§3 Classes and Sets (ii): Ordered Pairs, Products, and Graphs · 모임과 집합 (ii): 순서쌍·곱·그래프

DEF 3.43 한원소모임과 두원소모임 singleton and doubleton
한국어
  1. 원소가 하나뿐인 모임을 "한원소모임"이라 한다.
  2. 원소가 두 개인 모임을 "비순서쌍"(unordered pair) 또는 "두원소모임"(doubleton)이라 한다.
English
  1. A class containing only a single element is called a “singleton”.
  2. A class containing two elements is called an “unordered pair” or a “doubleton”.
REM 3.44 한원소모임과 두원소모임의 존재 Existence of Singletons and Doubletons
한국어

$a$와 $b$를 원소라 하자. 그러면 한원소모임

$$\{a\} = \{x : x = a\}$$

과 두원소모임

$$\{a, b\} = \{x : x = a \ \vee \ x = b\}$$

은 모임 구성 공리에 의해 존재한다. 따라서 원소 $a$와 $b$가 존재한다면, 한원소모임 $\{a\}$와 두원소모임 $\{a, b\}$라는 모임도 존재한다. 그러나 더 근본적인 질문이 남아 있다. "원소가 존재하는가?" 이 질문에는 적절한 공리를 채택함으로써 답한다.

English

Let $a$ and $b$ elements. Then the singleton

$$\{a\} = \{x : x = a\}$$

and the doubleton

$$\{a, b\} = \{x : x = a \ \vee \ x = b\}$$

exist due to the axiom of class construction. Therefore, if there exist elements $a$ and $b$, then the classes singleton $\{a\}$ and doubleton $\{a, b\}$ exist. However, there exist a more fundamental question. “ Is there an element?”. We answer the question by adopting an appropriate axiom.

AXIOM 3.45 공집합 공리 Axiom of the empty set
한국어

공모임 $\emptyset$은 집합이다.

English

The empty class $\emptyset$ is a set.

THM 3.46 두원소모임의 상등 Equality of Doubletons
한국어

$\{x, y\} = \{u, v\}$이면

$$x = u \ \wedge \ y = v$$

또는

$$x = v \ \wedge \ y = u.$$

$\{x, y\} = \{u, v\}$라고 하자. $x = y$인 경우와 $x \neq y$인 경우로 나누어 증명을 완성한다.

  • (경우 1: $x = y$). $u \in \{u, v\}$이고 $\{x, y\} = \{u, v\}$이므로, 외연공리에 의해 $u \in \{x, y\}$이다. 따라서 두원소모임의 정의에 의해 $u = x$ 또는 $u = y$이다. $x = y$이므로 결국 $u = x = y$를 얻는다. 마찬가지로 $v = x = y$이다. 그러므로 $u = v = x = y$이다.
  • (경우 2: $x \neq y$). $x \in \{x, y\}$이고 $\{x, y\} = \{u, v\}$이므로, 외연공리에 의해 $x \in \{u, v\}$이다. 따라서 두원소모임의 정의에 의해 $x = u$ 또는 $x = v$이다. $x = u$인 경우와 $x = v$인 경우를 각각 살펴보자.
    1. ($x = u$). $y \in \{x, y\}$이고 $\{x, y\} = \{u, v\}$이므로, 외연공리에 의해 $y \in \{u, v\}$이다. 따라서 두원소모임의 정의에 의해 $y = u$ 또는 $y = v$이다. 만약 $y = u$이면 $y = u = x$가 되어 $x \neq y$라는 사실에 모순이다. 즉 $y = u$는 불가능하다. 그러므로 $y = v$이다. 이 경우 증명이 끝난다.
    2. ($x = v$). $y \in \{x, y\}$이고 $\{x, y\} = \{u, v\}$이므로, 외연공리에 의해 $y \in \{u, v\}$이다. 따라서 두원소모임의 정의에 의해 $y = u$ 또는 $y = v$이다. 만약 $y = v$이면 $y = v = x$가 되어 $x \neq y$라는 사실에 모순이다. 즉 $y = v$는 불가능하다. 그러므로 $y = u$이다.
English

If $\{x, y\} = \{u, v\}$, then

$$x = u \ \wedge \ y = v$$

or

$$x = v \ \wedge \ y = u.$$

Suppose that $\{x, y\} = \{u, v\}$. We complete the proof dividing it into the two cases that $x = y$ or $x \neq y$.

