§4 Functions (ii): Composition and Inverses · 함수 (ii): 합성과 역함수

LEM 4.24 서로소 정의역 위의 두 함수 붙이기 Gluing Two Functions on Disjoint Domains
한국어

$f_1 : B \to A$와 $f_2 : C \to A$가 함수이고 $B \cap C = \emptyset$이라 하자. $f = f_1 \cup f_2$라 정의하자. 그러면 다음이 성립한다.

  1. $(x,y) \in f$이고 $x \in B$인 것은 $(x,y) \in f_1$인 것과 동치이다
  2. $(x,y) \in f$이고 $x \in C$인 것은 $(x,y) \in f_2$인 것과 동치이다
  3. $dom\ f = B \cup C$이고 $ran\ f = (ran\ f_1) \cup (ran\ f_2) \subset A$이다
  4. $x \in B$이면 $f(x) = f_1(x)$이고, $x \in C$이면 $f(x) = f_2(x)$이다
  5. $f$는 (F2)를 만족한다.
  1. 먼저 (⇐)를 증명한다. $(x,y) \in f_1$이라 하자. 그러면 $f_1 \subset f$이므로 당연히 $(x,y) \in f$이다. 정의역의 정의에 의해 $x \in dom\ f_1$이다. 또한 $f_1 : B \to A$가 함수이므로 (정리 4.8 참조) $dom\ f_1 = B$이다. 따라서 $x \in B$이다. 역으로 $(x,y) \in f$이고 $x \in B$라고 가정하자. $(x,y) \in f$이고 $f = f_1 \cup f_2$이므로 $(x,y) \in f_1$이거나 $(x,y) \in f_2$이다. $(x,y) \in f_2$가 불가능함을 보이는 것으로 충분하다. $(x,y) \in f_2$라고 가정하자. 그러면 $x \in dom\ f_2 = C$이다. $C \cap B = \emptyset$이므로 $x \notin B$이다. 그러나 이는 $x \in B$라는 가정에 모순이다. 따라서 $(x,y) \notin f_2$이다.
  2. (2)의 증명은 (1)과 유사하므로 자세한 내용은 생략한다.
  3. 정리 3.77과 정리 4.8에 의해,
    $$dom\ f = dom\ (f_1 \cup f_2) = (dom\ f_1) \cup (dom\ f_2) = B \cup C.$$

    마찬가지로,

    $$ran\ f = ran\ (f_1 \cup f_2) = (ran\ f_1) \cup (ran\ f_2) \subset A \cup A = A.$$
  4. $x \in B$라 하자. 그러면 $f_1 : B \to A$가 함수이므로 $(x, f_1(x)) \in f_1$이다. 또한 $f_1 \subset f$이므로 $(x, f_1(x)) \in f$이다. 따라서 (4.3)을 상기하면 $f(x) = f_1(x)$이다. 마찬가지로 $x \in C$이면 $f(x) = f_2(x)$이다.
  5. $(x,y_1) \in f$이고 $(x,y_2) \in f$라 하자. 그러면 $f = f_1 \cup f_2$이므로 다음 네 가지 경우가 있다: (경우 1) $(x,y_1) \in f_1$이고 $(x,y_2) \in f_2$인 경우, (경우 2) $(x,y_1) \in f_2$이고 $(x,y_2) \in f_1$인 경우, (경우 3) $(x,y_1) \in f_1$이고 $(x,y_2) \in f_1$인 경우, (경우 4) $(x,y_1) \in f_2$이고 $(x,y_2) \in f_2$인 경우. 먼저 (경우 1)과 (경우 2)는 일어날 수 없음을 보인다. $f_1$이 $B$에서 $A$로 가는 함수이므로 $dom\ f_1 = B$이다. 마찬가지로 $dom\ f_2 = C$이다. 또한 $B \cap C = \emptyset$이라는 가정에 의해 $x \in B$이면서 동시에 $x \in C$인 것은 불가능하다. 따라서 (경우 1)과 (경우 2)는 불가능하다. 이제 (경우 3)과 (경우 4)만 남는다. (경우 3) $(x,y_1) \in f_1$이고 $(x,y_2) \in f_1$이라 하자. $f_1 : B \to A$가 함수이므로 $y_1 = y_2$이다. 마찬가지로 (경우 4) $(x,y_1) \in f_2$이고 $(x,y_2) \in f_2$인 경우도 $f_2 : C \to A$가 함수이므로 $y_1 = y_2$이다.
English

Let $f_1 : B \to A$ and $f_2 : C \to A$ be functions, where $B \cap C = \emptyset$. Define $f = f_1 \cup f_2$. Then

  1. $(x,y) \in f$ and $x \in B$ iff $(x,y) \in f_1$
  2. $(x,y) \in f$ and $x \in C$ iff $(x,y) \in f_2$
  3. $dom\ f = B \cup C$ and $ran\ f = (ran\ f_1) \cup (ran\ f_2) \subset A$
  4. If $x \in B$ then $f(x) = f_1(x)$ and if $x \in C$ then $f(x) = f_2(x)$
  5. $f$ satisfies (F2).
  1. First we prove the if part. Let $(x,y) \in f_1$. Then obviously $(x,y) \in f$ since $f_1 \subset f$. By the definition of the domain, $x \in dom\ f_1$ . Moreover, $dom\ f_1 = B$ since $f_1 : B \to A$ is a function (cf. Theorem 4.8). Therefore, $x \in B$. Conversely, we assume $(x,y) \in f$ and $x \in B$. Since $(x,y) \in f$ and $f = f_1 \cup f_2$, $(x,y) \in f_1$ or $(x,y) \in f_2$. It is sufficient to show that $(x,y) \in f_2$ is impossible. Suppose $(x,y) \in f_2$. Then $x \in dom\ f_2 = C$. Since $C \cap B = \emptyset$, $x \notin B$. But it is contradiction to the assumption that $x \in B$. Thus $(x,y) \notin f_2$.
  2. The proof of (2) is analogous to that of (1). We skip the detail.
  3. By Theorem 3.77 and Theorem 4.8,
    $$dom\ f = dom\ (f_1 \cup f_2) = (dom\ f_1) \cup (dom\ f_2) = B \cup C.$$

    Similarly,

    $$ran\ f = ran\ (f_1 \cup f_2) = (ran\ f_1) \cup (ran\ f_2) \subset A \cup A = A.$$
  4. Let $x \in B$. Then since $f_1 : B \to A$ is a function, $(x, f_1(x)) \in f_1$. Moreover, since $f_1 \subset f$, $(x, f_1(x)) \in f$. Therefore, recalling (4.3), we have $f(x) = f_1(x)$. Similarly, if $x \in C$, then $f(x) = f_2(x)$.
  5. Let $(x,y_1) \in f$ and $(x,y_2) \in f$. Then since $f = f_1 \cup f_2$, there exist four cases : (Case 1) $(x,y_1) \in f_1$ and $(x,y_2) \in f_2$, (Case 2) $(x,y_1) \in f_2$ and $(x,y_2) \in f_1$, (Case 3) $(x,y_1) \in f_1$ and $(x,y_2) \in f_1$, (Case 4) $(x,y_1) \in f_2$ and $(x,y_2) \in f_2$. First we prove that (Case 1) and (Case 2) cannot happen. Since $f_1$ is a function from $B$ to $A$, $dom\ f_1 = B$. Similarly, $dom\ f_2 = C$. Moreover, the assumption $B \cap C = \emptyset$ implies that $x \in B$ and $x \in C$ are impossible. Therefore, (Case 1) and (Case 2) are impossible. It only remains to consider (Case 3) and (Case 4). Recall that (Case 3: $(x,y_1) \in f_1$ and $(x,y_2) \in f_1$. Since $f_1 : B \to A$ is a function, $y_1 = y_2$. Similarly, for (Case 4) $(x,y_1) \in f_2$ and $(x,y_2) \in f_2$, we have $y_1 = y_2$ since $f_2 : C \to A$ is a function.
EX 4.25 보조정리 4.24(5) 없이 (F2’) 확인하기 Verifying (F2’) Without Lemma 4.24(5)
한국어

보조정리 4.24의 상황에서, 보조정리 4.24(5)를 사용하지 않고 $f$에 대해 (F2’)이 성립함을 증명하라.

