离散数学(五)——函数

在关系的基础上,定义一类特殊的关系,称为函数,也称为映射。
一、函数的定义
表示函数 是集合 到集合 的一种关系,是笛卡尔积 的子集。称 为函数的定义域,称 为函数的陪域。对于定义域中的任一元素 ,都必须存在唯一的 与之对应,即 。
既然 存在且唯一,那么总能记 ,称 是 的像或函数值,而 是 的原像。
在离散数学中,函数运算记号 的括号中不仅能填入定义域中的一个元素,也能填入定义域的一个子集。即若 ,那么称 为 在 下的像集,它运算得到一个集合,集合中的元素是 中的元素的函数值,因此这个集合也必是陪域 的子集:
当 时,称 为函数的值域,记为 。
同样地,取函数的逆关系 ,若 ,那么称 为 在 下的逆像集,它也必是定义域 的子集:
既然函数是特殊的关系,那么一些特殊关系也能产生特殊函数。例如,以空集为定义域的函数称为空函数;由恒等关系 产生的函数称为 的恒等函数,记为 。
二、函数的运算
基于关系的运算我们得到函数的运算。
1.子集与函数
现在假设函数 ,并且 ,还存在:
2.函数的复合
假设两个函数 ,那么两个函数的复合产生的新函数是 上的关系,记为 。由于 的陪域就是 的定义域,因此:
既然函数的复合就是关系的复合,那么关系复合的一些性质是可以完全挪用的。例如,函数复合有结合律:
函数与恒等函数的复合还是函数自身。假如 ,那么 。
3.函数的反函数
现在假设函数 以及 。假如 ,那么称 是函数 的左逆;假如 ,那么称 是函数 的右逆。
函数作为关系自然具有逆关系,由逆关系定义的函数称为逆函数、或称反函数,记为 ,定义为:
然而由于函数作为关系的特殊性,一个函数要具有反函数,就不能存在定义域上的元素对应多个陪域中的元素。也就是,函数必须是双函数。这就涉及到函数性质的讨论,也就是接下来的内容。
三、函数的性质
接下来假定函数 。必要时引入函数 。
1.单函数
单函数的复合还是单函数,也就是若 都是单函数,那么 还是单函数。
若函数 是单函数,那么 必存在左逆;若函数 存在左逆,那么 必是单函数。
若函数 是单函数,并且 是定义域的子集,那么 。反之亦然。
2.满函数
满函数的复合还是满函数,也就是若 都是满函数,那么 还是满函数。
若函数 是满函数,那么 必存在右逆;若函数 存在右逆,那么 必是满函数。
3.双函数
如果函数 既是单函数、又是满函数,那么就称 为双函数。也就是说,不仅如普通函数那样,有且仅有唯一一个陪域中的元素与定义域中的元素对应,双函数还有且仅有唯一一个定义域中的元素与陪域中的元素对应。
双函数的复合还是双函数,也就是若 都是双函数,那么 还是双函数。
一个函数只有是双函数的情况下才有反函数。并且,由于双函数既是单函数、又是满函数,它必同时有左逆和右逆,并且都等于反函数。
同时,因为双函数是单函数,它亦存在 的性质。
四、函数的增长
我们使用大 记号来刻画函数的增长。对于两个数集上的函数 ,如果存在常数 和 ,使当 时总有 ,那么称 是 ,并称 和 是 是 的见证。 事实上是以函数 为代表的、以函数为元素的集合,因此我们时常将“ 是 ”记为 。
例如对于多项式函数:
无论系数取值如何,都必是 ,甚至 ,但当 时,必不是 。一些常见的函数增长如下:
大 记号具有传递性。若 ,那么 。
当 ,那么 。
当 ,那么 ,