§4 Functions (ii): Composition and Inverses · 함수 (ii): 합성과 역함수
$f_1 : B \to A$와 $f_2 : C \to A$가 함수이고 $B \cap C = \emptyset$이라 하자. $f = f_1 \cup f_2$라 정의하자. 그러면 다음이 성립한다.
- $(x,y) \in f$이고 $x \in B$인 것은 $(x,y) \in f_1$인 것과 동치이다
- $(x,y) \in f$이고 $x \in C$인 것은 $(x,y) \in f_2$인 것과 동치이다
- $dom\ f = B \cup C$이고 $ran\ f = (ran\ f_1) \cup (ran\ f_2) \subset A$이다
- $x \in B$이면 $f(x) = f_1(x)$이고, $x \in C$이면 $f(x) = f_2(x)$이다
- $f$는 (F2)를 만족한다.
- 먼저 (⇐)를 증명한다. $(x,y) \in f_1$이라 하자. 그러면 $f_1 \subset f$이므로 당연히 $(x,y) \in f$이다. 정의역의 정의에 의해 $x \in dom\ f_1$이다. 또한 $f_1 : B \to A$가 함수이므로 (정리 4.8 참조) $dom\ f_1 = B$이다. 따라서 $x \in B$이다. 역으로 $(x,y) \in f$이고 $x \in B$라고 가정하자. $(x,y) \in f$이고 $f = f_1 \cup f_2$이므로 $(x,y) \in f_1$이거나 $(x,y) \in f_2$이다. $(x,y) \in f_2$가 불가능함을 보이는 것으로 충분하다. $(x,y) \in f_2$라고 가정하자. 그러면 $x \in dom\ f_2 = C$이다. $C \cap B = \emptyset$이므로 $x \notin B$이다. 그러나 이는 $x \in B$라는 가정에 모순이다. 따라서 $(x,y) \notin f_2$이다.
- (2)의 증명은 (1)과 유사하므로 자세한 내용은 생략한다.
- 정리 3.77과 정리 4.8에 의해,
$$dom\ f = dom\ (f_1 \cup f_2) = (dom\ f_1) \cup (dom\ f_2) = B \cup C.$$
마찬가지로,
$$ran\ f = ran\ (f_1 \cup f_2) = (ran\ f_1) \cup (ran\ f_2) \subset A \cup A = A.$$ - $x \in B$라 하자. 그러면 $f_1 : B \to A$가 함수이므로 $(x, f_1(x)) \in f_1$이다. 또한 $f_1 \subset f$이므로 $(x, f_1(x)) \in f$이다. 따라서 (4.3)을 상기하면 $f(x) = f_1(x)$이다. 마찬가지로 $x \in C$이면 $f(x) = f_2(x)$이다.
- $(x,y_1) \in f$이고 $(x,y_2) \in f$라 하자. 그러면 $f = f_1 \cup f_2$이므로 다음 네 가지 경우가 있다: (경우 1) $(x,y_1) \in f_1$이고 $(x,y_2) \in f_2$인 경우, (경우 2) $(x,y_1) \in f_2$이고 $(x,y_2) \in f_1$인 경우, (경우 3) $(x,y_1) \in f_1$이고 $(x,y_2) \in f_1$인 경우, (경우 4) $(x,y_1) \in f_2$이고 $(x,y_2) \in f_2$인 경우. 먼저 (경우 1)과 (경우 2)는 일어날 수 없음을 보인다. $f_1$이 $B$에서 $A$로 가는 함수이므로 $dom\ f_1 = B$이다. 마찬가지로 $dom\ f_2 = C$이다. 또한 $B \cap C = \emptyset$이라는 가정에 의해 $x \in B$이면서 동시에 $x \in C$인 것은 불가능하다. 따라서 (경우 1)과 (경우 2)는 불가능하다. 이제 (경우 3)과 (경우 4)만 남는다. (경우 3) $(x,y_1) \in f_1$이고 $(x,y_2) \in f_1$이라 하자. $f_1 : B \to A$가 함수이므로 $y_1 = y_2$이다. 마찬가지로 (경우 4) $(x,y_1) \in f_2$이고 $(x,y_2) \in f_2$인 경우도 $f_2 : C \to A$가 함수이므로 $y_1 = y_2$이다.
Let $f_1 : B \to A$ and $f_2 : C \to A$ be functions, where $B \cap C = \emptyset$. Define $f = f_1 \cup f_2$. Then
- $(x,y) \in f$ and $x \in B$ iff $(x,y) \in f_1$
- $(x,y) \in f$ and $x \in C$ iff $(x,y) \in f_2$
- $dom\ f = B \cup C$ and $ran\ f = (ran\ f_1) \cup (ran\ f_2) \subset A$
- If $x \in B$ then $f(x) = f_1(x)$ and if $x \in C$ then $f(x) = f_2(x)$
- $f$ satisfies (F2).
- First we prove the if part. Let $(x,y) \in f_1$. Then obviously $(x,y) \in f$ since $f_1 \subset f$. By the definition of the domain, $x \in dom\ f_1$ . Moreover, $dom\ f_1 = B$ since $f_1 : B \to A$ is a function (cf. Theorem 4.8). Therefore, $x \in B$. Conversely, we assume $(x,y) \in f$ and $x \in B$. Since $(x,y) \in f$ and $f = f_1 \cup f_2$, $(x,y) \in f_1$ or $(x,y) \in f_2$. It is sufficient to show that $(x,y) \in f_2$ is impossible. Suppose $(x,y) \in f_2$. Then $x \in dom\ f_2 = C$. Since $C \cap B = \emptyset$, $x \notin B$. But it is contradiction to the assumption that $x \in B$. Thus $(x,y) \notin f_2$.
- The proof of (2) is analogous to that of (1). We skip the detail.
- By Theorem 3.77 and Theorem 4.8,
$$dom\ f = dom\ (f_1 \cup f_2) = (dom\ f_1) \cup (dom\ f_2) = B \cup C.$$
Similarly,
$$ran\ f = ran\ (f_1 \cup f_2) = (ran\ f_1) \cup (ran\ f_2) \subset A \cup A = A.$$ - Let $x \in B$. Then since $f_1 : B \to A$ is a function, $(x, f_1(x)) \in f_1$. Moreover, since $f_1 \subset f$, $(x, f_1(x)) \in f$. Therefore, recalling (4.3), we have $f(x) = f_1(x)$. Similarly, if $x \in C$, then $f(x) = f_2(x)$.
