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Topos Uranos

要約

この課では、講座が数と関数について語るときに用いる言語と、量化子の論理のうち欠かせない部分を定める。包含と集合の演算を定義し、二重包含によって集合の相等を証明し、ド・モルガンの法則を証明し、順序対とその特徴的性質を構成し、直積と関係およびその性質を定義する。同値関係の同値類が分割をなし、逆にすべての分割が同値関係を定めることを証明して、整数の構成に備える。順序関係とその極端な元および界を調べ、関数を関係として扱い、合成が結合的で単射性と全射性を保つこと、そして関数が全単射であるのは逆関数をもつときであり、かつそのときに限り、その逆関数は一意であることを証明する。問題では同値関係を数え、自然数と偶数を対応させ、日付の曜日を求め、任意の関数を全射、全単射、単射の合成に分解する。

学習目標

  1. 量化子を含む言明を記号で書き、その否定を正しく書き、論理形式に応じて証明の方針を選ぶ。
  2. 集合の相等と包含を二重包含によって証明し、有限集合の和集合、共通部分、差集合、直積、冪集合を計算する。
  3. 関係が反射的、対称的、反対称的、推移的であるかを判定し、同値関係と順序関係を見分ける。
  4. 同値関係の同値類と商集合を構成し、同値関係からそれが定める分割へ、またその逆へと移る。
  5. 順序集合の部分集合の最小元、最大元、極小元、極大元、および上界と下界を求める。
  6. 像、原像、合成関数、逆関数を計算し、関数が単射、全射、全単射であるかを判定し、合成の性質を証明する。

講座の言語

次の課では、ある関数、すなわち後者関数によって自然数を定義する。この関数は単射であり、11 をとらない。次の単元では整数と有理数を同値関係の同値類として構成する。組合せ論の課では元の個数を全単射によって定義する。自然数の順序は順序関係であり、第三単元では実関数を合成し、その逆を求める。これらの語はすべて同じ言語に属しており、講座が以後引用する最初の定理とともに、使う前に定めておくのがよい。

何を先取りしているかを明らかにしておく必要がある。例では、小さな自然数とその順序、加法、乗法、整除性、割り算の余りを、学校で学んだとおりに用いる。次の課はペアノの公理によって自然数を定義し、この単元の課はこれらの演算を定義してその性質を証明するが、この課の例はどれも用いないので、循環はない。この課のどの定理も例に依存しない。数は定理がどのように働くかを見るためだけに使われる。

認めること

集合とは対象の集まりであり、その対象を元という。a∈Aa \in A と書いて aa が AA に属することを表し、a∉Aa \notin A と書いてそれを否定する。集合と所属は定義しない。それらは算術における 11 と後者のように、原始的な概念である。しかし、すべての性質が集合を定めるわけではない。自分自身に属さない集合全体からなる集合 RR が存在するとすると、「RR は RR に属するか」という問いには答えがない。RR の定義から R∈R↔R∉RR \in R \leftrightarrow R \notin R が得られるからである。この矛盾はラッセルが 1901 年に発見したもので、集合の作り方を制限することを強いる。性質は、すでに与えられた集合から元を選び出すことしかできない。

証明なしに認める事実(素朴集合論の規則)。この課で用いる素朴集合論の規則を、証明なしに認める。同じ元をもつ二つの集合は等しい。与えられた集合 AA と性質 PP から、{x∈A:P(x)}\{ x \in A : P(x) \} という集合、すなわち AA の元のうちその性質を満たすものからなる集合を作ることができる。さらに、空集合、集合 {a,b}\{a, b\}(その元は aa と bb だけ)、集合からなる集合の元の和集合、そして集合の部分集合全体からなる集合が存在する。自然数の集合の性質をもつ集合の存在は、次の課で認める。

これらの規則はツェルメロとフレンケルの公理に属し、その研究は集合論の分野であって、この講座の範囲を超える。そのためここでは認めることにし、何を使っているかが正確にわかるように明示しておく。

量化子の論理

証明は結合子 ¬\neg、∧\wedge、∨\vee、→\rightarrow、↔\leftrightarrow によって言明を組み合わせる。これらの結合子の法則は補助講座数理論理学 I:命題論理で、その言語から学ぶ。ここでは次のことを思い出せば十分である。含意 p→qp \rightarrow q は、pp が真で qq が偽のときに限り偽であり、その対偶 ¬q→¬p\neg q \rightarrow \neg p と同値である。そしてド・モルガンの法則は連言と選言の否定を与える。

¬(p∧q)↔(¬p∨¬q),¬(p∨q)↔(¬p∧¬q)\neg \left( p \wedge q \right) \leftrightarrow \left( \neg p \vee \neg q \right), \qquad \neg \left( p \vee q \right) \leftrightarrow \left( \neg p \wedge \neg q \right)

しかし、集合について語るには、すべての元について、あるいはある元についての言明も必要である。P(x)P(x) が AA の元の性質であるとき、言明 (∀x∈A) P(x)(\forall x \in A)\,P(x) は「すべての xx(AA の元)について P(x)P(x)」と読み、AA のすべての元がその性質を満たすと主張する。言明 (∃x∈A) P(x)(\exists x \in A)\,P(x) は「ある xx(AA の元)が存在して P(x)P(x)」と読み、少なくとも一つの元がその性質を満たすと主張する。そして (∃!x∈A) P(x)(\exists! x \in A)\,P(x) は、その性質を満たす元がちょうど一つあると主張する。記号 ∀\forall と ∃\exists は量化子と呼ばれ、それぞれ全称量化子、存在量化子である。

証明なしに認める事実(量化子の否定)。すべての元が性質を満たすことを否定するのは、ある元がそれを満たさないと主張することであり、ある元がそれを満たすことを否定するのは、どの元もそれを満たさないと主張することである。
¬(∀x∈A) P(x)↔(∃x∈A) ¬P(x),¬(∃x∈A) P(x)↔(∀x∈A) ¬P(x)\neg (\forall x \in A)\,P(x) \leftrightarrow (\exists x \in A)\,\neg P(x), \qquad \neg (\exists x \in A)\,P(x) \leftrightarrow (\forall x \in A)\,\neg P(x)

これらの規則は一階論理に属し、ここでは認める。これらはド・モルガンの法則を一般化している。A={a,b}A = \{a, b\} ならば、全称言明は P(a)∧P(b)P(a) \wedge P(b) であり、存在言明は P(a)∨P(b)P(a) \vee P(b) だからである。量化子の順序は重要である。言明 (∀n∈N)(∃m∈N)(n<m)(\forall n \in \mathbb{N})(\exists m \in \mathbb{N})(n < m) は、どの自然数にもそれより大きい別の自然数があることを述べており、真である。言明 (∃m∈N)(∀n∈N)(n<m)(\exists m \in \mathbb{N})(\forall n \in \mathbb{N})(n < m) は、すべての自然数より、それ自身よりも大きい自然数があることを述べており、偽である。

言明の論理形式が、その証明の仕方を決める。この課で用いる方針は次のとおりであり、その論理的な根拠は演繹の技法の課で学ぶ。

  • (∀x∈A) P(x)(\forall x \in A)\,P(x) を証明するには、任意の元 xx(AA の元)をとり、AA に属すること以外は何も仮定せずに、P(x)P(x) を証明する。
  • (∃x∈A) P(x)(\exists x \in A)\,P(x) を証明するには、AA の具体的な元で PP を満たすものを示す。(∀x∈A) P(x)(\forall x \in A)\,P(x) を否定するには反例、すなわちそれを満たさない元が一つあれば十分である。
  • p→qp \rightarrow q を証明するには、pp を仮定して qq を導くか、対偶 ¬q→¬p\neg q \rightarrow \neg p を証明するか、p∧¬qp \wedge \neg q を仮定して矛盾を導く。
  • p↔qp \leftrightarrow q を証明するには、二つの含意 p→qp \rightarrow q と q→pq \rightarrow p を証明する。
例集合が有界であることの否定

自然数の集合 XX は、そのすべての元以上の自然数 cc が存在するとき、上に有界であるという。この定義を量化子で書き、その否定を一歩ずつ書け。

証明

  1. (∃c∈N)(∀x∈X)(x≤c)\dato{acot}{(\exists c \in \mathbb{N})(\forall x \in X)(x \leq c)}

    定義では、存在量化子の後に全称量化子が続く。同じ cc がすべての元に対して働かなければならない。

  2. ¬(∃c∈N)(∀x∈X)(x≤c)\resaltar{\neg} (\exists c \in \mathbb{N})(\forall x \in X)(x \leq c)

    言明全体を否定する。

  3. (∀c∈N) ¬(∀x∈X)(x≤c)(\resaltar{\forall} c \in \mathbb{N})\,\resaltar{\neg} (\forall x \in X)(x \leq c)

    存在言明の否定は、否定された全称言明である。

  4. (∀c∈N)(∃x∈X) ¬(x≤c)(\forall c \in \mathbb{N})(\resaltar{\exists} x \in X)\,\resaltar{\neg} (x \leq c)

    全称言明の否定は、否定された存在言明である。

  5. (∀c∈N)(∃x∈X)(x>c)(\forall c \in \mathbb{N})(\exists x \in X)(\resaltar{x > c})

    自然数の順序の三分律により、x≤cx \leq c を否定することは x>cx > c を主張することである。集合が上に有界でないのは、どの自然数も上界でないとき、すなわちどの候補もある元に超えられるときである。

集合

所属、相等、包含

集合は、中括弧の中にその元を並べる外延的記法、たとえば {1,2,3}\{1, 2, 3\} で記述することも、性質による内包的記法、たとえば {n∈N:n≤3}\{ n \in \mathbb{N} : n \leq 3 \}(同じ集合である)で記述することもできる。外延性の規則は、集合がその元によって決まることを述べる。

A=B↔(∀x)(x∈A↔x∈B)A = B \leftrightarrow (\forall x)(x \in A \leftrightarrow x \in B)

ここから、外延的記法では順序も重複も関係ないことがわかる。{1,2,2}\{1, 2, 2\} と {2,1}\{2, 1\} は同じ元をもつので同じ集合である。また、元をもたない集合はただ一つ、空集合 ∅\emptyset であることもわかる。元をもたない二つの集合は同じ元をもつ、すなわちどちらも元をもたないからである。

定義(包含)。集合 AA が集合 BB に含まれる、あるいは BB の部分集合であるとは、AA のすべての元が BB の元であることをいう。
A⊆B↔(∀x)(x∈A→x∈B)A \subseteq B \leftrightarrow (\forall x)(x \in A \rightarrow x \in B)

