写像と集合の演算
写像\(f:X\rightarrow Y\)があり、\(A_{1},A_{2}\subseteq X\)、\(B_{1},B_{2}\subseteq Y\)とする。
写像\(f:X\rightarrow Y\)があり、\(A_{1},A_{2}\subseteq X\)、\(B_{1},B_{2}\subseteq Y\)とする。
(1)
\[ f\left(A_{1}\cup A_{2}\right)=f\left(A_{1}\right)\cup f\left(A_{2}\right) \](2)
\[ f\left(A_{1}\cap A_{2}\right)\subseteq f\left(A_{1}\right)\cap f\left(A_{2}\right) \] \(f\)が単射のときは等号となる。(3)
\[ f\left(A_{1}\setminus A_{2}\right)\supseteq f\left(A_{1}\right)\setminus f\left(A_{2}\right) \] \(f\)が単射のときは等号となる。(4)
\[ f\left(A_{1}\triangle A_{2}\right)\supseteq f\left(A_{1}\right)\triangle f\left(A_{2}\right) \] \(f\)が単射のときは等号となる。(5)
\[ f^{\bullet}\left(B_{1}\cup B_{2}\right)=f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\cup f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \](6)
\[ f^{\bullet}\left(B_{1}\cap B_{2}\right)=f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\cap f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \](7)
\[ f^{\bullet}\left(B_{1}\setminus B_{2}\right)=f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\setminus f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \](8)
\[ f^{\bullet}\left(B_{1}\triangle B_{2}\right)=f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\triangle f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \](9)
\[ f\left(\bigcup_{\lambda\in\Lambda}A_{\lambda}\right)=\bigcup_{\lambda\in\Lambda}f\left(A_{\lambda}\right) \](10)
\[ f\left(\bigcap_{\lambda\in\Lambda}A_{\lambda}\right)\subseteq\bigcap_{\lambda\in\Lambda}f\left(A_{\lambda}\right) \] \(f\)が単射のときは等号となる。(11)
\[ f^{\bullet}\left(\bigcup_{\mu\in M}B_{\mu}\right)=\bigcup_{\mu\in M}f^{\bullet}\left(B_{\mu}\right) \](12)
\[ f^{\bullet}\left(\bigcap_{\mu\in M}B_{\mu}\right)=\bigcap_{\mu\in M}f^{\bullet}\left(B_{\mu}\right) \](1)
\begin{align*} y\in f\left(A_{1}\cup A_{2}\right) & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(x\in A_{1}\cup A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(x\in A_{1}\lor x\in A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(\left(x\in A_{1}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\lor\left(\left(x\in A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left(\left(x\in A_{1}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\lor\exists x\left(\left(x\in A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\\ & \Leftrightarrow\left(y\in f\left(A_{1}\right)\right)\lor\left(y\in f\left(A_{2}\right)\right)\\ & \Leftrightarrow y\in\left(f\left(A_{1}\right)\cup f\left(A_{2}\right)\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。(2)
\begin{align*} y\in f\left(A_{1}\cap A_{2}\right) & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(x\in A_{1}\cap A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(x\in A_{1}\land x\in A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(\left(x\in A_{1}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\land\left(\left(x\in A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\right\} \\ & \Rightarrow\exists x\left(\left(x\in A_{1}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\land\exists x\left(\left(x\in A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\\ & \Leftrightarrow\left(y\in f\left(A_{1}\right)\right)\land\left(y\in f\left(A_{2}\right)\right)\\ & \Leftrightarrow y\in\left(f\left(A_{1}\right)\cap f\left(A_{2}\right)\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。\(\Leftarrow\)は\(f\)が単射のときに成り立つ。
逆は一般的に成り立たない
