Bijekció

A matematikában a bijektív függvény vagy bijekció olyan f : A → B függvény, amely egyszerre injekció és szurjekció. Ez azt jelenti: a B kódtartomány minden b elemére pontosan egy olyan a elem van az A tartományban, amelyre f(a)=b. A bijekció másik neve 1-1 megfeleltetés.

A bijekció és a kapcsolódó szurjekció és injekció fogalmát Nicholas Bourbaki vezette be. Az 1930-as években ő és más matematikusok egy csoportja könyvsorozatot adott ki a modern haladó matematikáról.

Alapvető tulajdonságok

Hivatalosan:

f : A → B {\displaystyle f:A\rightarrow B} $f:A\rightarrow B$ bijektív függvény, ha ∀ b ∈ B {\displaystyle \forall b\in B} $\forall b\in B$ van egy olyan egyedi a ∈ A {\displaystyle a\in A} $a\in A$ , hogy f ( a ) = b . {\displaystyle f(a)=b\,. } $f(a)=b\,.$

A b {\displaystyle b} $b$ elemet az a {\displaystyle a} elem képének nevezzük.

A formális meghatározás azt jelenti: A B kódtartomány minden eleme az A tartomány pontosan egy elemének a képe.

Az a {\displaystyle a} elemet a b {\displaystyle b} $b$ elem előképének nevezzük.

A formális meghatározás azt jelenti: A B kódtartomány minden elemének pontosan egy előképe van az A tartományban.

Megjegyzés: A surjekció legalább egy előképet jelent. Az injektálás maximum egy előképet jelent. A bijekció tehát pontosan egy előképet jelent.

Cardinality

A kardinalitás a halmaz elemeinek száma. Az A={X,Y,Z,W} kardinalitása 4. Írjuk #A=4.

Meghatározás: Két A és B halmaznak ugyanaz a kardinalitása, ha a halmazok között bijekció van. Tehát #A=#B azt jelenti, hogy van bijekció A és B között.

Bijektionok és inverz függvények

A bijekciók a nyilak megfordításával megfordíthatók. Az új függvényt inverz függvénynek nevezzük.

Hivatalosan: Legyen f : A → B egy bijekció. A g : B → A inverz függvényt a következőképpen definiáljuk: ha f(a)=b, akkor g(b)=a. (Lásd még Inverz függvény.)

Az inverz függvény inverz függvénye az eredeti függvény.
Egy függvénynek akkor és csak akkor van inverz függvénye, ha bijekció.

Megjegyzés: Az f inverz függvényének jelölése zavaró. Nevezetesen,

f - 1 ( x ) {\displaystyle f^{-1}(x)} $f^{-1}(x)$ az f függvény inverz függvényét jelöli, de x - 1 = 1 x {\displaystyle x^{-1}={\frac {1}{x}}} $x^{-1}={\frac {1}{x}}$ az x szám reciprok értékét jelöli.

Példák

Elemi függvények

Legyen f(x):ℝ→ℝ az x valós értékű argumentumának y=f(x) valós értékű függvénye. (Ez azt jelenti, hogy mind a bemenet, mind a kimenet számok.)

Grafikai jelentés: Az f függvény bijekció, ha minden vízszintes egyenes pontosan egy pontban metszi az f függvény grafikonját.
Algebrai jelentés: Az f függvény bijekció, ha minden y_o valós számhoz találunk legalább egy olyan x_o valós számot, hogy y_o =f(x_o ) és ha f(x_o )=f(x₁ ) azt jelenti, hogy x_o =x .₁

Egy függvény bijekció voltának bizonyítása azt jelenti, hogy bebizonyítjuk, hogy egyszerre szurjekció és injekció. A formális bizonyítás tehát ritkán egyszerű. Az alábbiakban tárgyaljuk és nem bizonyítjuk. (Lásd szurjekció és injekció.)

Példa: Egy ferde egyenes lineáris függvénye bijekció. Vagyis y=ax+b, ahol a≠0 egy bijekció.

Megbeszélés: Minden vízszintes egyenes pontosan egy pontban metszi a ferde egyenest (a bizonyításért lásd a surjekciót és az injekciót). 1. kép.

Példa: A harmadfokú polinomfüggvény: f(x)=x³ egy bijekció. A 2. kép és az 5. kép vékony sárga görbéje. Inverze a kockagyök függvény f(x)= ∛x és ez is egy bijekció f(x):ℝ→ℝ. Az 5. kép: vastag zöld görbe.

Példa: A kvadratikus függvény f(x) = x² nem bijekció (ℝ→ℝ-ból). 3. kép. Nem szurjekció. Nem injekció. Azonban mind a tartományát, mind a kodomainját a nemnegatív számok (0,+∞) halmazára korlátozhatjuk, így (invertálható) bijekciót kapunk (lásd a példákat alább).

Megjegyzés: Ez az utolsó példa ezt mutatja. Ahhoz, hogy megállapítsuk, hogy egy függvény bijekció-e, három dolgot kell tudnunk:

a tartomány
a funkcionális gép
a kódtartomány

Példa: Tegyük fel, hogy a függvénygépünk f(x)=x².

Ez a gép és a domain=ℝ és codomain=ℝ nem surjekció és nem injekció. Azonban,
ugyanez a gép, valamint domain=[0,+∞) és codomain=[0,+∞) egyszerre surjekció és injekció, tehát bijekció.

