§4 Functions (i): Definitions and Basic Properties · 함수 (i): 정의와 기본 성질
$A$와 $B$를 모임이라 하자. $A$의 각 원소 $x$에 대하여, $B$의 대응되는 원소가 존재하여 이를 $f(x)$로 표기한다고 하자. 그러면 $f$를 “$A$에서 $B$로 가는 함수(또는 $A$에서 $B$로 가는 사상)”라고 한다.
Let $A$ and $B$ be classes. Assume that for each element $x$ of $A$, there is an associated element of $B$, which is denoted by $f(x)$. Then $f$ is said to be a “function from $A$ to $B$ (or a mapping of $A$ to $B$)”.
$f$를 $A$에서 $B$로 가는 함수라 하자. 그러면 각 $x \in A$에 대하여 대응되는 원소 $f(x)$가 존재한다. 다음 그래프를 생각하자
분명히 이 그래프 $G$는 $A$에서 $B$로 가는 함수 $f$에 대한 모든 정보를 담고 있다. 다시 말해, 우리는 함수를 그래프로 이해할 수 있다.
Let $f$ be a function from $A$ to $B$. Then for each $x \in A$, there exists an associate element $f(x)$. Consider the graph
Obviously, this graph $G$ has all information about the function $f$ from $A$ to $B$. In other words, we can understand functions as graphs.
$A$와 $B$를 모임이라 하고, $f$를 $A \times B$의 부분모임이라 하자. 다음 두 성질이 성립하면 삼중쌍 $\langle f, A, B\rangle$를 “$A$에서 $B$로 가는 함수”라고 한다.
(F1).
(F2). $(x, y_1) \in f$이고 $(x, y_2) \in f$이면, $y_1 = y_2$이다.
Let $A$ and $B$ be classes, and let $f$ be a subclass of $A \times B$. We say that a triple $\langle f, A, B\rangle$ is a “function from $A$ to $B$” if the following two properties hold:
(F1).
(F2). If $(x, y_1) \in f$ and $(x, y_2) \in f$, then $y_1 = y_2$.
- $\langle f, A, B\rangle$ 대신 $f : A \to B$를 쓰는 것이 관례이다. 우리는 “$A$에서 $B$로 가는 함수”라고 부르는 대신 간단히 $f : A \to B$가 함수라고 말한다. 더욱이, 종종 전체 삼중쌍 $\langle f, A, B\rangle$ 대신 그래프 $f$를 함수라고 부르기도 한다.
- 두 함수 $f : A \to B$와 $g : C \to D$에 대하여, $A = C$, $B = D$이고 $f = g$이면
$$f : A \to B = g : C \to D \tag{4.1}$$로 쓴다. (4.1)이 성립하면 두 함수 $f : A \to B$와 $g : C \to D$가 같다고 한다.
- It is customary to use $f : A \to B$ instead of $\langle f, A, B\rangle$. We simply say $f : A \to B$ is a function instead of calling it a function from $A$ to $B$. Moreover, many times we call the graph $f$ a function instead of whole triple $\langle f, A, B\rangle$.
- For two functions $f : A \to B$ and $g : C \to D$, we write
$$f : A \to B = g : C \to D \tag{4.1}$$if $A = C$, $B = D$, and $f = g$. We say that two functions $f : A \to B$ and $g : C \to D$ are equal if (4.1) holds.
(F2) 성질은 임의의 그래프 $G$에 대하여 확장할 수 있다. 그래프 $G$에 대하여, $(x, y_1) \in G$이고 $(x, y_2) \in G$이면 $y_1 = y_2$일 때 $G$가 (F2)를 만족한다고 한다.
The property (F2) can be extended for any graph $G$. For a graph $G$, we say that $G$ satisfies (F2) if $(x, y_1) \in G$ and $(x, y_2) \in G$, then $y_1 = y_2$.
$f : A \to B$를 함수라 하자. 그러면
- $dom\ f = A$
- $ran\ f \subset B$이다.
- $x \in dom\ f$라 하자. 그러면 정의역의 정의에 의해 $(x,y) \in f$인 $y$가 존재한다. $f \subset A \times B$이므로, $(x,y) \in f \subset A \times B$이다. 따라서 $x \in A$이다. 다음으로, $x \in A$라 하자. 그러면 (F1)에 의해 $(x,y) \in f$인 $y \in B$가 존재한다. 따라서 $f$의 정의역의 정의에 의해,
$$x \in dom\ f.$$
- $y \in ran\ f$라 하자. 그러면 치역의 정의에 의해 $(x,y) \in f$인 $x$가 존재한다. $f \subset A \times B$이므로, $(x,y) \in f \subset A \times B$이다. 따라서 데카르트 곱의 정의에 의해, $y \in B$이다.
Let $f : A \to B$ be a function. Then
- $dom\ f = A$
- $ran\ f \subset B$.
- Let $x \in dom\ f$. Then by the definition of the domain, there exists $y$ such that $(x,y) \in f$. Since $f \subset A \times B$, we have $(x,y) \in f \subset A \times B$. Thus $x \in A$. Next, let $x \in A$. Then by (F1), there exists a $y \in B$ such that $(x,y) \in f$. Therefore by the definition of the domain of $f$,
$$x \in dom\ f.$$
- Let $y \in ran\ f$. Then by the definition of the range, there exists a $x$ such that $(x,y) \in f$. Since $f \subset A \times B$, $(x,y) \in f \subset A \times B$. Therefore, by the definition of Cartesian product, $y \in B$.