- Let $(x,y_1) \in f$ and $(x,y_2) \in f$. Then since $f = f_1 \cup f_2$, there exist four cases : (Case 1) $(x,y_1) \in f_1$ and $(x,y_2) \in f_2$, (Case 2) $(x,y_1) \in f_2$ and $(x,y_2) \in f_1$, (Case 3) $(x,y_1) \in f_1$ and $(x,y_2) \in f_1$, (Case 4) $(x,y_1) \in f_2$ and $(x,y_2) \in f_2$. First we prove that (Case 1) and (Case 2) cannot happen. Since $f_1$ is a function from $B$ to $A$, $dom\ f_1 = B$. Similarly, $dom\ f_2 = C$. Moreover, the assumption $B \cap C = \emptyset$ implies that $x \in B$ and $x \in C$ are impossible. Therefore, (Case 1) and (Case 2) are impossible. It only remains to consider (Case 3) and (Case 4). Recall that (Case 3: $(x,y_1) \in f_1$ and $(x,y_2) \in f_1$. Since $f_1 : B \to A$ is a function, $y_1 = y_2$. Similarly, for (Case 4) $(x,y_1) \in f_2$ and $(x,y_2) \in f_2$, we have $y_1 = y_2$ since $f_2 : C \to A$ is a function.
보조정리 4.24의 상황에서, 보조정리 4.24(5)를 사용하지 않고 $f$에 대해 (F2’)이 성립함을 증명하라.
$x_1, x_2 \in dom\ f$이고 $x_1 = x_2$라 하자. $x := x_1 = x_2$라 쓰자. 보조정리 4.24(3)에 의해 $dom\ f = B \cup C$이므로 $x \in B \cup C$이다. 따라서 $x \in B$이거나 $x \in C$이다.
$x \in B$인 경우를 생각하자. 보조정리 4.24(4)에 의해 $f(x_1) = f(x) = f_1(x)$이고, 마찬가지로 $f(x_2) = f(x) = f_1(x)$이다. $f_1 : B \to A$가 함수이므로 (F1)에 의해 $x$의 상 $f_1(x)$가 존재하고 (F2)에 의해 유일하다. 즉 $f_1(x)$는 하나의 값으로 정해진다. 따라서
$x \in C$인 경우도 마찬가지이다. 보조정리 4.24(4)에 의해
$B \cap C = \emptyset$이므로 $x \in B$와 $x \in C$가 동시에 성립할 수는 없다. 따라서 두 경우 중 정확히 하나만 일어나며, 어느 경우이든 $f(x_1) = f(x_2)$를 얻는다. 그러므로 $f$는 (F2’)을 만족한다.
Under the setting Lemma 4.24, prove that (F2’) holds for $f$ without using Lemma 4.24(5).
Let $x_1, x_2 \in dom\ f$ with $x_1 = x_2$. Write $x := x_1 = x_2$. By Lemma 4.24(3), $dom\ f = B \cup C$, so $x \in B \cup C$. Thus $x \in B$ or $x \in C$.
Suppose $x \in B$. By Lemma 4.24(4), $f(x_1) = f(x) = f_1(x)$, and likewise $f(x_2) = f(x) = f_1(x)$. Since $f_1 : B \to A$ is a function, by (F1) the image $f_1(x)$ exists, and by (F2) it is unique. That is, $f_1(x)$ is a single well-defined value. Hence
The case $x \in C$ is analogous. By Lemma 4.24(4),
Since $B \cap C = \emptyset$, $x \in B$ and $x \in C$ cannot hold simultaneously. Thus exactly one of the two cases applies, and in either case we obtain $f(x_1) = f(x_2)$. Therefore $f$ satisfies (F2’).
$f_1 : B \to A$와 $f_2 : C \to A$가 함수이고 $B \cap C = \emptyset$이라 하자. $f = f_1 \cup f_2$라 정의하자. 그러면 다음이 성립한다.
- $f : B \cup C \to A$는 함수이다
- $f_1 = f_{[B]}$이고 $f_2 = f_{[C]}$이다
- $f : B \cup C \to A$는 $f_1$을 $B \cup C$로 확장한 것이다
- $f : B \cup C \to A$는 $f_2$를 $B \cup C$로 확장한 것이다.
- 보조정리 4.24(3), (5)와 정리 4.8에 의해, $f : B \cup C \to A$는 함수이다.
- (1)에 의해 $f : B \cup C \to A$는 함수이다. 따라서 보조정리 4.24(4)에 의해,
$$f_1(x) = f(x) \qquad \forall x \in B \tag{4.7}$$
이고
$$f_2(x) = f(x) \qquad \forall x \in C.$$따라서 (4.5)에 의해 $f_1 = f_{[B]}$이고 $f_2 = f_{[C]}$임을 얻는다.
- (4.7)과 (4.6)에 의해, $f : B \cup C \to A$는 $f_1$을 $B \cup C$로 확장한 것이다.
- (4)의 증명은 (3)과 매우 유사하므로 자세한 내용은 생략한다.
Let $f_1 : B \to A$ and $f_2 : C \to A$ be functions, where $B \cap C = \emptyset$. Define $f = f_1 \cup f_2$. Then
- $f : B \cup C \to A$ is a function
- $f_1 = f_{[B]}$ and $f_2 = f_{[C]}$
- $f : B \cup C \to A$ is an extension of $f_1$ to $B \cup C$
- $f : B \cup C \to A$ is an extension of $f_2$ to $B \cup C$.
- Due to Lemma 4.24(3), (5), and Theorem 4.8, $f : B \cup C \to A$ is a function.
- By (1), $f : B \cup C \to A$ is a function. Thus due to Lemma 4.24(4),
$$f_1(x) = f(x) \qquad \forall x \in B \tag{4.7}$$
and
$$f_2(x) = f(x) \qquad \forall x \in C.$$Therefore, by (4.5), we have $f_1 = f_{[B]}$ and $f_2 = f_{[C]}$.
- By (4.7) and (4.6), $f : B \cup C \to A$ is an extension of $f_1$ to $B \cup C$.
- The proof of (4) is very analogous to that of (3). We skip the detail.
$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 함수라 하자. 그러면 $g \circ f : A \to C$는 함수이다.
정리 4.8에 의해, $g \circ f$가 (F2)를 만족하고 $dom\ g \circ f = A$이며 $ran\ g \circ f \subset C$임을 보이는 것으로 충분하다. 먼저 $ran\ g \circ f \subset C$임을 증명한다. 정리 3.64(4)와 정리 4.8에 의해,
다음으로 $dom\ g \circ f = A$임을 보인다. 정리 4.8에 의해 $ran\ f \subset B = dom\ g$이다. 따라서 따름정리 3.65와 정리 4.8에 의해,
이제 $g \circ f$가 (F2)를 만족함을 보이는 것만 남았다. $(x,y_1) \in g \circ f$이고 $(x,y_2) \in g \circ f$라 하자. 그러면 합성의 정의에 의해 다음을 만족하는 $z_1$과 $z_2$가 존재한다.
그리고
$f : A \to B$가 함수이므로 $(x,z_1) \in f$이고 $(x,z_2) \in f$이면 $z_1 = z_2$이다. 따라서 $g : B \to C$가 함수이므로 $(z_1,y_1) \in g$이고 $(z_2,y_2) = (z_1,y_2) \in g$이면 $y_1 = y_2$이다. 그러므로 $g \circ f$는 (F2)를 만족한다.
Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be functions. Then $g \circ f : A \to C$ is a function.
Due to Theorem 4.8, it is sufficient to show that $g \circ f$ satisfies (F2), $dom\ g \circ f = A$, and $ran\ g \circ f \subset C$. First we prove $ran\ g \circ f \subset C$. By Theorem 3.64(4) and Theorem 4.8,
Next we show $dom\ g \circ f = A$. By Theorem 4.8, $ran\ f \subset B = dom\ g$. Thus by Corollary 3.65 and Theorem 4.8,
It only remains to show that $g \circ f$ satisfies (F2). Let $(x,y_1) \in g \circ f$ and $(x,y_2) \in g \circ f$. Then by the definition of the composition, there exist $z_1$ and $z_2$ such that
and
Since $f : A \to B$ is a function, $(x,z_1) \in f$ and $(x,z_2) \in f$ implies $z_1 = z_2$. Thus since $g : B \to C$ is a function, $(z_1,y_1) \in g$ and $(z_2,y_2) = (z_1,y_2) \in g$ implies $y_1 = y_2$. Therefore $g \circ f$ satisfies (F2).
$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 함수라 하자. 다음을 증명하라.
정의 4.7(3)에 의해, 함수 $h$와 원소 $x, y$에 대하여 $x \overset{h}{\mapsto} y$인 것은 $(x,y) \in h$인 것과 동치이다. 이를 $h = g \circ f$에 적용하면,
또한 정의 3.61(그래프의 합성)에 의해,
다시 정의 4.7(3)에 의해, $(x,z) \in f$인 것은 $x \overset{f}{\mapsto} z$인 것과 동치이고, $(z,y) \in g$인 것은 $z \overset{g}{\mapsto} y$인 것과 동치이다. 따라서
Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be functions. Prove that
By Definition 4.7(3), for a function $h$ and elements $x, y$, $x \overset{h}{\mapsto} y$ iff $(x,y) \in h$. Applying this with $h = g \circ f$,
Moreover, by Definition 3.61 (the composition of graphs),
Again by Definition 4.7(3), $(x,z) \in f$ iff $x \overset{f}{\mapsto} z$, and $(z,y) \in g$ iff $z \overset{g}{\mapsto} y$. Therefore
$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 함수라 하자. 다음을 증명하라.
$x \in A$라 하자. 정리 4.27에 의해 $g \circ f : A \to C$는 함수이고, 정리 4.27의 증명에서 보인 대로 $dom\ g \circ f = A$이다. 따라서 $x \in dom\ g \circ f$이다.
$f : A \to B$가 함수이므로, (4.2)에 의해 $(x, f(x)) \in f$이다. 또한 $f(x) \in B = dom\ g$이고 $g : B \to C$가 함수이므로, 다시 (4.2)에 의해 $(f(x), g(f(x))) \in g$이다.
따라서 정의 3.61(그래프의 합성)에 의해, $z = f(x)$를 취하면
$g \circ f$는 함수이므로, (4.2)에 의해
Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be functions. Prove that
Let $x \in A$. By Theorem 4.27, $g \circ f : A \to C$ is a function, and as shown in the proof of Theorem 4.27, $dom\ g \circ f = A$. Hence $x \in dom\ g \circ f$.
Since $f : A \to B$ is a function, by (4.2), $(x, f(x)) \in f$. Moreover $f(x) \in B = dom\ g$, and since $g : B \to C$ is a function, again by (4.2), $(f(x), g(f(x))) \in g$.
Thus by Definition 3.61 (the composition of graphs), taking $z = f(x)$,
Since $g \circ f$ is a function, by (4.2),
함수 $f : A \to B$는 $f^{-1} : B \to A$가 함수일 때 “가역(invertible)”이라고 한다.
A function $f : A \to B$ is said to be “invertible” if $f^{-1} : B \to A$ is a function.
$f : A \to B$가 가역함수라 하자. 그러면
(4.2)와 그래프 $f$의 역의 정의에 의해,
Let $f : A \to B$ be a invertible function. Then
By (4.2) and the definition of the inverse of the graph $f$,
$f : A \to B$가 함수라 하자. 다음을 증명하거나 반증하라.
이 명제는 일반적인 함수 $f$에 대해서는 성립하지 않는다. $A = \{a_1, a_2\}$ ($a_1 \neq a_2$)이고 $B = \{b\}$라 하고, $f = \{(a_1,b),(a_2,b)\} : A \to B$ (즉 상수함수 $K_b$)라 하자. 그래프의 역의 정의에 의해 $f^{-1} = \{(b,a_1),(b,a_2)\}$이다. $a_1 \neq a_2$이면서 $(b,a_1) \in f^{-1}$이고 $(b,a_2) \in f^{-1}$이므로, $f^{-1}$은 (F2)를 만족하지 않아 함수가 아니다 (따라서 정의 4.30에 의해 $f$는 가역이 아니다). 표기 (4.3)의 의미에서는, $(b,a_1) \in f^{-1}$이므로 “$f^{-1}(b) = a_1$”이 성립하고, $(b,a_2) \in f^{-1}$이므로 “$f^{-1}(b) = a_2$”도 동시에 성립한다.
이제 이 $f$에 대해 위 동치가 성립한다고 가정해 보자. 단, 보조정리 4.31에서처럼 $f^{-1}(y)$는 $A$의 원소 하나를 가리키는 것으로 읽는다. $b = f(a_1)$이고 $b = f(a_2)$이므로, 순방향($\implies$)을 두 번 적용하면
를 얻고, 따라서 $a_1 = a_2$가 되어 $a_1 \neq a_2$에 모순이다. 모호한 표현 $f^{-1}(b)$의 두 가지 읽기를 하나씩 따져 보아도 같은 실패가 드러난다. $f^{-1}(b) = a_1$로 읽으면 $x = a_2$, $y = b$인 경우에 “$y = f(x)$”는 참이지만 “$x = f^{-1}(y)$”는 거짓이고, $f^{-1}(b) = a_2$로 읽으면 $x = a_1$, $y = b$인 경우에 그러하다. 따라서 $f^{-1}(b)$에 어떤 값을 지정하더라도 모든 $x$와 $y$에 대해 이 동치를 성립시킬 수는 없으며, “$y = f(x) \iff x = f^{-1}(y)$”는 일반적인 함수 $f$에 대해 성립하지 않는다.
다만 $f$가 가역인 경우, 즉 $f^{-1}$이 함수인 경우에는 이 동치관계가 실제로 성립한다 (보조정리 4.31).