反例で示す。\(f\left(A_{1}\cap A_{2}\right)\supseteq\left(f\left(A_{1}\right)\cap f\left(A_{2}\right)\right)\)が成り立たないことを示す。
始域を\(X=\left\{ a_{1},a_{2}\right\} \)、終域を\(Y=\left\{ b_{1}\right\} \)として写像\(f\)を\(f\left(a_{1}\right)=f\left(a_{2}\right)=b_{1}\)とする。
このとき\(X\)の部分集合\(A_{1}=\left\{ a_{1}\right\} ,A_{2}=\left\{ a_{2}\right\} \)をとる。
そうすると、左辺は\(f\left(A_{1}\cap A_{2}\right)=f\left(\emptyset\right)=\emptyset\)となり、右辺は\(f\left(A_{1}\right)\cap f\left(A_{2}\right)=f\left(\left\{ a_{1}\right\} \right)\cap f\left(\left\{ a_{2}\right\} \right)=\left\{ b_{1}\right\} \cap\left\{ b_{1}\right\} =\left\{ b_{1}\right\} \)となるので逆が正しいとすると、\(\emptyset\supseteq\left\{ b_{1}\right\} \)となるがこれは偽である。
故に逆は一般的に成り立たない。
(3)
\begin{align*} y\in f\left(A_{1}\setminus A_{2}\right) & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(x\in A_{1}\setminus A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(x\in A_{1}\land x\notin A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(x\in A_{1}\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\land\left(x\notin A_{2}\right)\right\} \\ & \Leftrightarrow\exists x\left\{ \left(x\in A_{1}\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\land\left(x\notin A_{2}\lor\left(y\ne f\left(x\right)\right)\right)\right\} \\ & \Leftarrow\exists x\left(\left(x\in A_{1}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\land\forall x\left(\left(x\notin A_{2}\right)\lor\left(y\ne f\left(x\right)\right)\right)\\ & \Leftrightarrow\exists x\left(\left(x\in A_{1}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\land\lnot\left\{ \exists x\left(\left(x\in A_{2}\right)\land\left(y=f\left(x\right)\right)\right)\right\} \\ & \Leftrightarrow\left(y\in f\left(A_{1}\right)\right)\land\left(y\notin f\left(A_{2}\right)\right)\\ & \Leftrightarrow y\in f\left(A_{1}\right)\setminus f\left(A_{2}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。\(f\)が単射のときは\(\Leftarrow\)が\(\Leftrightarrow\)にできるので逆が成り立つ。
逆は一般的に成り立たない
反例で示す。\(f\left(A_{1}\setminus A_{2}\right)\subseteq\left(f\left(A_{1}\right)\setminus f\left(A_{2}\right)\right)\)が成り立たないことを示す。
始域を\(X=\left\{ a_{1},a_{2}\right\} \)、終域を\(Y=\left\{ b_{1}\right\} \)として写像\(f\)を\(f\left(a_{1}\right)=f\left(a_{2}\right)=b_{1}\)とする。
このとき\(X\)の部分集合\(A_{1}=\left\{ a_{1}\right\} ,A_{2}=\left\{ a_{2}\right\} \)をとる。
そうすると、左辺は\(f\left(A_{1}\setminus A_{2}\right)=f\left(\left\{ a_{1}\right\} \right)=\left\{ b_{1}\right\} \)となり、右辺は\(f\left(A_{1}\right)\setminus f\left(A_{2}\right)=f\left(\left\{ a_{1}\right\} \right)\setminus f\left(\left\{ a_{2}\right\} \right)=\left\{ b_{1}\right\} \setminus\left\{ b_{1}\right\} =\emptyset\)となるので逆が正しいとすると、\(\left\{ b_{1}\right\} \subseteq\emptyset\)となるがこれは偽である。
故に逆は一般的に成り立たない。
(4)
\begin{align*} f\left(A_{1}\triangle A_{2}\right) & =f\left(\left(A_{1}\setminus A_{2}\right)\cup\left(A_{2}\setminus A_{1}\right)\right)\\ & =f\left(A_{1}\setminus A_{2}\right)\cup f\left(A_{2}\setminus A_{1}\right)\\ & \supseteq\left(f\left(A_{1}\right)\setminus f\left(A_{2}\right)\right)\cup\left(f\left(A_{2}\right)\setminus f\left(A_{1}\right)\right)\\ & =f\left(A_{1}\right)\triangle f\left(A_{2}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。\(f\)が単射のときは\(\supseteq\)が\(=\)にできるので逆が成り立つ。
逆は一般的に成り立たない
反例で示す。\(f\left(A_{1}\triangle A_{2}\right)\subseteq f\left(A_{1}\right)\triangle f\left(A_{2}\right)\)が成り立たないことを示す。
始域を\(X=\left\{ a_{1},a_{2}\right\} \)、終域を\(Y=\left\{ b_{1}\right\} \)として写像\(f\)を\(f\left(a_{1}\right)=f\left(a_{2}\right)=b_{1}\)とする。
