。(gf)(x1)=(gf)(x2) とする。これは g(f(x1))=g(f(x2)) である。g単射たんしゃなので f(x1)=f(x2) である。さらに f単射たんしゃなので x1=x2 である。したがって gf単射たんしゃである。

fg がともに全射ぜんしゃsurjectiveなら、gf全射ぜんしゃである。zZ任意にんいる。g全射ぜんしゃなので、ある yY存在そんざいして g(y)=z である。さらに f全射ぜんしゃなので、ある xX存在そんざいして f(x)=y である。よって (gf)(x)=z である。

このふたつをわせると、全単射ぜんたんしゃbijection合成ごうせいはまた全単射ぜんたんしゃである。逆写像ぎゃくしゃぞう存在そんざいすることも、単射たんしゃ全射ぜんしゃ同時どうじ成立せいりつすることのえである。

10Proof supplement: why composition preserves injectivity and surjectivity

Let f:XY and g:YZ. If both f and g are injective単射たんしゃ, then gf is injective.

To prove this, assume (gf)(x1)=(gf)(x2). This means g(f(x1))=g(f(x2)). Since g is injective, f(x1)=f(x2). Since f is injective, x1=x2. Therefore gf is injective.

If both f and g are surjective全射ぜんしゃ, then gf is surjective. Take arbitrary zZ. Since g is surjective, there exists yY with g(y)=z. Since f is surjective, there exists xX with f(x)=y. Hence (gf)(x)=z.

Combining these two statements, the composite of bijections全単射ぜんたんしゃ is again a bijection. The existence of an inverse map is another way to say that injectivity and surjectivity hold at the same time.

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