像と逆像による包含関係と相等関係
写像\(f:X\rightarrow Y\)として、\(A,A_{1},A_{2}\subseteq X;B,B_{1},B_{2}\subseteq Y\)とする。
像による包含関係
像による相等関係
逆像による包含関係
逆像による相等関係
その他、像による包含関係
その他、像による相等関係
要素に含む場合の写像
写像\(f:X\rightarrow Y\)として、\(A,A_{1},A_{2}\subseteq X;B,B_{1},B_{2}\subseteq Y\)とする。
像による包含関係
(1)重要
\[ A_{1}\subseteq A_{2}\Rightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right) \] \(\Leftarrow\)は単射のときに成り立つ。(2)
\[ A\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq B\cap f\left(X\right) \](3)
\[ f^{\bullet}\left(B\right)\subseteq A\Rightarrow B\cap f\left(X\right)\subseteq f\left(A\right) \] \(\Leftarrow\)は単射のときに成り立つ。(4)
\[ f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\Leftrightarrow B_{1}\cap f\left(X\right)\subseteq B_{2}\cap f\left(X\right) \]像による相等関係
(5)
\[ A_{1}=A_{2}\Rightarrow f\left(A_{1}\right)=f\left(A_{2}\right) \] \(\Leftarrow\)は単射のときに成り立つ。(6)
\[ A=f^{\bullet}\left(B\right)\Rightarrow f\left(A\right)=B\cap f\left(X\right) \] \(\Leftarrow\)は単射のときに成り立つ。(7)
\[ f^{\bullet}\left(B_{1}\right)=f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\Leftrightarrow B_{1}\cap f\left(X\right)=B_{2}\cap f\left(X\right) \]逆像による包含関係
(8)重要
\[ B_{1}\subseteq B_{2}\Rightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \] \(\Leftarrow\)は全射のときに成り立つ。(9)
\[ B\subseteq f\left(A\right)\Rightarrow f^{\bullet}\left(B\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A\right) \] \(\Leftarrow\)は全射のときに成り立つ。(10)
\[ f\left(A\right)\subseteq B\Leftrightarrow A\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) \](11)
\[ f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A_{2}\right) \]逆像による相等関係
(12)
\[ B_{1}=B_{2}\Rightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)=f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \] \(\Leftarrow\)は全射のときに成り立つ。(13)
\[ f\left(A\right)=B\Rightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)=f^{\bullet}\left(B\right) \] \(\Leftarrow\)は全射のときに成り立つ。(14)
\[ f\left(A_{1}\right)=f\left(A_{2}\right)\Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A_{1}\right)=f^{\bullet}f\left(A_{2}\right) \]その他、像による包含関係
(15)
\[ f\left(A\right)\subseteq B\cap f\left(X\right)\Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) \](16)
\[ B\cap f\left(X\right)\subseteq f\left(A\right)\Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A\right) \](17)
\[ B_{1}\cap f\left(X\right)\subseteq B_{2}\cap f\left(X\right)\Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \]その他、像による相等関係
(18)
\[ f\left(A\right)=B\cap f\left(X\right)\Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)=f^{\bullet}\left(B\right) \](19)
\[ B_{1}\cap f\left(X\right)=B_{2}\cap f\left(X\right)\Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)=f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \]要素に含む場合の写像
(20)
\[ a\in A\Rightarrow f\left(a\right)\in f\left(A\right) \]要素に含む場合は集合の包含関係で表せばいい。
例えば、
\begin{align*} a\in A & \Leftrightarrow\left\{ a\right\} \subseteq A\\ & \Rightarrow f\left(\left\{ a\right\} \right)\subseteq f\left(A\right)\\ & \Leftrightarrow\left\{ f\left(a\right)\right\} \subseteq f\left(A\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(a\right)\in f\left(A\right) \end{align*} \begin{align*} b\in B & \Leftrightarrow\left\{ b\right\} \subseteq B\\ & \Rightarrow f^{\bullet}\left(\left\{ b\right\} \right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) \end{align*} となる。
\(f^{\bullet}\left(\left\{ b\right\} \right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\)は\(f^{\bullet}\left(b\right)\in f^{\bullet}\left(B\right)\)としてしまうと、逆写像が存在しない場合は成り立たないので注意。
\(f^{\bullet}\left(\left\{ b\right\} \right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\)は逆像なので逆写像が存在しなくても成り立つ。