さらに A≠BA \neq B であるとき、AA は BB の真部分集合であるという。

空集合はすべての集合 AA に含まれる。含意 x∈∅→x∈Ax \in \emptyset \rightarrow x \in A は前件がつねに偽なので真だからである。所属と包含は区別しなければならない。1∈{1,2}1 \in \{1, 2\} と {1}⊆{1,2}\{1\} \subseteq \{1, 2\} は真だが、{1}∈{1,2}\{1\} \in \{1, 2\} は偽である。{1,2}\{1, 2\} の元は 11 と 22 だけであり、集合 {1}\{1\} はそのどちらとも等しくないからである。{1}≠1\{1\} \neq 1 である。11 をただ一つの元とする集合は 11 と異なるからであり、また {1}≠2\{1\} \neq 2 である。

定理包含の性質

任意の集合 AA、BB、CC について、包含は反射的、すなわち A⊆AA \subseteq A であり、推移的、すなわち A⊆BA \subseteq B かつ B⊆CB \subseteq C ならば A⊆CA \subseteq C であり、反対称的、すなわち A⊆BA \subseteq B かつ B⊆AB \subseteq A ならば A=BA = B である。最後の性質は、明らかな逆とあわせて、二重包含の方法である。二つの集合が等しいことを証明するには、それぞれが他方に含まれることを証明する。

A=B↔(A⊆B∧B⊆A)A = B \leftrightarrow \left( A \subseteq B \wedge B \subseteq A \right)

各性質は、任意の元に適用した含意の法則に帰着する。図は集合を平面の領域として表している。

証明

  1. (∀x)(x∈A→x∈A)(\forall x)(x \in A \rightarrow x \in A)

    反射性:任意の xx について、含意 x∈A→x∈Ax \in A \rightarrow x \in A は真である。後件が前件そのものだからである。

  2. x∈A→x∈Bx \in A \rightarrow \dato{xb}{x \in B}

    推移性:xx を AA の任意の元とする。第一の仮定により、xx は BB に属する。

  3. x∈B→x∈C\resaltar{x \in B} \rightarrow x \in C

    第二の仮定により、xx は CC に属する。xx は任意だったので、A⊆CA \subseteq C である。

  4. (x∈A→x∈B)∧(x∈B→x∈A)↔(x∈A↔x∈B)(x \in A \rightarrow x \in B) \wedge (x \in B \rightarrow x \in A) \leftrightarrow \resaltar{(x \in A \leftrightarrow x \in B)}

    反対称性:二つの仮定は、各 xx について、x∈Ax \in A と x∈Bx \in B の間の二つの含意、すなわちそれらの同値を与える。

  5. A=BA = B

    外延性により、AA と BB は等しい。逆に A=BA = B ならば、反射性により、それぞれが他方に含まれる。

和集合、共通部分、差集合

定義(集合の演算)。AA と BB の和集合は、少なくとも一方に属する元の集合であり、共通部分は両方に属する元の集合であり、差集合 A∖BA \setminus B は AA に属し BB に属さない元の集合である。
x∈A∪B↔x∈A∨x∈B,x∈A∩B↔x∈A∧x∈B,x∈A∖B↔x∈A∧x∉Bx \in A \cup B \leftrightarrow x \in A \vee x \in B, \qquad x \in A \cap B \leftrightarrow x \in A \wedge x \in B, \qquad x \in A \setminus B \leftrightarrow x \in A \wedge x \notin B

B⊆AB \subseteq A のとき、差集合 A∖BA \setminus B を BB の AA に関する補集合という。二つの集合は、共通部分が空であるとき共通部分をもたないという。

各演算は一つの結合子に対応する。和集合は選言に、共通部分は連言に、差集合は連言と否定に対応する。そうであれば、論理の各法則は集合の法則を生む。和集合と共通部分は交換的かつ結合的であり、互いに分配的である。結合子がそうだからである。これらはすべて次の定理のように証明される。補集合はつねにある基準の集合に関してとる。BB にないものすべての集合は、ラッセルの逆理を再び生むからである。

例12 と 18 の約数

A={1,2,3,4,6,12}A = \{1, 2, 3, 4, 6, 12\} を 1212 の約数の集合、B={1,2,3,6,9,18}B = \{1, 2, 3, 6, 9, 18\} を 1818 の約数の集合とする。和集合、共通部分、二つの差集合を求めよ。

証明

  1. A∩B={1,2,3,6}A \cap B = \dato{c}{\{1, 2, 3, 6\}}

    共通の元は二つの数の公約数、すなわち 66 の約数である。

  2. A∖B={1,2,3,4,6,12}∖{1,2,3,6}={4,12}A \setminus B = \{1, 2, 3, 4, 6, 12\} \setminus \resaltar{\{1, 2, 3, 6\}} = \{4, 12\}

    AA の元のうち 1818 の約数でないものは、AA から共通の元を取り除いた残りである。

  3. B∖A={9,18}B \setminus A = \{9, 18\}

    同様に、1818 の約数のうち 1212 の約数でないものである。

  4. A∪B=(A∖B)∪(A∩B)∪(B∖A)={1,2,3,4,6,9,12,18}A \cup B = \left( A \setminus B \right) \cup \left( A \cap B \right) \cup \left( B \setminus A \right) = \{1, 2, 3, 4, 6, 9, 12, 18\}

    和集合は、どの二つも共通部分をもたない三つの部分をまとめたものである。各元は一度だけ現れ、4+2+2=84 + 2 + 2 = 8 である。

定理集合のド・モルガンの法則

任意の集合 AA、BB、CC について、AA に関する和集合の補集合は補集合の共通部分であり、共通部分の補集合は補集合の和集合である。

A∖(B∪C)=(A∖B)∩(A∖C),A∖(B∩C)=(A∖B)∪(A∖C)A \setminus \left( B \cup C \right) = \left( A \setminus B \right) \cap \left( A \setminus C \right), \qquad A \setminus \left( B \cap C \right) = \left( A \setminus B \right) \cup \left( A \setminus C \right)

各演算をその結合子に翻訳して、任意の元が左辺に属するのは右辺に属するとき、かつそのときに限ることを証明する。図はベン図の上で関係する領域に陰影をつけている。

証明

  1. x∈A∖(B∪C)↔x∈A∧¬(x∈B∪C)x \in A \setminus \left( B \cup C \right) \leftrightarrow x \in A \wedge \resaltar{\neg} \left( x \in B \cup C \right)

    xx を任意とする。差集合の定義により、左辺に属することは、AA にあって B∪CB \cup C にないことである。

  2. ↔x∈A∧¬(x∈B∨x∈C)\leftrightarrow x \in A \wedge \neg \left( x \in B \resaltar{\vee} x \in C \right)

    和集合の定義による。

  3. ↔x∈A∧(x∉B∧x∉C)\leftrightarrow x \in A \wedge \left( x \resaltar{\notin} B \resaltar{\wedge} x \resaltar{\notin} C \right)

    論理のド・モルガンの法則により、選言の否定は否定の連言である。

  4. ↔(x∈A∧x∉B)∧(x∈A∧x∉C)\leftrightarrow \left( \resaltar{x \in A} \wedge x \notin B \right) \wedge \left( \resaltar{x \in A} \wedge x \notin C \right)

    pp は p∧pp \wedge p と同値なので、条件 x∈Ax \in A を繰り返し、連言の結合性と交換性によってまとめ直す。

  5. ↔x∈(A∖B)∩(A∖C)\leftrightarrow x \in \left( A \setminus B \right) \resaltar{\cap} \left( A \setminus C \right)

    差集合と共通部分の定義により、これは右辺に属することである。外延性により、第一の法則が成り立つ。

  6. x∈A∖(B∩C)↔x∈A∧(x∉B∨x∉C)↔x∈(A∖B)∪(A∖C)x \in A \setminus \left( B \cap C \right) \leftrightarrow x \in A \wedge \left( x \notin B \resaltar{\vee} x \notin C \right) \leftrightarrow x \in \left( A \setminus B \right) \resaltar{\cup} \left( A \setminus C \right)

    第二の法則も同じ同値の連鎖で証明され、和集合と共通部分、選言と連言を入れ替えればよい。このとき用いる論理の法則はもう一つのド・モルガンの法則である。

冪集合

集合の部分集合はそれ自身また集合をなし、その存在ははじめに認めた。AA の冪集合は P(A)\mathcal{P}(A) と書き、AA の部分集合を元とする集合である。

X∈P(A)↔X⊆AX \in \mathcal{P}(A) \leftrightarrow X \subseteq A

たとえば、{1,2,3}\{1, 2, 3\} の冪集合は八つの元をもつ。空集合、三つの一元集合、三つの二元集合、そして {1,2,3}\{1, 2, 3\} そのものである。

P({1,2,3})={∅,{1},{2},{3},{1,2},{1,3},{2,3},{1,2,3}}\mathcal{P}(\{1, 2, 3\}) = \{ \emptyset, \{1\}, \{2\}, \{3\}, \{1, 2\}, \{1, 3\}, \{2, 3\}, \{1, 2, 3\} \}

任意の集合 AA について、空集合と AA 自身は P(A)\mathcal{P}(A) の元であり、各 aa(AA の元)について {a}∈P(A)\{a\} \in \mathcal{P}(A) であるが、aa は一般に P(A)\mathcal{P}(A) の元ではない。組合せ論の課では、nn 個の元をもつ集合が 2n2^n 個の部分集合をもつことを証明する。

順序対と直積

平面の点、分数、まだ実行していない引き算は、決まった順序に並べた二つの対象で記述される。対 (3,5)(3, 5) は対 (5,3)(5, 3) ではない。集合 {3,5}\{3, 5\} はこれを表すのに役立たない。{5,3}\{5, 3\} と等しいからである。順序対に求めるのはただ一つ、その特徴的性質である。二つの対が等しいのは、第一成分が一致し、第二成分が一致するとき、かつそのときに限る。クラトフスキは 1921 年に、この性質をもつ対象を構成するには集合の概念だけで足りることを示した。

定義(順序対)。第一成分 aa、第二成分 bb の順序対とは、集合
(a,b)={{a},{a,b}}(a, b) = \{ \{a\}, \{a, b\} \}
定理順序対の特徴的性質

任意の aa、bb、cc、dd について、対 (a,b)(a, b) と (c,d)(c, d) が等しいのは、a=ca = c かつ b=db = d のとき、かつそのときに限る。