$f : A \to B$를 함수라 하자. 그러면 보조정리 4.5에 의해 $A$는 그래프 $f$의 정의역이다. 더욱이, 우리는 $A$를 함수 $f$의 정의역이라고 한다. 한편, $B$는 함수 $f$의 “공역” 또는 함수 $f$의 “목표공간(target space)”이라고 부른다. 주어진 함수가 명확한 경우, 간단히 $A$는 정의역이고 $B$는 공역(또는 목표공간)이라고 말한다.
Let $f : A \to B$ be a function. Then $A$ is the domain of the graph $f$ by Lemma 4.5. Moreover, we say that $A$ is the domain of the function $f$. On the other hand, $B$ is called the “codomain” of the function $f$ or the “target space” of the function $f$. We simply say that $A$ is the domain and $B$ is the codomain (or target space) if the given function is clear.
$f : A \to B$를 함수라 하자. $(x,y) \in f$이면, 다음과 같이 말한다.
- $y$는 ($f$에 대한) $x$의 상이다
- $x$는 ($f$에 대한) $y$의 원상이다
- $f$는 $x$를 $y$로 보내며, 이를 $x \overset{f}{\mapsto} y$ 또는 간단히 $x \mapsto y$로 기호화한다.
이 정의에 따르면,
- (F1)은 모든 원소 $x \in A$가 상 $y \in B$를 가짐을 뜻한다
- (F2)는 $x \in A$이면 $x$의 상이 유일함을 뜻한다
- (F1)과 (F2)는 모든 원소 $x \in A$가 유일한 상 $y \in B$를 가짐을 뜻한다.
Let $f : A \to B$ be a function. If $(x,y) \in f$, then we say that
- $y$ is the image of $x$ (with respect to $f$)
- $x$ is the pre-image of $y$ (with respect to $f$)
- $f$ maps $x$ onto $y$ and it is symbolized by $x \overset{f}{\mapsto} y$ or simply $x \mapsto y$.
According to these definitions,
- (F1) states that every element $x \in A$ has an image $y \in B$
- (F2) states that if $x \in A$, then the image of $x$ is unique
- (F1) and (F2) state that every element $x \in A$ has a unique image $y \in B$.
$A$와 $B$를 모임이라 하고, $f$를 그래프라 하자. 그러면 $f : A \to B$가 함수인 것과 다음 세 성질이 성립하는 것은 동치이다.
- $f$는 (F2)를 만족한다
- $dom\ f = A$
- $ran\ f \subset B$이다.
(⇒) 방향은 보조정리 4.5와 함수의 정의에 의해 자명하다. 따라서 (⇐) 방향만 증명한다. 그래프 $f$와 모임 $A$, $B$가 (1), (2), (3)을 만족한다고 가정하자. 먼저 $f \subset A \times B$임을 증명한다. $(x,y) \in f$라 하자. 그러면
따라서 (2)와 (3)에 의해,
따라서 데카르트 곱의 정의에 의해,
다음으로 (F1)이 성립함을 보인다. $x \in A$라 하자. 그러면 (2)에 의해 $x \in dom\ f$이다. 따라서 $f$의 정의역의 정의에 의해, $(x,y) \in f$를 만족하는 $y$가 존재한다. 이제 $y \in B$임을 보이는 것만 남았다. $y \in ran\ f$임에 주목하자. 따라서 (3)에 의해 $y \in B$이다. 마지막으로, (1)에 의해 (F2)가 성립함은 자명하다.
Let $A$ and $B$ be classes, and let $f$ be a graph. Then $f : A \to B$ is a function if and only if the following three properties hold:
- $f$ satisfies (F2)
- $dom\ f = A$
- $ran\ f \subset B$.
The only if part is obvious due to Lemma 4.5 and the definition of the function. Thus we only prove the if part. Assume that the graph $f$ and classes $A$ and $B$ satisfy (1), (2), and (3). First we prove that $f \subset A \times B$. Let $(x,y) \in f$. Then
Thus by (2) and (3),
Thus by the definition of the Cartesian product,
Next we show that (F1) holds. Let $x \in A$. Then by (2), $x \in dom\ f$. Thus by the definition of the domain of $f$, there exists a $y$ such that $(x,y) \in f$. It only remains to show that $y \in B$. Observe that $y \in ran\ f$. Therefore by (3), $y \in B$. Finally, it is obvious that (F2) holds due to (1).
$f : A \to B$를 함수라 하고, $C$를 $ran\ f \subset C$를 만족하는 모임이라 하자. 그러면 $f : A \to C$는 함수이다.
$f : A \to B$가 함수이므로, 정리 4.8에 의해 (F2)가 성립하고, $dom\ f = A$이며, $ran\ f \subset B$이다. 또한 $ran\ f \subset C$라는 가정을 상기하자. 따라서 (F2)가 성립하고, $dom\ f = A$이며, $ran\ f \subset C$이다. 다시 말해, 모임 $A$, $C$와 그래프 $f$에 대하여 정리 4.8의 (1), (2), (3)이 성립한다. 그러므로 $f : A \to C$는 함수이다.
Let $f : A \to B$ be a function and $C$ be a class such that $ran\ f \subset C$. Then $f : A \to C$ is a function.
Since $f : A \to B$ is a function, due to Theorem 4.8, (F2) holds, $dom\ f = A$, and $ran\ f \subset B$. Moreover, recall the assumption that $ran\ f \subset C$. Thus, (F2) holds, $dom\ f = A$, and $ran\ f \subset C$. In other words, (1), (2), and (3) of Theorem 4.8 hold for the classes $A$ and $C$, and the graph $f$. Therefore, $f : A \to C$ is a function.