  • (Case 1: $x = y$). Since $u \in \{u, v\}$ and $\{x, y\} = \{u, v\}$, $u \in \{x, y\}$ by the axiom of extent. Thus, by the definition of the doubleton, $u = x$ or $u = y$. Since $x = y$, we finally have $u = x = y$. Analogously, $v = x = y$. Therefore $u = v = x = y$.
  • (Case 2: $x \neq y$). Since $x \in \{x, y\}$ and $\{x, y\} = \{u, v\}$, $x \in \{u, v\}$ by the axiom of extent. Thus, by the definition of the doubleton, $x = u$ or $x = v$. We consider the cases $x = u$ or $x = v$ separately.
    1. ($x = u$). Since $y \in \{x, y\}$ and $\{x, y\} = \{u, v\}$, $y \in \{u, v\}$ by the axiom of extent. Thus, by the definition of the doubleton, $y = u$ or $y = v$. If $y = u$, then $y = u = x$ and it is contradiction to the fact that $x \neq y$. In other words, $y = u$ is impossible. Therefore we have $y = v$. In this case, we are done.
    2. ($x = v$). Since $y \in \{x, y\}$ and $\{x, y\} = \{u, v\}$, $y \in \{u, v\}$ by the axiom of extent. Thus, by the definition of the doubleton, $y = u$ or $y = v$. If $y = v$, then $y = v = x$ and it is contradiction to the fact that $x \neq y$. In other words, $y = v$ is impossible. Therefore we have $y = u$.
DEF 3.47 순서쌍 The ordered pair
한국어

$a$와 $b$를 원소라 하자. 순서쌍 $(a, b)$는 다음 모임으로 정의된다.

$$(a, b) := \{\{a\}, \{a, b\}\}.$$

$(a, b)$에서 $a$를 $(a, b)$의 "첫째 성분", $b$를 $(a, b)$의 "둘째 성분"이라 한다.

English

Let $a$ and $b$ be elements. The ordered pair $(a, b)$ is defined to be the class

$$(a, b) := \{\{a\}, \{a, b\}\}.$$

For $(a, b)$, $a$ is called the “first component” of $(a, b)$ and $b$ is called the “second component” of $(a, b)$.

REM 3.48 순서쌍의 존재성과 비대칭성 Existence and Asymmetry of Ordered Pairs
한국어
  1. 다음을 살펴보자.
    $$(a, b) := \{\{a\}, \{a, b\}\} = \{x : x = \{a\} \text{ or } \{a, b\}\}.$$

    위 마지막 등호는 $\{a\}$와 $\{a, b\}$가 원소라는 보장이 없으므로 지금 단계에서는 옳지 않아 보인다. 따라서 모임 구성 공리만으로는 순서쌍의 존재성이 함의되지 않는다. 존재성을 보장하기 위해 추가적인 공리를 도입할 것이다.

  2. 다음에 유의하자.
    $$(b, a) := \{\{b\}, \{b, a\}\}.$$

    따라서 일반적으로 $(a, b) \neq (b, a)$이다.

English
  1. Observe that
    $$(a, b) := \{\{a\}, \{a, b\}\} = \{x : x = \{a\} \text{ or } \{a, b\}\}.$$

    The last equality above does not seem to be correct at this moment since there is no guarantee that $\{a\}$ and $\{a, b\}$ are elements. Therefore, the axiom of class construction does not imply the existence of the ordered pairs. We will introduce additional axioms to guarantee the existence.

  2. Note that
    $$(b, a) := \{\{b\}, \{b, a\}\}.$$

    Therefore generally $(a, b) \neq (b, a)$.

AXIOM 3.49 짝공리 Axiom of doubleton
한국어

$a$와 $b$가 집합이면, $\{a, b\}$는 집합이다.

English

If $a$ and $b$ are sets, then $\{a, b\}$ is a set.

REM 3.50 가장 간단한 두원소모임 The Easiest Doubleton
한국어

두원소모임의 가장 간단한 예는 $\{\emptyset, \emptyset\}$이다. 명백히 $\{\emptyset\} = \{\emptyset, \emptyset\}$이다. 따라서 짝공리와 공집합 공리에 의해 $\{\emptyset\}$은 집합이다. 나아가 짝공리를 다시 적용하면, 또 다른 두원소모임 $\{\emptyset, \{\emptyset\}\}$을 얻을 수 있다.

English

The easiest example of doubleton is $\{\emptyset, \emptyset\}$. Obviously, $\{\emptyset\} = \{\emptyset, \emptyset\}$. Thus by the axiom of doubleton and the axiom of the empty set, $\{\emptyset\}$ is a set. Moreover, applying the axiom of doubleton again, we can find another doubleton $\{\emptyset, \{\emptyset\}\}$.