反例としては定値写像\(f\left(X\right)=\left\{ a\right\} \in Y\)を考えればよい。
\(A_{1}\subseteq A_{2}\Rightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\)が成り立つので対偶をとって\(f\left(A_{1}\right)\nsubseteq f\left(A_{2}\right)\Rightarrow A_{1}\nsubseteq A_{2}\)が成り立つ。
例えば、
\begin{align*} a\in A & \Leftrightarrow\left\{ a\right\} \subseteq A\\ & \Rightarrow f\left(\left\{ a\right\} \right)\subseteq f\left(A\right)\\ & \Leftrightarrow\left\{ f\left(a\right)\right\} \subseteq f\left(A\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(a\right)\in f\left(A\right) \end{align*} \begin{align*} b\in B & \Leftrightarrow\left\{ b\right\} \subseteq B\\ & \Rightarrow f^{\bullet}\left(\left\{ b\right\} \right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) \end{align*} となる。
\(f^{\bullet}\left(\left\{ b\right\} \right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\)は\(f^{\bullet}\left(b\right)\in f^{\bullet}\left(B\right)\)としてしまうと、逆写像が存在しない場合は成り立たないので注意。
\(f^{\bullet}\left(\left\{ b\right\} \right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\)は逆像なので逆写像が存在しなくても成り立つ。
-
\(A_{1}\nsubseteq A_{2}\Rightarrow f\left(A_{1}\right)\nsubseteq f\left(A_{2}\right)\)は一般的に成り立たない。反例としては定値写像\(f\left(X\right)=\left\{ a\right\} \in Y\)を考えればよい。
\(A_{1}\subseteq A_{2}\Rightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\)が成り立つので対偶をとって\(f\left(A_{1}\right)\nsubseteq f\left(A_{2}\right)\Rightarrow A_{1}\nsubseteq A_{2}\)が成り立つ。
(1)
\(\Rightarrow\)
\begin{align*} A_{1}\subseteq A_{2} & \Leftrightarrow\forall a_{1}\in A_{1},\exists a_{2}\in A_{2},a_{1}=a_{2}\\ & \Rightarrow\forall a_{1}\in A_{1},\exists a_{2}\in A_{2},f\left(a_{1}\right)=f\left(a_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right) \end{align*}単射ならば\(\Leftarrow\)
単射のとき、\(f\left(a_{1}\right)=f\left(a_{2}\right)\Rightarrow a_{1}=a_{2}\)となるので、\(\Leftarrow\)も成り立つ。直接証明するには\(f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\Rightarrow f^{\bullet}f\left(A_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A_{2}\right)\Leftrightarrow A_{1}\subseteq A_{2}\)となるので\(\Leftarrow\)も成り立つ。
\(\Leftarrow\)は一般的に成り立たない
反例で示す。\(X=\left\{ x_{1},x_{2}\right\} ,Y=\left\{ y\right\} \)として\(f\left(x_{1}\right)=f\left(x_{2}\right)=y\)とする。
このとき、\(A_{1}=\left\{ x_{1}\right\} ,A_{2}=\left\{ x_{2}\right\} \)とすると、左辺は\(\left\{ x_{1}\right\} \subseteq\left\{ x_{2}\right\} \)となり偽、右辺は\(f\left(\left\{ x_{1}\right\} \right)\subseteq f\left(\left\{ x_{2}\right\} \right)\Leftrightarrow\left\{ y\right\} \subseteq\left\{ y\right\} \)となり真となり、全体では偽となるので成り立たない。
(1)-2
\(A_{1}\subseteq A_{2}\)なので両辺に\(f\)を作用させると、\(f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\)となるので、\(A_{1}\subseteq A_{2}\Rightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\)が成り立つ。また単射ならば、\(f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\Rightarrow f^{\bullet}f\left(A_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A_{2}\right)\Leftrightarrow A_{1}\subseteq A_{2}\)となるので\(\Leftarrow\)が成り立つ。
(1)-3
\(\Rightarrow\)の証明のみ。\(A_{1}\subseteq A_{2}\)のとき、
\begin{align*} y\in f\left(A_{1}\right) & \Leftrightarrow\exists x\in A_{1},f\left(x\right)=y\\ & \Rightarrow\exists x\in A_{2},f\left(x\right)=y\\ & \Leftrightarrow y\in f\left(A_{2}\right) \end{align*} となるので\(A_{1}\subseteq A_{2}\Rightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\)が成り立つ。
(2)
\(\Rightarrow\)
\begin{align*} A\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) & \Rightarrow f\left(A\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq B\cap f\left(X\right) \end{align*}\(\Leftarrow\)