$f : A \to B$를 함수라 하고 $x \in A$라 하자. $x$의 (유일한) 상을 나타내기 위해 기호 $f(x)$를 사용하는 것이 관례이다. 그러면,
이 표기를 사용하면, (F1)과 (F2)는 다음과 같이 재서술할 수 있다.
(F1) $\forall x \in A$, $y = f(x)$를 만족하는 $y \in B$가 존재한다.
(F2) $y_1 = f(x)$이고 $y_2 = f(x)$이면, $y_1 = y_2$이다.
또한, (F2)는 다음 명제와 동치이다.
(F2’) $x_1, x_2 \in dom\ f$이고 $x_1 = x_2$이면, $f(x_1) = f(x_2)$이다.
때때로 그래프 $G$와 $x \in dom\ G$에 대하여, 다음 표기(정의)를 사용한다
Let $f : A \to B$ be a function and $x \in A$. It is customary to use the symbol $f(x)$ to designate the (unique) image of $x$. Then,
By using this notation, (F1) and (F2) can be restated as follows:
(F1) $\forall x \in A$, $\exists y \in B$ such that $y = f(x)$.
(F2) If $y_1 = f(x)$ and $y_2 = f(x)$, then $y_1 = y_2$.
Moreover, (F2) is equivalent to the sentence that
(F2’) if $x_1, x_2 \in dom\ f$ and $x_1 = x_2$, then $f(x_1) = f(x_2)$.
Sometimes for a graph $G$ and $x \in dom\ G$, we use the notation (definition)
$f : A \to B$를 함수라 하자. (F2)와 (F2')이 동치임을 증명하라.
(⟹) (F2)가 성립한다고 가정하자. $x_1, x_2 \in \mathit{dom}\ f$이고 $x_1 = x_2$라 하자. $x_1 \in \mathit{dom}\ f$이므로, 정의역의 정의(정의 3.63)에 의해 $(x_1, y_1) \in f$인 $y_1$이 존재하며, (4.2)에 의해 $y_1 = f(x_1)$이다. 마찬가지로 $x_2 \in \mathit{dom}\ f$이므로 $(x_2, y_2) \in f$인 $y_2$가 존재하고 $y_2 = f(x_2)$이다. $x_1 = x_2$이므로 $\{x_1\} = \{x_2\}$이고 $\{x_1, y_1\} = \{x_2, y_1\}$이며, 따라서 외연공리에 의해
즉 $(x_2, y_1) \in f$이다. 이제 $(x_2, y_1) \in f$이고 $(x_2, y_2) \in f$이므로, (F2)에 의해
그러므로
이고, (F2')이 증명되었다.
(⟸) (F2')이 성립한다고 가정하자. $(x, y_1) \in f$이고 $(x, y_2) \in f$이라 하자. $(x, y_1) \in f$이므로 정의역의 정의에 의해 $x \in \mathit{dom}\ f$이고, (4.2)에 의해 $y_1 = f(x)$이다. 마찬가지로 $(x, y_2) \in f$이므로 $x \in \mathit{dom}\ f$이고 $y_2 = f(x)$이다. $x_1 := x$, $x_2 := x$라 두면 $x_1 = x_2 \in \mathit{dom}\ f$이므로, (F2')에 의해 $f(x_1) = f(x_2)$이다. 따라서
이고, (F2)가 증명되었다.
이상에서 (F2)와 (F2')이 동치임이 증명되었다.
Let $f : A \to B$ be a function. Prove that (F2) iff (F2’).
(⟹) Assume that (F2) holds. Let $x_1, x_2 \in \mathit{dom}\ f$ with $x_1 = x_2$. Since $x_1 \in \mathit{dom}\ f$, by the definition of the domain (Definition 3.63), there exists $y_1$ such that $(x_1, y_1) \in f$, and by (4.2), $y_1 = f(x_1)$. Similarly, since $x_2 \in \mathit{dom}\ f$, there exists $y_2$ such that $(x_2, y_2) \in f$, and $y_2 = f(x_2)$. Since $x_1 = x_2$, we have $\{x_1\} = \{x_2\}$ and $\{x_1, y_1\} = \{x_2, y_1\}$, so by the axiom of extent,
i.e. $(x_2, y_1) \in f$. Now $(x_2, y_1) \in f$ and $(x_2, y_2) \in f$, so by (F2),
Therefore
and (F2’) is proved.
(⟸) Assume that (F2’) holds. Let $(x, y_1) \in f$ and $(x, y_2) \in f$. Since $(x, y_1) \in f$, by the definition of the domain, $x \in \mathit{dom}\ f$, and by (4.2), $y_1 = f(x)$. Similarly, since $(x, y_2) \in f$, $x \in \mathit{dom}\ f$ and $y_2 = f(x)$. Setting $x_1 := x$ and $x_2 := x$, we have $x_1 = x_2 \in \mathit{dom}\ f$, so by (F2’), $f(x_1) = f(x_2)$. Therefore
and (F2) is proved.
Combining both directions, (F2) and (F2’) are equivalent.
$G$를 그래프라 하자. 다음을 증명하거나 반증하라.
- (F2)는 (F2')일 때만 성립한다
- (F2)는 (F2')이면 성립한다.