$x_1, x_2 \in dom\ f$이고 $x_1 = x_2$라 하자. $x := x_1 = x_2$라 쓰자. 보조정리 4.24(3)에 의해 $dom\ f = B \cup C$이므로 $x \in B \cup C$이다. 따라서 $x \in B$이거나 $x \in C$이다.

$x \in B$인 경우를 생각하자. 보조정리 4.24(4)에 의해 $f(x_1) = f(x) = f_1(x)$이고, 마찬가지로 $f(x_2) = f(x) = f_1(x)$이다. $f_1 : B \to A$가 함수이므로 (F1)에 의해 $x$의 상 $f_1(x)$가 존재하고 (F2)에 의해 유일하다. 즉 $f_1(x)$는 하나의 값으로 정해진다. 따라서

$$f(x_1) = f_1(x) = f(x_2).$$

$x \in C$인 경우도 마찬가지이다. 보조정리 4.24(4)에 의해

$$f(x_1) = f_2(x) = f(x_2).$$

$B \cap C = \emptyset$이므로 $x \in B$와 $x \in C$가 동시에 성립할 수는 없다. 따라서 두 경우 중 정확히 하나만 일어나며, 어느 경우이든 $f(x_1) = f(x_2)$를 얻는다. 그러므로 $f$는 (F2’)을 만족한다.

English

Under the setting Lemma 4.24, prove that (F2’) holds for $f$ without using Lemma 4.24(5).

Let $x_1, x_2 \in dom\ f$ with $x_1 = x_2$. Write $x := x_1 = x_2$. By Lemma 4.24(3), $dom\ f = B \cup C$, so $x \in B \cup C$. Thus $x \in B$ or $x \in C$.

Suppose $x \in B$. By Lemma 4.24(4), $f(x_1) = f(x) = f_1(x)$, and likewise $f(x_2) = f(x) = f_1(x)$. Since $f_1 : B \to A$ is a function, by (F1) the image $f_1(x)$ exists, and by (F2) it is unique. That is, $f_1(x)$ is a single well-defined value. Hence

$$f(x_1) = f_1(x) = f(x_2).$$

The case $x \in C$ is analogous. By Lemma 4.24(4),

$$f(x_1) = f_2(x) = f(x_2).$$

Since $B \cap C = \emptyset$, $x \in B$ and $x \in C$ cannot hold simultaneously. Thus exactly one of the two cases applies, and in either case we obtain $f(x_1) = f(x_2)$. Therefore $f$ satisfies (F2’).

THM 4.26 붙인 함수는 공통 확장 The Glued Map as a Common Extension
한국어

$f_1 : B \to A$와 $f_2 : C \to A$가 함수이고 $B \cap C = \emptyset$이라 하자. $f = f_1 \cup f_2$라 정의하자. 그러면 다음이 성립한다.

  1. $f : B \cup C \to A$는 함수이다
  2. $f_1 = f_{[B]}$이고 $f_2 = f_{[C]}$이다
  3. $f : B \cup C \to A$는 $f_1$을 $B \cup C$로 확장한 것이다
  4. $f : B \cup C \to A$는 $f_2$를 $B \cup C$로 확장한 것이다.
  1. 보조정리 4.24(3), (5)와 정리 4.8에 의해, $f : B \cup C \to A$는 함수이다.
  2. (1)에 의해 $f : B \cup C \to A$는 함수이다. 따라서 보조정리 4.24(4)에 의해,
    $$f_1(x) = f(x) \qquad \forall x \in B \tag{4.7}$$

    이고

    $$f_2(x) = f(x) \qquad \forall x \in C.$$

    따라서 (4.5)에 의해 $f_1 = f_{[B]}$이고 $f_2 = f_{[C]}$임을 얻는다.

  3. (4.7)과 (4.6)에 의해, $f : B \cup C \to A$는 $f_1$을 $B \cup C$로 확장한 것이다.
  4. (4)의 증명은 (3)과 매우 유사하므로 자세한 내용은 생략한다.
English

Let $f_1 : B \to A$ and $f_2 : C \to A$ be functions, where $B \cap C = \emptyset$. Define $f = f_1 \cup f_2$. Then

  1. $f : B \cup C \to A$ is a function
  2. $f_1 = f_{[B]}$ and $f_2 = f_{[C]}$
  3. $f : B \cup C \to A$ is an extension of $f_1$ to $B \cup C$
  4. $f : B \cup C \to A$ is an extension of $f_2$ to $B \cup C$.
  1. Due to Lemma 4.24(3), (5), and Theorem 4.8, $f : B \cup C \to A$ is a function.
  2. By (1), $f : B \cup C \to A$ is a function. Thus due to Lemma 4.24(4),
    $$f_1(x) = f(x) \qquad \forall x \in B \tag{4.7}$$

    and

    $$f_2(x) = f(x) \qquad \forall x \in C.$$

    Therefore, by (4.5), we have $f_1 = f_{[B]}$ and $f_2 = f_{[C]}$.

  3. By (4.7) and (4.6), $f : B \cup C \to A$ is an extension of $f_1$ to $B \cup C$.
  4. The proof of (4) is very analogous to that of (3). We skip the detail.
THM 4.27 합성함수가 함수임 Composition of Functions is a Function
한국어

$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 함수라 하자. 그러면 $g \circ f : A \to C$는 함수이다.

정리 4.8에 의해, $g \circ f$가 (F2)를 만족하고 $dom\ g \circ f = A$이며 $ran\ g \circ f \subset C$임을 보이는 것으로 충분하다. 먼저 $ran\ g \circ f \subset C$임을 증명한다. 정리 3.64(4)와 정리 4.8에 의해,

$$ran\ g \circ f \subset ran\ g \subset C.$$

다음으로 $dom\ g \circ f = A$임을 보인다. 정리 4.8에 의해 $ran\ f \subset B = dom\ g$이다. 따라서 따름정리 3.65와 정리 4.8에 의해,

$$dom\ g \circ f = dom\ f = A.$$

이제 $g \circ f$가 (F2)를 만족함을 보이는 것만 남았다. $(x,y_1) \in g \circ f$이고 $(x,y_2) \in g \circ f$라 하자. 그러면 합성의 정의에 의해 다음을 만족하는 $z_1$과 $z_2$가 존재한다.

$$(x,z_1) \in f \quad \wedge \quad (z_1,y_1) \in g$$

그리고

$$(x,z_2) \in f \quad \wedge \quad (z_2,y_2) \in g.$$

$f : A \to B$가 함수이므로 $(x,z_1) \in f$이고 $(x,z_2) \in f$이면 $z_1 = z_2$이다. 따라서 $g : B \to C$가 함수이므로 $(z_1,y_1) \in g$이고 $(z_2,y_2) = (z_1,y_2) \in g$이면 $y_1 = y_2$이다. 그러므로 $g \circ f$는 (F2)를 만족한다.

English

Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be functions. Then $g \circ f : A \to C$ is a function.

Due to Theorem 4.8, it is sufficient to show that $g \circ f$ satisfies (F2), $dom\ g \circ f = A$, and $ran\ g \circ f \subset C$. First we prove $ran\ g \circ f \subset C$. By Theorem 3.64(4) and Theorem 4.8,

$$ran\ g \circ f \subset ran\ g \subset C.$$

Next we show $dom\ g \circ f = A$. By Theorem 4.8, $ran\ f \subset B = dom\ g$. Thus by Corollary 3.65 and Theorem 4.8,

$$dom\ g \circ f = dom\ f = A.$$

It only remains to show that $g \circ f$ satisfies (F2). Let $(x,y_1) \in g \circ f$ and $(x,y_2) \in g \circ f$. Then by the definition of the composition, there exist $z_1$ and $z_2$ such that

$$(x,z_1) \in f \quad \wedge \quad (z_1,y_1) \in g$$

and

$$(x,z_2) \in f \quad \wedge \quad (z_2,y_2) \in g.$$

Since $f : A \to B$ is a function, $(x,z_1) \in f$ and $(x,z_2) \in f$ implies $z_1 = z_2$. Thus since $g : B \to C$ is a function, $(z_1,y_1) \in g$ and $(z_2,y_2) = (z_1,y_2) \in g$ implies $y_1 = y_2$. Therefore $g \circ f$ satisfies (F2).