\begin{align*} f\left(A\right)\subseteq B\cap f\left(X\right) & \Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Rightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}ff^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Rightarrow A\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) \end{align*}\(\Leftrightarrow\)
これより、\(\Rightarrow\)と\(\Leftarrow\)が成り立つので題意は成り立つ。(3)
\(\Rightarrow\)
\begin{align*} f^{\bullet}\left(B\right)\subseteq A & \Rightarrow ff^{\bullet}\left(B\right)\subseteq f\left(A\right)\\ & \Leftrightarrow B\cap f\left(X\right)\subseteq f\left(A\right) \end{align*}単射ならば\(\Leftarrow\)
単射ならば\(f^{\bullet}\left(B\right)\subseteq A\Leftrightarrow ff^{\bullet}\left(B\right)\subseteq f\left(A\right)\)となるので\(\Leftarrow\)が成り立つ。\(\Leftarrow\)は一般的に成り立たない
反例で示す。\(X=\left\{ x_{1},x_{2}\right\} ,Y=\left\{ y\right\} \)として\(f\left(x_{1}\right)=f\left(x_{2}\right)=y\)とする。
このとき、\(A=\left\{ x_{1}\right\} ,B=\left\{ y\right\} \)とすると、左辺は\(f^{\bullet}\left(\left\{ y\right\} \right)\subseteq\left\{ x_{1}\right\} \Leftrightarrow\left\{ x_{1},x_{2}\right\} \subseteq\left\{ x_{1}\right\} \)で偽、右辺は\(\left\{ y\right\} \cap f\left(\left\{ x_{1},x_{2}\right\} \right)\subseteq f\left(\left\{ x_{1}\right\} \right)\Leftrightarrow\left\{ y\right\} \subseteq\left\{ y\right\} \)で真であるので、全体では偽となるので成り立たない。
(4)
\(\Rightarrow\)
\begin{align*} f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right) & \Rightarrow ff^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow B_{1}\cap f\left(X\right)\subseteq B_{2}\cap f\left(X\right) \end{align*}\(\Leftarrow\)
\begin{align*} B_{1}\cap f\left(X\right)\subseteq B_{2}\cap f\left(X\right) & \Leftrightarrow ff^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B_{2}\right)\\ & \Rightarrow f^{\bullet}ff^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}ff^{\bullet}\left(B_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*}\(\Leftrightarrow\)
これより、\(\Rightarrow\)と\(\Leftarrow\)が成り立つので題意は成り立つ。(5)
\(\Rightarrow\)
(1)より、\begin{align*} A_{1}=A_{2} & \Leftrightarrow A_{1}\subseteq A_{2}\land A_{1}\supseteq A_{2}\\ & \Rightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\land f\left(A_{1}\right)\supseteq f\left(A_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(A_{1}\right)=f\left(A_{2}\right) \end{align*}
単射ならば\(\Leftarrow\)
単射ならば、\(A_{1}\subseteq A_{2}\Leftrightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\)となるので\(\Leftarrow\)が成り立つ。\(\Leftarrow\)は一般的に成り立たない。
反例で示す。\(X=\left\{ x_{1},x_{2}\right\} ,Y=\left\{ y\right\} \)として\(f\left(x_{1}\right)=f\left(x_{2}\right)=y\)とする。
このとき、\(A_{1}=\left\{ x_{1}\right\} ,A_{2}=\left\{ x_{2}\right\} \)とすると、左辺は\(\left\{ x_{1}\right\} =\left\{ x_{2}\right\} \)となり偽、右辺は\(f\left(\left\{ x_{1}\right\} \right)=f\left(\left\{ x_{1}\right\} \right)\Leftrightarrow\left\{ y\right\} =\left\{ y\right\} \)と真となり、全体では偽となるので成り立たない。
(6)
\(\Rightarrow\)
(2),(3)より、\begin{align*} A=f^{\bullet}\left(B\right) & \Leftrightarrow A\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\land A\supseteq f^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Rightarrow f\left(A\right)\subseteq B\cap f\left(X\right)\land f\left(A\right)\supseteq B\cap f\left(X\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(A\right)=B\cap f\left(X\right) \end{align*}
単射ならば\(\Leftarrow\)
単射ならば\(A\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B\right)\Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq B\cap f\left(X\right)\)と、同様に\(A\supseteq f^{\bullet}\left(B\right)\Leftrightarrow f\left(A\right)\supseteq B\cap f\left(X\right)\)となるので\(\Leftarrow\)が成り立つ。\(\Leftarrow\)は一般的に成り立たない。
反例で示す。\(X=\left\{ x_{1},x_{2}\right\} ,Y=\left\{ y\right\} \)として\(f\left(x_{1}\right)=f\left(x_{2}\right)=y\)とする。