Let $f : A \to B$ be a function. Prove or disprove that
This statement does not hold for a general function $f$. Let $A = \{a_1, a_2\}$ with $a_1 \neq a_2$, let $B = \{b\}$, and let $f = \{(a_1,b),(a_2,b)\} : A \to B$ (i.e. the constant function $K_b$). By the definition of the inverse of a graph, $f^{-1} = \{(b,a_1),(b,a_2)\}$. Since $a_1 \neq a_2$ while $(b,a_1) \in f^{-1}$ and $(b,a_2) \in f^{-1}$, $f^{-1}$ fails to satisfy (F2) and hence is not a function (so by Definition 4.30, $f$ is not invertible). In the sense of Notation (4.3), since $(b,a_1) \in f^{-1}$, “$f^{-1}(b) = a_1$” holds, and since $(b,a_2) \in f^{-1}$, “$f^{-1}(b) = a_2$” also holds simultaneously.
Now suppose the stated equivalence held for this $f$, with $f^{-1}(y)$ read — as in Lemma 4.31 — as a single element of $A$. Since $b = f(a_1)$ and $b = f(a_2)$, applying the forward direction ($\implies$) twice would give
hence $a_1 = a_2$, contradicting $a_1 \neq a_2$. Examining the two readings of the ambiguous expression $f^{-1}(b)$ one at a time exhibits the same failure: under the reading $f^{-1}(b) = a_1$, the instance $x = a_2$, $y = b$ makes “$y = f(x)$” true and “$x = f^{-1}(y)$” false; under the reading $f^{-1}(b) = a_2$, the instance $x = a_1$, $y = b$ does. Thus no assignment of a value to $f^{-1}(b)$ makes the equivalence hold for all $x$ and $y$, and “$y = f(x) \iff x = f^{-1}(y)$” fails to hold for a general function $f$.
This equivalence does hold, however, when $f$ is invertible, i.e. when $f^{-1}$ is a function (Lemma 4.31).
$f : A \to B$가 전단사함수라 하자. 그러면 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다.
정리 4.8에 의해, (1) $dom\ f^{-1} = B$, (2) $ran\ f^{-1} \subset A$, (3) $f^{-1}$이 (F2)를 만족함을 보이는 것으로 충분하다.
- $y \in dom\ f^{-1}$이라 하자. 그러면 정의역의 정의에 의해 $(y,x) \in f^{-1}$을 만족하는 $x$가 존재한다. 또한 그래프의 역의 정의에 의해 $(x,y) \in f$이다. $f : A \to B$가 함수이므로, 치역의 정의와 정리 4.8에 의해 $y \in ran\ f \subset B$이다. 역으로 $y \in B$라 하자. 그러면 $f : A \to B$가 전사이므로 $(x,y) \in f$를 만족하는 $x \in A$가 존재한다. 또한 그래프의 역의 정의에 의해 $(y,x) \in f^{-1}$이다. 따라서 정의역의 정의에 의해 $y \in dom\ f^{-1}$이다.
- $x \in ran\ f^{-1}$이라 하자. 그러면 치역의 정의에 의해 $(y,x) \in f^{-1}$을 만족하는 $y$가 존재한다. 역의 정의에 의해 $(x,y) \in f$이다. 따라서 정의역의 정의에 의해 $x \in dom\ f$이다. 또한 $f : A \to B$가 함수이므로, 정리 4.8에 의해 $x \in dom\ f = A$이다.
- $(x,y_1) \in f^{-1}$이고 $(x,y_2) \in f^{-1}$이라 가정하자. 그러면 $(y_1,x) \in f$이고 $(y_2,x) \in f$이다. $f : A \to B$가 단사이므로 $y_1 = y_2$이다. 따라서 $f^{-1}$에 대해 (F2)가 성립한다.
Let $f : A \to B$ be a bijective function. Then $f^{-1} : B \to A$ is a function.
Due to Theorem 4.8, it is sufficient to show that (1) $dom\ f^{-1} = B$, (2) $ran\ f^{-1} \subset A$, and (3) $f^{-1}$ satisfies (F2).
- Let $y \in dom\ f^{-1}$. Then by the definition of the domain, there exists a $x$ such that $(y,x) \in f^{-1}$. Moreover, by the definition of the inverse of graph, $(x,y) \in f$. Since $f : A \to B$ is a function, $y \in ran\ f \subset B$ by the definition of the range and Theorem 4.8. Conversely, let $y \in B$. Then since $f : A \to B$ is surjective, there exists a $x \in A$ such that $(x,y) \in f$. Moreover, by the definition of the inverse of graph, $(y,x) \in f^{-1}$. Therefore, by the definition of the domain, $y \in dom\ f^{-1}$.
- Let $x \in ran\ f^{-1}$. Then by the definition of the range, there exists a $y$ such that $(y,x) \in f^{-1}$. By the definition of the inverse, $(x,y) \in f$. Thus $x \in dom\ f$ by the definition of the domain. Moreover, since $f : A \to B$ is a function, $x \in dom\ f = A$ by Theorem 4.8.
- Assume that $(x,y_1) \in f^{-1}$ and $(x,y_2) \in f^{-1}$. Then $(y_1,x) \in f$ and $(y_2,x) \in f$. Since $f : A \to B$ is injective, $y_1 = y_2$. Therefore (F2) holds for $f^{-1}$.
$f : A \to B$가 전단사함수라 하자. 그러면 $f^{-1} : B \to A$는 전단사함수이다.
보조정리 4.33에 의해 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다. 따라서 함수 $f^{-1} : B \to A$가 전단사임을 보이는 것으로 충분하다. $x \in A$라 하자. 그러면 $f : A \to B$가 함수이므로 $(x,y) \in f$를 만족하는 $y \in B$가 존재한다. 따라서 $(y,x) \in f^{-1}$이고, 이는 $f^{-1}(y) = x$임을 뜻한다. 그러므로 함수 $f^{-1} : B \to A$는 전사이다. 함수 $f^{-1} : B \to A$가 단사임을 증명하기 위해, $(x_1,y) \in f^{-1}$이고 $(x_2,y) \in f^{-1}$이라 하자. 그러면 역의 정의에 의해 $(y,x_1) \in f$이고 $(y,x_2) \in f$이다. $f : A \to B$가 함수이므로 (F2)에 의해 $x_1 = x_2$이다.
Let $f : A \to B$ be a bijective function. Then $f^{-1} : B \to A$ is a bijective function.
Due to Lemma 4.33, $f^{-1} : B \to A$ is a function. Thus it is sufficient to show that the function $f^{-1} : B \to A$ is bijective. Let $x \in A$. Then since $f : A \to B$ is a function, there exists a $y \in B$ such that $(x,y) \in f$. Thus $(y,x) \in f^{-1}$ and it implies that $f^{-1}(y) = x$. Therefore, the function $f^{-1} : B \to A$ is surjective. To prove that the function $f^{-1} : B \to A$ is injective, let $(x_1,y) \in f^{-1}$ and $(x_2,y) \in f^{-1}$. Then $(y,x_1) \in f$ and $(y,x_2) \in f$ by the definition of the inverse. Since $f : A \to B$ is a function, $x_1 = x_2$ by (F2).
$f : A \to B$가 가역함수라 하자. 그러면 $f : A \to B$는 전단사이다.