EX 4.28 합성에 대한 화살표 표기 Arrow Notation for the Composition
한국어

$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 함수라 하자. 다음을 증명하라.

$$x \overset{g \circ f}{\longmapsto} y \iff \exists z \ni x \overset{f}{\mapsto} z \text{ and } z \overset{g}{\mapsto} y.$$

정의 4.7(3)에 의해, 함수 $h$와 원소 $x, y$에 대하여 $x \overset{h}{\mapsto} y$인 것은 $(x,y) \in h$인 것과 동치이다. 이를 $h = g \circ f$에 적용하면,

$$x \overset{g \circ f}{\longmapsto} y \iff (x,y) \in g \circ f.$$

또한 정의 3.61(그래프의 합성)에 의해,

$$(x,y) \in g \circ f \iff \exists z \ni (x,z) \in f \text{ and } (z,y) \in g.$$

다시 정의 4.7(3)에 의해, $(x,z) \in f$인 것은 $x \overset{f}{\mapsto} z$인 것과 동치이고, $(z,y) \in g$인 것은 $z \overset{g}{\mapsto} y$인 것과 동치이다. 따라서

$$x \overset{g \circ f}{\longmapsto} y \iff \exists z \ni x \overset{f}{\mapsto} z \text{ and } z \overset{g}{\mapsto} y.$$
English

Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be functions. Prove that

$$x \overset{g \circ f}{\longmapsto} y \iff \exists z \ni x \overset{f}{\mapsto} z \text{ and } z \overset{g}{\mapsto} y.$$

By Definition 4.7(3), for a function $h$ and elements $x, y$, $x \overset{h}{\mapsto} y$ iff $(x,y) \in h$. Applying this with $h = g \circ f$,

$$x \overset{g \circ f}{\longmapsto} y \iff (x,y) \in g \circ f.$$

Moreover, by Definition 3.61 (the composition of graphs),

$$(x,y) \in g \circ f \iff \exists z \ni (x,z) \in f \text{ and } (z,y) \in g.$$

Again by Definition 4.7(3), $(x,z) \in f$ iff $x \overset{f}{\mapsto} z$, and $(z,y) \in g$ iff $z \overset{g}{\mapsto} y$. Therefore

$$x \overset{g \circ f}{\longmapsto} y \iff \exists z \ni x \overset{f}{\mapsto} z \text{ and } z \overset{g}{\mapsto} y.$$
EX 4.29 합성의 점별 공식 Pointwise Formula for the Composition
한국어

$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 함수라 하자. 다음을 증명하라.

$$g \circ f(x) = g(f(x)) \qquad \forall x \in A.$$

$x \in A$라 하자. 정리 4.27에 의해 $g \circ f : A \to C$는 함수이고, 정리 4.27의 증명에서 보인 대로 $dom\ g \circ f = A$이다. 따라서 $x \in dom\ g \circ f$이다.

$f : A \to B$가 함수이므로, (4.2)에 의해 $(x, f(x)) \in f$이다. 또한 $f(x) \in B = dom\ g$이고 $g : B \to C$가 함수이므로, 다시 (4.2)에 의해 $(f(x), g(f(x))) \in g$이다.

따라서 정의 3.61(그래프의 합성)에 의해, $z = f(x)$를 취하면

$$(x, g(f(x))) \in g \circ f.$$

$g \circ f$는 함수이므로, (4.2)에 의해

$$g \circ f(x) = g(f(x)).$$
English

Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be functions. Prove that

$$g \circ f(x) = g(f(x)) \qquad \forall x \in A.$$

Let $x \in A$. By Theorem 4.27, $g \circ f : A \to C$ is a function, and as shown in the proof of Theorem 4.27, $dom\ g \circ f = A$. Hence $x \in dom\ g \circ f$.

Since $f : A \to B$ is a function, by (4.2), $(x, f(x)) \in f$. Moreover $f(x) \in B = dom\ g$, and since $g : B \to C$ is a function, again by (4.2), $(f(x), g(f(x))) \in g$.

Thus by Definition 3.61 (the composition of graphs), taking $z = f(x)$,

$$(x, g(f(x))) \in g \circ f.$$

Since $g \circ f$ is a function, by (4.2),

$$g \circ f(x) = g(f(x)).$$
DEF 4.30 가역함수 Invertible function
한국어

함수 $f : A \to B$는 $f^{-1} : B \to A$가 함수일 때 “가역(invertible)”이라고 한다.

English

A function $f : A \to B$ is said to be “invertible” if $f^{-1} : B \to A$ is a function.

LEM 4.31 역함수의 값 읽어내기 Reading Off the Value of the Inverse
한국어

$f : A \to B$가 가역함수라 하자. 그러면

$$y = f(x) \iff x = f^{-1}(y).$$

(4.2)와 그래프 $f$의 역의 정의에 의해,

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

Let $f : A \to B$ be a invertible function. Then

$$y = f(x) \iff x = f^{-1}(y).$$

By (4.2) and the definition of the inverse of the graph $f$,

$$y = f(x) \iff (x,y) \in f \iff (y,x) \in f^{-1} \iff x = f^{-1}(y).$$
EX 4.32 가역성 없이 증명 또는 반증하기 Prove or Disprove Without Invertibility
한국어

$f : A \to B$가 함수라 하자. 다음을 증명하거나 반증하라.

$$y = f(x) \iff x = f^{-1}(y).$$

이 명제는 일반적인 함수 $f$에 대해서는 성립하지 않는다. $A = \{a_1, a_2\}$ ($a_1 \neq a_2$)이고 $B = \{b\}$라 하고, $f = \{(a_1,b),(a_2,b)\} : A \to B$ (즉 상수함수 $K_b$)라 하자. 그래프의 역의 정의에 의해 $f^{-1} = \{(b,a_1),(b,a_2)\}$이다. $a_1 \neq a_2$이면서 $(b,a_1) \in f^{-1}$이고 $(b,a_2) \in f^{-1}$이므로, $f^{-1}$은 (F2)를 만족하지 않아 함수가 아니다 (따라서 정의 4.30에 의해 $f$는 가역이 아니다). 표기 (4.3)의 의미에서는, $(b,a_1) \in f^{-1}$이므로 “$f^{-1}(b) = a_1$”이 성립하고, $(b,a_2) \in f^{-1}$이므로 “$f^{-1}(b) = a_2$”도 동시에 성립한다.

이제 이 $f$에 대해 위 동치가 성립한다고 가정해 보자. 단, 보조정리 4.31에서처럼 $f^{-1}(y)$는 $A$의 원소 하나를 가리키는 것으로 읽는다. $b = f(a_1)$이고 $b = f(a_2)$이므로, 순방향($\implies$)을 두 번 적용하면

$$a_1 = f^{-1}(b) \quad \text{and} \quad a_2 = f^{-1}(b)$$

를 얻고, 따라서 $a_1 = a_2$가 되어 $a_1 \neq a_2$에 모순이다. 모호한 표현 $f^{-1}(b)$의 두 가지 읽기를 하나씩 따져 보아도 같은 실패가 드러난다. $f^{-1}(b) = a_1$로 읽으면 $x = a_2$, $y = b$인 경우에 “$y = f(x)$”는 참이지만 “$x = f^{-1}(y)$”는 거짓이고, $f^{-1}(b) = a_2$로 읽으면 $x = a_1$, $y = b$인 경우에 그러하다. 따라서 $f^{-1}(b)$에 어떤 값을 지정하더라도 모든 $x$와 $y$에 대해 이 동치를 성립시킬 수는 없으며, “$y = f(x) \iff x = f^{-1}(y)$”는 일반적인 함수 $f$에 대해 성립하지 않는다.

