逆写像・可逆・左逆写像・右逆写像の定義と逆写像の性質

逆写像・可逆・左逆写像・右逆写像の定義と逆写像の性質

定義

(1)逆写像

写像\(f:X\rightarrow Y\)があるとき、ある写像\(f^{\bullet}:Y\rightarrow X\)が存在し、任意の\(x\in X,y\in Y\)に対し、\(f\left(x\right)=y\Leftrightarrow f^{\bullet}\left(y\right)=x\)となるとき\(f^{\bullet}\)を\(f\)の逆写像という。

(2)可逆

写像\(f\)に逆写像が存在するとき可逆といい、写像\(f\)を可逆写像という。

(3)左逆写像

写像\(f:X\rightarrow Y\)があるとき、\(g\circ f=\id_{X}\)となる写像\(g\)が存在するとき、\(g\)を\(f\)の左逆写像という。

(4)右逆写像

写像\(f:X\rightarrow Y\)があるとき、\(f\circ h=\id_{Y}\)となる写像\(h\)が存在するとき、\(h\)を\(f\)の右逆写像という。

逆写像の性質

(5)逆写像の存在

写像\(f:X\rightarrow Y\)があるとき、逆写像\(f^{\bullet}\)が存在することと、\(f\)が全単射であることは同値である。

(6)逆写像の一意性

写像\(f:X\rightarrow Y\)があるとき、逆写像\(f^{\bullet}:Y\rightarrow X\)が存在するなら一意的となる。
左逆写像が存在するが右逆写像が存在しない場合や、その逆もあります。

(1)逆写像

写像\(f:\left\{ x_{1}\right\} \rightarrow\left\{ y_{1}\right\} \)を\(f\left(x_{1}\right)=y_{1}\)とすると、写像\(f^{\bullet}:\left\{ y_{1}\right\} \rightarrow\left\{ x_{1}\right\} \)を\(f^{\bullet}\left(y_{1}\right)=x_{1}\)とすると、任意の\(x\in\left\{ x_{1}\right\} ,y\in\left\{ y_{1}\right\} \)に対し、\(f\left(x\right)=y\Leftrightarrow f^{\bullet}\left(y\right)=x\)が成り立つのでき\(f^{\bullet}\)は\(f\)の逆写像となる。
このとき、写像\(f\)に逆写像が存在するので可逆となり、写像\(f\)は可逆写像となる。

(2)逆写像

写像\(f:\left\{ x_{1},x_{2}\right\} \rightarrow\left\{ y_{1},y_{2}\right\} \)を\(f\left(x_{1}\right)=y_{1},f\left(x_{2}\right)=y_{1}\)とすると、逆写像は存在しない。
写像\(f:\left\{ x_{1},x_{2}\right\} \rightarrow\left\{ y_{1}\right\} \)を\(f\left(x_{1}\right)=y_{1},f\left(x_{2}\right)=y_{1}\)とすると、逆写像は存在しない。
写像\(f:\left\{ x_{1}\right\} \rightarrow\left\{ y_{1},y_{2}\right\} \)を\(f\left(x_{1}\right)=y_{1}\)とすると、逆写像は存在しない。

(3)左逆写像

写像\(f:\left\{ x_{1}\right\} \rightarrow\left\{ y_{1},y_{2}\right\} \)を\(f\left(x_{1}\right)=y_{1}\)として、\(g:\left\{ y_{1},y_{2}\right\} \rightarrow\left\{ x_{1}\right\} \)を\(g\left(y_{1}\right)=x_{1},g\left(y_{2}\right)=x_{1}\)とすると、\(\left(g\circ f\right)\left(x_{1}\right)=g\left(f\left(x_{1}\right)\right)=g\left(y_{1}\right)=x_{1}=\id_{\left\{ x_{1}\right\} }\left(x_{1}\right)\)となるので\(g\)は\(f\)の左逆写像となる。
しかし、\(\left(f\circ g\right)\left(y_{2}\right)=f\left(g\left(y_{2}\right)\right)=f\left(x_{1}\right)=y_{1}\ne\id_{\left\{ y_{1},y_{2}\right\} }\left(y_{2}\right)\)となるので右逆写像ではない。

(4)右逆写像

写像\(f:\left\{ x_{1},x_{2}\right\} \rightarrow\left\{ y_{1}\right\} \)を\(f\left(x_{1}\right)=y_{1},f\left(x_{2}\right)=y_{1}\)として、\(g:\left\{ y_{1}\right\} \rightarrow\left\{ x_{1},x_{2}\right\} \)を\(g\left(y_{1}\right)=x_{1}\)とすると、\(\left(f\circ g\right)\left(y_{1}\right)=f\left(g\left(y_{1}\right)\right)=f\left(x_{1}\right)=y_{1}=\id_{\left\{ y_{1}\right\} }\left(y_{1}\right)\)となるので右逆写像となる。
しかし、\(\left(g\circ f\right)\left(x_{2}\right)=g\left(f\left(x_{2}\right)\right)=g\left(y_{1}\right)=x_{1}\ne\id_{\left\{ x_{1}\right\} }\left(x_{2}\right)\)となるので左逆写像ではない。

