Функции (стр. 1 из 3)

РЕФЕРАТ

Функции

Понятие функции – одно из важнейших понятий математики. Пусть даны два множества Х и У и каждому элементу х Î Х поставлен в соответствие единственный элемент у Î У, который обозначен через f(х). В этом случае говорят, что на множестве Х задана функция f и пишут:

f : Х ® У.

Например, пусть Х = {а; b; с; d}, У = {a; b; g; d} и функция f:Х ®У определена так:

f(a) = b, f(b) = a, f(c) = f(d) = d.

Наглядно эту функцию можно представить следующим образом: множества Х и У изобразим в виде областей, элементы множеств – в виде точек, а установленное соответствие – в виде стрелок:

Идея функциональной зависимости зародилась в античной математике, но она еще не была явно выражена и не являлась самостоятельным объектом исследования, хотя и был известен широкий круг конкретных систематически изучавшихся функциональных соответствий. В зачаточной форме понятие функции появляется в трудах ученых в средние века, но лишь в работах математиков 17 века, и прежде всего П. Ферма, Р. Декарта, И. Ньютона и Г. Лейбница, это понятие стало оформляться как самостоятельное. Термин «функция» впервые появился у Г. Лейбница. Для задания функции использовались геометрические, аналитические и кинематические концепции, но постепенно стало превалировать представление о функции как о некотором аналитическом выражении. В четкой форме это было сформулировано в 18 веке. И. Бернулли принадлежит определение, что «функцией переменной величины… называется количество, составленное каким угодно способом из этой переменной величины и постоянных». Л. Эйлер, приняв это определение, заменил в нем слово «количество» словами «аналитическое выражение». Несколько позже у Л. Эйлера появился уже и более общий подход к понятию функции как зависимости одной переменной величины от другой. Эта точка зрения получила свое дальнейшее развитие в трудах Ж. Фурье, Н.И. Лобачевского, П. Дирихле, Б. Больцано, О. Коши, где стало выкристаллизовываться представление о функции как о соответствии между двумя числовыми множествами. Так, в 1834 году Н.И. Лобачевский писал: «Общее понятие функции требует, чтобы функцией от х называть число, которое дается для каждого х и вместе с х постепенно изменяется. Значение функции может быть дано или аналитическим выражением, или условием, которое подает средство испытывать все числа и выбрать одно из них; или, наконец, зависимость может существовать и оставаться неизвестной». Определение функции как соответствия между двумя произвольными (не обязательно числовыми) множествами в 1887 году было сформулировано Р. Дедекиндом.

Понятие соответствия, а следовательно, и понятие функции иногда сводится к другим понятиям (множеству, отношению или другим теоретико-множественным и логико-математическим концепциям), а иногда принимается за первичное, неопределяемое понятие, поскольку, как это выразил, например, А. Черч: «В конечном счете понятие функции – или какое-либо сходное понятие, например, понятие класса, - приходится считать первоначальным, или неопределимым».

Ниже рассматривается понятие функции, основанное на понятии множества и простейших операций над множествами.

Пусть даны два множества Х и У. Всякое множество f = {(х; у)} упорядоченных пар (х; у), х Î Х, у ÎУ, такое, что для любых пар (х¢; у¢) Îf и (х¢¢; у¢¢) Îf из условия у¢¹у¢¢ следует, что х¢¹ х¢¢, называется функцией, или, что то же самое, отображением из Х в У.

В рассмотренном выше примере функция представляет собой следующее множество упорядоченных пар: f = {(а; b), (b; a), (с; d), (d; d)}. Таким образом, функция есть не что иное, как спецификация подмножества декартова произведения Х

У.

Множество всех первых элементов упорядоченных пар (х; у) некоторой функции f называется областью определения этой функции и обозначается Х_f, а множество всех вторых элементов – множеством значений функции, которое обозначается У_f . Если f = {(х; у)} есть функция, то пишут f: Х_f® У и говорят, что f отображает множество Х_f во множество У. В случае Х = Х_f пишется просто f: Х®У.

Если f: Х®У – функция и (х; у) Îf, то пишут у = f(х), а также f: х

у,

х Î Х, у Î У, и говорят, что функция f ставит в соответствие элементу х элемент у или, что тоже самое, элемент у соответствует элементу х. В этом случае говорят также, что элемент у является значением функции f в точке х или образом элемента х при отображении f.