다만 $f$가 가역인 경우, 즉 $f^{-1}$이 함수인 경우에는 이 동치관계가 실제로 성립한다 (보조정리 4.31).

English

Let $f : A \to B$ be a function. Prove or disprove that

$$y = f(x) \iff x = f^{-1}(y).$$

This statement does not hold for a general function $f$. Let $A = \{a_1, a_2\}$ with $a_1 \neq a_2$, let $B = \{b\}$, and let $f = \{(a_1,b),(a_2,b)\} : A \to B$ (i.e. the constant function $K_b$). By the definition of the inverse of a graph, $f^{-1} = \{(b,a_1),(b,a_2)\}$. Since $a_1 \neq a_2$ while $(b,a_1) \in f^{-1}$ and $(b,a_2) \in f^{-1}$, $f^{-1}$ fails to satisfy (F2) and hence is not a function (so by Definition 4.30, $f$ is not invertible). In the sense of Notation (4.3), since $(b,a_1) \in f^{-1}$, “$f^{-1}(b) = a_1$” holds, and since $(b,a_2) \in f^{-1}$, “$f^{-1}(b) = a_2$” also holds simultaneously.

Now suppose the stated equivalence held for this $f$, with $f^{-1}(y)$ read — as in Lemma 4.31 — as a single element of $A$. Since $b = f(a_1)$ and $b = f(a_2)$, applying the forward direction ($\implies$) twice would give

$$a_1 = f^{-1}(b) \quad \text{and} \quad a_2 = f^{-1}(b),$$

hence $a_1 = a_2$, contradicting $a_1 \neq a_2$. Examining the two readings of the ambiguous expression $f^{-1}(b)$ one at a time exhibits the same failure: under the reading $f^{-1}(b) = a_1$, the instance $x = a_2$, $y = b$ makes “$y = f(x)$” true and “$x = f^{-1}(y)$” false; under the reading $f^{-1}(b) = a_2$, the instance $x = a_1$, $y = b$ does. Thus no assignment of a value to $f^{-1}(b)$ makes the equivalence hold for all $x$ and $y$, and “$y = f(x) \iff x = f^{-1}(y)$” fails to hold for a general function $f$.

This equivalence does hold, however, when $f$ is invertible, i.e. when $f^{-1}$ is a function (Lemma 4.31).

LEM 4.33 전단사함수의 역은 함수이다 The Inverse of a Bijection is a Function
한국어

$f : A \to B$가 전단사함수라 하자. 그러면 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다.

정리 4.8에 의해, (1) $dom\ f^{-1} = B$, (2) $ran\ f^{-1} \subset A$, (3) $f^{-1}$이 (F2)를 만족함을 보이는 것으로 충분하다.

  1. $y \in dom\ f^{-1}$이라 하자. 그러면 정의역의 정의에 의해 $(y,x) \in f^{-1}$을 만족하는 $x$가 존재한다. 또한 그래프의 역의 정의에 의해 $(x,y) \in f$이다. $f : A \to B$가 함수이므로, 치역의 정의와 정리 4.8에 의해 $y \in ran\ f \subset B$이다. 역으로 $y \in B$라 하자. 그러면 $f : A \to B$가 전사이므로 $(x,y) \in f$를 만족하는 $x \in A$가 존재한다. 또한 그래프의 역의 정의에 의해 $(y,x) \in f^{-1}$이다. 따라서 정의역의 정의에 의해 $y \in dom\ f^{-1}$이다.
  2. $x \in ran\ f^{-1}$이라 하자. 그러면 치역의 정의에 의해 $(y,x) \in f^{-1}$을 만족하는 $y$가 존재한다. 역의 정의에 의해 $(x,y) \in f$이다. 따라서 정의역의 정의에 의해 $x \in dom\ f$이다. 또한 $f : A \to B$가 함수이므로, 정리 4.8에 의해 $x \in dom\ f = A$이다.
  3. $(x,y_1) \in f^{-1}$이고 $(x,y_2) \in f^{-1}$이라 가정하자. 그러면 $(y_1,x) \in f$이고 $(y_2,x) \in f$이다. $f : A \to B$가 단사이므로 $y_1 = y_2$이다. 따라서 $f^{-1}$에 대해 (F2)가 성립한다.
English

Let $f : A \to B$ be a bijective function. Then $f^{-1} : B \to A$ is a function.

Due to Theorem 4.8, it is sufficient to show that (1) $dom\ f^{-1} = B$, (2) $ran\ f^{-1} \subset A$, and (3) $f^{-1}$ satisfies (F2).

  1. Let $y \in dom\ f^{-1}$. Then by the definition of the domain, there exists a $x$ such that $(y,x) \in f^{-1}$. Moreover, by the definition of the inverse of graph, $(x,y) \in f$. Since $f : A \to B$ is a function, $y \in ran\ f \subset B$ by the definition of the range and Theorem 4.8. Conversely, let $y \in B$. Then since $f : A \to B$ is surjective, there exists a $x \in A$ such that $(x,y) \in f$. Moreover, by the definition of the inverse of graph, $(y,x) \in f^{-1}$. Therefore, by the definition of the domain, $y \in dom\ f^{-1}$.
  2. Let $x \in ran\ f^{-1}$. Then by the definition of the range, there exists a $y$ such that $(y,x) \in f^{-1}$. By the definition of the inverse, $(x,y) \in f$. Thus $x \in dom\ f$ by the definition of the domain. Moreover, since $f : A \to B$ is a function, $x \in dom\ f = A$ by Theorem 4.8.
  3. Assume that $(x,y_1) \in f^{-1}$ and $(x,y_2) \in f^{-1}$. Then $(y_1,x) \in f$ and $(y_2,x) \in f$. Since $f : A \to B$ is injective, $y_1 = y_2$. Therefore (F2) holds for $f^{-1}$.
THM 4.34 전단사함수의 역은 전단사이다 The Inverse of a Bijection is Bijective
한국어

$f : A \to B$가 전단사함수라 하자. 그러면 $f^{-1} : B \to A$는 전단사함수이다.

보조정리 4.33에 의해 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다. 따라서 함수 $f^{-1} : B \to A$가 전단사임을 보이는 것으로 충분하다. $x \in A$라 하자. 그러면 $f : A \to B$가 함수이므로 $(x,y) \in f$를 만족하는 $y \in B$가 존재한다. 따라서 $(y,x) \in f^{-1}$이고, 이는 $f^{-1}(y) = x$임을 뜻한다. 그러므로 함수 $f^{-1} : B \to A$는 전사이다. 함수 $f^{-1} : B \to A$가 단사임을 증명하기 위해, $(x_1,y) \in f^{-1}$이고 $(x_2,y) \in f^{-1}$이라 하자. 그러면 역의 정의에 의해 $(y,x_1) \in f$이고 $(y,x_2) \in f$이다. $f : A \to B$가 함수이므로 (F2)에 의해 $x_1 = x_2$이다.

English

Let $f : A \to B$ be a bijective function. Then $f^{-1} : B \to A$ is a bijective function.

Due to Lemma 4.33, $f^{-1} : B \to A$ is a function. Thus it is sufficient to show that the function $f^{-1} : B \to A$ is bijective. Let $x \in A$. Then since $f : A \to B$ is a function, there exists a $y \in B$ such that $(x,y) \in f$. Thus $(y,x) \in f^{-1}$ and it implies that $f^{-1}(y) = x$. Therefore, the function $f^{-1} : B \to A$ is surjective. To prove that the function $f^{-1} : B \to A$ is injective, let $(x_1,y) \in f^{-1}$ and $(x_2,y) \in f^{-1}$. Then $(y,x_1) \in f$ and $(y,x_2) \in f$ by the definition of the inverse. Since $f : A \to B$ is a function, $x_1 = x_2$ by (F2).

THM 4.35 가역이면 전단사이다 Invertible Implies Bijective
한국어

$f : A \to B$가 가역함수라 하자. 그러면 $f : A \to B$는 전단사이다.