- 이 명제, 즉 "(F2)는 (F2')일 때만 성립한다"(다시 말해 (F2) $\implies$ (F2'))는 참이다. $G$가 (F2)를 만족한다고 가정하자(주의 4.4). $x_1, x_2 \in \mathit{dom}\ G$이고 $x_1 = x_2$라 하자. $x_1 \in \mathit{dom}\ G$이므로, 정의역의 정의(정의 3.63)에 의해 $(x_1, y_1) \in G$인 $y_1$이 존재하며, (4.3)에 의해 $G(x_1) = y_1$이다. 마찬가지로 $x_2 \in \mathit{dom}\ G$이므로 $(x_2, y_2) \in G$인 $y_2$가 존재하고 $G(x_2) = y_2$이다. $x_1 = x_2$이므로 외연공리에 의해 $(x_1, y_1) = (x_2, y_1)$이고, 따라서 $(x_2, y_1) \in G$이다. 이제 $(x_2, y_1) \in G$이고 $(x_2, y_2) \in G$이므로 (F2)에 의해 $y_1 = y_2$이다. 그러므로
$$G(x_1) = y_1 = y_2 = G(x_2)$$이고, (F2')이 증명된다.
- 이 명제, 즉 "(F2)는 (F2')이면 성립한다"(다시 말해 (F2') $\implies$ (F2))는 거짓이다. 반례로
$$G = \{(a, b), (a, c)\}, \qquad b \neq c$$를 생각하자. 먼저 $G$가 (F2)를 만족하지 않음을 확인하자. $(a, b) \in G$이고 $(a, c) \in G$이지만 $b \neq c$이므로, $G$는 (F2)를 만족하지 않는다.
한편 (4.3)에 의해, $(a, b) \in G$이므로 "$G(a) = b$"라는 읽기가 성립하고, $(a, c) \in G$이므로 "$G(a) = c$"라는 읽기도 (똑같이 (4.3)에 의해) 성립한다. 즉 (F2)가 실패하는 그래프에서는 표기 $G(x)$가 유일한 값을 가리키지 못하며, $x = a$에서 "$G(a)$"라는 표현 자체가 $b$로도 $c$로도 읽힐 수 있어 모호하다. 그럼에도 $G$는 (F2')을 만족한다. 실제로 $\mathit{dom}\ G = \{a\}$이므로 (F2')의 사례는 $x_1 = x_2 = a$뿐이며, 이때 (F2')의 결론은 "$G(a) = G(a)$"이다. $G(a)$에 허용되는 두 값 $b$, $c$ 중 어느 것을 고정하더라도 양변은 같은 표현이므로 이는 참이다. 따라서 $G$는 (F2')을 만족하지만 (F2)는 만족하지 않으며, (F2') $\implies$ (F2)는 거짓이다.
요컨대, (4.3)의 표기 $G(x)$가 유일한 값을 나타내는 것은 $G$가 (F2)를 만족할 때뿐이다. (F2)가 없으면 "$G(x)$"라는 표현 자체가 서로 다른 여러 값으로 동시에 읽힐 수 있고, $x_1 = x_2$일 때의 $G(x_1)$과 $G(x_2)$만을 말하는 (F2')은 "같은 표현은 자기 자신과 같다"는 자명한 명제로 퇴화한다. 바로 이 때문에 (F2')은 $G$에 대한 어떤 정보도 담지 못하며 (F2)를 되찾아 줄 수 없다. 즉 (1)의 역은 성립하지 않는다.
Let $G$ be a graph. Prove or disprove the followings:
- (F2) only if (F2’)
- (F2) if (F2’).
- This statement, i.e. “(F2) only if (F2’)” (in other words (F2) $\implies$ (F2’)), is true. Assume that $G$ satisfies (F2) (Remark 4.4). Let $x_1, x_2 \in \mathit{dom}\ G$ with $x_1 = x_2$. Since $x_1 \in \mathit{dom}\ G$, by the definition of the domain (Definition 3.63), there exists $y_1$ such that $(x_1, y_1) \in G$, and by (4.3), $G(x_1) = y_1$. Similarly, since $x_2 \in \mathit{dom}\ G$, there exists $y_2$ such that $(x_2, y_2) \in G$, and $G(x_2) = y_2$. Since $x_1 = x_2$, by the axiom of extent $(x_1, y_1) = (x_2, y_1)$, so $(x_2, y_1) \in G$. Now $(x_2, y_1) \in G$ and $(x_2, y_2) \in G$, so by (F2), $y_1 = y_2$. Therefore
$$G(x_1) = y_1 = y_2 = G(x_2)$$and (F2’) is proved.
- This statement, i.e. “(F2) if (F2’)” (in other words (F2’) $\implies$ (F2)), is false. As a counterexample, consider
$$G = \{(a, b), (a, c)\}, \qquad b \neq c.$$First we check that $G$ does not satisfy (F2). Since $(a, b) \in G$ and $(a, c) \in G$ but $b \neq c$, $G$ does not satisfy (F2).
On the other hand, by (4.3), since $(a, b) \in G$, the reading “$G(a) = b$” holds, and since $(a, c) \in G$, the reading “$G(a) = c$” also holds (again by (4.3)). That is, for a graph on which (F2) fails, the notation $G(x)$ does not designate a unique value, and at $x = a$ the expression “$G(a)$” itself is ambiguous, admissible as either $b$ or $c$. Nevertheless $G$ does satisfy (F2’). Indeed $\mathit{dom}\ G = \{a\}$, so the only instance of (F2’) is $x_1 = x_2 = a$, and there the conclusion of (F2’) reads “$G(a) = G(a)$”. Whichever of the two admissible values $b$, $c$ one fixes for $G(a)$, the two sides are the same expression, so this holds. Hence $G$ satisfies (F2’) but not (F2), and (F2’) $\implies$ (F2) is false.
In short, the notation $G(x)$ of (4.3) designates a unique value only when $G$ satisfies (F2). Without (F2) the expression “$G(x)$” can be read as several different values at once, and (F2’) — which speaks only of $G(x_1)$ and $G(x_2)$ for $x_1 = x_2$ — degenerates into the triviality that one and the same expression equals itself. This is exactly why (F2’) carries no information about $G$ and cannot recover (F2); that is, the converse of (1) fails.