AXIOM 3.51 부분집합 공리 Axiom of subset
한국어

집합의 모든 부분모임은 집합이다.

English

Every subclass of a set is a set.

LEM 3.52 원소의 한원소모임은 집합이다 Singletons of Elements Are Sets
한국어

$a$를 원소라 하자. 그러면 $\{a\}$는 집합이다.

공집합 공리에 의해 $\emptyset$이 집합임을 상기하자. 또한 짝공리에 의해 $\{a, \emptyset\}$은 집합이다. 마지막으로 $\{a\} \subset \{a, \emptyset\}$이므로, 부분집합 공리에 의해 $\{a\}$는 집합이다.

English

Let $a$ be an element. Then $\{a\}$ is a set.

Recall that $\emptyset$ is a set by the axiom of the empty set. Moreover, $\{a, \emptyset\}$ is a set by the axiom of doubleton. Finally, since $\{a\} \subset \{a, \emptyset\}$, $\{a\}$ is a set by the axiom of subset.

THM 3.53 순서쌍은 집합이다 Ordered Pairs Are Sets
한국어

$a$와 $b$를 원소라 하자. 그러면 $(a, b)$는 집합이다.

$a$와 $b$가 원소이므로, 짝공리에 의해 두원소모임 $\{a, b\}$는 집합이다. 또한 보조정리 3.52에 의해 $\{a\}$는 집합이다. 따라서 순서쌍 $(a, b)$의 정의와 짝공리를 다시 적용하면, $(a, b)$는 집합이다.

English

Let $a$ and $b$ be elements. Then $(a, b)$ is a set

Since $a$ and $b$ elements, the doubleton $\{a, b\}$ is a set by the axiom of doubleton. Moreover, $\{a\}$ is a set by Lemma 3.52. Therefore by the definition of the ordered pair $(a, b)$ and the axiom of doubleton again, $(a, b)$ is a set.

THM 3.54 순서쌍의 상등 Equality of Ordered Pairs
한국어

$(a, b) = (c, d)$이면 $a = c$이고 $b = d$이다.

$(a, b) = (c, d)$라고 하자. 그러면 순서쌍의 정의에 의해,

$$\{\{a\}, \{a, b\}\} = \{\{c\}, \{c, d\}\}.$$

정리 3.46에 의해,

$$\{a\} = \{c\} \ \wedge \ \{a, b\} = \{c, d\}$$

또는

$$\{a\} = \{c, d\} \ \wedge \ \{a, b\} = \{c\}.$$

이 두 경우를 각각 살펴보자.

  • (경우 1: $\{a\} = \{c\}$이고 $\{a, b\} = \{c, d\}$). $\{a\} = \{c\}$이므로, 한원소모임의 정의에 의해
    $$a = c \tag{3.13}$$

    를 얻는다. $\{a, b\} = \{c, d\}$로부터 정리 3.46을 다시 적용하면,

    $$a = c \ \wedge \ b = d \quad \text{or} \quad a = d \ \wedge \ b = c.$$

    첫째 경우에는 $a = c$이고 $b = d$이므로 증명이 끝난다. 둘째 경우에는 (3.13)을 이용하면 $d = a = c = b$를 얻는다. 따라서 정리의 결론이 성립한다.

  • (경우 2: $\{a\} = \{c, d\}$이고 $\{a, b\} = \{c\}$). $c \in \{c, d\} = \{a\}$이므로 $c = a$이다. 마찬가지로 $d \in \{c, d\} = \{a\}$이고 $b \in \{a, b\} = \{c\}$이므로 $d = a$이고 $b = c$이다. 그러므로
    $$b = c = a = d$$

    이고 증명이 끝난다.

English

If $(a, b) = (c, d)$, then $a = c$ and $b = d$.

Suppose that $(a, b) = (c, d)$. Then by the definition of the ordered pairs,

$$\{\{a\}, \{a, b\}\} = \{\{c\}, \{c, d\}\}.$$

Then by Theorem 3.46,

$$\{a\} = \{c\} \ \wedge \ \{a, b\} = \{c, d\}$$

or

$$\{a\} = \{c, d\} \ \wedge \ \{a, b\} = \{c\}.$$

We consider these cases separately.