$f : A \to B$가 가역이므로 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다. 따라서 정리 4.8에 의해 $dom\ f^{-1} = B$이다. 정리 3.64(2)에 의해 $dom\ f^{-1} = B$이면 $ran\ f = dom\ f^{-1} = B$이다. 따라서 $f : A \to B$는 전사이다. $f : A \to B$가 단사임을 증명하기 위해, $(x_1,y) \in f$이고 $(x_2,y) \in f$라 가정하자. 그러면 $(y,x_1) \in f^{-1}$이고 $(y,x_2) \in f^{-1}$이다. $f^{-1} : B \to A$가 함수이므로 (F2)에 의해 $x_1 = x_2$이다.
Let $f : A \to B$ is a invertible function. Then $f : A \to B$ is bijective.
Since $f : A \to B$ is invertible, $f^{-1} : B \to A$ is a function. Thus by Theorem 4.8, $dom\ f^{-1} = B$. By Theorem 3.64(2), $dom\ f^{-1} = B$ implies $ran\ f = dom\ f^{-1} = B$. Thus $f : A \to B$ is surjective. To prove that $f : A \to B$ is injective, assume that $(x_1,y) \in f$ and $(x_2,y) \in f$. Then $(y,x_1) \in f^{-1}$ and $(y,x_2) \in f^{-1}$. Since $f^{-1} : B \to A$ is a function, we have $x_1 = x_2$ by (F2).
$f : A \to B$가 함수라 하자. 그러면 $f : A \to B$가 가역인 것과 $f$가 전단사인 것은 동치이다. 또한 $f : A \to B$가 가역이면 $f^{-1} : B \to A$는 전단사함수이다.
Let $f : A \to B$ be a function. Then $f : A \to B$ is invertible if and only if $f$ is bijective. Moreover, if $f : A \to B$ is invertible, then $f^{-1} : B \to A$ is a bijective function.
$f : A \to B$가 가역함수라 하자. 그러면
- $f^{-1} \circ f = I_A$이다
- $f \circ f^{-1} = I_B$이다.
- $(x,y) \in f^{-1} \circ f$라 하자. 그러면 $(x,z) \in f$이고 $(z,y) \in f^{-1}$을 만족하는 $z$가 존재한다. 또한 그래프의 역의 정의에 의해 $(y,z) \in f$이다. 따라서 $(x,z) \in f$이고 $(y,z) \in f$이다. 따름정리 4.36에 의해 $f$가 단사이므로,
$$x = y.$$
임을 얻는다. $f : A \to B$가 함수이므로 $x \in dom\ f = A$이다. 따라서 $I_A$의 정의에 의해 $(x,y) = (x,x) \in I_A$이다. 역으로 $(x,y) \in I_A$라 하자. 그러면 $I_A$의 정의에 의해 $x = y$이고 $x \in A$이다. $(x,x) \in f^{-1} \circ f$임을 보이는 것으로 충분하다. $f : A \to B$가 함수이므로 $f(x) = z$, 즉 $(x,z) \in f$를 만족하는 $z$가 존재한다. 보조정리 4.31에 의해 $x = f^{-1}(z)$이다. 따라서 $(z,x) \in f^{-1}$이다. 그러므로 그래프의 합성의 정의에 의해 $(x,x) \in f^{-1} \circ f$이다.
- (2)의 증명은 (1)과 매우 유사하므로 자세한 내용은 생략한다.
Let $f : A \to B$ be an invertible function. Then
- $f^{-1} \circ f = I_A$
- $f \circ f^{-1} = I_B$.
- Let $(x,y) \in f^{-1} \circ f$. Then there exists a $z$ such that $(x,z) \in f$ and $(z,y) \in f^{-1}$. Moreover, by the definition of the inverse of graph, $(y,z) \in f$. Thus we have $(x,z) \in f$ and $(y,z) \in f$. Since $f$ is injective due to Corollary 4.36, we obtain
$$x = y.$$
Since $f : A \to B$ is a function, $x \in dom\ f = A$. Therefore, by the definition of $I_A$, $(x,y) = (x,x) \in I_A$. Conversely, let $(x,y) \in I_A$. Then by the definition of $I_A$, $x = y$ and $x \in A$. It is sufficient to show that $(x,x) \in f^{-1} \circ f$. Since $f : A \to B$ is a function, there exists a $z$ such that $f(x) = z$, i.e. $(x,z) \in f$. By Lemma 4.31, $x = f^{-1}(z)$. Thus $(z,x) \in f^{-1}$. Therefore, by the definition of the composition of graphs, $(x,x) \in f^{-1} \circ f$.
- Since the proof of (2) is very similar to (1), we skip the detail.
정리 4.13을 이용하여 정리 4.37을 증명하라.
$f : A \to B$가 가역함수라 하므로, 정의 4.30에 의해 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다.
- $f^{-1} \circ f = I_A$임을 보인다. $f : A \to B$와 $f^{-1} : B \to A$가 모두 함수이므로, 정리 4.27에 의해 $f^{-1} \circ f : A \to A$는 함수이다. 또한 $I_A : A \to A$도 함수이다. 따라서 정리 4.13에 의해, 다음을 보이는 것으로 충분하다.
$$f^{-1} \circ f(x) = I_A(x) \qquad \forall x \in A.$$
$x \in A$라 하자. 연습문제 4.29에 의해
$$f^{-1} \circ f(x) = f^{-1}(f(x)).$$또한 보조정리 4.31에 의해 $y = f(x)$이면 $x = f^{-1}(y)$이므로, $y = f(x)$를 대입하면
$$f^{-1}(f(x)) = x.$$한편 예제 4.17에 의해 $I_A(x) = x$이다. 따라서
$$f^{-1} \circ f(x) = x = I_A(x) \qquad \forall x \in A$$를 얻고, 정리 4.13에 의해 $f^{-1} \circ f = I_A$이다.
- $f \circ f^{-1} = I_B$임의 증명은 (1)과 매우 유사하다. $f^{-1} : B \to A$와 $f : A \to B$가 모두 함수이므로, 정리 4.27에 의해 $f \circ f^{-1} : B \to B$는 함수이고, $I_B : B \to B$도 함수이다. 정리 4.13에 의해
$$f \circ f^{-1}(y) = I_B(y) \qquad \forall y \in B$$
를 보이는 것으로 충분하다. $y \in B$라 하자. $f^{-1} : B \to A$가 함수이므로 $x := f^{-1}(y) \in A$가 존재한다. 연습문제 4.29에 의해
$$f \circ f^{-1}(y) = f(f^{-1}(y)) = f(x).$$또한 보조정리 4.31에 의해 $x = f^{-1}(y)$이면 $y = f(x)$이므로, $f(x) = y$이다. 예제 4.17에 의해 $I_B(y) = y$이므로,
$$f \circ f^{-1}(y) = f(x) = y = I_B(y) \qquad \forall y \in B$$를 얻고, 정리 4.13에 의해 $f \circ f^{-1} = I_B$이다.