(5)シフト作用素

\(K\)の元を並べた数列の集合\(\ell\left(K\right)\)で、左シフト作用素を
\[ f_{L}:\ell\left(K\right)\rightarrow\ell\left(K\right),\left(a_{1},a_{2},\cdots\right)\mapsto\left(a_{2},a_{3},\cdots\right) \] と定め、右シフト作用素を
\[ f_{R}:\ell\left(K\right)\rightarrow\ell\left(K\right),\left(a_{1},a_{2},\cdots\right)\mapsto\left(0,a_{1},a_{2},\cdots\right) \] と定める。
この作用素は、\(f_{L}\circ f_{R}=1_{\ell\left(K\right)}\)であるが、\(f_{R}\circ f_{L}\ne1_{\ell\left(K\right)}\)である。
これより、\(f_{R}\)には左逆写像\(f_{L}\)が存在するが、\(f_{L}\)は右逆写像になっていないので右逆写像は存在しない。
また、\(f_{L}\)には右逆写像\(f_{R}\)が存在するが、\(f_{R}\)は左逆写像になっていないので左逆写像は存在しない。

(5)

\(\Rightarrow\)

逆写像\(f^{\bullet}\)が存在するとき、任意の\(y\in Y\)に対し、ある\(x\in X\)が唯1つ存在し、\(x=f^{\bullet}\left(y\right)\)となり\(f\left(x\right)=y\)となるので、これは単射であり全射なので全単射となる。
従って\(\Rightarrow\)が成り立つ。

\(\Leftarrow\)

\(f\)が全単射であるとき、任意の\(y\in Y\)に対し、ある\(x\in X\)が唯1つ存在するので、これにより\(Y\)から\(X\)への写像が定められそれは逆写像になる。
従って\(\Leftarrow\)が成り立つ。

-

これらより、\(\Rightarrow\)と\(\Leftarrow\)が成り立つので\(\Leftrightarrow\)が成り立つ。

別証明

\(\Rightarrow\)を示す。
逆写像\(f^{\bullet}\)が存在するとする。
任意の\(x_{1},x_{2}\in X\)について、\(f\left(x_{1}\right)=f\left(x_{2}\right)\)であるとき、
\begin{align*} x_{1} & =\text{\id}_{X}\left(x_{1}\right)\\ & =\left(f^{\bullet}f\right)\left(x_{1}\right)\\ & =f^{\bullet}\left(f\left(x_{1}\right)\right)\\ & =f^{\bullet}\left(f\left(x_{2}\right)\right)\\ & =\left(f^{\bullet}f\right)\left(x_{2}\right)\\ & =\text{\id}_{X}\left(x_{2}\right)\\ & =x_{2} \end{align*} となるので\(f\)は単射となる。
また、任意の\(y\in Y\)についてある\(x\in X\)が存在し、\(f^{\bullet}\left(y\right)=x\)となるので、
\begin{align*} f\left(x\right) & =f\left(f^{\bullet}\left(y\right)\right)\\ & =\left(ff^{\bullet}\right)\left(y\right)\\ & =\id_{Y}\left(y\right)\\ & =y \end{align*} となるので、\(f\)は全射となる。
従って、逆写像\(f^{\bullet}\)が存在するならば\(f\)は全単射となる。

(6)

異なる逆写像\(f_{1}^{\bullet},f_{2}^{\bullet}\)があると仮定する。
そうすると、任意の\(y\in Y\)について、
\begin{align*} f_{1}^{\bullet}\left(y\right) & =\left(\id_{X}\circ f_{1}^{\bullet}\right)\left(y\right)\\ & =\left(\left(f_{2}^{\bullet}\circ f\right)\circ f_{1}^{\bullet}\right)\left(y\right)\\ & =\left(f_{2}^{\bullet}\circ\left(f\circ f_{1}^{\bullet}\right)\right)\left(y\right)\\ & =\left(f_{2}^{\bullet}\circ\id_{Y}\right)\left(y\right)\\ & =f_{2}^{\bullet}\left(y\right) \end{align*} となる。
従って、\(f_{1}^{\bullet}=f_{2}^{\bullet}\)となり、異なる逆写像という仮定に矛盾。
故に逆写像は一意的になる。
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逆写像・可逆・左逆写像・右逆写像の定義と逆写像の性質
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