数学分析:函数

创建时间 2020-03-20
更新时间 2020-03-24

定义

设 X,Y 是集合,并设 P(x,y) 一个涉及对象 x \in X 以及对象 y \in Y 的性质;

使得对每个 x \in X,恰有一个 y \in Y 使 P(x, y) 成立;

那么我们定义在 定义域 X 和 值域 Y 上确定的函数 f:X \rightarrow Y;

函数 f 是这样的对象,它对于给定的任意的输入 x \in X,指定一个输出 f(x) \in Y,它是唯一的使 P(x,f(x)) 成立的对象;

于是对于任何 x \in X 和 y \in Y:

y = f(x) \Leftrightarrow P(x, y) 成立

根据上下文,函数也叫作 映射 或 变换。

相等函数

具有相同的定义域和相同的值域的两个函数 f:X \rightarrow Y,g:X \rightarrow Y,叫作是相等的,记为 f=g,当且仅当对千一切 x \in X,总有 f(x) = g(x)

复合函数

设 f:X \rightarrow Y 和 g:Y \rightarrow Z 是两个函数,使得 f 的值域与 g 的定义域是同一个集合,那么可以定义两个函数 g 与 f 的 复合 由公式

(g \circ f)(x) := g(f(x))

复合结合律

设 f:W \rightarrow Y, g:Z \rightarrow W,h: X \rightarrow Z 都是函数,那么:

f \circ (g \circ h) = (f \circ g) \circ h

证明:

由于 g \circ h 是从 X 到 W 的函数,从而 f \circ (g \circ h) 是从 X 到 Y 的函数;

类似地,f \circ g 是从 Z 到 Y 的函数,从而 (f \circ g) \circ h 是从 X 到 Y 的函数;

那么 f \circ (g \circ h) 和 (f \circ g) \circ h 有同样的定义域和值域;

为了证明它们相等,从相等函数的定义,必须验证对于一切 x \in X

(f \circ (g \circ h))(x) = ((f \circ g) \circ h) (x)

根据复合函数定义:

\begin{aligned} &(f \circ (g \circ h))(x) \\ =& f((g \circ h)(x))\\ =& f(g(h(x)))\\ =& (f \circ g)(h(x))\\ =& ((f \circ g) \circ h)(x)\\ \end{aligned}

证毕


单射函数

一个函数是一对一的(或单射),如果它把不同的元素映成不同的元素:

x \neq x' \Rightarrow f(x) \neq f(x')

等价地说,一个函数是一对一的,如果:

f(x) = f(x') \Rightarrow x = x'

满射函数

一个函数是映上的(或满射),如果 f(X)= Y,即 Y 中的每个元素都由把 f 作用到 X 中的某个元素上而得来:

对于每个 y \in Y,存在 x \in X,使得 f(x) = y

双射函数

既是 单射函数 又是 满射函数 的函数,又叫作 双射 或 可逆映射


如果 f 是双射,那么对于每个 y \in Y,恰有一个 x 使得 f(x)= y;x 的这个值记作 f^{-1}(y);

于是 f^{-1} 是一个从 Y 到 X 的函数. 我们称 f^{-1} 为 f 的逆.

象和逆象

如果 f:X \rightarrow Y 是一个从 X 到 Y 的函数,而 S 是 X 的一个子集,定义 f(S)是集合

f(S) := {f(x):X \in S};

这是 Y 的一个子集,称为 S 在映射 f 之下的 象,有时也称 f(S) 为 S 的 前象

逆象

如果 U 是 Y 的一个子集, 定义 f^{-1}(U) 为集合:

f^{-1} (U) := \{x \in X: f(x) \in U\}

换句话说,f^{-1}(U) 由 X 中的一切映入 U 中的元素组成:

f(x) \in U \Leftrightarrow x \in f^{-1}(U)

我们把 f^{-1}(U) 叫作 U 的 逆象

幂集公理

设 X 和 Y 是集合,那么存在一个集合,记作 Y^X ,它由从 X 到 Y 的一切函数组成,即

f \in Y^X \Rightarrow (f 是一个以 X 为定义域以 Y 为值域的函数)