(a,b)=(c,d)↔a=c∧b=d(a, b) = (c, d) \leftrightarrow a = c \wedge b = d

成分が等しければ、二つの対は同じ集合である。逆については、aa と bb が等しいか否かで場合を分け、関係する各集合が何個の元をもつかを数える。図は各対を二つの集合からなる集合として描いている。

証明

  1. {{a},{a,b}}={{c},{c,d}}\dato{ig}{\{ \{a\}, \{a, b\} \} = \{ \{c\}, \{c, d\} \}}

    二つの対が等しいと仮定する。外延性により、それらは同じ元をもつ。

  2. {c}={a},{c,d}={a}→c=a,d=a=b\{c\} = \{a\}, \quad \{c, d\} = \{a\} \rightarrow c = a, \quad d = a = b

    第一の場合、a=ba = b。このとき {a,b}={a}\{a, b\} = \{a\} であり、左辺の元は {a}\{a\} だけである。したがって右辺の二つの元はどちらもそれに等しい。

  3. {c}={a}→c=a\{c\} = \{a\} \rightarrow \dato{ca}{c = a}

    第二の場合、a≠ba \neq b。集合 {c}\{c\} は左辺に属するので、{a}\{a\} か {a,b}\{a, b\} である。{a,b}\{a, b\} ではありえない。二つの元をもつからである。したがって {a}\{a\} である。

  4. {c,d}={a,b}\{c, d\} = \{a, b\}

    {c,d}\{c, d\} も左辺に属する。それが {a}\{a\} ならば d=a=cd = a = c となり、右辺の元は {a}\{a\} だけになるが、左辺には二つある。これはありえない。したがって {c,d}\{c, d\} は {a,b}\{a, b\} である。

  5. {a,d}={a,b}→b=d\{a, \resaltar{d}\} = \{a, \resaltar{b}\} \rightarrow b = d

    c=ac = a なので、元 bb({a,b}={a,d}\{a, b\} = \{a, d\} の元)は aa か dd である。aa ではない(a≠ba \neq b だからである)。したがって dd である。

  6. (a,b)=(c,d)→a=c∧b=d(a, b) = (c, d) \rightarrow a = c \wedge b = d

    どちらの場合も、成分は一致する。

特徴的性質が証明されれば、クラトフスキの構成は忘れてよい。講座が対について述べることはすべてこの性質から導かれる。

定義(直積)。AA と BB の直積とは、第一成分が AA に属し、第二成分が BB に属する対の集合である。
A×B={(a,b):a∈A∧b∈B}A \times B = \{ (a, b) : a \in A \wedge b \in B \}

記法 {(a,b):a∈A∧b∈B}\{ (a, b) : a \in A \wedge b \in B \} そのものは認めた規則の一つではない。それらの規則は、すでに作られた集合から元を分離することしか許さない。しかし、この集合は存在する。a∈Aa \in A かつ b∈Bb \in B ならば、集合 {a}\{a\} と {a,b}\{a, b\} は A∪BA \cup B に含まれ、したがって P(A∪B)\mathcal{P}(A \cup B) の元である。ここから対 (a,b)={{a},{a,b}}(a, b) = \{ \{a\}, \{a, b\} \} が P(A∪B)\mathcal{P}(A \cup B) に含まれること、すなわち P(P(A∪B))\mathcal{P}(\mathcal{P}(A \cup B)) の元であることがわかる。したがって直積は、認めた規則によって存在が保証される集合の中で分離によって作られる。A∪BA \cup B は {A,B}\{A, B\} の元の和集合であり、そこで冪集合を二回とる。

A×B={z∈P(P(A∪B)):(∃a∈A)(∃b∈B) (z=(a,b))}A \times B = \{ z \in \mathcal{P}(\mathcal{P}(A \cup B)) : (\exists a \in A)(\exists b \in B)\,(z = (a, b)) \}

この名前はデカルトを思い起こさせる。解析幾何の平面は R×R\mathbb{R} \times \mathbb{R} である。積は交換的ではない。{1}×{2}\{1\} \times \{2\} は (1,2)(1, 2) だけを含み、{2}×{1}\{2\} \times \{1\} は (2,1)(2, 1) だけを含むが、特徴的性質により、後者は前者と異なる。

例格子としての直積

積 A×BA \times B(ただし A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\}、B={1,2}B = \{1, 2\})を書き、その元の個数を二つの因子の元の個数と比べよ。

証明

  1. A={1,2,3},B={1,2}A = \{1, 2, 3\}, \quad B = \{1, 2\}

    AA の元を横軸に、BB の元を縦軸に置く。各対は格子の一点である。

  2. (1,1), (2,1), (3,1)(1, 1), \ (2, 1), \ (3, 1)

    第二成分が 11 の対が第一行をなす。

  3. (1,2), (2,2), (3,2)(1, 2), \ (2, 2), \ (3, 2)

    第二成分が 22 の対が第二行をなす。

  4. A×B={(1,1),(2,1),(3,1),(1,2),(2,2),(3,2)}A \times B = \{ (1, 1), (2, 1), (3, 1), (1, 2), (2, 2), (3, 2) \}

    積は 3⋅2=63 \cdot 2 = 6 個の元をもつ。行の数は BB の元の個数に等しく、各行の対の数は AA の元の個数に等しい。組合せ論の積の法則はこの数え方を一般化する。

関係

22 が 66 を割り切る、33 が 55 より小さい、あるいは二つの日付が同じ曜日であると言うことは、ある対象の対が関係していると主張することである。そうであれば、関係はそれが結びつける対によって決まり、対の集合として定義できる。

定義(関係)。AA から BB への関係とは、部分集合 RR(積 A×BA \times B に含まれるもの)のことである。AA 上の関係とは、AA から AA への関係である。(a,b)∈R(a, b) \in R のとき、aa と bb は RR によって関係しているという。

たとえば、{1,2,3}\{1, 2, 3\} 上の関係「以下」は、対の集合 {(1,1),(1,2),(1,3),(2,2),(2,3),(3,3)}\{(1, 1), (1, 2), (1, 3), (2, 2), (2, 3), (3, 3)\} である。よく使う関係では、二つの項の間に a≤ba \leq b や a∣ba \mid b のような記号を書き、(a,b)∈R(a, b) \in R とは書かない。集合上の関係の四つの性質が講座全体を通じて現れる。

定義(関係の性質)。関係 RR(AA 上の)は、それぞれ次の条件を満たすとき、反射的、対称的、反対称的、推移的であるという。
  • 各元が自分自身と関係しているとき反射的である:(∀a∈A) ((a,a)∈R)(\forall a \in A)\,((a, a) \in R)。
  • aa が bb と関係していることから bb が aa と関係していることが従うとき対称的である:(∀a,b∈A) ((a,b)∈R→(b,a)∈R)(\forall a, b \in A)\,((a, b) \in R \rightarrow (b, a) \in R)。
  • 両方向に関係している二つの元が等しいとき反対称的である:(∀a,b∈A) ((a,b)∈R∧(b,a)∈R→a=b)(\forall a, b \in A)\,((a, b) \in R \wedge (b, a) \in R \rightarrow a = b)。
  • aa が bb と関係し、bb が cc と関係していることから、aa が cc と関係していることが従うとき推移的である:(∀a,b,c∈A) ((a,b)∈R∧(b,c)∈R→(a,c)∈R)(\forall a, b, c \in A)\,((a, b) \in R \wedge (b, c) \in R \rightarrow (a, c) \in R)。

A×AA \times A の格子では、関係は点の集合である。対 (a,a)(a, a) からなる対角線全体を含むとき反射的であり、その図形が対角線に関して対称であるとき対称的であり、対角線の外のどの点も、その対称な点が関係に入っていないとき反対称的である。反対称は「対称でない」という意味ではない。相等関係は両方の性質をもち、演習問題 1 ではどちらももたない関係を求める。

例1 から 6 までの集合における整除性と偶奇

A={1,2,3,4,5,6}A = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} 上で、整除関係 a∣ba \mid b と関係「偶奇が同じ」を考える。両方を A×AA \times A の格子に描き、それぞれが四つの性質のどれを満たすかを判定せよ。

証明

  1. {(a,b)∈A×A:a∣b}\dato{div}{\{ (a, b) \in A \times A : a \mid b \}}

    整除関係は、各数を AA の中のその倍数と結びつける。11 はすべての数と、22 は 22、44、66 と、33 は 33、66 と、残りはそれぞれ自分自身と結びつく。対は 1414 個ある。

  2. a=1⋅a→a∣aa = 1 \cdot a \rightarrow \resaltar{a \mid a}

    各数は自分自身を割り切るので反射的である。対角線は完全である。

  3. 2∣4,¬(4∣2)2 \mid 4, \quad \neg (4 \mid 2)

    対称的ではない。反例が一つあれば足りる。しかし反対称的である。a∣ba \mid b かつ b∣ab \mid a ならば、それぞれが他方以下だからである。

  4. a∣b∧b∣c→a∣ca \mid b \wedge b \mid c \rightarrow \resaltar{a \mid c}

    推移的である。b=kab = ka かつ c=lbc = lb ならば c=(lk)ac = (lk)a である。たとえば、1∣21 \mid 2 と 2∣62 \mid 6 から 1∣61 \mid 6 が従う。

  5. (1,3)∈R∧(3,1)∈R,1≠3(1, 3) \in R \wedge (3, 1) \in R, \quad 1 \neq 3

    偶奇が同じという関係は、奇数どうし、偶数どうしを結びつける。対は 9+9=189 + 9 = 18 個あり、対角線に関して対称な二つのブロックをなす。反射的、対称的、推移的であるが、反対称的ではない。11 と 33 を結びつけるが、それらは等しくないからである。

同値関係

関係「偶奇が同じ」は部分的な相等のようにふるまう。ある一つの側面、すなわち偶奇で一致する数を同一視し、他の側面は無視する。このようにふるまわせる三つの性質には名前がある。

定義(同値関係)。AA 上の関係が反射的、対称的、推移的であるとき、同値関係という。このとき a∼ba \sim b と書き、aa は bb と同値であるという。aa の同値類とは、aa と同値な元の集合であり、その各元はその類の代表元である。
C(a)={x∈A:x∼a}C(a) = \{ x \in A : x \sim a \}

同値類全体の集合を商集合といい、A/∼A/{\sim} と書く。

同値関係の例としては、各同値類が一つの元だけをもつ相等関係、同値類が二つの「偶奇が同じ」、同値類が三つの「33 で割った余りが同じ」、そして例題 3 で扱う、同値類が七つの「同じ曜日である」がある。一般に、gg が AA 上で定義された関数ならば、関係 g(x)=g(y)g(x) = g(y) は相等関係から三つの性質を受け継ぐ。例題 5 は、すべての同値関係がこの形であることを示す。