このとき\(X\)の部分集合\(A_{1}=\left\{ a_{1}\right\} ,A_{2}=\left\{ a_{2}\right\} \)をとる。
そうすると、左辺は\(f\left(A_{1}\triangle A_{2}\right)=f\left(\left\{ a_{1},a_{2}\right\} \right)=\left\{ b_{1}\right\} \)となり、右辺は\(f\left(A_{1}\right)\triangle f\left(A_{2}\right)=f\left(\left\{ a_{1}\right\} \right)\triangle f\left(\left\{ a_{2}\right\} \right)=\left\{ b_{1}\right\} \triangle\left\{ b_{1}\right\} =\emptyset\)となるので逆が正しいとすると、\(\left\{ b_{1}\right\} \subseteq\emptyset\)となるがこれは偽である。
故に逆は一般的に成り立たない。
(5)
\begin{align*} x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\cup B_{2}\right) & \Leftrightarrow f\left(x\right)\in B_{1}\cup B_{2}\\ & \Leftrightarrow\left(f\left(x\right)\in B_{1}\right)\lor\left(f\left(x\right)\in B_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow\left(x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\right)\lor\left(x\in f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\right)\\ & \Leftrightarrow x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\cup f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。(6)
\begin{align*} x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\cap B_{2}\right) & \Leftrightarrow f\left(x\right)\in B_{1}\cap B_{2}\\ & \Leftrightarrow\left(f\left(x\right)\in B_{1}\right)\land\left(f\left(x\right)\in B_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow\left(x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\right)\land\left(x\in f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\right)\\ & \Leftrightarrow x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\cap f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。(7)
\begin{align*} x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\setminus B_{2}\right) & \Leftrightarrow f\left(x\right)\in B_{1}\setminus B_{2}\\ & \Leftrightarrow\left(f\left(x\right)\in B_{1}\right)\land\left(f\left(x\right)\notin B_{2}\right)\\ & \Leftrightarrow\left(x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\right)\land\left(x\notin f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\right)\\ & \Leftrightarrow x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\setminus f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。(8)
\begin{align*} x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\triangle B_{2}\right) & \Leftrightarrow f\left(x\right)\in B_{1}\triangle B_{2}\\ & \Leftrightarrow f\left(x\right)\in\left(B_{1}\setminus B_{2}\right)\cup\left(B_{2}\setminus B_{1}\right)\\ & \Leftrightarrow\left(f\left(x\right)\in\left(B_{1}\setminus B_{2}\right)\right)\lor\left(f\left(x\right)\in B_{2}\setminus B_{1}\right)\\ & \Leftrightarrow\left(f\left(x\right)\in B_{1}\land f\left(x\right)\notin B_{2}\right)\lor\left(f\left(x\right)\in B_{2}\land f\left(x\right)\notin B_{1}\right)\\ & \Leftrightarrow\left(x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\land x\notin f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\right)\lor\left(x\in f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\land x\notin f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\right)\\ & \Leftrightarrow\left(x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\setminus f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\right)\lor\left(x\in f^{\bullet}\left(B_{2}\right)\setminus f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\right)\\ & \Leftrightarrow x\in f^{\bullet}\left(B_{1}\right)\triangle f^{\bullet}\left(B_{2}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。(9)