  • (Case 1: $\{a\} = \{c\}$ and $\{a, b\} = \{c, d\}$). Since $\{a\} = \{c\}$, we have
    $$a = c \tag{3.13}$$

    by the definition of the singleton. From $\{a, b\} = \{c, d\}$, applying Theorem 3.46 again, we have

    $$a = c \ \wedge \ b = d \quad \text{or} \quad a = d \ \wedge \ b = c.$$

    In the first case, we have $a = c$ and $b = d$. Thus we are done. In the second case, by using (3.13), we have $d = a = c = b$. Thus the conclusion of the theorem holds.

  • (Case 2: $\{a\} = \{c, d\}$ and $\{a, b\} = \{c\}$). Since $c \in \{c, d\} = \{a\}$, we have $c = a$. Similarly, since $d \in \{c, d\} = \{a\}$ and $b \in \{a, b\} = \{c\}$, we have $d = a$ and $b = c$. Therefore
    $$b = c = a = d$$

    and we are done.

DEF 3.55 데카르트 곱 The Cartesian product
한국어

$A$와 $B$를 모임이라 하자. 두 모임 $A$와 $B$의 "데카르트 곱"은 $x \in A$이고 $y \in B$를 만족하는 모든 순서쌍 $(x, y)$의 모임이다. 기호로는 다음과 같다.

$$A \times B := \{(x, y) : x \in A \quad \text{and} \quad y \in B\}.$$

각 $x \in A$와 $y \in B$에 대해, 정리 3.53에 의해 $(x, y)$는 원소이다. 따라서 모임 구성 공리에 의해 모임 $A \times B$의 존재성이 보장된다.

English

Let $A$ and $B$ classes. The “Cartesian product” of two classes $A$ and $B$ is the class of all ordered pairs $(x, y)$ such that $x \in A$ and $y \in B$. In symbols,

$$A \times B := \{(x, y) : x \in A \quad \text{and} \quad y \in B\}.$$

For each $x \in A$ and $y \in B$, $(x, y)$ is an element by Theorem 3.53. Therefore, the existence of the class $A \times B$ is guaranteed by the axiom of class construction.

THM 3.56 데카르트 곱의 분배법칙 Distributive Laws for the Cartesian Product
한국어

$A$, $B$, $C$를 모임이라 하자.

  1. $$A \times (B \cap C) = (A \times B) \cap (A \times C)$$
  2. $$A \times (B \cup C) = (A \times B) \cup (A \times C)$$
  3. $$(A \times B) \cap (C \times D) = (A \cap C) \times (B \cap D)$$
  1. 데카르트 곱의 정의, 결합법칙, 정리 2.19(2), 교환법칙, 교모임의 정의에 의해,
    $$\begin{aligned} (x, y) \in A \times (B \cap C) \ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad y \in B \cap C \\ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad (y \in B \quad \text{and} \quad y \in C) \\ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad y \in B \quad \text{and} \quad y \in C \\ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad x \in A \quad \text{and} \quad y \in B \quad \text{and} \quad y \in C \\ &\iff \ (x \in A \quad \text{and} \quad y \in B) \quad \text{and} \quad (x \in A \quad \text{and} \quad y \in C) \\ &\iff \ (x, y) \in (A \times B) \quad \text{and} \quad (x, y) \in (A \times C) \\ &\iff \ (x, y) \in (A \times B) \cap (A \times C). \end{aligned}$$
  2. (2)의 증명은 연습문제로 남긴다.
  3. 데카르트 곱의 정의, 결합법칙, 교환법칙, 교모임의 정의에 의해,
    $$\begin{aligned} (x, y) \in (A \times B) \cap (C \times D) \ &\iff \ (x, y) \in A \times B \quad \text{and} \quad (x, y) \in C \times D \\ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad y \in B \text{ and } x \in C \quad \text{and} \quad y \in D \\ &\iff \ (x \in A \text{ and } x \in C) \quad \text{and} \quad (y \in B \quad \text{and} \quad y \in D) \\ &\iff \ x \in A \cap C \quad \text{and} \quad y \in B \cap D \\ &\iff \ (x, y) \in (A \cap C) \times (B \cap D). \end{aligned}$$
English

Let $A$, $B$, and $C$ be classes.