$f : A \to B$와 $g : A \to B$를 함수라 하자. 그러면 $f = g$인 것과 모든 $x \in A$에 대해 $f(x) = g(x)$인 것은 동치이다.
먼저 (⇒) 방향을 증명한다. $f = g$라고 가정하자. 그러면 외연공리에 의해,
$x \in A$라 하자. 그러면 $y_f = f(x)$이고 $y_g = g(x)$를 만족하는 $y_f, y_g \in B$가 존재한다. 또한 (4.2)와 (4.4)에 의해,
따라서, (F2)에 의해
다음으로 (⇐) 방향을 증명한다. 모든 $x \in A$에 대해 $f(x) = g(x)$라고 가정하자. 그러면 (4.2)에 의해,
따라서, 외연공리에 의해 $f = g$이다.
Let $f : A \to B$ and $g : A \to B$ be functions. Then $f = g$ if and only if $f(x) = g(x)$ for all $x \in A$.
We prove the only if part first. Assume that $f = g$. Then by the axiom of extent,
Let $x \in A$. Then there exist $y_f, y_g \in B$ such that $y_f = f(x)$ and $y_g = g(x)$. Moreover by (4.2) and (4.4),
Therefore, by (F2)
Next we prove the if part. Assume that $f(x) = g(x)$ for all $x \in A$. Then by (4.2),
Therefore, $f = g$ by the axiom of the extent.
(1) 함수 $f : A \to B$가 다음 성질을 가지면 “단사”라고 한다.
(INJ) $(x_1, y) \in f$이고 $(x_2, y) \in f$이면, $x_1 = x_2$이다.
(2) 함수 $f : A \to B$가 다음 성질을 가지면 “전사”라고 한다.
(SURJ) 모든 $y \in B$에 대하여, $y = f(x)$를 만족하는 $x \in A$가 존재한다.
(3) 함수 $f : A \to B$가 단사이면서 전사이면 “전단사”라고 한다.
(4) 전단사함수 $f : A \to B$가 존재하면, 두 모임 $A$와 $B$가 “일대일대응” 관계에 있다고 한다.
(1) A function $f : A \to B$ is said to be “injective” if it has the following property:
(INJ) if $(x_1, y) \in f$ and $(x_2, y) \in f$, then $x_1 = x_2$.
(2) A function $f : A \to B$ is said to be “surjective” if it has the following property:
(SURJ) for all $y \in B$, there exists a $x \in A$ such that $y = f(x)$.
(3) A function $f : A \to B$ is said to be “bijective” if it is both injective and surjective.
(4) If there exists a bijective function $f : A \to B$, then we say that two classes $A$ and $B$ are in “ono-to-one correspondence”.
- (INJ)는 $y$의 원상이 많아야 하나임을 뜻한다.
- (INJ)는 $f(x_1) = f(x_2)$이면 $x_1 = x_2$라는 명제와 동치이다.
- (SURJ)는 $B$의 모든 원소가 $A$의 원소 중 적어도 하나의 상임을 뜻한다. 이는 당연히 $B \subset ran\ f$를 함의한다. 한편, 정리 4.8에 의해 $ran\ f \subset B$이다. 따라서 (SURJ)가 성립하는 것과 $B = ran\ f$인 것은 동치이다.
- (1)과 (3)을 결합하면, $f$가 전단사이면 $B$의 모든 원소가 $A$에서 정확히 하나의 원상을 가짐을 알 수 있다.
- 단사와 전사 성질의 정의는 일반 그래프에 대해서도 확장할 수 있다. 실제로, 그래프 $G$가 다음을 만족하면 $G$가 단사라고 한다.
$$(x_1, y) \in f \text{ and } (x_2, y) \in f \implies x_1 = x_2.$$
모든 $y \in B$에 대해 $y = G(x)$를 만족하는 $x \in dom\ G$가 존재하면 그래프 $G$가 모임 $B$로 전사라고 한다. 특히 $G : A \to B$가 함수이면, 함수 $G : A \to B$가 전사일 때 그래프 $G$가 전사라고 간단히 말한다.
- (INJ) states that $y$ has no more than one pre-image.
- (INJ) is equivalent to the sentence that if $f(x_1) = f(x_2)$, then $x_1 = x_2$.
- (SURJ) states that every element of $B$ is the image of at least one element of $A$. It obviously implies that $B \subset ran\ f$. On the other hand, $ran\ f \subset B$ by Theorem 4.8. Therefore, (SURJ) holds iff $B = ran\ f$.
- Combining (1) and (3), we can say that if $f$ is bijective, then every element of $B$ has exactly one pre-image in $A$.
- We can extend the definition of injective and surjective properties for a general graph. Indeed, we say that a graph $G$ is injective if
$$(x_1, y) \in f \text{ and } (x_2, y) \in f \implies x_1 = x_2.$$
A graph $G$ is said to be surjective to a class $B$ if for all $y \in B$, there exists a $x \in dom\ G$ such that $y = G(x)$. In particular, if $G : A \to B$ is a function, we just say that the graph $G$ is surjective if the function $G : A \to B$ is surjective.
임의의 그래프 $G$가 $ran\ G$로 전사임을 증명하라.