\begin{align*} f\left(\bigcup_{\lambda\in\Lambda}A_{\lambda}\right) & =\left\{ y;y\in f\left(\bigcup_{\lambda\in\Lambda}A_{\lambda}\right)\right\} \\ & =\left\{ y;\exists x\in\bigcup_{\lambda\in\Lambda}A_{\lambda},y=f\left(x\right)\right\} \\ & =\left\{ y;\exists\lambda\in\Lambda,\exists x\in A_{\lambda},y=f\left(x\right)\right\} \\ & =\left\{ y;\exists\lambda\in\Lambda,y\in f\left(A_{\lambda}\right)\right\} \\ & =\left\{ y;y\in\bigcup_{\lambda\in\Lambda}f\left(A_{\lambda}\right)\right\} \\ & =\bigcup_{\lambda\in\Lambda}f\left(A_{\lambda}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。(10)
\begin{align*} f\left(\bigcap_{\lambda\in\Lambda}A_{\lambda}\right) & =\left\{ y;y\in f\left(\bigcap_{\lambda\in\Lambda}A_{\lambda}\right)\right\} \\ & =\left\{ y;\exists x\in\bigcap_{\lambda\in\Lambda}A_{\lambda},y=f\left(x\right)\right\} \\ & \subseteq\left\{ y;\forall\lambda\in\Lambda,\exists x\in A_{\lambda},y=f\left(x\right)\right\} \\ & =\left\{ y;\forall\lambda\in\Lambda,y\in f\left(A_{\lambda}\right)\right\} \\ & =\left\{ y;y\in\bigcap_{\lambda\in\Lambda}f\left(A_{\lambda}\right)\right\} \\ & =\bigcap_{\lambda\in\Lambda}f\left(A_{\lambda}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。また、\(f\)が単射のときは等号となる。
逆は一般的に成り立たない
反例で示す。始域を\(X=\left\{ a_{1},a_{2}\right\} \)、終域を\(Y=\left\{ b\right\} \)として写像\(f\)を\(f\left(a_{1}\right)=f\left(a_{2}\right)=b\)とする。
\(f\left(\left\{ a_{1}\right\} \cap\left\{ a_{2}\right\} \right)=f\left(\emptyset\right)=\emptyset\)であるが、\(f\left(\left\{ a_{1}\right\} \right)\cap f\left(\left\{ a_{2}\right\} \right)=\left\{ b\right\} \cap\left\{ b\right\} =\left\{ b\right\} \)となるので\(f\left(\left\{ a_{1}\right\} \cap\left\{ a_{2}\right\} \right)\subsetneq f\left(\left\{ a_{1}\right\} \right)\cap f\left(\left\{ a_{2}\right\} \right)\)となる。
故に逆は一般的に成り立たない。
(11)
\begin{align*} f^{\bullet}\left(\bigcup_{\mu\in M}B_{\mu}\right) & =\left\{ x;x\in f^{\bullet}\left(\bigcup_{\mu\in M}B_{\mu}\right)\right\} \\ & =\left\{ x;f\left(x\right)\in\bigcup_{\mu\in M}B_{\mu}\right\} \\ & =\left\{ x;\exists\mu\in M,f\left(x\right)\in B_{\mu}\right\} \\ & =\left\{ x;\exists\mu\in M,x\in f^{\bullet}\left(B_{\mu}\right)\right\} \\ & =\left\{ x;x\in\bigcup_{\mu\in M}f^{\bullet}\left(B_{\mu}\right)\right\} \\ & =\bigcup_{\mu\in M}f^{\bullet}\left(B_{\mu}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。(12)
\begin{align*} f^{\bullet}\left(\bigcap_{\mu\in M}B_{\mu}\right) & =\left\{ x;x\in f^{\bullet}\left(\bigcap_{\mu\in M}B_{\mu}\right)\right\} \\ & =\left\{ x;f\left(x\right)\in\bigcap_{\mu\in M}B_{\mu}\right\} \\ & =\left\{ x;\forall\mu\in M,f\left(x\right)\in B_{\mu}\right\} \\ & =\left\{ x;\forall\mu\in M,x\in f^{\bullet}\left(B_{\mu}\right)\right\} \\ & =\left\{ x;x\in\bigcap_{\mu\in M}f^{\bullet}\left(B_{\mu}\right)\right\} \\ & =\bigcap_{\mu\in M}f^{\bullet}\left(B_{\mu}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。ページ情報
| タイトル | 写像と集合の演算 |
| URL | https://www.nomuramath.com/x9ot2o8h/ |
| SNSボタン |
写像と論理和・論理積
\[
\bigvee_{x\in X}\bigwedge_{\lambda\in\Lambda}x\in A_{\lambda},y=f\left(x\right)\Rightarrow\bigwedge_{\lambda\in\Lambda}\bigvee_{x\in X}x\in A_{\lambda},y=f\left(x\right)
\]
像・逆像と補集合の関係
\[
f^{\bullet}\left(B^{c}\right)=\left(f^{\bullet}\left(B\right)\right)^{c}
\]
逆像の元と像の元
\[
a\in f^{\bullet}\left(B\right)\Leftrightarrow f\left(a\right)\in B
\]
像の逆像と逆像の像
\[
A\subseteq f^{\bullet}\left(f\left(A\right)\right)
\]