Bijektívák és inverzeik

Legyen f(x):A→B, ahol A és B ℝ részhalmazai.

Tegyük fel, hogy f nem bijekció. Bármely x esetén, ahol az f deriváltja létezik és nem nulla, van x-nek egy olyan környezete, ahol az f tartományát és társtartományát korlátozni tudjuk, hogy az egy felező legyen.
Az inverz függvények grafikonjai az y=x egyenesre szimmetrikusak. (Lásd még Inverz függvény.)

Példa: A [0,+∞] korlátozott tartományon és társtartományon definiált kvadratikus függvény.

f ( x ) : [ 0 , + ∞ ) → [ 0 , + ∞ ) {\displaystyle f(x):[0,+\infty )\,\,\,\rightarrow \,\,[0,+\infty )} $f(x):[0,+\infty )\,\,\rightarrow \,\,[0,+\infty )$ definiált f ( x ) = x 2 {\displaystyle f(x)=x^{2}} $f(x)=x^{2}$

egy bijekció. 6. kép: vékony sárga görbe.

Példa: A [0,+∞] korlátozott tartományon és társtartományon definiált négyzetgyökfüggvény.

f ( x ) : [ 0 , + ∞ ) → [ 0 , + ∞ ) {\displaystyle f(x):[0,+\infty )\,\,\,\rightarrow \,\,[0,+\infty )} $f(x):[0,+\infty )\,\,\rightarrow \,\,[0,+\infty )$ definiált f ( x ) = x {\displaystyle f(x)={\sqrt {x}}} $f(x)={\sqrt {x}}$

a kvadratikus függvény inverz függvényeként definiált bijekció: x² . 6. kép: vastag zöld görbe.

Példa: A ℝ tartományban és a (0,+∞) korlátozott kódtartományban definiált exponenciális függvény.

f ( x ) : R → ( 0 , + ∞ ) {\displaystyle f(x):\mathbf {R} \,\,\,\rightarrow \,\,(0,+\infty )} $f(x):\mathbf {R} \,\,\rightarrow \,\,(0,+\infty )$ definíciója: f ( x ) = a x , a > 1 {\displaystyle f(x)=a^{x}\,,\,\,\,\,a>1} $f(x)=a^{x}\,,\,\,a>1$

egy bijekció. 4. kép: vékony sárga görbe (a=10).

Példa: A (0,+∞) korlátozott tartományban és a ℝ kódtartományban definiált a logaritmikus függvény bázisa.

f ( x ) : ( 0 , + ∞ ) → R {\displaystyle f(x):(0,+\infty )\,\,\,\rightarrow \,\,\,\,\mathbf {R} } $f(x):(0,+\infty )\,\,\rightarrow \,\,\mathbf {R}$ definíciója: f ( x ) = log a x , a > 1 {\displaystyle f(x)=\log _{a}x\,,\,\,\,a>1} $f(x)=\log _{a}x\,,\,\,a>1$

az exponenciális függvény inverz függvényeként meghatározott bijekció: a^x . 4. kép: vastag zöld görbe (a=10).

Bijekció: minden függőleges egyenes (a tartományban) és minden vízszintes egyenes (a társtartományban) pontosan a gráf egy pontját metszi.

1. Bijekció. Minden ferde egyenes f(x):ℝ→ℝ bijekció.

2. Bijekció. f(x):ℝ→ℝ. f(x)=x³.

3. Nem bijekció. f(x):ℝ→ℝ. f(x)=x² nem szurjekció. Nem injekció.

4. Bijelentések. f(x):ℝ→ (0,+∞). f(x)=10^x (vékony sárga) és inverze f(x):(0,+∞)→ℝ. f(x)=log₁₀ x (vastag zöld).

5. Bijektívek. f(x):ℝ→ℝ. f(x)=x³ (vékony sárga) és inverze f(x)=∛x (vastag zöld).

6. Bijektívek. f(x):[0,+∞)→[0,+∞). f(x)=x² (vékony sárga) és inverze f(x)=√x (vastag zöld).

Kapcsolódó oldalak

Kérdések és válaszok

K: Mi az a bijektív függvény?

V: A bijektív függvény, más néven bijekció, olyan matematikai függvény, amely egyszerre injekció és szurjekció.

K: Mit jelent az, hogy egy függvény injekció?

V: Az injekció azt jelenti, hogy az A tartomány bármely két a és a' eleme esetén, ha f(a)=f(a'), akkor a=a'.

K: Mit jelent az, hogy egy függvény szurjekció?

V: A surjekció azt jelenti, hogy a B kódtartomány minden b elemére az A tartományban legalább egy olyan a elem van, hogy f(a)=b.

K: Mi az egyenértékű állítás egy bijekcióra?

V: A bijekció ekvivalens állítása az, hogy a B kódtartomány minden b elemére az A tartományban pontosan egy olyan a elem van, hogy f(a)=b.

K: Mi a bijekció másik neve?

V: A bijekciót "1-1 megfeleltetésnek" vagy "egy az egyhez megfeleltetésnek" is nevezik.

K: Ki vezette be a bijekció, a surjekció és az injekció fogalmát?

V: A bijekció, szurjekció és injekció kifejezéseket Nicolas Bourbaki és más matematikusok egy csoportja vezette be az 1930-as években.

K: Mit publikált Bourbaki és más matematikusok az 1930-as években?

V: Bourbaki és más matematikusok könyvsorozatot adtak ki a modern haladó matematikáról.