$y \in \mathit{ran}\ G$라 하자. 치역의 정의(정의 3.63)에 의해 $(x,y) \in G$인 $x$가 존재한다. 그러면 정의역의 정의에 의해 $x \in \mathit{dom}\ G$이고, (4.3)에 의해 $y = G(x)$이다. $y \in \mathit{ran}\ G$가 임의였으므로, 모든 $y \in \mathit{ran}\ G$에 대해 $y = G(x)$를 만족하는 $x \in \mathit{dom}\ G$가 존재함을 보였다. 따라서 주의 4.15(5)의 정의(그래프가 모임 $B$로 전사라는 정의를 $B := \mathit{ran}\ G$에 적용)에 의해, $G$는 $\mathit{ran}\ G$로 전사이다.
Prove that any graph $G$ is surjective to $ran\ G$.
Let $y \in \mathit{ran}\ G$. By the definition of the range (Definition 3.63), there exists $x$ such that $(x,y) \in G$. Then by the definition of the domain, $x \in \mathit{dom}\ G$, and by (4.3), $y = G(x)$. Since $y \in \mathit{ran}\ G$ was arbitrary, we have shown that for every $y \in \mathit{ran}\ G$, there exists $x \in \mathit{dom}\ G$ such that $y = G(x)$. Therefore, by the definition in Remark 4.15(5) (that a graph is surjective to a class $B$, applied with $B := \mathit{ran}\ G$), $G$ is surjective to $\mathit{ran}\ G$.
$A$를 모임이라 하자. “$A$ 위의 항등함수”란 다음으로 주어지는 함수 $I_A : A \to A$를 말한다.
다시 말해,
먼저 $I_A : A \to A$가 단사임을 보인다. $I_A(x_1) = I_A(x_2)$라 하자. 그러면
따라서 단사이다. 다음으로 $I_A : A \to A$가 전사임을 증명한다. $x \in A$라 하자. 그러면 $I_A(x) = x$이다. 따라서 전사이다. 종합하면, 항등함수 $I_A : A \to A$는 전단사이다.
Let $A$ be a class. By the “identity function on $A$”, we mean the function $I_A : A \to A$ given by
In other words,
First we show that $I_A : A \to A$ is injective. Let $I_A(x_1) = I_A(x_2)$. Then
Thus it is injective. Next we prove that $I_A : A \to A$ is surjective. Let $x \in A$. Then $I_A(x) = x$. Therefore, it is surjective. In total, the identity function $I_A : A \to A$ is bijective.
$A$와 $B$를 모임이라 하고, $b$를 $B$의 원소라 하자. “상수함수” $K_b$란 다음을 만족하는 함수 $K_b : A \to B$를 말한다.
다시 말해, $K_b = \{(x,b) : x \in A\}$이다. 일반적으로 상수함수는 단사도 전사도 아니다. 실제로, $A$가 원소를 하나보다 많이 가지면 $K_b$는 단사가 아니다. $B$가 원소를 하나보다 많이 가지면 $K_b$는 전사가 아니다.
Let $A$ and $B$ be classes, and let $b$ be an element of $B$. By the “constant function” $K_b$, we mean the function $K_b : A \to B$ such that
In other words, $K_b = \{(x,b) : x \in A\}$. In general, the constant functions are not injective nor surjective. Indeed, if $A$ has more than one element, then $K_b$ is not injective. If $B$ has more than one element, then $K_b$ is not surjective.
$A$를 모임이라 하고, $B$를 $A$의 부분모임이라 하자. $A$에서 $B$의 “포함함수”란 다음으로 주어지는 함수 $E_B : B \to A$를 말한다.
다시 말해, $E_B = \{(x,x) : x \in B\}$이다. $E_B$가 단사임은 쉽게 확인할 수 있다. 일반적으로 전사는 아니다. 그러나 $B = A$이면 포함함수는 항등함수 $I_A$와 일치하므로 전단사이다.
Let $A$ be a class and $B$ be a subclass of $A$. By the “inclusion function” of $B$ in $A$, we mean the function $E_B : B \to A$ given by
In other words, $E_B = \{(x,x) : x \in B\}$. It is easy to check that $E_B$ is injective. Generally, it is not surjective. However, if $B = A$, then the inclusion function coincides with the identity function $I_A$ and thus bijective.
두 원소로 이루어진 모임을 $2$라 하고 $2 = \{0,1\}$로 두자. $A$가 모임이고 $B$가 $A$의 부분모임이면, $A$에서 $B$의 “특성함수(또는 지시함수)”란 다음으로 정의되는 함수 $C_B : A \to 2$이다.
다시 말해,
$C_B$가 $B$의 모든 원소를 $1$로, $A - B$의 모든 원소를 $0$으로 보냄은 자명하다.
Let $2$ be a class consisting of two elements and put $2 = \{0,1\}$. If $A$ is a class and $B$ is a subclass of $A$, then the “characteristic function (or indicator function)” of $B$ in $A$ is the function $C_B : A \to 2$ defined as
In other words,
It is obvious that the $C_B$ maps every element of $B$ onto $1$ and every element of $A - B$ onto $0$.
$f : A \to B$를 함수라 하고, $C$를 $A$의 부분모임이라 하자. “$f$의 $C$로의 제한”이란 다음을 만족하는 함수 $f_{[C]} : C \to B$를 말한다.
다시 말해,
Let $f : A \to B$ be a function and $C$ be a subclass of $A$. By the “restriction of $f$ to $C$”, we mean the function $f_{[C]} : C \to B$ such that
In other words,
$f : A \to B$를 함수라 하고, $C$를 $A \subset C$를 만족하는 모임이라 하자. “$f$의 $C$로의 확장”이란 다음을 만족하는 함수 $f^{[C]} : C \to B$를 말한다.
특히, 함수 $f$는 $f^{[C]}$의 $A$로의 제한이다. 일반적으로 $f$의 확장은 유일하지 않다.