  1. $$A \times (B \cap C) = (A \times B) \cap (A \times C)$$
  2. $$A \times (B \cup C) = (A \times B) \cup (A \times C)$$
  3. $$(A \times B) \cap (C \times D) = (A \cap C) \times (B \cap D)$$
  1. By the definition of the Cartesian product, the associative law, Theorem 2.19(2), commutative law, and the definition of the intersection,
    $$\begin{aligned} (x, y) \in A \times (B \cap C) \ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad y \in B \cap C \\ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad (y \in B \quad \text{and} \quad y \in C) \\ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad y \in B \quad \text{and} \quad y \in C \\ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad x \in A \quad \text{and} \quad y \in B \quad \text{and} \quad y \in C \\ &\iff \ (x \in A \quad \text{and} \quad y \in B) \quad \text{and} \quad (x \in A \quad \text{and} \quad y \in C) \\ &\iff \ (x, y) \in (A \times B) \quad \text{and} \quad (x, y) \in (A \times C) \\ &\iff \ (x, y) \in (A \times B) \cap (A \times C). \end{aligned}$$
  2. We leave the proof of (2) as an exercise.
  3. By the definition of the Cartesian product, the associative law, the commutative law, the definition of the intersection,
    $$\begin{aligned} (x, y) \in (A \times B) \cap (C \times D) \ &\iff \ (x, y) \in A \times B \quad \text{and} \quad (x, y) \in C \times D \\ &\iff \ x \in A \quad \text{and} \quad y \in B \text{ and } x \in C \quad \text{and} \quad y \in D \\ &\iff \ (x \in A \text{ and } x \in C) \quad \text{and} \quad (y \in B \quad \text{and} \quad y \in D) \\ &\iff \ x \in A \cap C \quad \text{and} \quad y \in B \cap D \\ &\iff \ (x, y) \in (A \cap C) \times (B \cap D). \end{aligned}$$
REM 3.57 좌표 다이어그램 Coordinate diagrams
한국어

모임의 곱 사이의 관계를 나타낼 때는 "좌표 다이어그램"이라 불리는 도식적 도구를 사용하는 것이 흔히 편리하다. 다음은 "좌표 다이어그램"의 예이다.

English

It is often convenient to illustrate relations between products of classes by using a graphic device known as a “coordinate diagram”. Here are examples of “coordinate diagram”

NOTE Figures 5–6
한국어
A × B B A
Figure 5. $A \times B$
A × B C × D B D A∩C A C B∩D
Figure 6. $(A \times B) \cap (C \times D)$ or $(A \cap C) \times (B \cap D)$

좌표 다이어그램은 결과를 예측하는 데 매우 유용하다. 그러나 엄밀한 증명을 제공하지는 않는다.

English
A × B B A
Figure 5. $A \times B$
A × B C × D B D A∩C A C B∩D
Figure 6. $(A \times B) \cap (C \times D)$ or $(A \cap C) \times (B \cap D)$

Coordinate diagrams are very useful to expect results. However, they do not give rigorous proofs.

EX 3.58 정리 3.56(1)-(2)의 좌표 다이어그램 Coordinate Diagrams for Theorem 3.56(1)-(2)
한국어

정리 3.56(1)-(2)에 대한 좌표 다이어그램을 그려라.

정리 3.56의 (1) $A \times (B \cap C) = (A \times B) \cap (A \times C)$와 (2) $A \times (B \cup C) = (A \times B) \cup (A \times C)$에 대한 좌표 다이어그램은 다음과 같다. 두 그림 모두 가로축에는 구간 $A$를, 세로축에는 서로 겹치는 두 구간 $B$와 $C$를 놓았다.

A × B A × C A B C B∩C
그림 1. 가로축의 구간 $A$와 세로축에서 겹치는 두 구간 $B$, $C$의 교집합 $B \cap C$가 만드는 직사각형 $A \times (B \cap C)$를 빗금으로 표시했다. 이는 $A \times B$와 $A \times C$가 겹치는 부분과 정확히 일치한다.
A × B A × C A B C B∪C
그림 2. 같은 두 구간 $B$, $C$의 합집합 $B \cup C$가 만드는 직사각형 $A \times (B \cup C)$를 빗금으로 표시했다. 이는 $A \times B$와 $A \times C$를 합친 영역과 정확히 일치한다.

주의 3.57에서 언급했듯이, 이러한 좌표 다이어그램은 결과를 시각적으로 뒷받침할 뿐 엄밀한 증명은 아니다. 등식의 엄밀한 증명은 정리 3.56의 증명에서 이미 주어졌다.

English

Sketch coordinate diagrams for Theorem 3.56(1)-(2).

Coordinate diagrams for Theorem 3.56(1) $A \times (B \cap C) = (A \times B) \cap (A \times C)$ and (2) $A \times (B \cup C) = (A \times B) \cup (A \times C)$ are given below. In both diagrams, the interval $A$ lies on the horizontal axis and the two overlapping intervals $B$ and $C$ lie on the vertical axis.