引理 设 X 是集合,那么集合 \{Y: Y是X的子集 \} 也是一个集合


并公理

设 A 是集合,它的每个元素本身是一个集合,那么存在一个集合 \cup A,它的元素确切地是 A 的元素的元素,于是对于一切对象 x:

x \in \cup A \Leftrightarrow(对于某个S \in A,x \in S)


并公理 联合 双元素集公理,蕴含 双并公理

此公理的另一个重要结果是,如果有一个集合 I,且对应于每个元素 \alpha \in I,有一个集合 A_\alpha,那么我们可以构作一个并集 \bigcup_{\alpha \in I}A_\alpha,定义为:

\bigcup_{\alpha \in I}A_\alpha := \bigcup \{A_\alpha : \alpha \in I\}

在这种情况下,我们常把 I 叫作 指标集;

并视此集之元素 \alpha 为 标签;

诸集合 A_\alpha则叫作一个 集合的族(或简称为 集族),它们是贴有标签 \alpha \in A 的


我们可以类似地构作集族的交,只要 指标集 不空。更详细地说,给定任意一个非空的集合,并对千每个 \alpha \in I 指定一个集合 A_\alpha,我们可以这样来定义交集 \bigcap_{\alpha \in I}A_\alpha

首先选某个元素 \beta \in I, 然后令

\bigcap_{\alpha \in I}A_\alpha := \{x \in A_\beta : 对于一切 a \in I , x \in A_\alpha \}

根据分类公理,这是一个集合。

这个定义可能看上去依赖于 \beta 的选择,其实不然,注意,对于任何对象 y:

y \in \bigcap_{\alpha \in I}A_\alpha \Leftrightarrow (对于一切 a \in I , y \in A_\alpha)


集合论的这些我们已引入的公理都叫作集合论的 策梅洛-弗兰克尔公理


序偶

如果 x 和 y 是两个对象(可以相等),定义序偶 (x,y) 为一个新的对象,称 x 为它的第一个分量而 y 为它的第二个分量;

两个序偶 (x,y) 和 (x', y') 看作是相等的,当且仅当它们的两个分量分别相等,即

(x,y)=(x', y') \Leftrightarrow (x=x' 且 y = y')

笛卡尔乘积

如果 X 和 Y 是集合,那么我们定义笛卡儿乘积 X \times Y 为一切序偶的全体;

这些序偶的第一个分量是 X 的元素,第二个分量是 Y 的元素,于是,

X \times Y = \{(x, y): x \in X,y \in Y\}

或者等价地

\alpha \in (X \times Y) \Leftrightarrow (对于某 x \in X 和某 y \in Y,a= (x, y) )


有序 n 元组及 n 重笛卡儿乘积

设 n 是自然数,一个有序 n 元组 (x_i)_{1\leqslant i \leqslant n},也可记作 (x_1,\cdots, x_n);是由 n 个对象 x_1, \cdots, x_n 按次序构成的一个组,规定 x_i 是第 i 个分量,1 \leqslant i \leqslant n;


两个有序 n 元组 (x_i)_{1\leqslant i \leqslant n} 和 (y_i)_{1\leqslant i \leqslant n} 叫作是相等的,当且仅当对于一切 1 \leqslant i \leqslant n, x_i = y_i;

如果 (x_i)_{1\leqslant i \leqslant n} 是集合的 有序 n 元组,我们定义此组的诸分量的笛卡儿乘积 \prod_{i = 1}^n X_i 为:

\prod_{i = 1}^n X_i := \{ (x_i)_{1\leqslant i \leqslant n}: 对于一切 1\leqslant i \leqslant n, x_i \in X_i \}

集合的基数

基数 是 一,二,三…,是用来清点在一个集合中有多少个东西的

序数 是 第一,第二,第三…,是用来确定一列对象的次序


两个集合 X 和 Y 具有同样的基数,当且仅当存在一个从 X 到Y 的双射 f:X \rightarrow Y


设 n 是自然数一个集合 X 叫作具有基数 n,当且仅当它与集合 \{i \in \mathbb{N}: 1 \leqslant i \leqslant n\} 有同样的基数

X 具有 n 个元素, 当且仅当它有基数 n


一个集合是有限的,当且仅当它的基数是某个自然数 n,否则的话集合叫作是无限的如果 X 是有限集,我们用 \#(x) 代表 X 的基数


自然数集 \mathbb{N} 是无限集


参考资料