補題同値類

∼\sim を AA 上の同値関係とする。任意の aa と bb(AA の元)について、各元は自分の同値類に属し、二つの元が同値であるのはその同値類が等しいとき、かつそのときに限り、共通の元をもつ二つの同値類は等しい。 各結論は、同値関係の三つの性質のいずれかを同値類の任意の元に適用して得られる。

証明

  1. a∼a→a∈C(a)a \sim a \rightarrow \resaltar{a \in C(a)}

    反射性により a∼aa \sim a であり、同値類の定義により aa は C(a)C(a) に属する。したがって空の同値類はない。

  2. x∼a∧a∼b→x∼bx \sim a \wedge a \sim b \rightarrow \resaltar{x \sim b}

    a∼ba \sim b と仮定し、xx が C(a)C(a) に属するとする。推移性により、x∼ax \sim a と a∼ba \sim b から x∼bx \sim b が従う。したがって C(a)⊆C(b)C(a) \subseteq C(b) である。

  3. a∼b→C(a)=C(b)a \sim b \rightarrow \dato{eq}{C(a) = C(b)}

    対称性により b∼ab \sim a でもあり、同じ議論で C(b)⊆C(a)C(b) \subseteq C(a) が得られる。二重包含により、二つの同値類は等しい。

  4. a∈C(a)=C(b)→a∼ba \in C(a) = C(b) \rightarrow a \sim b

    逆に C(a)=C(b)C(a) = C(b) ならば、元 aa は C(a)C(a) に属し、したがって C(b)C(b) に属する。すなわち a∼ba \sim b である。

  5. x∈C(a)∩C(b)→C(a)=C(b)x \in C(a) \cap C(b) \rightarrow C(a) = C(b)

    xx が C(a)C(a) にも C(b)C(b) にも属するならば、対称性と推移性により、a∼xa \sim x と x∼bx \sim b から a∼ba \sim b が得られ、前の結論により二つの同値類は等しい。

したがって、同値類は集合を重なりのないブロックに分ける。この集合の分け方は、それ自体として定義する価値がある。

定義(分割)。集合 AA の分割とは、AA の部分集合からなる集合であって、それらの部分集合(ブロックという)が空でなく、どの二つも共通部分をもたず、その和集合が AA であるものをいう。同値な言い方をすれば、AA の各元がちょうど一つのブロックに属する。
定理同値関係と分割

AA 上の同値関係の同値類は AA の分割をなす。逆に、Π\Pi が AA の分割ならば、関係「同じブロックに属する」は同値関係であり、その同値類はちょうど Π\Pi のブロックである。 第一の部分は前の補題であり、第二の部分は、各元がただ一つのブロックにあるという条件を使って三つの性質を確かめる。図は、関係「33 で割った余りが同じ」を、11 から 99 までの数の集合の上でたどっている。

証明

  1. (∀a∈A) (a∈C(a))(\forall a \in A)\,(a \in \resaltar{C(a)})

    補題により、空の同値類はなく、各元は自分の同値類に属するので、同値類の和集合は AA である。

  2. C(a)≠C(b)→C(a)∩C(b)=∅C(a) \neq C(b) \rightarrow C(a) \cap C(b) = \resaltar{\emptyset}

    補題により、異なる二つの同値類は共通の元をもたない。したがって同値類は分割をなす。

  3. a∼b↔(∃X∈Π)(a∈X∧b∈X)a \sim b \leftrightarrow (\exists X \in \Pi)(a \in X \wedge b \in X)

    逆に、Π\Pi を分割とし、a∼ba \sim b と書くことにする(aa と bb が同じブロックにあるとき)。各元はあるブロックにあり、したがって自分自身と同じブロックにある。この関係は反射的である。対称性は明らかである。条件は aa と bb を挙げる順序によらないからである。

  4. b∈X∩Y→X=Y→a∼cb \in X \cap Y \rightarrow X = Y \rightarrow a \sim c

    推移性:aa と bb がブロック XX にあり、bb と cc がブロック YY にあるならば、bb は XX にも YY にもある。各元はただ一つのブロックにあるので X=YX = Y であり、aa と cc は同じブロックにある。

  5. a∈X→C(a)=Xa \in X \rightarrow C(a) = \resaltar{X}

    最後に、aa がブロック XX にあるならば、aa の同値類は aa と同じブロックにある元、すなわち XX の元からなる。同値類はブロックである。

したがって、AA 上の同値関係を与えることと、AA の分割を与えることは、同じことを言う二つの方法である。例題 4 はこれを利用して同値関係を数える。商集合は、新しい集合として見た分割である。AA から A/∼A/{\sim} へ移ると、同値な元は一つに融合する。

例整数を構成するための関係

自然数の対の集合 N×N\mathbb{N} \times \mathbb{N} において、(a,b)∼(c,d)(a, b) \sim (c, d) を定める。その条件は a+d=b+ca + d = b + c である。これが同値関係であることは整数の課で証明する。(5,2)(5, 2)、(1,1)(1, 1)、(2,5)(2, 5) の同値類の代表元をいくつか求め、同値類を対の格子の上で記述せよ。

証明

  1. (a,b)∼(c,d)↔a+d=b+c(a, b) \sim (c, d) \leftrightarrow \resaltar{a + d = b + c}

    対 (a,b)(a, b) は、自然数の中には存在しないかもしれない、まだ実行していない引き算 a−ba - b を表す。条件 a+d=b+ca + d = b + c は、引き算を一つも書かずに、二つの対が同じ引き算を表すことを述べている。

  2. C(5,2)={(4,1),(5,2),(6,3),(7,4),…}C(5, 2) = \{ (4, 1), (5, 2), (6, 3), (7, 4), \ldots \}

    (5,2)(5, 2) の同値類は、差 33 を記述する対を含む。たとえば (4,1)(4, 1) である。5+1=2+45 + 1 = 2 + 4 だからである。

  3. C(1,1)={(1,1),(2,2),(3,3),…}C(1, 1) = \{ (1, 1), (2, 2), (3, 3), \ldots \}

    (1,1)(1, 1) の同値類は、成分が等しい対からなる。等式 1+b=1+a1 + b = 1 + a が a=ba = b を要求するからである。これは格子の対角線である。

  4. C(2,5)={(1,4),(2,5),(3,6),…}C(2, 5) = \{ (1, 4), (2, 5), (3, 6), \ldots \}

    (2,5)(2, 5) の同値類は、まだ存在しない差、すなわち将来の −3-3 を記述する。

  5. Z=(N×N)/∼\mathbb{Z} = \left( \mathbb{N} \times \mathbb{N} \right) / {\sim}

    各同値類は、対角線に平行な一本の直線上にある対の集合であり、定理により、これらの直線は格子の分割をなす。定義により、整数はこれらの同値類の一つとなる。Z\mathbb{Z} は商集合である。

同様に、有理数の課では、二つの分数 (p,q)(p, q) と (r,s)(r, s) は ps=qrps = qr のとき同値であり、有理数は一つの同値類である。合同式の課では、nn を法とする剰余類は整数の間の同値関係の同値類である。

順序関係

前の例の整除関係は対称的ではなく反対称的であった。元を同一視するのではなく、順序づける。この種の関係には固有の名前がある。

定義(順序)。AA 上の関係が反射的、反対称的、推移的であるとき、順序関係または半順序という。このとき a⪯ba \preceq b と書き、aa は bb に先行するという。二つの元がいつも比較可能であるとき、すなわち任意の aa と bb について a⪯ba \preceq b または b⪯ab \preceq a であるとき、その順序は全順序である。

順序の例としては、自然数の間の関係 ≤\leq(自然数の演算の課で証明する三分律により全順序である)、包含関係(その性質の定理により順序であるが、{1}\{1\} と {2}\{2\} が比較可能でないので全順序ではない)、そして自然数の間の整除関係(その反対称性は整除性の課で証明し、2∣32 \mid 3 も 3∣23 \mid 2 も成り立たないので全順序ではない)がある。有限の順序はハッセ図で描く。各元に一つの点を置き、bb を aa より上に置くのは aa が bb に先行するときで、両者の間に他の元がないときに線分で結ぶ。推移性により、残りの線分は省略できる。

定義(界と極端な元)。⪯\preceq を AA 上の順序、XX を AA の部分集合とする。XX の界と極端な元を次のように定義する。
  • 元 cc(AA の元)が XX の下界であるとは、XX のすべての元に先行することであり、上界であるとは、XX のすべての元がそれに先行することである。
  • XX の最小元とは、XX の下界であって XX に属するものであり、最大元とは、上界であって XX に属するものである。
  • 元 mm(XX の元)は、XX の元でそれと異なるものがそれに先行しないとき極小元であり、それが XX の元でそれ自身と異なるものに先行しないとき極大元である。
  • XX の下限とは、その下界の集合の最大元であり、上限とは、その上界の集合の最小元である。ただし存在する場合に限る。
命題最小元は一意であり、ただ一つの極小元である

順序集合の部分集合 XX が最小元をもつならば、それは一意であり、XX のただ一つの極小元である。順序が全順序ならば、XX の極小元はすべてその最小元である。最大元と極大元についても同じことが成り立つ。 一意性は反対称性に、最後の結論は比較可能性に基づく。

証明

  1. m⪯n∧n⪯m→m=nm \preceq n \wedge n \preceq m \rightarrow \resaltar{m = n}

    mm と nn がどちらも XX の最小元ならば、それぞれが XX に属し、そのすべての元に先行する。特に、それぞれが他方に先行し、反対称性により等しい。

  2. x⪯m∧m⪯x→x=mx \preceq m \wedge m \preceq x \rightarrow x = m

    最小元 mm は極小元である。xx(XX の元)が mm に先行するならば、m⪯xm \preceq x でもあるので、反対称性により x=mx = m である。

  3. m⪯n→m=nm \preceq n \rightarrow m = n

    nn が極小元ならば、mm は nn に先行し XX に属するので、極小元の定義により m=nm = n となる。他に極小元はない。

  4. (∀x∈X) (m⪯x)(\forall x \in X)\,(\resaltar{m \preceq x})

    順序が全順序で mm が極小元ならば、各 xx(XX の元)について m⪯xm \preceq x または x⪯mx \preceq m である。第二の場合、極小性により x=mx = m である。どちらの場合も m⪯xm \preceq x であり、したがって mm は最小元である。

