写像

Basis
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前提知識

写像(map)とは、ある集合の各元をちょうどひとつの元に対応させる規則に対する、数学的に厳密な名前だ。プログラミング言語で書く関数は、この意味での写像そのものだ。形式的な定義とその周辺の用語に慣れると、現代数学の大部分への扉が開く。

定義

AABB を集合とする。AA から BB への写像 ff、つまり

f ⁣:ABf \colon A \to B

とは、AA のすべての元 aAa \in A に対してちょうどひとつの元 f(a)Bf(a) \in B を割り当てる規則だ。

  • AAff定義域(domain)。
  • BBff終域(codomain)。
  • f(a)f(a)aaff による(image)(aa における ffともいう)。

記法 af(a)a \mapsto f(a)(「aaf(a)f(a) に移る」と読む)は、ff が個々の元に何をするかを表す。写像の完全な記述はこのふたつを組み合わせる:

f ⁣:AB,af(a).f \colon A \to B, \quad a \mapsto f(a).

例. 整数上の二乗写像:

f ⁣:ZZ,nn2.f \colon \mathbb{Z} \to \mathbb{Z}, \quad n \mapsto n^2.

ここで f(3)=9f(3) = 9f(2)=4f(-2) = 4f(0)=0f(0) = 0

用語について: 写像関数(function)、マッピング(mapping)はほとんどの数学分野で互換的に使われる。解析学では「関数」という語が連続性を暗黙に含むことが多いが、「写像」は中立的な一般用語だ。

集合の像と逆像

写像を個々の元から部分集合全体へと拡張できる。

SAS \subseteq Aff によるとは、ffSS 上で生み出す値全体の集合だ:

f(S)    {f(a)aS}    B.f(S) \;\coloneqq\; \{f(a) \mid a \in S\} \;\subseteq\; B.

定義域全体の像 f(A)f(A)ff値域(range)と呼ぶ。値域は常に終域の部分集合だが、終域と等しいとは限らない。

TBT \subseteq B逆像(preimage、または inverse image)とは、TT の中に移る AA の元全体の集合だ:

f1(T)    {aAf(a)T}    A.f^{-1}(T) \;\coloneqq\; \{a \in A \mid f(a) \in T\} \;\subseteq\; A.

f1(T)f^{-1}(T) は任意の写像 ff に対して定義される——ff が逆写像を持つことは必要ない。

単射・全射・全単射

この3つの形容詞は、写像が定義域と終域をどのように関係づけるかを分類する。

単射(一対一)

写像 f ⁣:ABf \colon A \to B単射(injective)であるとは、異なる入力が常に異なる出力を生み出すことだ:

f(a1)=f(a2)    a1=a2.(1)f(a_1) = f(a_2) \;\Rightarrow\; a_1 = a_2. \tag{1}

同値な言い方(対偶):a1a2f(a1)f(a2)a_1 \neq a_2 \Rightarrow f(a_1) \neq f(a_2)

単射な写像は AABB の中に衝突なく埋め込む。

例. f ⁣:ZZ,  n2nf \colon \mathbb{Z} \to \mathbb{Z},\; n \mapsto 2n は単射だ:2n1=2n22n_1 = 2n_2 ならば n1=n2n_1 = n_2

反例. g ⁣:ZZ,  nn2g \colon \mathbb{Z} \to \mathbb{Z},\; n \mapsto n^2 は単射でないg(2)=g(2)=4g(2) = g(-2) = 4 だが 222 \neq -2

全射(上への)

写像 f ⁣:ABf \colon A \to B全射(surjective)であるとは、BB のすべての元が AA の少なくともひとつの元によって「当たられる」ことだ:

bB,  aA such that f(a)=b.(2)\forall b \in B,\;\exists a \in A \text{ such that } f(a) = b. \tag{2}

同値な言い方:値域が終域全体に等しい、つまり f(A)=Bf(A) = B

例. f ⁣:ZZ,  nn+1f \colon \mathbb{Z} \to \mathbb{Z},\; n \mapsto n + 1 は全射だ:任意の bZb \in \mathbb{Z} に対して a=b1a = b - 1 を取ればよい。

反例. g ⁣:ZZ,  n2ng \colon \mathbb{Z} \to \mathbb{Z},\; n \mapsto 2n は全射でない2n=12n = 1 を満たす整数は存在しないので、11 は値域に現れない。

全単射

単射かつ全射な写像を全単射(bijective)という。全単射は AA の各元と BB の各元をちょうどひとつずつ対応させ、BB の元が余ることも重複することもない。

全単射は集合間の「同じ大きさ」を表す正しい概念だ。集合 AABB の濃度が等しいことは、全単射 f ⁣:ABf \colon A \to B が存在することと同値だ。この定義は無限集合に対しても通用する。

恒等写像

任意の集合 AA に対して、恒等写像(identity map)idA ⁣:AA\mathrm{id}_A \colon A \to A

idA(a)    a(すべての aA に対して)\mathrm{id}_A(a) \;\coloneqq\; a \quad \text{(すべての } a \in A \text{ に対して)}

で定義する。恒等写像は自明に全単射であり、合成における単位元として機能する。

合成

写像 f ⁣:ABf \colon A \to Bg ⁣:BCg \colon B \to C が与えられたとき、それらの合成(composition)gf ⁣:ACg \circ f \colon A \to C

(gf)(a)    g(f(a))(g \circ f)(a) \;\coloneqq\; g(f(a))

で定義する。記法は右から左へ読む:まず ff を適用し、次に gg を適用する。型が揃っている必要がある——ff の終域と gg の定義域が等しくなければならない。

合成は次を満たす:

  • 結合律: (hg)f=h(gf)(h \circ g) \circ f = h \circ (g \circ f)(型が合う場合)。
  • 恒等元律: fidA=ff \circ \mathrm{id}_A = f かつ idBf=f\mathrm{id}_B \circ f = f

単射の合成は単射、全射の合成は全射、全単射の合成は全単射になる。

逆写像

f ⁣:ABf \colon A \to B が全単射ならば、その逆写像(inverse map)f1 ⁣:BAf^{-1} \colon B \to A が一意に存在し、

f1f=idAかつff1=idBf^{-1} \circ f = \mathrm{id}_A \qquad \text{かつ} \qquad f \circ f^{-1} = \mathrm{id}_B

を満たす。

具体的には、f1(b)f^{-1}(b)f(a)=bf(a) = b を満たす唯一の元 aAa \in A だ。

逆写像を持つことと全単射であることは同値だ。だからこそ、全単射は可逆写像(invertible map)とも呼ばれる。

まとめ

  • 写像 f ⁣:ABf \colon A \to B は、定義域 AA の各元にちょうどひとつの終域 BB の元を割り当てる。
  • f(a)Bf(a) \in Baa;集合 f(A)f(A)ff値域(終域の部分集合)。
  • f1(T)f^{-1}(T)TBT \subseteq B逆像であり、任意の写像に対して定義される。
  • 単射 (1)(1):異なる入力は異なる出力を持つ——衝突なし。
  • 全射 (2)(2):終域のすべての元が当たられる——値域が BB 全体を満たす。
  • 全単射:単射かつ全射;写像は可逆であり、A=B|A| = |B| を証明する。
  • 合成 gfg \circ fff を適用してから gg を適用する;結合的であり、単射性・全射性・全単射性を保つ。
  • 全単射は一意な逆写像 f1 ⁣:BAf^{-1} \colon B \to A を持つ。