关系与映射

定义:由两个具有给定次序的x和y所组成的序列称为序偶(Ordered Pair),记作⟨x,y⟩.其中,x称为第1分量,y称为第2分量。

当x≠y时, ⟨x,y⟩≠⟨y,x⟩

⟨x,y⟩=⟨u,v⟩的充分必要条件是: x=u, y=v.

设A,B是任意两个集合,用A中元素为第1分量,B中元素为第2分量构成序偶。 这样的序偶组成的集合称为A和B的笛卡尔积(Cartesian Product).

A×B={⟨x,y⟩|x∈A,y∈B}.

例如: 花色 × 大小的笛卡尔积是: {(♢,A), (♢,K), (♢,Q), (♢,J), (♢,10), ⋯⋯, (♡,6), (♡,5), (♡,4),(♡,3), (♡,2)}.

由n个具有给定次序的个体a1,a2,⋯,an组成的序列,称为有序n元组, 记作: ⟨a1,a2,⋯,an⟩, 其中ai称为第i个分量。

⟨a1,a2,⋯,an⟩=⟨b1,b2,⋯,bn⟩

当且仅当

ai=bi(i=1,2,⋯,n).

设A1,A2,⋯,An是任意给定的n个集合,若有序n元组⟨a1,a2,⋯,an⟩的第1分量取自集合A1,第2分量取自A2,⋯,第n分量取自An,则由所有这样的有序n元组组成的集合称为集合A1,A2,⋯,An的笛卡儿积,并用A1×A2×⋯×An表示。 即 A1×A2×⋯×An={⟨a1,a2,⋯,an⟩ |ai∈Ai,i=1,2,⋯,n}.

求证: A×(B∪C)=(A×B)∪(A×C) 成立。

证明:对任意的⟨x,y⟩, ⟨x,y⟩∈A×(B∪C),有: x∈A∧y∈(B∪C) x∈A∧(y∈B∨y∈C) (x∈A∧y∈B)∨(x∈A∧y∈C) ⟨x,y⟩∈A×B∨⟨x,y⟩∈A×C ⟨x,y⟩∈(A×B)∪(A×C) 所以A×(B∪C)⊆(A×B)∪(A×C).

对任意的⟨x,y⟩,⟨x,y⟩∈(A×B)∪(A×C),有: ⟨x,y⟩∈A×B∨⟨x,y⟩∈A×C (x∈A∧y∈B)∨(x∈A∧y∈C) x∈A∧(y∈B∨y∈C) x∈A∧y∈(B∪C) ⟨x,y⟩∈A×(B∪C) 所以(A×B)∪(A×C)⊆A×(B∪C).​

综上:A×(B∪C)=(A×B)∪(A×C).

如果一个集合的全部元素都是序偶,则称这个集合为一个二元关系,记作R.

例:设A={2,3,4},定义 R1={⟨x,y⟩|x,y∈A∧x>y} 即: R1={⟨4,3⟩,⟨4,2⟩,⟨3,2⟩} 表示集合A上元素的大于关系。

设A,B是任意两个集合,A×B的任意一个子集所定义的二元关系R称为从集合A到集合B的一个二元关系。 当A=B时,称R为A上的二元关系。

例:设A={1,2,3},B={a,b},则: A×B={⟨1,a⟩,⟨1,b⟩,⟨2,a⟩, ⟨2,b⟩,⟨3,a⟩,⟨3,b⟩} A×B的任何子集都是一个二元关系。

设A1,A2,⋯,An是任意给定的集合,笛卡儿积A1×A2×⋯×An的任意一个子集R称为A1, A2, ⋯, An上的一个n元关系。特别的,当A1=A2=⋯=An=A时,称R为A上的n元关系。

设A和B是任意给定的两个集合, f是从A到B的二元关系。若对于任意的x∈A,存在唯一的y∈B,使得⟨x,y⟩∈f,则称关系f为从A到B的一个函数或映射, 记作f:A→B.

若有⟨x,y⟩∈f,则称x是原像(或自变量),称y为f作用下x的像。通常用y=f(x)表示⟨x,y⟩∈f.

二元关系和函数的区别如下:

(1)函数的定义域必须等于A.二元关系的定义域可以是A,也可以是A的一个子集。

(2)作为二元关系,一个x可以对应多个不同的y.而作为函数,一个x只能对应一个y.

定理:设A,B都是有限集,|A|=m,|B|=n,则从A到B共有nm个不同的函数。

通常用BA表示从A到B的所有不同函数构成的集合,即: BA={f|f:A→B}. 对于函数f:X→Y

(1)若V(f)=Y,则称f是满射 (Surjection).

(2)对任意的x1,x2∈X,当x1≠x2时必有f(x1)≠f(x2),则称f是单射 (Injection).

(3)若f既是满射的又是单射的,则称f为双射 (Bijection).

例:以下是4个不同类型的函数:

f1:{a,b,c,d}→{1,2,3}, f1={⟨a,1⟩,⟨b,2⟩,⟨c,3⟩,⟨d,3⟩} f2:{a,b,c}→{1,2,3,4}, f2={⟨a,1⟩,⟨b,2⟩,⟨c,3⟩} f3:{a,b,c}→{1,2,3}, f3={⟨a,1⟩,⟨b,2⟩,⟨c,3⟩} f4:{a,b,c}→{1,2,3}, f4={⟨a,1⟩,⟨b,1⟩,⟨c,3⟩}

例:设A={a,b},B={c,d,e},定义: f:A→B, f={⟨a,c⟩,⟨b,d⟩} (单射但不是满射),那么f−1是B到A的关系是f的逆关系。 f−1={⟨c,a⟩,⟨d,b⟩},

D(f−1)={c,d}≠B,所以f−1并不是函数。

设f:X→Y是一个双射函数,称f的逆关系为f的逆函数 (Inverse Function),记作f−1.

若f的逆函数f−1存在,则称f是可逆的。

设有函数f:X→Y,g:Y→Z,则 g∘f:X→Z={⟨x,z⟩|x∈X∧z∈Z∧∃y∈Y,y=f(x)∧z=g(y)} 称为f和g的复合函数(Composition). 即(g∘f)(x)=g(f(x)).

求证: 如果f:X→Y,g:Y→Z都是满射,那么g∘f:X→Z也是满射。

证明: 设z是Z的任意元素,因为g是满射,所以存在b∈B使得g(y)=z. 又因为f是满射,所以存在a∈A使得g(x)=y. 于是(g∘f)(x)=g(f(x))=z,所以g∘f是满射。