例整除で順序づけた 12 の約数

集合 A={1,2,3,4,6,12}A = \{1, 2, 3, 4, 6, 12\}(1212 の約数の集合で、整除で順序づけたもの)において、部分集合 X={2,3,4,6}X = \{2, 3, 4, 6\} を考える。ハッセ図を描き、XX の極小元と極大元、最小元、最大元、上界と下界、下限と上限を求めよ。

証明

  1. 1∣2∣4∣12,1∣3∣6∣121 \mid 2 \mid 4 \mid 12, \qquad 1 \mid 3 \mid 6 \mid 12

    図では、11 はすべての数を割り切るので一番下にある。その上に 22 と 33、さらにその上に 44 と 66、一番上に 1212 がある。線分で結ばれるのは、11 と 22 および 33、22 と 44 および 66、33 と 66、そして 44 および 66 と 1212 である。

  2. ¬(2∣3),¬(3∣2)\neg (2 \mid 3), \quad \neg (3 \mid 2)

    XX の極小元は 22 と 33 である。XX の他のどの元もそれらを割り切らない。極小元が二つあるので、命題により XX は最小元をもたない。22 と 33 が比較可能でないので、この順序は全順序ではない。

  3. ¬(4∣6),¬(6∣4)\neg (4 \mid 6), \quad \neg (6 \mid 4)

    極大元は 44 と 66 であり、これらは XX の他のどの元も割り切らない。最大元もない。

  4. (∀x∈X) (1∣x∧x∣12)(\forall x \in X)\,(\resaltar{1} \mid x \wedge x \mid \resaltar{12})

    XX の AA における下界は 11 だけなので、これが下限である。上界は 1212 だけであり、これが上限である。どちらも XX に属さない。

このように、最小元と最大元がなくても、下限と上限は存在しうる。この区別は実数を特徴づける。数の集合の課では、上に有界な空でない実数の集合はすべて上限をもつことを完備性の公理として認めるが、有理数はこれを満たさない。一方、自然数は整列原理を満たす。これは総和と帰納法の課で証明するもので、空でない自然数の集合はすべて最小元をもつ。

関数

関係としての関数

関数は、ある集合の各元に別の集合のちょうど一つの元を割り当てる。そうであれば、関数は各元とそれに割り当てられた元からなる対によって決まり、特別な性質をもつ関係として定義できる。

定義(関数)。関数 ff(AA から BB への)とは、AA から BB への関係であって、AA の各元を BB のちょうど一つの元と結びつけるものである。
(∀a∈A)(∃!b∈B) ((a,b)∈f)(\forall a \in A)(\exists! b \in B)\,((a, b) \in f)

そのただ一つの元を aa の像といい、f(a)f(a) と書く。また f:A→Bf : A \to B と書き、AA を ff の定義域、BB をその終域という。

二つの関数は、定義域が同じで、終域が同じで、各元における像が同じであるとき等しい。AA の恒等関数は IAI_A と書き、各元をそのままの場所に置く。それは A×AA \times A の対角線であり、すべての IA(x)=xI_A(x) = x(xx の元)について AA である。

定義(像と原像)。f:A→Bf : A \to B とする。部分集合 XX(AA の)の像とはその元の像の集合であり、部分集合 YY(BB の)の原像とは、AA の元のうち像が YY に入るものの集合である。
f(X)={f(x):x∈X},f−1(Y)={x∈A:f(x)∈Y}f(X) = \{ f(x) : x \in X \}, \qquad f^{-1}(Y) = \{ x \in A : f(x) \in Y \}

定義域全体の像 f(A)f(A) を ff の値域といい、ran⁡(f)\operatorname{ran}(f) と書く。

原像の記法は、ff が逆関数をもつことを仮定しない。原像はどんな関数にも存在する。

例約数の個数の関数

f:{1,2,3,4,5,6}→{1,2,3,4}f : \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} \to \{1, 2, 3, 4\} を、各数にその約数の個数を割り当てる関数とする。その値、値域、{2}\{2\} の原像を求め、f(X∩Y)f(X \cap Y) と f(X)∩f(Y)f(X) \cap f(Y) を比べよ(ただし X={2,4}X = \{2, 4\}、Y={3,4}Y = \{3, 4\})。

証明

  1. f(1)=1, f(2)=f(3)=f(5)=2, f(4)=3, f(6)=4f(1) = 1, \ f(2) = f(3) = f(5) = 2, \ f(4) = 3, \ f(6) = 4

    11 は約数を一つもつ。22、33、55 は二つずつもつ。44 は三つ、すなわち 11、22、44 をもち、66 は四つ、すなわち 11、22、33、66 をもつ。

  2. ran⁡(f)={1,2,3,4}\operatorname{ran}(f) = \{1, 2, 3, 4\}

    終域の各元はある元の像である。値域は終域全体である。

  3. f−1({2})={2,3,5}f^{-1}(\{2\}) = \{2, 3, 5\}

    約数をちょうど二つもつ数は、定義域の素数である。

  4. f(X∩Y)=f({4})={3}f(X \resaltar{\cap} Y) = f(\{4\}) = \{3\}

    XX と YY の共通部分は {4}\{4\} であり、その像は {3}\{3\} である。

  5. f(X)∩f(Y)={2,3}≠{3}f(X) \resaltar{\cap} f(Y) = \{2, 3\} \neq \{3\}

    一方、f(X)=f(Y)={2,3}f(X) = f(Y) = \{2, 3\} である。22 と 33 が同じ像をもつからである。一般に成り立つのは包含 f(X∩Y)⊆f(X)∩f(Y)f(X \cap Y) \subseteq f(X) \cap f(Y) だけである。xx(X∩YX \cap Y の元)は両方の像の証拠になるからである。ここでの 22 と 33 のように証拠が異なると、等号は成り立たない。

合成

f:A→Bf : A \to B かつ g:B→Cg : B \to C ならば、各 xx(AA の元)は f(x)f(x) に像 BB をもち、それはさらに CC に像をもつ。gg と ff の合成とは関数 g∘f:A→Cg \circ f : A \to C であり、まず ff を、次に gg を適用する。

(g∘f)(x)=g(f(x))\left( g \circ f \right)(x) = g(f(x))

これは関数である。各 xx には f(x)f(x) がただ一つ対応し、それには g(f(x))g(f(x)) がただ一つ対応するからである。書く順序は適用する順序の逆である。g∘fg \circ f では右側の関数が先に働く。合成は交換的ではない。自然数で f(n)=2nf(n) = 2n かつ g(n)=n+1g(n) = n + 1 ならば、(g∘f)(n)=2n+1(g \circ f)(n) = 2n + 1 は奇数であり、(f∘g)(n)=2n+2(f \circ g)(n) = 2n + 2 は偶数である。恒等関数は両側で中立である。f(IA(x))=f(x)f(I_A(x)) = f(x) かつ IB(f(x))=f(x)I_B(f(x)) = f(x) だからである。

f∘IA=f,IB∘f=ff \circ I_A = f, \qquad I_B \circ f = f
定理合成の結合性

f:A→Bf : A \to B、g:B→Cg : B \to C、h:C→Dh : C \to D ならば、関数 h∘(g∘f)h \circ (g \circ f) と (h∘g)∘f(h \circ g) \circ f は等しい。 どちらも AA から DD への関数である。合成の定義を二回展開して、各元で同じ値をとることを確かめれば十分である。図は関数を四つの列の間の矢印として表している。

証明

  1. (h∘(g∘f))(x)=h((g∘f)(x))\left( h \circ \left( g \circ f \right) \right)(x) = h\left( \resaltar{\left( g \circ f \right)(x)} \right)

    xx を AA の任意の元とする。合成の定義を hh と g∘fg \circ f に適用する。

  2. =h(g(f(x)))= h\left( \resaltar{g(f(x))} \right)

    再び定義により、今度は g∘fg \circ f に適用する。

  3. ((h∘g)∘f)(x)=(h∘g)(f(x))\left( \left( h \circ g \right) \circ f \right)(x) = \left( h \circ g \right)\left( \resaltar{f(x)} \right)

    他方、定義を h∘gh \circ g と ff に適用する。

  4. =h(g(f(x)))= \resaltar{h(g(f(x)))}

    そして定義を h∘gh \circ g に、元 f(x)f(x) において適用する。

  5. h∘(g∘f)=(h∘g)∘fh \circ \left( g \circ f \right) = \left( h \circ g \right) \circ f

    二つの関数は定義域、終域、値が同じである。したがって等しい。そのため括弧なしで h∘g∘fh \circ g \circ f と書く。

単射、全射、全単射

定義。関数 f:A→Bf : A \to B は、異なる元が異なる像をもつとき、あるいは対偶により、像が等しいことから元が等しいことが従うとき単射である。BB のすべての元が AA のある元の像であるとき、すなわち ran⁡(f)=B\operatorname{ran}(f) = B のとき全射である。単射かつ全射であるとき全単射である。
(∀x,y∈A) (f(x)=f(y)→x=y),(∀b∈B)(∃x∈A) (f(x)=b)(\forall x, y \in A)\,(f(x) = f(y) \rightarrow x = y), \qquad (\forall b \in B)(\exists x \in A)\,(f(x) = b)

例の約数の個数の関数は全射であるが単射ではない。自然数から自然数への関数 n↦2nn \mapsto 2n は単射であるが全射ではない。11 はどの自然数の二倍でもないからである。次の課の後者関数は、ペアノの第四公理により N\mathbb{N} から N\mathbb{N} への単射であり、第三公理により全射ではない。11 はどの自然数の像でもないからである。全射性は宣言された終域に依存する。全単射は二つの集合の元を、重複も漏れもなく対にする。そのため組合せ論の課では、AA が nn 個の元をもつとは、{1,2,…,n}\{1, 2, \ldots, n\} から AA への全単射が存在することであると定める。

定理合成は単射性と全射性を保つ

f:A→Bf : A \to B かつ g:B→Cg : B \to C とする。ff と gg が単射ならば g∘fg \circ f は単射である。ff と gg が全射ならば g∘fg \circ f は全射である。したがって、両方が全単射ならば g∘fg \circ f は全単射である。 単射性については、合成の流れを CC から AA へと逆にたどる。全射性についても同様だが、原像を探しながらたどる。図は三つの列を示している。

証明

  1. g(f(x))=g(f(y))g(f(x)) = g(f(y))