このとき、\(A=\left\{ x_{1}\right\} ,B=\left\{ y\right\} \)とすると、左辺は\(\left\{ x_{1}\right\} =f^{\bullet}\left(\left\{ y\right\} \right)\Leftrightarrow\left\{ x_{1}\right\} =\left\{ x_{1},x_{2}\right\} \)となり偽、右辺は\(f\left(\left\{ x_{1}\right\} \right)=\left\{ y\right\} \cap f\left(\left\{ x_{1},x_{2}\right\} \right)\Leftrightarrow\left\{ y\right\} =\left\{ y\right\} \)となり真となり、全体では偽となるので成り立たない。
(7)
(4)より、\begin{align*} f^{\bullet}\left(B_{1}\right)=f^{\bullet}\left(B_{2}\right) & \Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\land f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\supseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow B_{1}\cap f\left(X\right)\subseteq B_{2}\cap f\left(X\right)\land B_{1}\cap f\left(X\right)\supseteq B_{2}\cap f\left(X\right)\\ & \Leftrightarrow B_{1}\cap f\left(X\right)=B_{2}\cap f\left(X\right) \end{align*}
(8)
\(\Rightarrow\)
\begin{align*} B_{1}\subseteq B_{2} & \Leftrightarrow\forall b_{1}\in B_{1}\exists b_{2}\in B_{2},b_{1}=b_{2}\\ & \Rightarrow\forall b_{1}\in B_{1}\exists b_{2}\in B_{2},f^{\bullet}\left(\left\{ b_{1}\right\} \right)=f^{\bullet}\left(\left\{ b_{2}\right\} \right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*}全射ならば\(\Leftarrow\)
全射ならば、\(f^{\bullet}\left(\left\{ b_{1}\right\} \right)=f^{\bullet}\left(\left\{ b_{2}\right\} \right)\Leftrightarrow b_{1}=b_{2}\)となるので\(\Leftarrow\)が成り立つ。\(\Leftarrow\)は一般的に成り立たない
反例で示す。\(X=\emptyset,Y=\left\{ y_{1},y_{2}\right\} \)として\(f\)を空写像とする。
このとき、\(B_{1}=\left\{ y_{1}\right\} ,B_{2}=\left\{ y_{2}\right\} \)とすると、左辺は\(\left\{ y_{1}\right\} \subseteq\left\{ y_{2}\right\} \)で偽、右辺は\(f^{\bullet}\left(\left\{ y_{1}\right\} \right)\subseteq f^{\bullet}\left(\left\{ y_{2}\right\} \right)\Leftrightarrow\emptyset\subseteq\emptyset\)で真となり、全体では偽となるので成り立たない。
(8)-2
\(B_{1}\subseteq B_{2}\)のとき、両辺に\(f^{\bullet}\)を作用させると\(f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\)となるので、\(B_{1}\subseteq B_{2}\Rightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\)となる。また、全射ならば\(f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\Rightarrow ff^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B_{2}\right)\Leftrightarrow B_{1}\subseteq B_{2}\)となるので\(\Leftarrow\)が成り立つ。
(8)-3
\(\Rightarrow\)の証明のみ。\begin{align*} x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right) & \Leftrightarrow\exists y\in B_{1},f\left(x\right)=y\\ & \Rightarrow\exists y\in B_{2},f\left(x\right)=y\\ & \Leftrightarrow x\in f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*} これより、与式は成り立つ。
(9)
\(\Rightarrow\)
(8)より、\begin{align*} B\subseteq f\left(A\right) & \Rightarrow f^{\bullet}\left(B\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A\right) \end{align*}
全射ならば\(\Leftarrow\)
全射であるとき、\(f^{\bullet}\left(B\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A\right)\Rightarrow ff^{\bullet}\left(B\right)\subseteq ff^{\bullet}f\left(A\right)\Leftrightarrow B\subseteq f\left(A\right)\)となるので\(\Leftarrow\)が成り立つ。\(\Leftarrow\)は一般的に成り立たない
反例で示す。\(X=\emptyset,Y=\left\{ y\right\} \)として\(f\)を空写像とする。
このとき、\(A=\emptyset,B=\left\{ y\right\} \)とすると、左辺は\(\left\{ y\right\} \subseteq f\left(\emptyset\right)\Leftrightarrow\left\{ y\right\} \subseteq\emptyset\)で偽、右辺は\(f^{\bullet}\left(\left\{ y\right\} \right)\subseteq f^{\bullet}f\left(\emptyset\right)\Leftrightarrow\emptyset\subseteq\emptyset\)で真となり、全体では偽となるので成り立たない。
(10)
\(\Rightarrow\)
\begin{align*} f\left(A\right)\subseteq B & \Rightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Leftrightarrow A\subseteq f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Leftrightarrow A\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) \end{align*}\(\Leftarrow\)