$f : A \to B$가 가역이므로 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다. 따라서 정리 4.8에 의해 $dom\ f^{-1} = B$이다. 정리 3.64(2)에 의해 $dom\ f^{-1} = B$이면 $ran\ f = dom\ f^{-1} = B$이다. 따라서 $f : A \to B$는 전사이다. $f : A \to B$가 단사임을 증명하기 위해, $(x_1,y) \in f$이고 $(x_2,y) \in f$라 가정하자. 그러면 $(y,x_1) \in f^{-1}$이고 $(y,x_2) \in f^{-1}$이다. $f^{-1} : B \to A$가 함수이므로 (F2)에 의해 $x_1 = x_2$이다.

English

Let $f : A \to B$ is a invertible function. Then $f : A \to B$ is bijective.

Since $f : A \to B$ is invertible, $f^{-1} : B \to A$ is a function. Thus by Theorem 4.8, $dom\ f^{-1} = B$. By Theorem 3.64(2), $dom\ f^{-1} = B$ implies $ran\ f = dom\ f^{-1} = B$. Thus $f : A \to B$ is surjective. To prove that $f : A \to B$ is injective, assume that $(x_1,y) \in f$ and $(x_2,y) \in f$. Then $(y,x_1) \in f^{-1}$ and $(y,x_2) \in f^{-1}$. Since $f^{-1} : B \to A$ is a function, we have $x_1 = x_2$ by (F2).

COR 4.36 가역과 전단사의 동치 Invertible if and only if Bijective
한국어

$f : A \to B$가 함수라 하자. 그러면 $f : A \to B$가 가역인 것과 $f$가 전단사인 것은 동치이다. 또한 $f : A \to B$가 가역이면 $f^{-1} : B \to A$는 전단사함수이다.

English

Let $f : A \to B$ be a function. Then $f : A \to B$ is invertible if and only if $f$ is bijective. Moreover, if $f : A \to B$ is invertible, then $f^{-1} : B \to A$ is a bijective function.

THM 4.37 역함수와의 합성은 항등함수 Inverse Compositions are Identities
한국어

$f : A \to B$가 가역함수라 하자. 그러면

  1. $f^{-1} \circ f = I_A$이다
  2. $f \circ f^{-1} = I_B$이다.
  1. $(x,y) \in f^{-1} \circ f$라 하자. 그러면 $(x,z) \in f$이고 $(z,y) \in f^{-1}$을 만족하는 $z$가 존재한다. 또한 그래프의 역의 정의에 의해 $(y,z) \in f$이다. 따라서 $(x,z) \in f$이고 $(y,z) \in f$이다. 따름정리 4.36에 의해 $f$가 단사이므로,
    $$x = y.$$

    임을 얻는다. $f : A \to B$가 함수이므로 $x \in dom\ f = A$이다. 따라서 $I_A$의 정의에 의해 $(x,y) = (x,x) \in I_A$이다. 역으로 $(x,y) \in I_A$라 하자. 그러면 $I_A$의 정의에 의해 $x = y$이고 $x \in A$이다. $(x,x) \in f^{-1} \circ f$임을 보이는 것으로 충분하다. $f : A \to B$가 함수이므로 $f(x) = z$, 즉 $(x,z) \in f$를 만족하는 $z$가 존재한다. 보조정리 4.31에 의해 $x = f^{-1}(z)$이다. 따라서 $(z,x) \in f^{-1}$이다. 그러므로 그래프의 합성의 정의에 의해 $(x,x) \in f^{-1} \circ f$이다.

  2. (2)의 증명은 (1)과 매우 유사하므로 자세한 내용은 생략한다.
English

Let $f : A \to B$ be an invertible function. Then

  1. $f^{-1} \circ f = I_A$
  2. $f \circ f^{-1} = I_B$.
  1. Let $(x,y) \in f^{-1} \circ f$. Then there exists a $z$ such that $(x,z) \in f$ and $(z,y) \in f^{-1}$. Moreover, by the definition of the inverse of graph, $(y,z) \in f$. Thus we have $(x,z) \in f$ and $(y,z) \in f$. Since $f$ is injective due to Corollary 4.36, we obtain
    $$x = y.$$

    Since $f : A \to B$ is a function, $x \in dom\ f = A$. Therefore, by the definition of $I_A$, $(x,y) = (x,x) \in I_A$. Conversely, let $(x,y) \in I_A$. Then by the definition of $I_A$, $x = y$ and $x \in A$. It is sufficient to show that $(x,x) \in f^{-1} \circ f$. Since $f : A \to B$ is a function, there exists a $z$ such that $f(x) = z$, i.e. $(x,z) \in f$. By Lemma 4.31, $x = f^{-1}(z)$. Thus $(z,x) \in f^{-1}$. Therefore, by the definition of the composition of graphs, $(x,x) \in f^{-1} \circ f$.

  2. Since the proof of (2) is very similar to (1), we skip the detail.
EX 4.38 정리 4.13을 이용한 정리 4.37 Theorem 4.37 via Theorem 4.13
한국어

정리 4.13을 이용하여 정리 4.37을 증명하라.

$f : A \to B$가 가역함수라 하므로, 정의 4.30에 의해 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다.

  1. $f^{-1} \circ f = I_A$임을 보인다. $f : A \to B$와 $f^{-1} : B \to A$가 모두 함수이므로, 정리 4.27에 의해 $f^{-1} \circ f : A \to A$는 함수이다. 또한 $I_A : A \to A$도 함수이다. 따라서 정리 4.13에 의해, 다음을 보이는 것으로 충분하다.
    $$f^{-1} \circ f(x) = I_A(x) \qquad \forall x \in A.$$

    $x \in A$라 하자. 연습문제 4.29에 의해

    $$f^{-1} \circ f(x) = f^{-1}(f(x)).$$

    또한 보조정리 4.31에 의해 $y = f(x)$이면 $x = f^{-1}(y)$이므로, $y = f(x)$를 대입하면

    $$f^{-1}(f(x)) = x.$$

    한편 예제 4.17에 의해 $I_A(x) = x$이다. 따라서

    $$f^{-1} \circ f(x) = x = I_A(x) \qquad \forall x \in A$$

    를 얻고, 정리 4.13에 의해 $f^{-1} \circ f = I_A$이다.

  2. $f \circ f^{-1} = I_B$임의 증명은 (1)과 매우 유사하다. $f^{-1} : B \to A$와 $f : A \to B$가 모두 함수이므로, 정리 4.27에 의해 $f \circ f^{-1} : B \to B$는 함수이고, $I_B : B \to B$도 함수이다. 정리 4.13에 의해
    $$f \circ f^{-1}(y) = I_B(y) \qquad \forall y \in B$$

    를 보이는 것으로 충분하다. $y \in B$라 하자. $f^{-1} : B \to A$가 함수이므로 $x := f^{-1}(y) \in A$가 존재한다. 연습문제 4.29에 의해

    $$f \circ f^{-1}(y) = f(f^{-1}(y)) = f(x).$$

    또한 보조정리 4.31에 의해 $x = f^{-1}(y)$이면 $y = f(x)$이므로, $f(x) = y$이다. 예제 4.17에 의해 $I_B(y) = y$이므로,

    $$f \circ f^{-1}(y) = f(x) = y = I_B(y) \qquad \forall y \in B$$

    를 얻고, 정리 4.13에 의해 $f \circ f^{-1} = I_B$이다.

English

Prove Theorem 4.37 by using Theorem 4.13.

Since $f : A \to B$ is an invertible function, by Definition 4.30, $f^{-1} : B \to A$ is a function.

  1. We show $f^{-1} \circ f = I_A$. Since $f : A \to B$ and $f^{-1} : B \to A$ are both functions, by Theorem 4.27, $f^{-1} \circ f : A \to A$ is a function. Moreover $I_A : A \to A$ is also a function. Thus by Theorem 4.13, it is sufficient to show that
    $$f^{-1} \circ f(x) = I_A(x) \qquad \forall x \in A.$$

    Let $x \in A$. By Exercise 4.29,

    $$f^{-1} \circ f(x) = f^{-1}(f(x)).$$

    Moreover, by Lemma 4.31, $y = f(x)$ implies $x = f^{-1}(y)$, so substituting $y = f(x)$,

    $$f^{-1}(f(x)) = x.$$

    On the other hand, by Example 4.17, $I_A(x) = x$. Hence

    $$f^{-1} \circ f(x) = x = I_A(x) \qquad \forall x \in A,$$

    and by Theorem 4.13, $f^{-1} \circ f = I_A$.