    単射性:xx と yy(AA の元)が g∘fg \circ f による同じ像をもつとする。

  2. f(x)=f(y)\dato{fa}{f(x) = f(y)}

    gg は単射なので、元 f(x)f(x) と f(y)f(y) は、gg による像が同じであるから、等しい。

  3. f(x)=f(y)→x=y\resaltar{f(x) = f(y)} \rightarrow x = y

    ff は単射なので x=yx = y である。したがって g∘fg \circ f は単射である。

  4. g(b)=c,f(a)=b\dato{b}{g(b) = c}, \quad \dato{a}{f(a) = b}

    全射性:cc(CC の元)をとる。gg は全射なので、bb(BB の元)で g(b)=cg(b) = c となるものがある。ff は全射なので、aa(AA の元)で f(a)=bf(a) = b となるものがある。

  5. (g∘f)(a)=g(f(a))=g(b)=c\left( g \circ f \right)(a) = g(\resaltar{f(a)}) = g(\resaltar{b}) = c

    その aa は合成による cc の原像である。したがって g∘fg \circ f は全射であり、両方の関数が全単射ならば合成も全単射である。

逆関数

関数 g:B→Ag : B \to A が f:A→Bf : A \to B を打ち消すとは、ff の後に適用すると各元を出発点に戻すこと、すなわち g∘f=IAg \circ f = I_A であることをいう。また ff が逆に gg を打ち消すのは f∘g=IBf \circ g = I_B のときである。両方の等式を満たす関数を ff の逆関数という。次の定理は、どの関数が逆関数をもつかを述べる。

定理関数が全単射であるのは逆関数をもつときであり、かつそのときに限り、逆関数は一意である

関数 f:A→Bf : A \to B が全単射であるのは、関数 g:B→Ag : B \to A が存在して g∘f=IAg \circ f = I_A かつ f∘g=IBf \circ g = I_B となるとき、かつそのときに限る。その関数 gg は一意であり、ff の逆関数といい、f−1f^{-1} と書く。さらに、f−1f^{-1} は全単射であり、その逆関数は ff である。 逆関数を構成するには ff の対を逆にし、一意性には合成の結合性を使う。図は四つの元からなる二つの集合の間の全単射をたどっている。

証明

  1. g={(b,a):(a,b)∈f},g(b)=a↔f(a)=bg = \{ (b, a) : (a, b) \in f \}, \quad \dato{g}{g(b) = a \leftrightarrow f(a) = b}

    ff が全単射であると仮定する。各 bb(BB の元)について、aa で f(a)=bf(a) = b となるものがある(ff が全射だからである)。しかもそれはただ一つである(ff が単射だからである)。したがって、ff の対を逆にして得られる関係は BB から AA への関数である。

  2. g(f(a))=a,f(g(b))=bg(f(a)) = \resaltar{a}, \qquad f(g(b)) = \resaltar{b}

    gg の定義により、ff を適用してから gg を適用すると各 aa が戻り、gg を適用してから ff を適用すると各 bb が戻る。

  3. x=g(f(x))=g(f(y))=yx = g(f(x)) = g(\resaltar{f(y)}) = y

    逆に、gg が存在すると仮定する。f(x)=f(y)f(x) = f(y) ならば、gg を適用すると x=yx = y となる。関数 ff は単射である。

  4. f(g(b))=bf(\resaltar{g(b)}) = b

    各 bb(BB の元)について、元 g(b)g(b) は bb の原像である。関数 ff は全射であり、したがって全単射である。

  5. g=g∘IB=g∘(f∘h)=(g∘f)∘h=IA∘h=hg = g \circ I_B = g \circ \resaltar{\left( f \circ h \right)} = \resaltar{\left( g \circ f \right)} \circ h = I_A \circ h = h

    一意性:gg と hh がどちらも両方の等式を満たすならば、恒等関数をはさみ、結合性によってまとめ直す。

  6. f−1∘f=IA,f∘f−1=IBf^{-1} \circ f = I_A, \qquad f \circ f^{-1} = I_B

    定義の二つの等式は ff と f−1f^{-1} について対称である。ff は f−1f^{-1} を両方向に打ち消す。すでに証明した部分により、f−1f^{-1} は全単射であり、その逆関数は ff である。

系全単射をもつことは集合の間の同値である

任意の集合 AA、BB、CC について、AA から AA への全単射が存在する。AA から BB への全単射が存在すれば、BB から AA への全単射が存在する。AA から BB への全単射と BB から CC への全単射が存在すれば、AA から CC への全単射が存在する。特に、AA が nn 個の元をもち、AA から BB への全単射が存在するならば、BB は nn 個の元をもつ。 各主張は前の定理のいずれかである。

証明

  1. IA∘IA=IAI_A \circ I_A = I_A

    恒等関数は全単射である。それ自身が逆関数だからである。

  2. f:A→B→f−1:B→Af : A \to B \rightarrow f^{-1} : B \to A

    逆関数の定理により、全単射の逆関数は全単射である。

  3. f:A→B, g:B→C→g∘f:A→Cf : A \to B, \ g : B \to C \rightarrow g \circ f : A \to C

    前の定理により、二つの全単射の合成は全単射である。

  4. f∘h:{1,…,n}→Bf \circ h : \{1, \ldots, n\} \to B

    hh が {1,…,n}\{1, \ldots, n\} から AA への全単射で、ff が AA から BB への全単射ならば、合成は {1,…,n}\{1, \ldots, n\} から BB への全単射である。

これを同値関係と呼ばないのは、それを定義する場となる、すべての集合からなる集合が存在しないからである。関数の演算の課では、これらの結果を実関数に適用する。そこでは逆関数のグラフは、もとの関数のグラフを対角線に関して対称に移したものになる。これは対を逆にすることの幾何学的な姿である。

例題

問題は、関数についての二つの練習から、同値関係の三つの応用へと進む。第二問は自然数の積とその簡約法則を用いる。これは自然数の演算の課で証明する。第三問は余りのある割り算を用いる。これは整除性の課で証明する。これらの結果はどれもこの課に依存しない。

例題 1合成がその因子について教えること

f:A→Bf : A \to B かつ g:B→Cg : B \to C とする。g∘fg \circ f が単射ならば ff は単射であり、g∘fg \circ f が全射ならば gg は全射であることを証明せよ。また、g∘fg \circ f が全単射であっても、gg が単射でなく ff が全射でないことがありうることを例で示せ。

解答

  1. f(x)=f(y)→g(f(x))=g(f(y))f(x) = f(y) \rightarrow \resaltar{g(f(x)) = g(f(y))}

    xx と yy(AA の元)が f(x)=f(y)f(x) = f(y) を満たすとする。gg は関数なので、等しい元に等しい像を割り当てる。

  2. (g∘f)(x)=(g∘f)(y)→x=y\left( g \circ f \right)(x) = \left( g \circ f \right)(y) \rightarrow x = y

    この等式は g∘fg \circ f による像の等式であり、この関数は単射である。したがって x=yx = y であり、ff は単射である。

  3. c=g(f(a))=g(b)c = g(\resaltar{f(a)}) = g(b)

    cc(CC の元)をとる。g∘fg \circ f は全射なので、aa で g(f(a))=cg(f(a)) = c となるものがある。元 b=f(a)b = f(a)(BB の元)は cc の原像である(gg による)。

  4. (g∘f)(1)=g(1)=1\left( g \circ f \right)(1) = g(1) = 1

    例として、A=C={1}A = C = \{1\} と B={1,2}B = \{1, 2\} をとり、f(1)=1f(1) = 1、g(1)=g(2)=1g(1) = g(2) = 1 とする。合成は {1}\{1\} の恒等関数であり、全単射である。

  5. g(1)=g(2),2∉ran⁡(f)g(1) = g(2), \quad 2 \notin \operatorname{ran}(f)

    しかし、gg は単射ではない。g(1)=g(2)g(1) = g(2) だからである。また ff は全射ではない。22 は何の像でもないからである。合成が伝えるのは、第一の因子の単射性と第二の因子の全射性であり、それ以上ではない。

例題 2偶数は自然数と同じだけある

P={m∈N:(∃k∈N)(m=2k)}P = \{ m \in \mathbb{N} : (\exists k \in \mathbb{N})(m = 2k) \} を偶数の集合とする。N\mathbb{N} から PP への全単射をその逆関数とともに構成し、PP が N\mathbb{N} の真部分集合であることに注意せよ。

解答

  1. f(n)=2n∈P\dato{f}{f(n) = 2n} \in P

    二倍することを提案する:f(n)=2nf(n) = 2n。これは N\mathbb{N} から PP への関数である。2n2n は偶数であり、k=nk = n がその証拠だからである。

  2. 2n=2m→n=m2n = 2m \rightarrow \resaltar{n = m}

    単射性:2n=2m2n = 2m ならば、自然数の積の簡約法則により n=mn = m である。

  3. m=2k=f(k)m = 2k = f(\resaltar{k})

    全射性:すべての mm(PP の元)は 2k2k の形をしている(kk は自然数)。したがって kk の像である。

  4. f−1(m)=m2,f−1(f(n))=2n2=nf^{-1}(m) = \frac{m}{2}, \qquad f^{-1}(f(n)) = \frac{2n}{2} = n

    逆関数の定理により、ff は逆関数をもつ。それは各偶数にその半分を割り当てる関数であり、その半分とは前の段階の自然数 kk で、簡約法則により一意である。

  5. 1∉P,P⊆N,P≠N1 \notin P, \qquad P \subseteq \mathbb{N}, \quad P \neq \mathbb{N}

    しかし、PP は N\mathbb{N} の真部分集合である。11 は偶数ではない。2k=k+k≥1+1=22k = k + k \geq 1 + 1 = 2 がすべての自然数 kk について成り立つからである。

この結果は、部分は全体より小さいという直観に反する。ガリレオはすでに 1638 年に、自然数をその平方と対にしたときにこのことに気づいていた。どの有限集合も自分自身の真部分集合と全単射の関係にないということは鳩の巣原理の一つの形であり、組合せ論の課はこれを元の個数の一意性とともに証明なしに認める。この原理を受け入れれば、N\mathbb{N} は有限ではない。デデキントはまさにこの性質を無限集合の定義とし、ペアノの公理の課は N\mathbb{N} がこの性質をもつことを示す。

例題 3曜日

2026 年 1 月 1 日は木曜日であった。2026 年の日に 11 から 365365 まで番号をつけ、二つの日は、その番号を 77 で割った余りが同じであるとき同値であるとする。これが同値関係であることを証明し、その同値類を記述し、2026 年 10 月 5 日が何曜日か、2027 年 10 月 5 日が何曜日になるかを求めよ。