Let $f : A \to B$ be a function and $C$ be a class such that $A \subset C$. By an “extension of $f$ to $C$”, we mean a function $f^{[C]} : C \to B$ such that
In particular, the function $f$ is the restriction of $f^{[C]}$ to $A$. Generally, the extension of $f$ is not unique.
$f : A \to B$를 함수라 하고, $C$를 $A \subsetneq C$를 만족하는 모임이라 하자. 다음을 증명하라.
- $f : A \to B$의 $C$로의 확장이 존재한다
- $f : A \to B$의 $C$로의 확장은 유일하지 않다. 즉, $f : A \to B$의 $C$로의 서로 다른 확장이 적어도 두 개 존재한다.
역주. 원문의 주장이 성립하려면 (1)은 $B \neq \emptyset$, (2)는 $B$가 서로 다른 두 원소를 가질 것이 필요하다. $B = \emptyset$이면 (F1)에 의해 $A = \emptyset$이어야 하고, $C \supsetneq A = \emptyset$이므로 $C$는 공집합이 아닌데, 공집합이 아닌 $C$에서 $B = \emptyset$으로 가는 함수는 (F1) 때문에 존재할 수 없으므로 확장 자체가 없다. 한편 $B = \{b\}$처럼 원소가 하나뿐이면 $C$에서 $B$로 가는 함수는 상수함수 하나로 유일하므로 확장도 유일하다. 이하에서는 각각 그 가정, 즉 (1)에서는 $B \neq \emptyset$, (2)에서는 $B$가 서로 다른 두 원소 $b \neq b'$를 가진다는 가정 아래 증명한다.
- $B \neq \emptyset$이므로 $b \in B$를 하나 고를 수 있다. (예제 4.18의 상수함수와 같은 방식으로) 다음 그래프를 정의하자.
$$K := \{(x, b) : x \in C - A\}.$$그리고 $g := f \cup K$라 하자. $g : C \to B$가 $f$의 $C$로의 확장임을 보인다.
먼저 $g \subset C \times B$임을 보인다. $(x, y) \in g$라 하자. $(x, y) \in f$이면 $f \subset A \times B$이고 $A \subset C$이므로 $(x, y) \in C \times B$이다. $(x, y) \in K$이면 $x \in C - A \subset C$이고 $y = b \in B$이므로 $(x, y) \in C \times B$이다. 어느 경우든 $(x, y) \in C \times B$이다.
다음으로 (F2)가 성립함을 보인다. $(x, y_1) \in g$이고 $(x, y_2) \in g$라 하자. $\mathit{dom}\ f = A$이고 $\mathit{dom}\ K = C - A$이며 $A \cap (C - A) = \emptyset$이므로, $x \in A$인 경우와 $x \in C - A$인 경우로 나뉜다.
- $x \in A$이면, $x \notin C - A = \mathit{dom}\ K$이므로 $(x,y_1)$, $(x,y_2)$는 $K$가 아니라 $f$의 원소이다. 즉 $(x,y_1), (x,y_2) \in f$이므로, $f$의 (F2)에 의해 $y_1 = y_2$이다.
- $x \in C - A$이면, 같은 이유로 $(x,y_1), (x,y_2) \in K$이다. $K$의 정의에 의해 $y_1 = y_2 = b$이다.
어느 경우든 $y_1 = y_2$이므로, $g$는 (F2)를 만족한다.
다음으로 $\mathit{dom}\ g = C$임을 보인다. 정리 3.77(1)에 의해,
$$\mathit{dom}\ g = \mathit{dom}\ (f \cup K) = \mathit{dom}\ f \cup \mathit{dom}\ K = A \cup (C - A) = C$$이다(마지막 등호는 $A \subset C$이기 때문이다).
또한 $\mathit{ran}\ g \subset B$임을 보인다. 정리 3.77(2)에 의해,
$$\mathit{ran}\ g = \mathit{ran}\ f \cup \mathit{ran}\ K.$$$f : A \to B$가 함수이므로 보조정리 4.5(2)에 의해 $\mathit{ran}\ f \subset B$이다. 또한 $A \subsetneq C$이므로 $C - A \neq \emptyset$이고, $K$의 정의에 의해 $\mathit{ran}\ K = \{b\} \subset B$이다. 따라서 $\mathit{ran}\ g \subset B$이다.
지금까지 $g$가 (F2)를 만족하고, $\mathit{dom}\ g = C$이며, $\mathit{ran}\ g \subset B$임을 보였으므로, 정리 4.8에 의해 $g : C \to B$는 함수이다.
마지막으로 $g$가 $A$ 위에서 $f$와 일치함을 보인다. $x \in A$라 하자. 그러면 $(x, f(x)) \in f \subset g$이므로, (4.2)에 의해
$$g(x) = f(x).$$따라서 $g : C \to B$는 $f : A \to B$의 $C$로의 확장이고, (1)이 증명되었다.
- $B$가 서로 다른 두 원소 $b \neq b'$를 가진다고 가정하자. (1)의 구성을 $b$와 $b'$ 각각에 대해 적용하여
$$K := \{(x, b) : x \in C - A\}, \qquad K' := \{(x, b') : x \in C - A\}$$로 두고 $g := f \cup K$, $g' := f \cup K'$라 하자. (1)에 의해 $g : C \to B$와 $g' : C \to B$는 모두 $f$의 $C$로의 확장이다. $g \neq g'$임을 보이면 충분하다.