  2. The proof of $f \circ f^{-1} = I_B$ is very similar to (1). Since $f^{-1} : B \to A$ and $f : A \to B$ are both functions, by Theorem 4.27, $f \circ f^{-1} : B \to B$ is a function, and $I_B : B \to B$ is also a function. By Theorem 4.13, it is sufficient to show that
    $$f \circ f^{-1}(y) = I_B(y) \qquad \forall y \in B.$$

    Let $y \in B$. Since $f^{-1} : B \to A$ is a function, there exists $x := f^{-1}(y) \in A$. By Exercise 4.29,

    $$f \circ f^{-1}(y) = f(f^{-1}(y)) = f(x).$$

    Moreover, by Lemma 4.31, $x = f^{-1}(y)$ implies $y = f(x)$, so $f(x) = y$. Since $I_B(y) = y$ by Example 4.17,

    $$f \circ f^{-1}(y) = f(x) = y = I_B(y) \qquad \forall y \in B,$$

    and by Theorem 4.13, $f \circ f^{-1} = I_B$.

THM 4.39 양쪽 역이 있으면 전단사이다 Two-Sided Inverses Force Bijectivity
한국어

$f : A \to B$와 $g : B \to A$가 함수라 하자. $g \circ f = I_A$이고 $f \circ g = I_B$라 가정하자. 그러면 $f : A \to B$는 전단사이다.

먼저 $f$가 단사임을 증명한다. $(x_1,y) \in f$이고 $(x_2,y) \in f$라 하자. 그러면 $y \in ran\ f \subset B$이다. $g : B \to A$가 함수이므로, 다음을 만족하는 $g(y) \in A$가 존재한다.

$$(y,g(y)) \in g.$$

합성 $g \circ f$의 정의에 의해,

$$(x_1,g(y)) \in g \circ f \quad \text{and} \quad (x_2,g(y)) \in g \circ f.$$

따라서 $g \circ f = I_A$라는 가정에 의해 다음을 얻는다.

$$(x_1,g(y)) \in I_A \quad \text{and} \quad (x_2,g(y)) \in I_A.$$

또한 $I_A$의 정의에 의해,

$$(x_1,g(y)) = (x_3,x_3) \quad \text{and} \quad (x_2,g(y)) = (x_4,x_4)$$

를 만족하는 $x_3, x_4 \in A$가 존재한다. 따라서 정리 3.54를 적용하면 다음을 얻는다.

$$x_1 = x_3 = g(y) = x_4 = x_2.$$

다음으로 $f : A \to B$가 전사임을 증명한다. $y \in B$라 하자. 그러면 $I_B$의 정의에 의해 $(y,y) \in I_B$이다. 또한 $f \circ g = I_B$라는 가정에 의해 $(y,y) \in f \circ g$이다. 따라서 그래프의 합성의 정의에 의해 $(y,z) \in g$이고 $(z,y) \in f$를 만족하는 $z$가 존재한다. 그러므로 $y = f(z)$이다.

English

Let $f : A \to B$ and $g : B \to A$ be functions. Assume that $g \circ f = I_A$ and $f \circ g = I_B$. Then $f : A \to B$ is bijective.

First we prove that $f$ is injective. Let $(x_1,y) \in f$ and $(x_2,y) \in f$. Then $y \in ran\ f \subset B$. Since $g : B \to A$ is a function, there exists $g(y) \in A$ such that

$$(y,g(y)) \in g.$$

By the definition of the composition $g \circ f$,

$$(x_1,g(y)) \in g \circ f \quad \text{and} \quad (x_2,g(y)) \in g \circ f.$$

Thus by the assumption that $g \circ f = I_A$, we have

$$(x_1,g(y)) \in I_A \quad \text{and} \quad (x_2,g(y)) \in I_A.$$

Moreover, by the definition of $I_A$,

$$(x_1,g(y)) = (x_3,x_3) \quad \text{and} \quad (x_2,g(y)) = (x_4,x_4)$$

for some $x_3, x_4 \in A$. Thus applying Theorem 3.54, we obtain

$$x_1 = x_3 = g(y) = x_4 = x_2.$$

Next we prove that $f : A \to B$ is surjective. Let $y \in B$. Then by the definition of $I_B$, $(y,y) \in I_B$. Moreover by the assumption that $f \circ g = I_B$, we have $(y,y) \in f \circ g$. Thus by the definition of the composition of graphs, there exists a $z$ such that $(y,z) \in g$ and $(z,y) \in f$. Therefore, $y = f(z)$.

EX 4.40 왼쪽 역이 있으면 단사이다 A Left Inverse Forces Injectivity
한국어

$f : A \to B$와 $g : B \to A$가 함수라 하자. $g \circ f = I_A$라 가정하자. 그러면 $f$는 단사이다.

$x_1, x_2 \in A$이고 $f(x_1) = f(x_2)$라 가정하자. $g : B \to A$가 함수이므로, 양변에 $g$를 적용하면

$$g(f(x_1)) = g(f(x_2)).$$

연습문제 4.29에 의해 $g(f(x_1)) = g \circ f(x_1)$이고 $g(f(x_2)) = g \circ f(x_2)$이다. 따라서

$$g \circ f(x_1) = g \circ f(x_2).$$

가정 $g \circ f = I_A$에 의해

$$I_A(x_1) = I_A(x_2).$$

예제 4.17에 의해 $I_A(x_1) = x_1$이고 $I_A(x_2) = x_2$이므로,

$$x_1 = x_2.$$

그러므로 주의 4.15(2)의 (INJ) 기준, 즉 $f(x_1) = f(x_2)$이면 $x_1 = x_2$라는 것에 의해 $f$는 단사이다.

English

Let $f : A \to B$ and $g : B \to A$ be functions. Assume that $g \circ f = I_A$. Then $f$ is injective.

Let $x_1, x_2 \in A$ and assume that $f(x_1) = f(x_2)$. Since $g : B \to A$ is a function, applying $g$ to both sides gives

$$g(f(x_1)) = g(f(x_2)).$$

By Exercise 4.29, $g(f(x_1)) = g \circ f(x_1)$ and $g(f(x_2)) = g \circ f(x_2)$. Hence

$$g \circ f(x_1) = g \circ f(x_2).$$

By the assumption $g \circ f = I_A$,

$$I_A(x_1) = I_A(x_2).$$

By Example 4.17, $I_A(x_1) = x_1$ and $I_A(x_2) = x_2$, so

$$x_1 = x_2.$$

Therefore, by the (INJ) criterion of Remark 4.15(2), namely that $f(x_1) = f(x_2)$ implies $x_1 = x_2$, $f$ is injective.

EX 4.41 오른쪽 역이 있으면 전사이다 A Right Inverse Forces Surjectivity
한국어

$f : A \to B$와 $g : B \to A$가 함수라 하자. $f \circ g = I_B$라 가정하자. 그러면 $f$는 전사이다.

$y \in B$라 하자. 예제 4.17에 의해 $I_B(y) = y$이고, 가정 $f \circ g = I_B$에 의해

$$y = I_B(y) = f \circ g(y).$$

또한 연습문제 4.29에 의해

$$f \circ g(y) = f(g(y)).$$

따라서

$$y = f(g(y)).$$

$g : B \to A$가 함수이므로 $g(y) \in A$이다. 그러므로 $y \in B$는 $A$의 원소 $g(y)$의 상이다. $y \in B$가 임의였으므로, (SURJ)가 성립한다. 즉 $f$는 전사이다.

English

Let $f : A \to B$ and $g : B \to A$ be functions. Assume that $f \circ g = I_B$. Then $f$ is surjective.