Prove Theorem 4.37 by using Theorem 4.13.
Since $f : A \to B$ is an invertible function, by Definition 4.30, $f^{-1} : B \to A$ is a function.
- We show $f^{-1} \circ f = I_A$. Since $f : A \to B$ and $f^{-1} : B \to A$ are both functions, by Theorem 4.27, $f^{-1} \circ f : A \to A$ is a function. Moreover $I_A : A \to A$ is also a function. Thus by Theorem 4.13, it is sufficient to show that
$$f^{-1} \circ f(x) = I_A(x) \qquad \forall x \in A.$$
Let $x \in A$. By Exercise 4.29,
$$f^{-1} \circ f(x) = f^{-1}(f(x)).$$Moreover, by Lemma 4.31, $y = f(x)$ implies $x = f^{-1}(y)$, so substituting $y = f(x)$,
$$f^{-1}(f(x)) = x.$$On the other hand, by Example 4.17, $I_A(x) = x$. Hence
$$f^{-1} \circ f(x) = x = I_A(x) \qquad \forall x \in A,$$and by Theorem 4.13, $f^{-1} \circ f = I_A$.
- The proof of $f \circ f^{-1} = I_B$ is very similar to (1). Since $f^{-1} : B \to A$ and $f : A \to B$ are both functions, by Theorem 4.27, $f \circ f^{-1} : B \to B$ is a function, and $I_B : B \to B$ is also a function. By Theorem 4.13, it is sufficient to show that
$$f \circ f^{-1}(y) = I_B(y) \qquad \forall y \in B.$$
Let $y \in B$. Since $f^{-1} : B \to A$ is a function, there exists $x := f^{-1}(y) \in A$. By Exercise 4.29,
$$f \circ f^{-1}(y) = f(f^{-1}(y)) = f(x).$$Moreover, by Lemma 4.31, $x = f^{-1}(y)$ implies $y = f(x)$, so $f(x) = y$. Since $I_B(y) = y$ by Example 4.17,
$$f \circ f^{-1}(y) = f(x) = y = I_B(y) \qquad \forall y \in B,$$and by Theorem 4.13, $f \circ f^{-1} = I_B$.
$f : A \to B$와 $g : B \to A$가 함수라 하자. $g \circ f = I_A$이고 $f \circ g = I_B$라 가정하자. 그러면 $f : A \to B$는 전단사이다.
먼저 $f$가 단사임을 증명한다. $(x_1,y) \in f$이고 $(x_2,y) \in f$라 하자. 그러면 $y \in ran\ f \subset B$이다. $g : B \to A$가 함수이므로, 다음을 만족하는 $g(y) \in A$가 존재한다.
합성 $g \circ f$의 정의에 의해,
따라서 $g \circ f = I_A$라는 가정에 의해 다음을 얻는다.
또한 $I_A$의 정의에 의해,
를 만족하는 $x_3, x_4 \in A$가 존재한다. 따라서 정리 3.54를 적용하면 다음을 얻는다.
다음으로 $f : A \to B$가 전사임을 증명한다. $y \in B$라 하자. 그러면 $I_B$의 정의에 의해 $(y,y) \in I_B$이다. 또한 $f \circ g = I_B$라는 가정에 의해 $(y,y) \in f \circ g$이다. 따라서 그래프의 합성의 정의에 의해 $(y,z) \in g$이고 $(z,y) \in f$를 만족하는 $z$가 존재한다. 그러므로 $y = f(z)$이다.
Let $f : A \to B$ and $g : B \to A$ be functions. Assume that $g \circ f = I_A$ and $f \circ g = I_B$. Then $f : A \to B$ is bijective.
First we prove that $f$ is injective. Let $(x_1,y) \in f$ and $(x_2,y) \in f$. Then $y \in ran\ f \subset B$. Since $g : B \to A$ is a function, there exists $g(y) \in A$ such that
By the definition of the composition $g \circ f$,
Thus by the assumption that $g \circ f = I_A$, we have
Moreover, by the definition of $I_A$,
for some $x_3, x_4 \in A$. Thus applying Theorem 3.54, we obtain
Next we prove that $f : A \to B$ is surjective. Let $y \in B$. Then by the definition of $I_B$, $(y,y) \in I_B$. Moreover by the assumption that $f \circ g = I_B$, we have $(y,y) \in f \circ g$. Thus by the definition of the composition of graphs, there exists a $z$ such that $(y,z) \in g$ and $(z,y) \in f$. Therefore, $y = f(z)$.
$f : A \to B$와 $g : B \to A$가 함수라 하자. $g \circ f = I_A$라 가정하자. 그러면 $f$는 단사이다.
$x_1, x_2 \in A$이고 $f(x_1) = f(x_2)$라 가정하자. $g : B \to A$가 함수이므로, 양변에 $g$를 적용하면
연습문제 4.29에 의해 $g(f(x_1)) = g \circ f(x_1)$이고 $g(f(x_2)) = g \circ f(x_2)$이다. 따라서
가정 $g \circ f = I_A$에 의해
예제 4.17에 의해 $I_A(x_1) = x_1$이고 $I_A(x_2) = x_2$이므로,
그러므로 주의 4.15(2)의 (INJ) 기준, 즉 $f(x_1) = f(x_2)$이면 $x_1 = x_2$라는 것에 의해 $f$는 단사이다.
Let $f : A \to B$ and $g : B \to A$ be functions. Assume that $g \circ f = I_A$. Then $f$ is injective.
Let $x_1, x_2 \in A$ and assume that $f(x_1) = f(x_2)$. Since $g : B \to A$ is a function, applying $g$ to both sides gives
By Exercise 4.29, $g(f(x_1)) = g \circ f(x_1)$ and $g(f(x_2)) = g \circ f(x_2)$. Hence
By the assumption $g \circ f = I_A$,
By Example 4.17, $I_A(x_1) = x_1$ and $I_A(x_2) = x_2$, so
Therefore, by the (INJ) criterion of Remark 4.15(2), namely that $f(x_1) = f(x_2)$ implies $x_1 = x_2$, $f$ is injective.
$f : A \to B$와 $g : B \to A$가 함수라 하자. $f \circ g = I_B$라 가정하자. 그러면 $f$는 전사이다.
$y \in B$라 하자. 예제 4.17에 의해 $I_B(y) = y$이고, 가정 $f \circ g = I_B$에 의해
또한 연습문제 4.29에 의해
따라서
$g : B \to A$가 함수이므로 $g(y) \in A$이다. 그러므로 $y \in B$는 $A$의 원소 $g(y)$의 상이다. $y \in B$가 임의였으므로, (SURJ)가 성립한다. 즉 $f$는 전사이다.
Let $f : A \to B$ and $g : B \to A$ be functions. Assume that $f \circ g = I_B$. Then $f$ is surjective.