解答

  1. n∼m↔g(n)=g(m)n \sim m \leftrightarrow \resaltar{g(n) = g(m)}

    g(n)g(n) を nn を 77 で割った余りとする。余りのある割り算の定理により、これは一意である。関係は g(n)=g(m)g(n) = g(m) であり、相等関係から三つの性質を受け継ぐ。g(n)=g(n)g(n) = g(n) であり、g(n)=g(m)g(n) = g(m) ならば g(m)=g(n)g(m) = g(n) であり、g(n)=g(m)g(n) = g(m) かつ g(m)=g(p)g(m) = g(p) ならば g(n)=g(p)g(n) = g(p) である。

  2. C(1)={1,8,15,…,365},…,C(7)={7,14,…,364}C(1) = \{1, 8, 15, \ldots, 365\}, \quad \ldots, \quad C(7) = \{7, 14, \ldots, 364\}

    可能な余りは 0,1,…,60, 1, \ldots, 6 であり、どれも実際に現れるので、同値類は七つある。七列のカレンダーの七つの列である。週は七日ごとに繰り返すので、同値な二つの日は同じ曜日になる。

  3. 31+28+31+30+31+30+31+31+30+5=27831 + 28 + 31 + 30 + 31 + 30 + 31 + 31 + 30 + 5 = \dato{n}{278}

    10 月 5 日はその年の第 278278 日である。前の九か月の日数の合計が 273273 日だからである。

  4. 278=7⋅39+5→278∼5278 = 7 \cdot 39 + \resaltar{5} \rightarrow 278 \sim 5

    77 で割る。余りは 55 なので、10 月 5 日は第 55 日、すなわち 1 月 5 日の同値類に入る。

  5. C(278)=C(5)C(278) = C(5)

    第 11 日は木曜日であったので、その四日後の第 55 日は月曜日であった。2026 年 10 月 5 日は月曜日である。

  6. 365=7⋅52+1365 = 7 \cdot 52 + \resaltar{1}

    2026 年は 365365 日あり、365=7⋅52+1365 = 7 \cdot 52 + 1 である。翌年の同じ日付は 365365 日後、すなわち曜日が一つ後になる。2027 年 10 月 5 日は火曜日になる。

例題 4四つの元からなる集合の同値関係

集合 {1,2,3,4}\{1, 2, 3, 4\} 上の同値関係はいくつあるか。

解答

  1. a∼b↔(∃X∈Π)(a∈X∧b∈X)a \sim b \leftrightarrow (\exists X \in \Pi)(a \in X \wedge b \in X)

    同値関係と分割の定理により、各同値関係はその同値類からなる分割を定め、各分割 Π\Pi は、ブロックを同値類とする同値関係「同じブロックにある」を定める。二つの対応は互いに打ち消し合う。したがって分割を数えれば十分であり、ブロックの大きさによって分類する。

  2. {1,2,3,4}\{1, 2, 3, 4\}

    四つの元のブロック一つ:分割は一つ、すなわち同値類が一つだけのもの。

  3. {2,3,4},{1};{1,3,4},{2};{1,2,4},{3};{1,2,3},{4}\{2, 3, 4\}, \{1\}; \quad \{1, 3, 4\}, \{2\}; \quad \{1, 2, 4\}, \{3\}; \quad \{1, 2, 3\}, \{4\}

    三つの元のブロック一つと一つの元のブロック一つ:単独の元を選ぶ方法の数だけあり、四つ。

  4. {1,2},{3,4};{1,3},{2,4};{1,4},{2,3}\{1, 2\}, \{3, 4\}; \quad \{1, 3\}, \{2, 4\}; \quad \{1, 4\}, \{2, 3\}

    二つの元のブロック二つ:11 の相方で決まり、それは 22、33、44 のいずれかである。三つ。

  5. {1,2},{1,3},{1,4},{2,3},{2,4},{3,4}\{1, 2\}, \{1, 3\}, \{1, 4\}, \{2, 3\}, \{2, 4\}, \{3, 4\}

    二つの元のブロック一つと一つの元のブロック二つ:二つの元のブロックをなす対で決まり、そのような対は六つある。

  6. 1+4+3+6+1=151 + 4 + 3 + 6 + 1 = 15

    一つの元のブロック四つ:分割は一つ、すなわち相等関係のもの。五つの型を合計すると同値関係の個数が得られる。

11、22、33、44、55 個の元からなる集合の分割の個数は 11、22、55、1515、5252 である。これらはベル数と呼ばれ、演習問題 2 で五番目を求める。

例題 5すべての関数は分類である

f:A→Bf : A \to B を関数とする。関係 x∼yx \sim y(f(x)=f(y)f(x) = f(y) で定義される)が同値関係であること、そして ff が三つの関数の合成であることを証明せよ。三つの関数とは、全射 gg(各元をその同値類に送る)、全単射 hh(商集合から ff の値域への)、そして単射 JJ(値域の各元を BB の中のそれ自身に送る)である。これを例の約数の個数の関数に適用せよ。

解答

  1. C(x)=f−1({f(x)})C(x) = f^{-1}(\{ f(x) \})

    関係 f(x)=f(y)f(x) = f(y) は、例題 3 と同じ議論により同値関係である。その同値類は値域の元の原像である。xx の同値類は、それと同じ像をもつ元を集める。例では {1}\{1\}、{2,3,5}\{2, 3, 5\}、{4}\{4\}、{6}\{6\} である。

  2. g:A→A/∼,g(x)=C(x)g : A \to A/{\sim}, \quad g(x) = C(x)

    関数 g(x)=C(x)g(x) = C(x) は AA から A/∼A/{\sim} への関数であり、全射である。すべての同値類はその元のどれかの同値類だからである。

  3. C(x)=C(y)→f(x)=f(y)C(x) = C(y) \rightarrow \resaltar{f(x) = f(y)}

    h(C(x))=f(x)h(C(x)) = f(x) と定義する。同値類には多くの代表元があるので、値が選んだ代表元によらないことを確かめる必要がある。C(x)=C(y)C(x) = C(y) ならば x∼yx \sim y、すなわち f(x)=f(y)f(x) = f(y) である。

  4. h(C(x))=h(C(y))→C(x)=C(y)h(C(x)) = h(C(y)) \rightarrow C(x) = C(y)

    関数 hh は単射である。前の含意が逆にたどれるからである。f(x)=f(y)f(x) = f(y) ならば x∼yx \sim y かつ C(x)=C(y)C(x) = C(y) である。値域の上への全射である。各 f(x)f(x) は h(C(x))h(C(x)) だからである。

  5. (J∘h∘g)(x)=J(h(C(x)))=f(x)\left( J \circ h \circ g \right)(x) = J(h(C(x))) = f(x)

    包含写像 J(b)=bJ(b) = b(値域から BB への)は単射であり、合成は ff を返す。例では、四つの同値類はそれぞれ 11、22、33、44 に送られる。同値類 {2,3,5}\{2, 3, 5\} が三つの元をもつので、関数は単射ではない。

この問題は、すべての関数がその定義域を分類し、逆に、同値類の補題により、すべての同値関係がある関数、すなわち各元をその同値類に送る関数についての関係「同じ像をもつ」であることを示している。こうして、成績の制度は学生を点数によって類に分け、郵便番号は住所を地域によって分け、余りの関数は数を余りによって分ける。

演習問題

各問題にはヒントがあり、自分で取り組んだ後に開くのがよい。最終的な答えはヒントの後に示される。

演習問題 1集合を括弧の外に出せるのはいつか

任意の集合 AA、BB、CC について、次を証明せよ。

A∩(B∪C)=(A∩B)∪C↔C⊆AA \cap \left( B \cup C \right) = \left( A \cap B \right) \cup C \leftrightarrow C \subseteq A

さらに、{1,2,3}\{1, 2, 3\} 上の関係で、対称的でも反対称的でもないものの例を挙げよ。

ヒント

右向きの含意については、xx(CC の元)をとる。それは右辺にあり、したがって左辺にあり、したがって AA にある。逆向きについては、各 xx について BB にあるか CC にあるかを区別して、二重包含を証明する。関係については、ある対とその対称な対を組み合わせ、さらに対称な対をもたない別の対を加える。

答え

等式が成り立つならば、CC は右辺に含まれ、右辺は左辺に等しく、左辺は AA に含まれる。C⊆AC \subseteq A ならば、AA の元で BB か CC にあるものは A∩BA \cap B か CC にあり、逆に CC の元は AA にも B∪CB \cup C にもある。対称的でも反対称的でもない関係は

{(1,2),(2,1),(2,3)}\{ (1, 2), (2, 1), (2, 3) \}
詳しい解答

解答

  1. x∈C→x∈(A∩B)∪C=A∩(B∪C)→x∈Ax \in C \rightarrow x \in \left( A \cap B \right) \cup C = \resaltar{A} \cap \left( B \cup C \right) \rightarrow x \in A

    等式が成り立ち、xx が CC にあるならば、xx は右辺にある。右辺は CC を含むからである。等式により、それは左辺にあり、特に AA にある。したがって C⊆AC \subseteq A である。

  2. x∈A∧(x∈B∨x∈C)→x∈A∩B∨x∈Cx \in A \wedge \left( x \in B \vee x \in C \right) \rightarrow \resaltar{x \in A \cap B} \vee \resaltar{x \in C}

    逆に、C⊆AC \subseteq A と仮定し、xx を左辺の元とする。それは AA にあり、さらに BB か CC にある。第一の場合は A∩BA \cap B にあり、第二の場合は CC にある。どちらの場合も右辺にある。

  3. x∈C→x∈A∩(B∪C)x \in C \rightarrow x \in \resaltar{A} \cap \left( B \cup C \right)

    次に xx を右辺の元とする。A∩BA \cap B にあるならば、AA にも B∪CB \cup C にもある。CC にあるならば、B∪CB \cup C にあり、仮定 C⊆AC \subseteq A により AA にもある。

  4. C⊆A→A∩(B∪C)=(A∩B)∪CC \subseteq A \rightarrow A \cap \left( B \cup C \right) = \left( A \cap B \right) \cup C

    二重包含により、C⊆AC \subseteq A のとき両辺は等しい。第一段階とあわせて、同値性が証明された。

  5. (2,3)∈R, (3,2)∉R;(1,2),(2,1)∈R(2, 3) \in R, \ (3, 2) \notin R; \qquad (1, 2), (2, 1) \in R

    示した関係では、対 (2,3)(2, 3) は入っているがその対称な対 (3,2)(3, 2) は入っていないので、対称的ではない。対 (1,2)(1, 2) と (2,1)(2, 1) は入っていて 1≠21 \neq 2 なので、反対称的ではない。

