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函数 ​

函数的定义 ​

设 F 为 二元关系,若 F 满足 ∀x∈domF 都存在唯一的 y∈ranF 使 xFy 成立,则称 F 为函数 。 对于函数 F,若有 xFy,则记作 y=F(x),并称 y 为 F 在 x 处的值

函数相等 ​

F=G⇔F⊆G∧G⊆F⇔domF=domG∧∀x(x∈domF→F(x)=G(x))

设 A 和 B 是两个集合,f 为函数, domF=A,ranF⊆B,则称 f 为从 A 到 B 的函数,记作 f:A→B 。

从 A 到 B 的函数的集合 ​

所有从 A 到 B 的函数的集合记作 BA。

BA={f | f:A→B}|BA|=|B||A|

特别地: A=∅,则 BA=B∅={∅}A≠∅ 且 B=∅,则 BA=∅A=∅

函数的像和完全原像 ​

设 f:A→B,A1⊆A,B1⊆B,则

  1. A1 在 f 下的像为 f(A1)={f(x) | x∈A1}
  2. B1 在 f 下的完全原像为 f−1(B1)={x | f(x)∈B1}

像和函数值的区别: f(x)∈B,f(A1)⊆B

f−1(f(A1))≠A1,A1⊆f−1(f(A1))f(f−1(B1))≠B1,f(f−1(B1))⊆B1

前者是因为 f 不一定是单射,后者是因为 f 不一定是满射。

函数的性质 ​

  • 单射:∀x1,x2∈domF,F(x1)=F(x2)⇔x1=x2
  • 满射:ranF=B
  • 双射:若 f 既是单射又是满射,则称 f 为双射的。

某些重要函数 ​

  1. 常函数:f:A→B,∀x∈A,f(x)=b,称 f 为常函数。
  2. 恒等函数:IA={<x,x> | x∈A},IA 是 A 上的函数,称为恒等函数。
  3. 单调函数:⟨A,⪯⟩ 和 ⟨B,⪯⟩ 是两个偏序集,f:A→B。
    • 若 ∀x1,x2∈A,x1⪯x2⇒f(x1)⪯f(x2),则称 f 为单调递增函数。
    • 若 ∀x1,x2∈A,x1≺x2⇒f(x1)≺f(x2),则称 f 为严格单调递增函数。
    • 类似的,可以定义单调递减函数和严格单调递减函数。
  4. 特征函数:A 是集合,对任意的 A′⊆A,定义 f:A→{0,1},f(x)={1,x∈A′0,x∉A′,称 f 为 A′ 的特征函数,记为 χA′。不同的子集对应不同的特征函数。
  5. 自然映射:设 R 是集合 A 上的等价关系,g:A→A/R,g(x)=[x]R,称 g 为 A 到 A/R 的自然映射。

不同的等价关系确定不同的自然映射
恒等关系确定的自然映射是双射
其他自然映射一般来说只是满射

函数的运算 ​

复合运算 ​

若 f 和 g 是函数,则 h=f∘g 也是函数,满足:

  1. domh={x | x∈domf∧f(x)∈domg}
  2. ∀x∈domh,h(x)=g(f(x))

复合运算的性质 ​

  1. 若 f:A→B 是单射的,g:B→C 是单射的,则 g∘f:A→C 是单射的。
  2. 若 f:A→B 是满射的,g:B→C 是满射的,则 g∘f:A→C 是满射的。
  3. 若 f:A→B 是双射的,g:B→C 是双射的,则 g∘f:A→C 是双射的。

上述的逆命题都不一定成立。

设 f:A→B,则 f=f∘IB=IA∘f。

反函数 ​

  1. 函数 f 的逆 f−1 不一定是函数,只是个二元关系
  2. 单射函数的逆是函数,且 f:A→B 的逆函数 f−1 是 ranf 到 A 的双射函数。
  3. 双射函数 f:A→B 的逆是在 B 到 A 的双射函数。

对双射函数 f:A→B

f−1∘f=IA,f∘f−1=IB

集合的等势 ​

设 A 和 B 是两个集合,若存在双射函数 f:A→B,则称 A 和 B 是等势的,记作 A≈B。

  1. A≈A
  2. 若 A≈B,则 B≈A
  3. 若 A≈B 且 B≈C,则 A≈C

实例:

  • N≈Z≈Q≈N×N
  • a,b∈R,a<b,(a,b)≈(a,b]≈[a,b]≈[a,b)≈R
    • 以 [0,1]≈(0,1) 为例。
    • A=0,1,1/2,1/3,⋯⊂[0,1]
    • B=1/2,1/3,1/4,⋯⊂(0,1)
    • 关键在于构造双射函数 f:A→B,f(x)=x/(x+2)
  • P(A)≈0,1A,P(A) 是 A 的幂集,0,1A 是 A 到 {0,1} 的函数集合。双射函数为 f:P(A)→0,1A,f(A′)=χA′

康托定理 ​

  1. N≉R
  2. A≉P(A)

证明 ​

  1. 定义基数:如果两个集合之间存在双射(双向一一对应),则称这两个集合等势,表示为它们的基数相同。我们希望证明 N 和 R 不等势,换句话说,R 的基数大于 N 的基数。

  2. 假设反证法:假设 R 和 N 等势,也就是说,假设存在一个从 N 到 R 的双射 f:N→R。这样,所有实数可以被自然数“列举”出来。

  3. 使用康托尔对角线法则:我们接下来将通过对角线法则,展示出在 R 中总有一个实数无法通过 f 来与自然数一一对应,从而得出矛盾。

    • 考虑单位区间 [0,1] 中的实数,可以表示为无限小数(例如:0.123456...)。
    • 假设我们能够通过 f 列出这些实数:f(1),f(2),f(3),…,其中每个 f(n) 都表示 [0,1] 中的一个实数,其小数部分为 f(n)=0.an1an2an3…,其中 ani 表示第 n 个数的第 i 位小数。
    • 现在通过对角线法构造一个新的实数 r,使得 r 的第 i 位小数 bi 与 f(i) 的第 i 位小数 aii 不同。例如:可以令 bi 取值为 9(若 aii≠9),或 8(若 aii=9)。
    • 由于 r 的每一位与对应的 f(i) 在第 i 位不同,因此 r≠f(i) 对所有 i 都成立。
  4. 矛盾产生:这个通过对角线法构造出来的 r 在 [0,1] 中,但根据假设,f 应该是一个双射,也就是说,应该能够“列举”出所有实数。然而,r 不在这列举出来的实数序列中,这与 f 为双射的假设矛盾。

因此,假设 N 和 R 等势是错误的,R 的基数严格大于 N 的基数。

集合的优势 ​

设 A 和 B 是两个集合,若存在单射函数 f:A→B,则称 B 优势于 A,记作 A≼⋅B。如果 B 不优势于 A,则记作 B⋠⋅A。

设 A 和 B 是两个集合,若 A≼⋅B 且 A≉B,则称 B 真优势于 A,记作 A≺⋅B。如果 B 不真优势于 A,则记作 B⊀⋅A。

实例:

  • N≼⋅N,N≼⋅R,A≼ P(A)
  • R⋠⋅N
  • N≺⋅R,N⊀⋅N,A≺⋅P(A)

性质 ​

  1. A≼⋅A
  2. A≼⋅B∧B≼⋅C⇒A≼⋅C
  3. A≼⋅B∧B≼⋅A⇒A≈B

式 3. 可以用于构造两个单射函数证明两个集合等势。

证明等势1证明等势2

自然数的集合定义 ​

a+=a∪{a},称 a+ 为 a 的后继。

0=∅1=0+={0}={∅}2=1+={0,1}={∅,{0}}3=2+={0,1,2}={∅,{0},{0,1}}⋯

有穷集与无穷集 ​

一个集合是 有穷的 当且仅当它与某个自然数等势。否则,它是 无穷的。 实例:

  1. {a,b,c} 是有穷集,与 3={0,1,2} 等势。
  2. N 和 R 是无穷集。

任何有穷集只与某个自然数等势,而无穷集与任何自然数都不等势。

集合基数 ​

  1. 对于有穷集 A,A 的基数是 cardA=n⇔A≈n,称 n 为集合 A 的基数。
  2. 自然数集合 N 的基数是 ℵ0
  3. 实数集 R 的基数是 ℵ

集合基数的性质 ​

  1. cardA=cardB⇔A≈B
  2. cardA≤cardB⇔A≼⋅B
  3. cardA<cardB⇔A≺⋅B
cardZ=cardN=cardQ=cardN×N=ℵ0cardR=card[a,b]=card(c,d)=cardP(N)=card2N=ℵ

有 ℵ0<ℵ

若 cardA≤aleph0,则称 A 是可数的,否则称 A 是不可数的。

离散数学复习笔记