像・逆像と補集合の関係

像・逆像と補集合の関係
写像\(f:X\rightarrow Y\)で、\(A\subseteq X\)、\(B\subseteq Y\)とする。

(1)

\begin{align*} f\left(A^{c}\right) & \supseteq f\left(X\right)\setminus f\left(A\right) \end{align*} \(f\)が単射のときは等号となる。
\(f\)が全射のときは\(f\left(A^{c}\right)\supseteq f^{c}\left(A\right)\)となる。
\(f\)が全単射のときは\(f\left(A^{c}\right)=f^{c}\left(A\right)\)となる。

(2)

\[ f^{\bullet}\left(B^{c}\right)=\left(f^{\bullet}\left(B\right)\right)^{c} \]
全射でないときには\(f\left(A^{c}\right),f^{c}\left(A\right)\)には包含関係は\(f\left(A^{c}\right)\subseteq f^{c}\left(A\right)\)も\(f\left(A^{c}\right)\supseteq f^{c}\left(A\right)\)も成り立たない。
例えば、\(f:\left\{ x_{1},x_{2}\right\} \rightarrow\)\(\left\{ y_{1},y_{2}\right\} ,f\left(x_{1}\right)=y_{1},f\left(x_{2}\right)=y_{1}\)とすると、\(f\left(\left\{ x_{1}\right\} ^{c}\right)=f\left(\left\{ x_{2}\right\} \right)=\left\{ y_{1}\right\} ,f^{c}\left(\left\{ x_{1}\right\} \right)=\left\{ y_{1}\right\} ^{c}=\left\{ y_{2}\right\} \)となり、\(\left\{ y_{1}\right\} ,\left\{ y_{2}\right\} \)の間には包含関係は成り立たないからである。

(1)

\begin{align*} f\left(A^{c}\right) & =f\left(X\setminus A\right)\\ & \supseteq f\left(X\right)\setminus f\left(A\right)\cmt{\because f\left(A_{1}\setminus A_{2}\right)\supseteq f\left(A_{1}\right)\setminus f\left(A_{2}\right)} \end{align*} \(f\)が単射のときは逆も成り立つので、等号となる。
\(f\)が全射のときは\(f\left(X\right)=Y\)となるので\(f\left(A^{c}\right)\supseteq f^{c}\left(A\right)\)となる。
\(f\)が全単射のときは\(f\left(A^{c}\right)=f^{c}\left(A\right)\)となる。

(1)-2

\begin{align*} y\in f\left(A^{c}\right) & \Leftrightarrow\exists x\left\{ x\in A^{c}\land f\left(x\right)=y\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ x\in X\land x\notin A\land f\left(x\right)=y\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ x\in X\land f\left(x\right)=y\land\left(x\notin A\lor f\left(x\right)\ne y\right)\right\} \\ & \Leftarrow\exists x\left\{ x\in X\land f\left(x\right)=y\right\} \land\forall x\left(x\notin A\lor f\left(x\right)\ne y\right)\\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ x\in X\land f\left(x\right)=y\right\} \land\lnot\exists x\left(x\in A\land f\left(x\right)=y\right)\\ & \Leftrightarrow y\in f\left(X\right)\land\lnot y\in f\left(A\right)\\ & \Leftrightarrow y\in f\left(X\right)\setminus f\left(A\right) \end{align*} これより、\(f\left(A^{c}\right)\supseteq f\left(X\right)\setminus f\left(A\right)\)となる。

(2)

\begin{align*} x\in f^{\bullet}\left(B^{c}\right) & \Leftrightarrow f\left(x\right)\in B^{c}\\ & \Leftrightarrow f\left(x\right)\notin B\\ & \Leftrightarrow x\notin f^{\bullet}\left(B\right)\\ & \Leftrightarrow x\in\left(f^{\bullet}\left(B\right)\right)^{c} \end{align*}

(2)-2

\begin{align*} f^{\bullet}\left(B^{c}\right) & =f^{\bullet}\left(Y\setminus B\right)\\ & =f^{\bullet}\left(Y\right)\setminus f^{\bullet}\left(B\right)\\ & =X\setminus f^{\bullet}\left(B\right)\\ & =\left(f^{\bullet}\left(B\right)\right)^{c} \end{align*}
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像・逆像と補集合の関係
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