演習問題 2五つの元の分割

集合 {1,2,3,4,5}\{1, 2, 3, 4, 5\} 上の同値関係を数え、そのうち同値類がちょうど二つのものがいくつあるかを求めよ。

ヒント

例題 4 のように、分割をブロックの大きさによって分類せよ。55 から 1+1+1+1+11 + 1 + 1 + 1 + 1 まで七つの型がある。三つの元のブロックと二つの元のブロックについては、二つの元のブロックを選べば十分である。二つの元のブロック二つと一つの元のブロック一つについては、まず単独の元を選べ。

答え

型ごとに 1+5+10+10+15+10+11 + 5 + 10 + 10 + 15 + 10 + 1 である。同値類が二つのものは型 4+14 + 1 と 3+23 + 2 のものであり、合計は 5+10=155 + 10 = 15 である。

1+5+10+10+15+10+1=521 + 5 + 10 + 10 + 15 + 10 + 1 = 52
演習問題 3合成の逆関数

f:A→Bf : A \to B と g:B→Cg : B \to C を全単射とする。g∘fg \circ f の逆関数がこの順序で f−1∘g−1f^{-1} \circ g^{-1} であることを証明せよ。これを服を着ることに適用せよ。ff が靴下をはくこと、gg が靴をはくことであるとき、この操作はどの順序で打ち消されるか。

ヒント

逆関数の一意性により、f−1∘g−1f^{-1} \circ g^{-1} と g∘fg \circ f を両方の順序で合成すると恒等関数になることを確かめれば十分である。g−1g^{-1} と gg、ff と f−1f^{-1} が出会うように、結合性によってまとめ直せ。

答え

結合性により、中央の因子は打ち消し合う。逆関数の一意性により (g∘f)−1=f−1∘g−1(g \circ f)^{-1} = f^{-1} \circ g^{-1} である。服を脱ぐときは、まず靴を脱ぎ、次に靴下を脱ぐ。

(f−1∘g−1)∘(g∘f)=f−1∘(g−1∘g)∘f=f−1∘f=IA\left( f^{-1} \circ g^{-1} \right) \circ \left( g \circ f \right) = f^{-1} \circ \left( g^{-1} \circ g \right) \circ f = f^{-1} \circ f = I_A
詳しい解答

解答

  1. f−1∘g−1:C→Af^{-1} \circ g^{-1} : C \to A

    二つの全単射の合成は全単射であり、したがってただ一つの逆関数をもつ。f−1∘g−1f^{-1} \circ g^{-1}(CC から AA への関数)が両方の順序でそれを打ち消すことを確かめれば十分である。

  2. (f−1∘g−1)∘(g∘f)=f−1∘(g−1∘g)∘f=f−1∘f=IA\left( f^{-1} \circ g^{-1} \right) \circ \left( g \circ f \right) = f^{-1} \circ \resaltar{\left( g^{-1} \circ g \right)} \circ f = f^{-1} \circ f = I_A

    第一の順序:合成の結合性により、g−1g^{-1} は gg と出会い、その合成は BB の恒等関数であって、ff を変えない。

  3. (g∘f)∘(f−1∘g−1)=g∘(f∘f−1)∘g−1=g∘g−1=IC\left( g \circ f \right) \circ \left( f^{-1} \circ g^{-1} \right) = g \circ \resaltar{\left( f \circ f^{-1} \right)} \circ g^{-1} = g \circ g^{-1} = I_C

    第二の順序:同様に、ff は f−1f^{-1} と出会う。

  4. (g∘f)−1=f−1∘g−1\left( g \circ f \right)^{-1} = f^{-1} \circ g^{-1}

    逆関数の一意性により、f−1∘g−1f^{-1} \circ g^{-1} は g∘fg \circ f の逆関数である。因子は逆の順序で逆にされる。

  5. (g∘f)−1=f−1∘g−1\left( g \circ f \right)^{-1} = \resaltar{f^{-1}} \circ \resaltar{g^{-1}}

    服を着ることは g∘fg \circ f である。まず靴下、次に靴である。それを打ち消すには、まず g−1g^{-1}、すなわち靴を脱ぐことを適用し、次に f−1f^{-1}、すなわち靴下を脱ぐことを適用する。

演習問題 4自然数の対は自然数と同じだけある

次で定義される関数 f:N×N→Nf : \mathbb{N} \times \mathbb{N} \to \mathbb{N} が

f(a,b)=2a−1(2b−1)f(a, b) = 2^{a - 1} \left( 2b - 1 \right)

全単射であることを証明せよ。

ヒント

すべての自然数 nn は、22 の冪と奇数の積としてただ一通りに書ける。数が偶数である間、22 で割り続けよ。商は減少するので、この過程は終わる。一意性については、2ju=2kv2^{j} u = 2^{k} v(ただし uu と vv は奇数、j<kj < k)ならば、2j2^{j} を約して両辺の偶奇を比べよ。

答え

関数は全単射である。22 の指数(nn における)が aa を与え、奇数部分 2b−12b - 1 が bb を与える。最初のいくつかの値は次のとおりである。

f(1,1)=1,f(2,1)=2,f(1,2)=3,f(3,1)=4,f(1,3)=5,f(2,2)=6f(1, 1) = 1, \quad f(2, 1) = 2, \quad f(1, 2) = 3, \quad f(3, 1) = 4, \quad f(1, 3) = 5, \quad f(2, 2) = 6
詳しい解答

解答

  1. f(a,b)=2a−1(2b−1)f(a, b) = 2^{a - 1} \left( 2b - 1 \right)

    関数はきちんと定義されている。a−1a - 1 は 00 か自然数であり、第一の場合は指数が零の冪の約束により 20=12^0 = 1 である。この約束は基本的な演算の課で正当化する。さらに、2b−12b - 1 は奇数である。表では、第 aa 行に 2a−12^{a - 1} と奇数との積が並ぶ。

  2. n=2ju=2j(2b−1)=f(j+1,b)n = 2^{j} u = 2^{j} \left( 2b - 1 \right) = f(\resaltar{j + 1}, \resaltar{b})

    全射性:nn が与えられたら、数が偶数である間 22 で割る。商は減少し、自然数の狭義減少列は無限にはなりえない(これは整列原理であり、総和と帰納法の課で証明するもので、ここでは先取りしている)。過程は奇数 uu で終わり、割り算の回数は jj である。そして u=2b−1u = 2b - 1(ただし b=u+12b = \frac{u + 1}{2})となる。

  3. 2ju=2kv, j<k→u=2k−jv2^{j} u = 2^{k} v, \ j < k \rightarrow u = \resaltar{2^{k - j}} v

    単射性:f(a,b)=f(a′,b′)f(a, b) = f(a', b')、すなわち 2ju=2kv2^{j} u = 2^{k} v と仮定する。ここで j=a−1j = a - 1、k=a′−1k = a' - 1、u=2b−1u = 2b - 1、v=2b′−1v = 2b' - 1 であり、uu と vv は奇数である。j<kj < k ならば、2j2^{j} を約すと奇数が偶数に等しくなり、これはありえない。k<jk < j の場合も同様であり、三分律により j=kj = k、すなわち a=a′a = a' である。

  4. 2ju=2jv→u=v→2b=2b′,a=a′, b=b′2^{j} u = 2^{j} v \rightarrow u = v \rightarrow 2b = 2b', \qquad a = a', \ b = b'

    j=kj = k のとき、積の簡約法則により u=vu = v である。ここから 2b=u+1=v+1=2b′2b = u + 1 = v + 1 = 2b' が従い、積の簡約法則により b=b′b = b' である。二つの対は両方の座標で一致する。

  5. f(3,2)=22⋅3=12f(3, 2) = 2^{2} \cdot 3 = 12

    したがって、関数は N×N\mathbb{N} \times \mathbb{N} から N\mathbb{N} への全単射である。たとえば、12=22⋅312 = 2^2 \cdot 3 は対 (3,2)(3, 2) の像である。

演習問題 5科目を履修する順序

ある学生が六つの科目 aa、bb、cc、dd、ee、ff を一つずつ履修する計画を立てている。科目 aa は bb と cc の前提科目であり、科目 bb と cc は dd の前提科目であり、ee は ff の前提科目である。x⪯yx \preceq y と書くことにする(x=yx = y であるか、または xx を直接または間接に yy より先に履修しなければならないとき)。このとき、⪯\preceq が半順序であることを証明し、その極小元と極大元を求め、前提科目を守って六つの科目を並べる方法の数を数えよ。

ヒント

正しい並べ方とは、⪯\preceq を含む全順序である。科目 aa、bb、cc、dd は、bb と cc のどちらが先かによって、二通りの順序でしか履修できない。そのうえで、ee と ff をこの順序で他の四つの科目の間に挿入しなければならない。六つの位置のうちどの二つを占めるかを選べ。

答え

極小元は aa と ee、極大元は dd と ff であり、最小元も最大元もない。1515 通りの方法で、六つの中から ee と ff の位置を選べる。したがって

2⋅15=302 \cdot 15 = 30
詳しい解答

解答

  1. x⪯y∧y⪯z→x⪯zx \preceq y \wedge y \preceq z \rightarrow \resaltar{x \preceq z}

    この関係は定義により反射的である。定義の第一の選択肢 x=yx = y は、yy が xx そのものであるときに成り立つからである。推移的である。直接または間接に、xx が yy より先で yy が zz より先ならば、xx は zz より先である。

  2. x⪯y∧y⪯x→x=yx \preceq y \wedge y \preceq x \rightarrow x = y

    反対称的である。x⪯yx \preceq y かつ y⪯xy \preceq x で、しかも x≠yx \neq y であるとすると、前提科目が循環をなし、二つの科目のどちらも先に履修できなくなる。図では、前提科目の矢印はつねに下を向いており、循環はない。

  3. {a,e},{d,f}\{ a, e \}, \qquad \{ d, f \}

    極小元は前提科目のない科目 aa と ee であり、極大元はどの科目の前提科目でもない科目 dd と ff である。aa と ee が比較可能でなく、dd と ff も比較可能でないので、最小元も最大元もない。

  4. (a,b,c,d),(a,c,b,d)(a, b, c, d), \qquad (a, c, b, d)

    科目 aa、bb、cc、dd は二通りの順序しか許さない。aa が最初、dd が最後で、その間の bb と cc はどちらの順序でもよい。

  5. 2⋅15=302 \cdot \resaltar{15} = 30

    残るのは ee と ff をこの順序で挿入することである。六つの位置のうちそれらが占める二つの位置を選べばよく、その方法は 5+4+3+2+1=155 + 4 + 3 + 2 + 1 = 15 通りあり、ee の位置によって決まる。二通りの順序のそれぞれがこれらの選び方のそれぞれと組み合わさり、3030 通りの並べ方がある。