Иногда сама функция f обозначается символом f(х). Обозначение функции f:Х®У и ее значения в точке х Î Х одним и тем же символом f(х) обычно не приводит к недоразумению, так как в каждом конкретном случае, как правило, всегда бывает ясно, о чем именно идет речь. Обозначение f(х) часто оказывается удобнее обозначения f:х

у при вычислениях. Например, запись f(х) = х² удобнее и проще использовать при аналитических преобразованиях, чем запись f:х х².

Вспомним еще, что бинарное отношение из множества Х во множество У мы определили как всякое подмножество декартова произведения Х

У. Таким образом, функция f:Х®У – это просто специальный вид бинарных отношений из Х в У, который удовлетворяет условию: для каждого х Î Х существует единственный у Î У такой, что (х; у) Îf. Подчеркнем, что один и тот же образ могут иметь несколько элементов области определения, и что не все элементы множества У обязаны быть образами некоторых элементов Х, т.е. множество значений функции У_f может совпадать с множеством У, а может быть его собственным подмножеством.

При заданном у Î У совокупность всех таких элементов х Î Х, что

f(х) = у называется прообразом элемента у и обозначается f^-1(у). Таким образом,

f^-1(у) = {х½ х Î Х, f(х) = у}.

Очевидно, что если у Î У\ У_f, то f^-1(у) = Æ.

Сюръекции, инъекции и биекции

Пусть задано отображение f:Х ® У. Иначе говоря, каждому элементу х Î Х поставлен в соответствие и притом единственный элемент у Î У, и каждый элемент у Î У_fÍ У поставлен в соответствие хотя бы одному элементу х Î Х. Если У=Х, то говорят, что отображение f отображает множество Х в себя. Если У= У_f , т.е. множество У совпадает с множеством значений функции f, то говорят, что f отображает множество Х на множество У, или что отображение f является сюръективнымотображением, короче сюръекцией. Таким образом, отображение f:Х ® У есть сюръекция, если для любого элемента у Î У существует, по крайней мере, один такой элемент х Î Х, что f(х) = у.

Если при отображении f:Х ® У разным элементам х Î Х соответствуют разные элементы у Î У, т.е. при х¢¹ х¢¢ имеет место f(х¢) ¹f(х¢¢), то отображение f называется инъективным отображением или инъекцией. Таким образом, отображение f:Х ® У инъективно тогда и только тогда, когда прообраз каждого элемента у, принадлежащего множеству значений функции f, т.е. y

У_f, состоит в точности из одного элемента. Если отображение f:Х ® У является одновременно инъекцией и сюръекцией, то оно называется биективным отображением или биекцией.

Примеры.

1. Функция f:R®R, f(х) = х² не является ни инъекцией, ни сюръекцией, так как разным элементам, например, х¢ = 2 и х¢¢ = -2 соответствует одинаковый образ 4, и любое отрицательное действительное число не является образом ни для одного из элементов области определения.

2. Функция f: {a; b; c; d}®{a, b, g, d, e}, заданная следующим образом: f(а) = b, f(b) = g, f(c)=

, f(d) = e является инъективной и не является сюръективной.

Эта функция инъективная, потому что у нее ни для одной пары элементов области определения образы не совпадают, но сюръекцией эта функция не является, потому что элемент d множества У не является образом какого-либо элемента множества Х.

3. С другой стороны, функция g:{a; b; c; d; e}®{a; b; g; d}, определенная так g(a) = a, g(b) = a, g(c) = b, g(d) = d, g(e) = g является сюръективной и не является инъективной.

Эта функция сюръективна потому, что каждый элемент множества У является образом, по крайней мере, одного элемента из множества Х, но инъективной эта функция не является, потому что два элемента а и b области определения имеют один образ.

На практике доказательство того, что заданная функция является инъективной, как правило, бывает проще производить, используя метод доказательства с помощью контрапозиции, согласно которого доказывается, что для всех х¢и х¢¢Î Х из равенства f(х¢)= f(х¢¢) следует, что х¢= х¢¢. Конечно, чтобы показать, что функция не является инъективной, нам достаточно найти контрпример, то есть найти два разных элемента х₁ и х₂ Î Х, у которых образы равны: f(х₁) = f(х₂).

4. Любая линейная функция f:R®R, f(x) = ax+b, (где а,b – фиксированные действительные числа, а¹0) является одновременно и инъективной и сюръективной, т.е. является биекцией.