A × B A × C A B C B∩C
Figure 1. The hatched rectangle is $A \times (B \cap C)$, formed from the interval $A$ on the horizontal axis and the overlap $B \cap C$ of the two intervals $B$, $C$ on the vertical axis — exactly the overlap of the rectangles $A \times B$ and $A \times C$.
A × B A × C A B C B∪C
Figure 2. The hatched rectangle is $A \times (B \cup C)$, formed from the same interval $A$ and the union $B \cup C$ — exactly the union of the rectangles $A \times B$ and $A \times C$.

As noted in Remark 3.57, such coordinate diagrams only support the result visually and are not rigorous proofs. The rigorous proof of the equalities is already given in the proof of Theorem 3.56.

DEF 3.59 그래프 Graph
한국어

순서쌍들의 모임을 "그래프"라 한다. 다시 말해, $\mathcal{U} \times \mathcal{U}$의 임의의 부분모임을 "그래프"라 하며, 여기서 $\mathcal{U}$는 보편모임이다.

English

A class of ordered pairs is called a “graph”. In other words, any subclass of $\mathcal{U} \times \mathcal{U}$ is called a “graph”, where $\mathcal{U}$ is the universal class.

DEF 3.60 역그래프 The inverse of a graph
한국어

$G$를 그래프라 하자. 그러면 $G^{-1}$은 다음과 같이 정의되는 그래프이다.

$$G^{-1} = \{(x, y) : (y, x) \in G\}.$$
English

Let $G$ be a graph. Then $G^{-1}$ is the graph defined by

$$G^{-1} = \{(x, y) : (y, x) \in G\}.$$
DEF 3.61 그래프의 합성 The composition of graphs
한국어

$G$와 $H$를 그래프라 하자. 그러면 $G \circ H$는 다음과 같이 정의되는 그래프이다.

$$G \circ H := \{(x, y) : \exists z \ni (x, z) \in H \quad \text{and} \quad (z, y) \in G\}.$$
English

Let $G$ and $H$ be graphs. Then $G \circ H$ is the graph defined as follows:

$$G \circ H := \{(x, y) : \exists z \ni (x, z) \in H \quad \text{and} \quad (z, y) \in G\}.$$
NOTE
한국어

모임 구성 공리에 의해 모임 $G^{-1}$과 $G \circ H$가 존재함을 쉽게 확인할 수 있다.

English

One can easily check that the classes $G^{-1}$ and $G \circ H$ exist due to the axiom of class construction.

THM 3.62 그래프의 합성과 역그래프의 대수적 성질 Algebra of Composition and Inverse of Graphs
한국어

$G$, $H$, $J$를 그래프라 하자. 그러면

  1. (그래프의 합성의 결합법칙)
    $$(G \circ H) \circ J = G \circ (H \circ J)$$
  2. $$(G^{-1})^{-1} = G.$$
  3. $$(G \circ H)^{-1} = H^{-1} \circ G^{-1}.$$
  1. $$\begin{aligned} (x, y) \in (G \circ H) \circ J \ &\iff \ \exists z \ni (x, z) \in J \quad \text{and} \quad (z, y) \in (G \circ H) \\ &\iff \ \exists z \ni (x, z) \in J \quad \text{and} \quad \exists w \ni (z, w) \in H \quad \text{and} \quad (w, y) \in G \\ &\iff \ (\exists z \text{ and } \exists w) \ni (x, z) \in J \quad \text{and} \quad (z, w) \in H \quad \text{and} \quad (w, y) \in G \\ &\iff \ \exists w \ni (\exists z \ni (x, z) \in J \quad \text{and} \quad (z, w) \in H) \quad \text{and} \quad (w, y) \in G \\ &\iff \ \exists w \ni (x, w) \in H \circ J \quad \text{and} \quad (w, y) \in G \\ &\iff \ (x, y) \in G \circ (H \circ J). \end{aligned}$$
  2. $$\begin{aligned} (x, y) \in (G^{-1})^{-1} \ &\iff \ (y, x) \in G^{-1} \\ &\iff \ (x, y) \in G. \end{aligned}$$
  3. $$\begin{aligned} (x, y) \in (G \circ H)^{-1} \ &\iff \ (y, x) \in G \circ H \\ &\iff \ \exists z \ni (y, z) \in H \quad \text{and} \quad (z, x) \in G \\ &\iff \ \exists z \ni (z, y) \in H^{-1} \quad \text{and} \quad (x, z) \in G^{-1} \\ &\iff \ \exists z \ni (x, z) \in G^{-1} \quad \text{and} \quad (z, y) \in H^{-1} \\ &\iff \ (x, y) \in H^{-1} \circ G^{-1}. \end{aligned}$$
English