$A \subsetneq C$이므로 $C - A \neq \emptyset$이고, 어떤 $x_0 \in C - A$가 존재한다. $K$와 $K'$의 정의에 의해 $(x_0, b) \in K \subset g$이고 $(x_0, b') \in K' \subset g'$이므로, (4.2)에 의해
$$g(x_0) = b, \qquad g'(x_0) = b'.$$$b \neq b'$이므로 $g(x_0) \neq g'(x_0)$이다. 그런데 $g, g' : C \to B$는 정의역과 공역이 같은 함수이므로, 정리 4.13에 의해 $g = g'$이려면 모든 $x \in C$에 대해 $g(x) = g'(x)$이어야 한다. $g(x_0) \neq g'(x_0)$이므로 이는 성립하지 않고, 따라서 $g \neq g'$이다.
그러므로 $f : A \to B$의 $C$로의 확장 $g$와 $g'$는 서로 다르며, (2)가 증명되었다.
Let $f : A \to B$ be a function and $C$ be a class such that $A \subsetneq C$. Prove
- there exists an extension of $f : A \to B$ to $C$
- the extension of $f : A \to B$ to $C$ is not unique, i.e. at least there exist two different extensions of $f : A \to B$ to $C$.
Note. For the stated claims to hold, (1) requires $B \neq \emptyset$ and (2) requires $B$ to have two distinct elements. If $B = \emptyset$, then (F1) forces $A = \emptyset$, and since $C \supsetneq A = \emptyset$, $C$ is nonempty; but no function from a nonempty $C$ to $B = \emptyset$ can exist, by (F1), so there is no extension at all. On the other hand, if $B = \{b\}$ has only one element, then there is exactly one function from $C$ to $B$ (the constant function), so the extension is unique. Below we prove (1) under the assumption $B \neq \emptyset$, and (2) under the assumption that $B$ has two distinct elements $b \neq b'$.
- Since $B \neq \emptyset$, we may choose $b \in B$. As in the constant function of Example 4.18, define the graph
$$K := \{(x, b) : x \in C - A\}.$$Let $g := f \cup K$. We show that $g : C \to B$ is an extension of $f$ to $C$.
First we show $g \subset C \times B$. Let $(x, y) \in g$. If $(x, y) \in f$, then since $f \subset A \times B$ and $A \subset C$, $(x, y) \in C \times B$. If $(x, y) \in K$, then $x \in C - A \subset C$ and $y = b \in B$, so $(x, y) \in C \times B$. Either way, $(x, y) \in C \times B$.
Next we show (F2) holds. Let $(x, y_1) \in g$ and $(x, y_2) \in g$. Since $\mathit{dom}\ f = A$, $\mathit{dom}\ K = C - A$, and $A \cap (C - A) = \emptyset$, we split into the cases $x \in A$ and $x \in C - A$.
- If $x \in A$, then $x \notin C - A = \mathit{dom}\ K$, so $(x,y_1)$ and $(x,y_2)$ are elements of $f$, not $K$. That is, $(x,y_1), (x,y_2) \in f$, so by (F2) of $f$, $y_1 = y_2$.
- If $x \in C - A$, then for the same reason $(x,y_1), (x,y_2) \in K$. By the definition of $K$, $y_1 = y_2 = b$.
Either way $y_1 = y_2$, so $g$ satisfies (F2).
Next we show $\mathit{dom}\ g = C$. By Theorem 3.77(1),
$$\mathit{dom}\ g = \mathit{dom}\ (f \cup K) = \mathit{dom}\ f \cup \mathit{dom}\ K = A \cup (C - A) = C$$(the last equality holds since $A \subset C$).
We also show $\mathit{ran}\ g \subset B$. By Theorem 3.77(2),
$$\mathit{ran}\ g = \mathit{ran}\ f \cup \mathit{ran}\ K.$$Since $f : A \to B$ is a function, $\mathit{ran}\ f \subset B$ by Lemma 4.5(2). Also, since $A \subsetneq C$, $C - A \neq \emptyset$, and by the definition of $K$, $\mathit{ran}\ K = \{b\} \subset B$. Therefore $\mathit{ran}\ g \subset B$.
We have now shown that $g$ satisfies (F2), $\mathit{dom}\ g = C$, and $\mathit{ran}\ g \subset B$, so by Theorem 4.8, $g : C \to B$ is a function.
Finally we show $g$ agrees with $f$ on $A$. Let $x \in A$. Then $(x, f(x)) \in f \subset g$, so by (4.2),
$$g(x) = f(x).$$Therefore $g : C \to B$ is an extension of $f : A \to B$ to $C$, and (1) is proved.
- Assume that $B$ has two distinct elements $b \neq b'$. Applying the construction of (1) to $b$ and $b'$ separately, let
$$K := \{(x, b) : x \in C - A\}, \qquad K' := \{(x, b') : x \in C - A\}$$and $g := f \cup K$, $g' := f \cup K'$. By (1), both $g : C \to B$ and $g' : C \to B$ are extensions of $f$ to $C$. It suffices to show $g \neq g'$.
Since $A \subsetneq C$, $C - A \neq \emptyset$, so there exists $x_0 \in C - A$. By the definitions of $K$ and $K'$, $(x_0, b) \in K \subset g$ and $(x_0, b') \in K' \subset g'$, so by (4.2),
$$g(x_0) = b, \qquad g'(x_0) = b'.$$Since $b \neq b'$, $g(x_0) \neq g'(x_0)$. But $g, g' : C \to B$ are functions with the same domain and codomain, so by Theorem 4.13, $g = g'$ would require $g(x) = g'(x)$ for all $x \in C$. Since $g(x_0) \neq g'(x_0)$, this fails, and therefore $g \neq g'$.
Hence the extensions $g$ and $g'$ of $f : A \to B$ to $C$ are distinct, and (2) is proved.