\begin{align*} A\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) & \Rightarrow f\left(A\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B\right)\subseteq B\\ & \Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq B \end{align*}\(\Leftrightarrow\)
これより、\(\Rightarrow\)と\(\Leftarrow\)が成り立つので題意は成り立つ。(11)
\(\Rightarrow\)
\[ f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\Rightarrow f^{\bullet}f\left(A_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A_{2}\right) \]\(\Leftarrow\)
\begin{align*} f^{\bullet}f\left(A_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A_{2}\right) & \Rightarrow ff^{\bullet}f\left(A_{1}\right)\subseteq ff^{\bullet}f\left(A_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right) \end{align*}\(\Leftrightarrow\)
これより、\(\Rightarrow\)と\(\Leftarrow\)が成り立つので題意は成り立つ。(12)
\(\Rightarrow\)
(8)より、\begin{align*} B_{1}=B_{2} & \Leftrightarrow B_{1}\subseteq B_{2}\land B_{1}\supseteq B_{2}\\ & \Rightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\land f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\supseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)=f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*}
全射ならば\(\Leftarrow\)
全射ならば、\(f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\Rightarrow ff^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B_{2}\right)\Leftrightarrow B_{1}\subseteq B_{2}\)となり、同様に\(f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\supseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\Rightarrow B_{1}\supseteq B_{2}\)となるので\(\Leftarrow\)が成り立つ。\(\Leftarrow\)は一般的に成り立たない
反例で示す。\(X=\emptyset,Y=\left\{ y_{1},y_{2}\right\} \)として\(f\)を空写像とする。
このとき、\(B_{1}=\left\{ y_{1}\right\} ,B_{2}=\left\{ y_{2}\right\} \)とすると、左辺は\(\left\{ y_{1}\right\} =\left\{ y_{2}\right\} \)で偽、右辺は\(f^{\bullet}\left(\left\{ y_{1}\right\} \right)=f^{\bullet}\left(\left\{ y_{2}\right\} \right)\Leftrightarrow\emptyset=\emptyset\)で真となり、全体では偽となるので成り立たない。
(13)
(9),(10)より、\begin{align*} f\left(A\right)=B & \Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq B\land f\left(A\right)\supseteq B\\ & \Rightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\land f^{\bullet}f\left(A\right)\supseteq f^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)=f^{\bullet}\left(B\right) \end{align*}
全射ならば\(\Leftarrow\)
全射ならば、\(f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\Rightarrow ff^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B\right)\Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq B\)となり、同様に\(f^{\bullet}f\left(A\right)\supseteq f^{\bullet}\left(B\right)\Rightarrow f\left(A\right)\supseteq B\)となるので\(\Leftarrow\)が成り立つ。\(\Leftarrow\)は一般的に成り立たない
反例で示す。\(X=\emptyset,Y=\left\{ y\right\} \)として\(f\)を空写像とする。
このとき、\(A=\emptyset,B=\left\{ y\right\} \)とすると、左辺は\(f\left(\emptyset\right)=\left\{ y\right\} \Leftrightarrow\emptyset=\left\{ y\right\} \)で偽、右辺は\(f^{\bullet}f\left(\emptyset\right)=f^{\bullet}\left(\left\{ y\right\} \right)\Leftrightarrow\emptyset=\emptyset\)で真となり、全体では偽となるので成り立たない。
(14)
(11)より、\begin{align*} f\left(A_{1}\right)=f\left(A_{2}\right) & \Leftrightarrow f\left(A_{1}\right)\subseteq f\left(A_{2}\right)\land f\left(A_{1}\right)\supseteq f\left(A_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}f\left(A_{2}\right)\land f^{\bullet}f\left(A_{1}\right)\supseteq f^{\bullet}f\left(A_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A_{1}\right)=f^{\bullet}f\left(A_{2}\right) \end{align*}
(15)
\(\Rightarrow\)