Let $G$, $H$, and $J$ be graphs. Then

  1. (associative property of the composition of graphs)
    $$(G \circ H) \circ J = G \circ (H \circ J)$$
  2. $$(G^{-1})^{-1} = G.$$
  3. $$(G \circ H)^{-1} = H^{-1} \circ G^{-1}.$$
  1. $$\begin{aligned} (x, y) \in (G \circ H) \circ J \ &\iff \ \exists z \ni (x, z) \in J \quad \text{and} \quad (z, y) \in (G \circ H) \\ &\iff \ \exists z \ni (x, z) \in J \quad \text{and} \quad \exists w \ni (z, w) \in H \quad \text{and} \quad (w, y) \in G \\ &\iff \ (\exists z \text{ and } \exists w) \ni (x, z) \in J \quad \text{and} \quad (z, w) \in H \quad \text{and} \quad (w, y) \in G \\ &\iff \ \exists w \ni (\exists z \ni (x, z) \in J \quad \text{and} \quad (z, w) \in H) \quad \text{and} \quad (w, y) \in G \\ &\iff \ \exists w \ni (x, w) \in H \circ J \quad \text{and} \quad (w, y) \in G \\ &\iff \ (x, y) \in G \circ (H \circ J). \end{aligned}$$
  2. $$\begin{aligned} (x, y) \in (G^{-1})^{-1} \ &\iff \ (y, x) \in G^{-1} \\ &\iff \ (x, y) \in G. \end{aligned}$$
  3. $$\begin{aligned} (x, y) \in (G \circ H)^{-1} \ &\iff \ (y, x) \in G \circ H \\ &\iff \ \exists z \ni (y, z) \in H \quad \text{and} \quad (z, x) \in G \\ &\iff \ \exists z \ni (z, y) \in H^{-1} \quad \text{and} \quad (x, z) \in G^{-1} \\ &\iff \ \exists z \ni (x, z) \in G^{-1} \quad \text{and} \quad (z, y) \in H^{-1} \\ &\iff \ (x, y) \in H^{-1} \circ G^{-1}. \end{aligned}$$
DEF 3.63 그래프의 정의역과 치역 The domain and the range of a graph
한국어

$G$를 그래프라 하자. $G$의 "정의역"이란 다음 모임을 뜻한다.

$$\mathit{dom}\, G := \{x : \exists y \ni (x, y) \in G\}$$

그리고 $G$의 "치역"이란 다음 모임을 뜻한다.

$$\mathit{ran}\, G := \{y : \exists x \ni (x, y) \in G\}.$$

다시 말해, $G$의 정의역은 $G$의 원소들의 "첫째 성분" 전체의 모임이고, $G$의 치역은 $G$의 원소들의 "둘째 성분" 전체의 모임이다.

English

Let $G$ be a graph. By the “domain” of $G$, we mean the class

$$\mathit{dom}\, G := \{x : \exists y \ni (x, y) \in G\}$$

and by the “range” of $G$, we mean the class

$$\mathit{ran}\, G := \{y : \exists x \ni (x, y) \in G\}.$$

In other words, the domain of $G$ is the class of all “first components” of elements of $G$ and the range of $G$ is the class of all “second components” of elements of $G$.

THM 3.64 역그래프·합성에서의 정의역과 치역 Domains and Ranges under Inverse and Composition
한국어

$G$와 $H$를 그래프라 하자. 그러면

  1. $$\mathit{dom}\, G = \mathit{ran}\, G^{-1}$$
  2. $$\mathit{ran}\, G = \mathit{dom}\, G^{-1}$$
  3. $$\mathit{dom}\, (G \circ H) \subset \mathit{dom}\, H$$
  4. $$\mathit{ran}\, (G \circ H) \subset \mathit{ran}\, G.$$
  1. $$\begin{aligned} x \in \mathit{dom}\, G \ &\iff \ \exists y \ni (x, y) \in G \\ &\iff \ \exists y \ni (y, x) \in G^{-1} \\ &\iff \ x \in \mathit{ran}\, G^{-1}. \end{aligned}$$
  2. (2)의 증명은 연습문제로 남긴다.
  3. $$\begin{aligned} x \in \mathit{dom}\, (G \circ H) \ &\implies \ \exists y \ni (x, y) \in (G \circ H) \\ &\implies \ \exists y \ni (\exists z \ni (x, z) \in H \quad \text{and} \quad (z, y) \in G) \\ &\implies \ \exists y \text{ and } \exists z \ni (x, z) \in H \quad \text{and} \quad (z, y) \in G \\ &\implies \ \exists z \ni (x, z) \in H \\ &\implies \ x \in \mathit{dom}\, H. \end{aligned}$$
  4. (4)의 증명은 연습문제로 남긴다.
English