Let $y \in B$. By Example 4.17, $I_B(y) = y$, and by the assumption $f \circ g = I_B$,
Moreover, by Exercise 4.29,
Hence
Since $g : B \to A$ is a function, $g(y) \in A$. Therefore $y \in B$ is the image of the element $g(y) \in A$. Since $y \in B$ was arbitrary, (SURJ) holds, i.e. $f$ is surjective.
$f : A \to B$와 $g : B \to A$가 함수라 하자. $g \circ f = I_A$이고 $f \circ g = I_B$이면, $f$는 가역이고 $f^{-1} = g$이다.
정리 4.39와 따름정리 4.36에 의해, $f^{-1} = g$임을 보이는 것만 남았다. 또한 정리 4.13에 의해 다음을 보이는 것으로 충분하다.
$y \in B$라 하고, 따름정리 4.36에 의해 $f^{-1} : B \to A$가 (전단사) 함수임을 상기하자. 그러면 $f^{-1} : B \to A$와 $g : B \to A$가 모두 함수이므로, $x_1 = f^{-1}(y)$이고 $x_2 = g(y)$를 만족하는 $x_1 \in A$와 $x_2 \in A$가 존재한다. 보조정리 4.31에 의해 $y = f(x_1)$이다. 연습문제 4.29와, 정리 4.13을 함께 사용한 $g \circ f = I_A$라는 가정, 그리고 $A$ 위의 항등함수의 정의에 의해,
따라서 $x_2 = g(y)$이고 $g : B \to A$가 함수이므로 $x_1 = x_2$이고, 즉 $f^{-1}(y) = g(y)$이다.
Let $f : A \to B$ and $g : B \to A$ be functions. If $g \circ f = I_A$ and $f \circ g = I_B$, then $f$ is invertible and $f^{-1} = g$.
Due to Theorem 4.39 and Corollary 4.36, it only remains to show that $f^{-1} = g$. Moreover, by Theorem 4.13, it is sufficient to show that
Let $y \in B$ and recall that $f^{-1} : B \to A$ is a (bijective) function by Corollary 4.36. Then since both $f^{-1} : B \to A$ and $g : B \to A$ are functions, there exists $x_1 \in A$ and $x_2 \in A$ such that $x_1 = f^{-1}(y)$ and $x_2 = g(y)$. Due to Lemma 4.31, $y = f(x_1)$. By Exercise 4.29, the assumption that $g \circ f = I_A$ with Theorem 4.13, and the definition of the identity function on $A$,
Therefore, since $x_2 = g(y)$ and $g : B \to A$ is a function. $x_1 = x_2$, i.e. $f^{-1}(y) = g(y)$.
$f : A \to B$가 함수라 하자. 그러면 $f : A \to B$가 가역인 것은, $g \circ f = I_A$이고 $f \circ g = I_B$를 만족하는 함수 $g : B \to A$가 존재하는 것과 동치이다. 또한 이때 $g = f^{-1}$이다.
Let $f : A \to B$ be a function. Then $f : A \to B$ is invertible if and only if there exists a function $g : B \to A$ such that $g \circ f = I_A$ and $f \circ g = I_B$. Moreover, $g = f^{-1}$.
따름정리 4.43을 증명하라.
(⟹) $f : A \to B$가 가역이라 하자. $g = f^{-1}$이라 하면, 정의 4.30에 의해 $f^{-1} : B \to A$는 함수이므로 $g : B \to A$는 함수이다. 또한 정리 4.37에 의해
이다. 따라서 이러한 함수 $g : B \to A$가 존재하며, 이때 $g = f^{-1}$이다.
(⟸) $g \circ f = I_A$이고 $f \circ g = I_B$를 만족하는 함수 $g : B \to A$가 존재한다고 하자. 그러면 따름정리 4.42에 의해 $f$는 가역이고 $f^{-1} = g$이다.
이상으로 $f : A \to B$가 가역인 것과 그러한 $g$가 존재하는 것이 동치임을 보였고, 두 경우 모두 $g = f^{-1}$임을 확인했다.
Prove Corollary 4.43.
(⟹) Suppose $f : A \to B$ is invertible. Let $g = f^{-1}$. By Definition 4.30, $f^{-1} : B \to A$ is a function, so $g : B \to A$ is a function. By Theorem 4.37,
Hence such a function $g : B \to A$ exists, and $g = f^{-1}$.
(⟸) Suppose there exists a function $g : B \to A$ such that $g \circ f = I_A$ and $f \circ g = I_B$. Then by Corollary 4.42, $f$ is invertible and $f^{-1} = g$.
This shows that $f : A \to B$ is invertible if and only if such a $g$ exists, and in either case $g = f^{-1}$.
$f : A \to B$가 가역함수라 하자. 그러면 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다. $f^{-1} : B \to A$가 가역임을 증명하라.
$f : A \to B$가 가역이므로, 정의 4.30에 의해 $f^{-1} : B \to A$는 함수이다. $f^{-1} : B \to A$가 가역임을 보이려면, 정의 4.30을 $f^{-1}$에 적용하여 $(f^{-1})^{-1} : A \to B$가 함수임을 보이는 것으로 충분하다.
정리 3.62(2)에 의해, 임의의 그래프 $G$에 대하여 $(G^{-1})^{-1} = G$이다. $G = f$를 대입하면
$f : A \to B$는 (가역이므로 특히) 함수이다. 따라서 $(f^{-1})^{-1} = f : A \to B$는 함수이다.
그러므로 정의 4.30을 $f^{-1} : B \to A$에 적용하면, $f^{-1} : B \to A$는 가역이다.
Let $f : A \to B$ be an invertible function. Then $f^{-1} : B \to A$ is a function. Prove that $f^{-1} : B \to A$ is invertible.
Since $f : A \to B$ is invertible, by Definition 4.30, $f^{-1} : B \to A$ is a function. To show that $f^{-1} : B \to A$ is invertible, it is sufficient, applying Definition 4.30 to $f^{-1}$, to show that $(f^{-1})^{-1} : A \to B$ is a function.
By Theorem 3.62(2), $(G^{-1})^{-1} = G$ for any graph $G$. Taking $G = f$,
Since $f : A \to B$ is (in particular, being invertible) a function, $(f^{-1})^{-1} = f : A \to B$ is a function.
Therefore, applying Definition 4.30 to $f^{-1} : B \to A$, $f^{-1} : B \to A$ is invertible.
$f : A \to B$가 함수라 하자.
- $g \circ f = I_A$이면, 함수 $g : B \to A$를 $f : A \to B$의 왼쪽 역함수라고 한다.
- $f \circ g = I_B$이면, 함수 $g : B \to A$를 $f : A \to B$의 오른쪽 역함수라고 한다.
Let $f : A \to B$ be a function.
- We call a function $g : B \to A$ a left inverse of $f : A \to B$ if $g \circ f = I_A$.
- We call a function $g : B \to A$ a right inverse of $f : A \to B$ if $f \circ g = I_B$.
