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
A と B を集合とする。A から B への写像 f、つまり
f:A→B
とは、A のすべての元 a∈A に対してちょうどひとつの元 f(a)∈B を割り当てる規則だ。
- A は f の定義域(domain)。
- B は f の終域(codomain)。
- f(a) は a の f による像(image)(a における f の値ともいう)。
記法 a↦f(a)(「a は f(a) に移る」と読む)は、f 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:A→B,a↦f(a).
例. 整数上の二乗写像:
f:Z→Z,n↦n2.
ここで f(3)=9、f(−2)=4、f(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。
S⊆A の f による像とは、f が S 上で生み出す値全体の集合だ:
f(S):={f(a)∣a∈S}⊆B.
定義域全体の像 f(A) を f の値域(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。
T⊆B の逆像(preimage、または inverse image)とは、T の中に移る A の元全体の集合だ:
f−1(T):={a∈A∣f(a)∈T}⊆A.
f−1(T) は任意の写像 f に対して定義される——f 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:A→B が単射(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)
同値な言い方(対偶):a1=a2⇒f(a1)=f(a2)。
単射な写像は A を B の中に衝突なく埋め込む。
例. f:Z→Z,n↦2n は単射だ:2n1=2n2 ならば n1=n2。
反例. g:Z→Z,n↦n2 は単射でない:g(2)=g(−2)=4 だが 2=−2。
全射(上への)
写像 f:A→B が全射(surjective)であるとは、B のすべての元が A の少なくともひとつの元によって「当たられる」ことだ:
∀b∈B,∃a∈A such that f(a)=b.(2)
同値な言い方:値域が終域全体に等しい、つまり f(A)=B。
例. f:Z→Z,n↦n+1 は全射だ:任意の b∈Z に対して a=b−1 を取ればよい。
反例. g:Z→Z,n↦2n は全射でない:2n=1 を満たす整数は存在しないので、1 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 A の各元と B の各元をちょうどひとつずつ対応させ、B 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 A と B の濃度が等しいことは、全単射 f:A→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 A に対して、恒等写像(identity map)idA:A→A を
idA(a):=a(すべての a∈A 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:A→B と g:B→C が与えられたとき、それらの合成(composition)g∘f:A→C を
(g∘f)(a):=g(f(a))
で定義する。記法は右から左へ読む:まず f を適用し、次に g を適用する。型が揃っている必要がある——f の終域と g 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: (h∘g)∘f=h∘(g∘f)(型が合う場合)。
- 恒等元律: f∘idA=f かつ idB∘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:A→B が全単射ならば、その逆写像(inverse map)f−1:B→A が一意に存在し、
f−1∘f=idAかつf∘f−1=idB
を満たす。
具体的には、f−1(b) は f(a)=b を満たす唯一の元 a∈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:A→B は、定義域 A の各元にちょうどひとつの終域 B の元を割り当てる。
- f(a)∈B は a の像;集合 f(A) は f の値域(終域の部分集合)。
- f−1(T) は T⊆B の逆像であり、任意の写像に対して定義される。
- 単射 (1):異なる入力は異なる出力を持つ——衝突なし。
- 全射 (2):終域のすべての元が当たられる——値域が B 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∣ を証明する。
- 合成 g∘f は f を適用してから g 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 f−1:B→A を持つ。