Let $G$ and $H$ be graphs. Then

  1. $$\mathit{dom}\, G = \mathit{ran}\, G^{-1}$$
  2. $$\mathit{ran}\, G = \mathit{dom}\, G^{-1}$$
  3. $$\mathit{dom}\, (G \circ H) \subset \mathit{dom}\, H$$
  4. $$\mathit{ran}\, (G \circ H) \subset \mathit{ran}\, G.$$
  1. $$\begin{aligned} x \in \mathit{dom}\, G \ &\iff \ \exists y \ni (x, y) \in G \\ &\iff \ \exists y \ni (y, x) \in G^{-1} \\ &\iff \ x \in \mathit{ran}\, G^{-1}. \end{aligned}$$
  2. The proof of (2) is left as an exercise.
  3. $$\begin{aligned} x \in \mathit{dom}\, (G \circ H) \ &\implies \ \exists y \ni (x, y) \in (G \circ H) \\ &\implies \ \exists y \ni (\exists z \ni (x, z) \in H \quad \text{and} \quad (z, y) \in G) \\ &\implies \ \exists y \text{ and } \exists z \ni (x, z) \in H \quad \text{and} \quad (z, y) \in G \\ &\implies \ \exists z \ni (x, z) \in H \\ &\implies \ x \in \mathit{dom}\, H. \end{aligned}$$
  4. The proof of (4) is left as an exercise.
COR 3.65 치역 조건 아래에서 합성의 정의역 Domain of a Composition under a Range Condition
한국어

$G$와 $H$를 그래프라 하자. $\mathit{ran}\, H \subset \mathit{dom}\, G$라고 가정하자. 그러면

$$\mathit{dom}\, G \circ H = \mathit{dom}\, H.$$

정리 3.64(iii)에 의해,

$$\mathit{dom}\, (G \circ H) \subset \mathit{dom}\, H.$$

따라서 다음을 보이면 충분하다.

$$\mathit{dom}\, H \subset \mathit{dom}\, (G \circ H).$$

$x \in \mathit{dom}\, H$라 하자. 그러면 정의역의 정의에 의해,

$$\exists y \ni (x, y) \in H. \tag{3.14}$$

치역의 정의에 의해,

$$y \in \mathit{ran}\, H.$$

또한 $\mathit{ran}\, H \subset \mathit{dom}\, G$라는 가정에 의해,

$$y \in \mathit{dom}\, G.$$

따라서 $G$의 정의역의 정의에 의해,

$$\exists z \ni (y, z) \in G. \tag{3.15}$$

마지막으로 (3.14)와 (3.15)를 결합하면,

$$\begin{aligned} \exists y \ni (x, y) \in H \quad \text{and} \quad (y, z) \in G \ &\implies \ (x, z) \in G \circ H \\ &\implies \ x \in \mathit{dom}\, G \circ H. \end{aligned}$$
English

Let $G$ and $H$ be graphs. Assume that $\mathit{ran}\, H \subset \mathit{dom}\, G$. Then

$$\mathit{dom}\, G \circ H = \mathit{dom}\, H.$$

By Theorem 3.64(iii),

$$\mathit{dom}\, (G \circ H) \subset \mathit{dom}\, H.$$

Thus it is sufficient to show

$$\mathit{dom}\, H \subset \mathit{dom}\, (G \circ H).$$

Let $x \in \mathit{dom}\, H$. Then by the definition of the domain,

$$\exists y \ni (x, y) \in H. \tag{3.14}$$

By the definition of the range,

$$y \in \mathit{ran}\, H.$$

Moreover, by the assumption that $\mathit{ran}\, H \subset \mathit{dom}\, G$,

$$y \in \mathit{dom}\, G.$$

Thus by the definition of the domain of $G$,

$$\exists z \ni (y, z) \in G. \tag{3.15}$$

Finally, combining (3.14) and (3.15), we have

$$\begin{aligned} \exists y \ni (x, y) \in H \quad \text{and} \quad (y, z) \in G \ &\implies \ (x, z) \in G \circ H \\ &\implies \ x \in \mathit{dom}\, G \circ H. \end{aligned}$$