$f : A \to B$가 함수이고 $A \neq \emptyset$이라 가정하자. 그러면 $f : A \to B$가 단사인 것은 $f : A \to B$의 왼쪽 역함수가 존재하는 것, 즉 $g \circ f = I_A$를 만족하는 함수 $g : B \to A$가 존재하는 것과 동치이다.
(⇐)는 연습문제 4.40에서 나오므로, (⇒)만 증명한다. $f : A \to B$가 단사라고 가정하고 $C = ran\ f$라 하자. 그러면 따름정리 4.9에 의해 $f : A \to C$는 함수이다. 가정에 의해 이는 단사이고, 또한 $C = ran\ f$이므로 전사이기도 하다. 따라서 $f : A \to C$는 전단사이고, 따름정리 4.36에 의해 $f^{-1} : C \to A$는 전단사함수이다. 또한 따름정리 4.43과 연습문제 4.29에 의해,
$A$가 공집합이 아닌 모임이므로 $a \in A$가 존재한다. 상수함수 $K_a : B - C \to A$를 생각하자 (예제 4.18 참조). 특히 $K_a$는 $K_a = \{(x,a) : x \in B - C\}$로 주어지는 그래프임을 상기하자. 그래프 $g = f^{-1} \cup K_a$라 정의하자. 그러면 정리 4.26(1)에 의해 $g : B \to A$는 함수이다. $g$가 $f : A \to B$의 왼쪽 역함수임을 주장한다. 이를 증명하려면, 정리 4.13에 의해
임을 보이는 것으로 충분하다. $x \in A$라 하자. 그러면 $f(x) \in ran\ f$이므로, 연습문제 4.29와 보조정리 4.24(4)를 함께 사용한 $g : B \to A$의 정의, 그리고 (4.8)에 의해,
Let $f : A \to B$ be a function and assume that $A \neq \emptyset$. Then $f : A \to B$ is injective if and only if there exists a left inverse of $f : A \to B$, i.e. there exists a function $g : B \to A$ such that $g \circ f = I_A$.
Since the if part comes from Exercise 4.40, we only prove the only if part. Assume that $f : A \to B$ is injective and let $C = ran\ f$. Then by Corollary 4.9, $f : A \to C$ is a function. It is injective by the assumption and moreover it is surjective since $C = ran\ f$. Thus $f : A \to C$ is bijective and $f^{-1} : C \to A$ is a bijective function by Corollary 4.36. Moreover, by Corollary 4.43 and Exercise 4.29,
Since $A$ is a nonempty class, there exists a $a \in A$. Consider the constant function $K_a : B - C \to A$ (cf. Example 4.18). In particular, recall that $K_a$ is the graph given by $K_a = \{(x,a) : x \in B - C\}$. Define the graph $g = f^{-1} \cup K_a$. Then by Theorem 4.26(1), $g : B \to A$ is a function. We claim that $g$ is a left inverse of $f : A \to B$. To prove this, it is sufficient to show that
due to Theorem 4.13. Let $x \in A$. Then $f(x) \in ran\ f$ and therefore by Exercise 4.29, the definition of $g : B \to A$ with Lemma 4.24(4), and (4.8),
연습문제 4.41에 의해, $f : A \to B$의 오른쪽 역함수가 존재하면 $f : A \to B$는 전사이다. 그 역, 즉 $f : A \to B$가 전사이면 $f : A \to B$의 오른쪽 역함수가 존재한다는 것 또한 참이다. 그러나 이 역을 증명하려면 추가적인 공리가 필요하다. 따라서 이는 나중에 증명하기로 한다.
Due to Exercise 4.41, $f : A \to B$ is surjective if there exists a right inverse of $f : A \to B$. The converse that there exists a right inverse of $f : A \to B$ if $f : A \to B$ is surjective is true as well. However, to prove this converse, we need an extra axiom. Therefore we will prove it later.
$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 함수라 하자. 그러면
- $f$와 $g$가 단사이면 $g \circ f$는 단사이다
- $f$와 $g$가 전사이면 $g \circ f$는 전사이다
- $f$와 $g$가 전단사이면 $g \circ f$는 전단사이다.
먼저 정리 4.27에 의해 $g \circ f : A \to C$가 함수임을 상기하자.
- $(x_1,y) \in g \circ f$이고 $(x_2,y) \in g \circ f$라 하자. 그러면 그래프의 합성의 정의에 의해 다음을 만족하는 $z_1$과 $z_2$가 존재한다.
$$(x_1,z_1) \in f \quad \wedge \quad (z_1,y) \in g$$
그리고
$$(x_2,z_2) \in f \quad \wedge \quad (z_2,y) \in g$$$g$가 단사이므로 $z_1 = z_2$를 얻는다. 따라서 $(x_1,z_1) \in f$이고 $(x_2,z_2) = (x_2,z_1) \in f$이다. 마지막으로 $f$가 단사이므로 $x_1 = x_2$를 얻는다.
- $z \in C$라 하자. 그러면 $g$가 전사이므로 $(y,z) \in g$를 만족하는 $y \in B$가 존재한다. 또한 $f$가 전사이므로 $(x,y) \in f$를 만족하는 $x \in A$가 존재한다. 마지막으로 그래프의 합성의 정의에 의해,
$$(x,z) \in g \circ f.$$
그러므로 $g \circ f$는 ($C$로의) 전사이다.
- 이는 (1)과 (2)로부터 바로 따라온다.
Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be functions. Then
- If $f$ and $g$ are injective, then $g \circ f$ is injective
- If $f$ and $g$ are surjective, then $g \circ f$ is surjective
- If $f$ and $g$ are bijective, then $g \circ f$ is bijective.
First recall that $g \circ f : A \to C$ is a function due to Theorem 4.27.
- Let $(x_1,y) \in g \circ f$ and $(x_2,y) \in g \circ f$. Then by the definition of the composition of graphs, there exist $z_1$ and $z_2$ such that
$$(x_1,z_1) \in f \quad \wedge \quad (z_1,y) \in g$$
and
$$(x_2,z_2) \in f \quad \wedge \quad (z_2,y) \in g$$Since $g$ is injective, we obtain $z_1 = z_2$. Thus we have $(x_1,z_1) \in f$ and $(x_2,z_2) = (x_2,z_1) \in f$. Finally, since $f$ is injective, we have $x_1 = x_2$.
- Let $z \in C$. Then since $g$ is surjective, there exists a $y \in B$ such that $(y,z) \in g$. Moreover, since $f$ is surjective, there exists a $x \in A$ such that $(x,y) \in f$. Finally, by the definition of the composition of graphs,
$$(x,z) \in g \circ f.$$
Therefore, $g \circ f$ is surjective (to $C$).
- This follows immediately from (1) and (2).
$f : A \to B$와 $g : B \to C$가 가역함수라 하자. 그러면 $g \circ f : A \to C$는 가역함수이다.
Let $f : A \to B$ and $g : B \to C$ be invertible functions. Then $g \circ f : A \to C$ is a invertible function.