Let $y \in B$. By Example 4.17, $I_B(y) = y$, and by the assumption $f \circ g = I_B$,

$$y = I_B(y) = f \circ g(y).$$

Moreover, by Exercise 4.29,

$$f \circ g(y) = f(g(y)).$$

Hence

$$y = f(g(y)).$$

Since $g : B \to A$ is a function, $g(y) \in A$. Therefore $y \in B$ is the image of the element $g(y) \in A$. Since $y \in B$ was arbitrary, (SURJ) holds, i.e. $f$ is surjective.

COR 4.42 양쪽 역은 역함수이다 A Two-Sided Inverse is the Inverse Function
한국어

$f : A \to B$와 $g : B \to A$가 함수라 하자. $g \circ f = I_A$이고 $f \circ g = I_B$이면, $f$는 가역이고 $f^{-1} = g$이다.

정리 4.39와 따름정리 4.36에 의해, $f^{-1} = g$임을 보이는 것만 남았다. 또한 정리 4.13에 의해 다음을 보이는 것으로 충분하다.

$$f^{-1}(y) = g(y) \qquad \forall y \in B.$$

$y \in B$라 하고, 따름정리 4.36에 의해 $f^{-1} : B \to A$가 (전단사) 함수임을 상기하자. 그러면 $f^{-1} : B \to A$와 $g : B \to A$가 모두 함수이므로, $x_1 = f^{-1}(y)$이고 $x_2 = g(y)$를 만족하는 $x_1 \in A$와 $x_2 \in A$가 존재한다. 보조정리 4.31에 의해 $y = f(x_1)$이다. 연습문제 4.29와, 정리 4.13을 함께 사용한 $g \circ f = I_A$라는 가정, 그리고 $A$ 위의 항등함수의 정의에 의해,

$$g(y) = g \circ f(x_1) = I_A(x_1) = x_1.$$

따라서 $x_2 = g(y)$이고 $g : B \to A$가 함수이므로 $x_1 = x_2$이고, 즉 $f^{-1}(y) = g(y)$이다.

English

Let $f : A \to B$ and $g : B \to A$ be functions. If $g \circ f = I_A$ and $f \circ g = I_B$, then $f$ is invertible and $f^{-1} = g$.

Due to Theorem 4.39 and Corollary 4.36, it only remains to show that $f^{-1} = g$. Moreover, by Theorem 4.13, it is sufficient to show that

$$f^{-1}(y) = g(y) \qquad \forall y \in B.$$

Let $y \in B$ and recall that $f^{-1} : B \to A$ is a (bijective) function by Corollary 4.36. Then since both $f^{-1} : B \to A$ and $g : B \to A$ are functions, there exists $x_1 \in A$ and $x_2 \in A$ such that $x_1 = f^{-1}(y)$ and $x_2 = g(y)$. Due to Lemma 4.31, $y = f(x_1)$. By Exercise 4.29, the assumption that $g \circ f = I_A$ with Theorem 4.13, and the definition of the identity function on $A$,

$$g(y) = g \circ f(x_1) = I_A(x_1) = x_1.$$

Therefore, since $x_2 = g(y)$ and $g : B \to A$ is a function. $x_1 = x_2$, i.e. $f^{-1}(y) = g(y)$.

COR 4.43 가역성의 특징화 Characterization of Invertibility
한국어

$f : A \to B$가 함수라 하자. 그러면 $f : A \to B$가 가역인 것은, $g \circ f = I_A$이고 $f \circ g = I_B$를 만족하는 함수 $g : B \to A$가 존재하는 것과 동치이다. 또한 이때 $g = f^{-1}$이다.

English

Let $f : A \to B$ be a function. Then $f : A \to B$ is invertible if and only if there exists a function $g : B \to A$ such that $g \circ f = I_A$ and $f \circ g = I_B$. Moreover, $g = f^{-1}$.

EX 4.44 따름정리 4.43 증명하기 Prove Corollary 4.43
한국어

따름정리 4.43을 증명하라.

(⟹) $f : A \to B$가 가역이라 하자. $g = f^{-1}$이라 하면, 정의 4.30에 의해 $f^{-1} : B \to A$는 함수이므로 $g : B \to A$는 함수이다. 또한 정리 4.37에 의해

$$g \circ f = f^{-1} \circ f = I_A \quad \text{and} \quad f \circ g = f \circ f^{-1} = I_B$$

이다. 따라서 이러한 함수 $g : B \to A$가 존재하며, 이때 $g = f^{-1}$이다.

(⟸) $g \circ f = I_A$이고 $f \circ g = I_B$를 만족하는 함수 $g : B \to A$가 존재한다고 하자. 그러면 따름정리 4.42에 의해 $f$는 가역이고 $f^{-1} = g$이다.

이상으로 $f : A \to B$가 가역인 것과 그러한 $g$가 존재하는 것이 동치임을 보였고, 두 경우 모두 $g = f^{-1}$임을 확인했다.

English

Prove Corollary 4.43.

(⟹) Suppose $f : A \to B$ is invertible. Let $g = f^{-1}$. By Definition 4.30, $f^{-1} : B \to A$ is a function, so $g : B \to A$ is a function. By Theorem 4.37,

$$g \circ f = f^{-1} \circ f = I_A \quad \text{and} \quad f \circ g = f \circ f^{-1} = I_B.$$

Hence such a function $g : B \to A$ exists, and $g = f^{-1}$.

(⟸) Suppose there exists a function $g : B \to A$ such that $g \circ f = I_A$ and $f \circ g = I_B$. Then by Corollary 4.42, $f$ is invertible and $f^{-1} = g$.

This shows that $f : A \to B$ is invertible if and only if such a $g$ exists, and in either case $g = f^{-1}$.

EX 4.45 역함수 자체도 가역이다 The Inverse Function is Itself Invertible
한국어

$f : A \to B$가 가역함수라 하자. 그러면 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다. $f^{-1} : B \to A$가 가역임을 증명하라.

$f : A \to B$가 가역이므로, 정의 4.30에 의해 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다. $f^{-1} : B \to A$가 가역임을 보이려면, 정의 4.30을 $f^{-1}$에 적용하여 $(f^{-1})^{-1} : A \to B$가 함수임을 보이는 것으로 충분하다.

정리 3.62(2)에 의해, 임의의 그래프 $G$에 대하여 $(G^{-1})^{-1} = G$이다. $G = f$를 대입하면

$$(f^{-1})^{-1} = f.$$

$f : A \to B$는 (가역이므로 특히) 함수이다. 따라서 $(f^{-1})^{-1} = f : A \to B$는 함수이다.

그러므로 정의 4.30을 $f^{-1} : B \to A$에 적용하면, $f^{-1} : B \to A$는 가역이다.

English

Let $f : A \to B$ be an invertible function. Then $f^{-1} : B \to A$ is a function. Prove that $f^{-1} : B \to A$ is invertible.

Since $f : A \to B$ is invertible, by Definition 4.30, $f^{-1} : B \to A$ is a function. To show that $f^{-1} : B \to A$ is invertible, it is sufficient, applying Definition 4.30 to $f^{-1}$, to show that $(f^{-1})^{-1} : A \to B$ is a function.

By Theorem 3.62(2), $(G^{-1})^{-1} = G$ for any graph $G$. Taking $G = f$,

$$(f^{-1})^{-1} = f.$$

Since $f : A \to B$ is (in particular, being invertible) a function, $(f^{-1})^{-1} = f : A \to B$ is a function.

Therefore, applying Definition 4.30 to $f^{-1} : B \to A$, $f^{-1} : B \to A$ is invertible.

DEF 4.46 왼쪽 역함수와 오른쪽 역함수 Left inverse and right inverse
한국어

$f : A \to B$가 함수라 하자.

  1. $g \circ f = I_A$이면, 함수 $g : B \to A$를 $f : A \to B$의 왼쪽 역함수라고 한다.
  2. $f \circ g = I_B$이면, 함수 $g : B \to A$를 $f : A \to B$의 오른쪽 역함수라고 한다.
English

Let $f : A \to B$ be a function.