\begin{align*} f\left(A\right)\subseteq B\cap f\left(X\right) & \Rightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\cap f\left(X\right)\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\cap f^{\bullet}f\left(X\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\cap X\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) \end{align*}\(\Leftarrow\)
\begin{align*} f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right) & \Rightarrow ff^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq B\cap f\left(X\right) \end{align*}\(\Leftrightarrow\)
これより、\(\Rightarrow\)と\(\Leftarrow\)が成り立つので題意は成り立つ。(16)
(15)と同様にすればよい。(17)
\(\Rightarrow\)
\begin{align*} B_{1}\cap f\left(X\right)\subseteq B_{2}\cap f\left(X\right) & \Rightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\cap f\left(X\right)\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\cap f\left(X\right)\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\cap f^{\bullet}f\left(X\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\cap f^{\bullet}f\left(X\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\cap X\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\cap X\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*}\(\Leftarrow\)
\begin{align*} f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right) & \Rightarrow ff^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq ff^{\bullet}\left(B_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow B_{1}\cap f\left(X\right)\subseteq B_{2}\cap f\left(X\right) \end{align*}\(\Leftrightarrow\)
これより、\(\Rightarrow\)と\(\Leftarrow\)が成り立つので題意は成り立つ。(18)
(15)(16)より、\begin{align*} f\left(A\right)=B\cap f\left(X\right) & \Leftrightarrow f\left(A\right)\subseteq B\cap f\left(X\right)\land f\left(A\right)\supseteq B\cap f\left(X\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B\right)\land f^{\bullet}f\left(A\right)\supseteq f^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}f\left(A\right)=f^{\bullet}\left(B\right) \end{align*}
(19)
(17)より、\begin{align*} B_{1}\cap f\left(X\right)=B_{2}\cap f\left(X\right) & \Leftrightarrow B_{1}\cap f\left(X\right)\subseteq B_{2}\cap f\left(X\right)\land B_{1}\cap f\left(X\right)\supseteq B_{2}\cap f\left(X\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\subseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\land f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\supseteq f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow f^{\bullet}\left(B_{1}\right)=f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*}
(20)
(2)より、\begin{align*} a\in A & \Leftrightarrow\left\{ a\right\} \subseteq A\\ & \Rightarrow f\left(a\right)\in f\left(A\right) \end{align*}
(20)-2
\begin{align*} a\in A & \Leftrightarrow\exists x\in A,a=x\\ & \Rightarrow\exists x\in A,f\left(a\right)=f\left(x\right)\\ & \Leftrightarrow f\left(a\right)\in f\left(A\right) \end{align*}(20)-3
\(a\in A\)のとき、\begin{align*} b\in f\left(\left\{ a\right\} \right) & \Leftrightarrow\left\{ b\right\} \subseteq f\left(\left\{ a\right\} \right)\\ & \Leftrightarrow\exists x\in\left\{ a\right\} ,b=f\left(x\right)\\ & \Rightarrow\exists x\in A,b=f\left(x\right)\\ & \Leftrightarrow b\in f\left(A\right) \end{align*} となるので、\(a\in A\Rightarrow f\left(a\right)\in f\left(A\right)\)となる。
ページ情報
| タイトル | 像と逆像による包含関係と相等関係 |
| URL | https://www.nomuramath.com/rjiqlwya/ |
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2つの写像の単射と全射との関係
\[
\left|X\right|\leq\left|Y\right|\land\left|Y\right|\leq\left|X\right|\Leftrightarrow\left|X\right|=\left|Y\right|
\]
像・逆像と空集合
\[
\forall A\subseteq X,\left(f\left(A\right)=\emptyset\leftrightarrow A=\emptyset\right)
\]
空写像の定義と性質
\[
f:\emptyset\rightarrow Y
\]
像と逆像の定義と性質
\[
f\left(A\right):=\left\{ f\left(x\right)\in Y;x\in A\right\}
\]