  1. We call a function $g : B \to A$ a left inverse of $f : A \to B$ if $g \circ f = I_A$.
  2. We call a function $g : B \to A$ a right inverse of $f : A \to B$ if $f \circ g = I_B$.
THM 4.47 단사성과 왼쪽 역함수 Injectivity and Left Inverses
한국어

$f : A \to B$가 함수이고 $A \neq \emptyset$이라 가정하자. 그러면 $f : A \to B$가 단사인 것은 $f : A \to B$의 왼쪽 역함수가 존재하는 것, 즉 $g \circ f = I_A$를 만족하는 함수 $g : B \to A$가 존재하는 것과 동치이다.

(⇐)는 연습문제 4.40에서 나오므로, (⇒)만 증명한다. $f : A \to B$가 단사라고 가정하고 $C = ran\ f$라 하자. 그러면 따름정리 4.9에 의해 $f : A \to C$는 함수이다. 가정에 의해 이는 단사이고, 또한 $C = ran\ f$이므로 전사이기도 하다. 따라서 $f : A \to C$는 전단사이고, 따름정리 4.36에 의해 $f^{-1} : C \to A$는 전단사함수이다. 또한 따름정리 4.43과 연습문제 4.29에 의해,

$$f^{-1}(f(x)) = I_A(x) \qquad \forall x \in A. \tag{4.8}$$

$A$가 공집합이 아닌 모임이므로 $a \in A$가 존재한다. 상수함수 $K_a : B - C \to A$를 생각하자 (예제 4.18 참조). 특히 $K_a$는 $K_a = \{(x,a) : x \in B - C\}$로 주어지는 그래프임을 상기하자. 그래프 $g = f^{-1} \cup K_a$라 정의하자. 그러면 정리 4.26(1)에 의해 $g : B \to A$는 함수이다. $g$가 $f : A \to B$의 왼쪽 역함수임을 주장한다. 이를 증명하려면, 정리 4.13에 의해

$$g \circ f(x) = I_A(x) \qquad \forall x \in A$$

임을 보이는 것으로 충분하다. $x \in A$라 하자. 그러면 $f(x) \in ran\ f$이므로, 연습문제 4.29와 보조정리 4.24(4)를 함께 사용한 $g : B \to A$의 정의, 그리고 (4.8)에 의해,

$$g \circ f(x) = g(f(x)) = f^{-1}(f(x)) = I_A(x).$$
English

Let $f : A \to B$ be a function and assume that $A \neq \emptyset$. Then $f : A \to B$ is injective if and only if there exists a left inverse of $f : A \to B$, i.e. there exists a function $g : B \to A$ such that $g \circ f = I_A$.

Since the if part comes from Exercise 4.40, we only prove the only if part. Assume that $f : A \to B$ is injective and let $C = ran\ f$. Then by Corollary 4.9, $f : A \to C$ is a function. It is injective by the assumption and moreover it is surjective since $C = ran\ f$. Thus $f : A \to C$ is bijective and $f^{-1} : C \to A$ is a bijective function by Corollary 4.36. Moreover, by Corollary 4.43 and Exercise 4.29,

$$f^{-1}(f(x)) = I_A(x) \qquad \forall x \in A. \tag{4.8}$$

Since $A$ is a nonempty class, there exists a $a \in A$. Consider the constant function $K_a : B - C \to A$ (cf. Example 4.18). In particular, recall that $K_a$ is the graph given by $K_a = \{(x,a) : x \in B - C\}$. Define the graph $g = f^{-1} \cup K_a$. Then by Theorem 4.26(1), $g : B \to A$ is a function. We claim that $g$ is a left inverse of $f : A \to B$. To prove this, it is sufficient to show that

$$g \circ f(x) = I_A(x) \qquad \forall x \in A$$

due to Theorem 4.13. Let $x \in A$. Then $f(x) \in ran\ f$ and therefore by Exercise 4.29, the definition of $g : B \to A$ with Lemma 4.24(4), and (4.8),

$$g \circ f(x) = g(f(x)) = f^{-1}(f(x)) = I_A(x).$$
REM 4.48 전사성과 오른쪽 역함수 Surjectivity and Right Inverses
한국어

연습문제 4.41에 의해, $f : A \to B$의 오른쪽 역함수가 존재하면 $f : A \to B$는 전사이다. 그 역, 즉 $f : A \to B$가 전사이면 $f : A \to B$의 오른쪽 역함수가 존재한다는 것 또한 참이다. 그러나 이 역을 증명하려면 추가적인 공리가 필요하다. 따라서 이는 나중에 증명하기로 한다.

English

Due to Exercise 4.41, $f : A \to B$ is surjective if there exists a right inverse of $f : A \to B$. The converse that there exists a right inverse of $f : A \to B$ if $f : A \to B$ is surjective is true as well. However, to prove this converse, we need an extra axiom. Therefore we will prove it later.

THM 4.49 합성의 단사성·전사성 보존 Composition Preserves Injectivity and Surjectivity
한국어

$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 함수라 하자. 그러면

  1. $f$와 $g$가 단사이면 $g \circ f$는 단사이다
  2. $f$와 $g$가 전사이면 $g \circ f$는 전사이다
  3. $f$와 $g$가 전단사이면 $g \circ f$는 전단사이다.

먼저 정리 4.27에 의해 $g \circ f : A \to C$가 함수임을 상기하자.

  1. $(x_1,y) \in g \circ f$이고 $(x_2,y) \in g \circ f$라 하자. 그러면 그래프의 합성의 정의에 의해 다음을 만족하는 $z_1$과 $z_2$가 존재한다.
    $$(x_1,z_1) \in f \quad \wedge \quad (z_1,y) \in g$$

    그리고

    $$(x_2,z_2) \in f \quad \wedge \quad (z_2,y) \in g$$

    $g$가 단사이므로 $z_1 = z_2$를 얻는다. 따라서 $(x_1,z_1) \in f$이고 $(x_2,z_2) = (x_2,z_1) \in f$이다. 마지막으로 $f$가 단사이므로 $x_1 = x_2$를 얻는다.

  2. $z \in C$라 하자. 그러면 $g$가 전사이므로 $(y,z) \in g$를 만족하는 $y \in B$가 존재한다. 또한 $f$가 전사이므로 $(x,y) \in f$를 만족하는 $x \in A$가 존재한다. 마지막으로 그래프의 합성의 정의에 의해,
    $$(x,z) \in g \circ f.$$

    그러므로 $g \circ f$는 ($C$로의) 전사이다.

  3. 이는 (1)과 (2)로부터 바로 따라온다.
English

Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be functions. Then

  1. If $f$ and $g$ are injective, then $g \circ f$ is injective
  2. If $f$ and $g$ are surjective, then $g \circ f$ is surjective
  3. If $f$ and $g$ are bijective, then $g \circ f$ is bijective.

First recall that $g \circ f : A \to C$ is a function due to Theorem 4.27.

  1. Let $(x_1,y) \in g \circ f$ and $(x_2,y) \in g \circ f$. Then by the definition of the composition of graphs, there exist $z_1$ and $z_2$ such that
    $$(x_1,z_1) \in f \quad \wedge \quad (z_1,y) \in g$$

    and

    $$(x_2,z_2) \in f \quad \wedge \quad (z_2,y) \in g$$

    Since $g$ is injective, we obtain $z_1 = z_2$. Thus we have $(x_1,z_1) \in f$ and $(x_2,z_2) = (x_2,z_1) \in f$. Finally, since $f$ is injective, we have $x_1 = x_2$.

  2. Let $z \in C$. Then since $g$ is surjective, there exists a $y \in B$ such that $(y,z) \in g$. Moreover, since $f$ is surjective, there exists a $x \in A$ such that $(x,y) \in f$. Finally, by the definition of the composition of graphs,
    $$(x,z) \in g \circ f.$$

    Therefore, $g \circ f$ is surjective (to $C$).

  3. This follows immediately from (1) and (2).
COR 4.50 가역함수의 합성 Composition of Invertible Functions
한국어

$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 가역함수라 하자. 그러면 $g \circ f : A \to C$는 가역함수이다.

English

Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be invertible functions. Then $g \circ f : A \to C$ is a invertible function.