Funções e cardinalidade

Totalidade, funcionalidade, injetividade, sobrejetividade, inversas e conjuntos infinitos.

TLDR

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Uma função f:A→Bf:A\to B associa a cada elemento de AA exatamente um elemento de BB. A fórmula de cálculo não define tudo: o domínio e o contradomínio podem mudar as propriedades da mesma expressão. Aqui usamos composição e equivalências das lições de relações.

Total e funcional

Uma função é uma relação com duas condições:

  • Totalidade: para cada a∈Aa\in A, existe b∈Bb\in B com (a,b)∈f(a,b)\in f.
  • Funcionalidade: se (a,b)∈f(a,b)\in f e (a,c)∈f(a,c)\in f, então b=cb=c.

Uma relação só funcional é uma função parcial. Não tem necessariamente um valor para todas as origens. A imagem é f(A)=rng⁡(f)={f(a):a∈A}f(A)=\operatorname{rng}(f)=\{f(a):a\in A\}; pode ser menor do que o contradomínio BB.

Se A={1,2,3}A=\{1,2,3\} e B={a,b,c}B=\{a,b,c\}, a relação {(1,a),(2,a),(3,b)}\{(1,a),(2,a),(3,b)\} é função. Não atingir cc não viola totalidade. Já {(1,a),(1,b),(2,c),(3,c)}\{(1,a),(1,b),(2,c),(3,c)\} é total e não funcional.

Os conjuntos vazios também têm de ser tratados. Existe uma única função ∅→B\emptyset\to B, a relação vazia. Se A≠∅A\ne\emptyset, não existe função A→∅A\to\emptyset.

Injetiva, sobrejetiva e bijetiva

Uma função é injetiva se valores iguais só vêm de origens iguais:

∀a1,a2∈A,f(a1)=f(a2)→a1=a2.\forall a_1,a_2\in A, \quad f(a_1)=f(a_2)\to a_1=a_2.

É sobrejetiva se atinge todo o contradomínio:

∀b∈B,∃a∈A,f(a)=b.\forall b\in B,\quad\exists a\in A,\quad f(a)=b.

É bijetiva se tem ambas as propriedades. Cada destino tem exatamente uma origem.

Para provar injetividade, começa com f(a1)=f(a2)f(a_1)=f(a_2) e tenta obter a1=a2a_1=a_2. Para a refutar, apresenta duas origens distintas com o mesmo valor. Para provar sobrejetividade, toma um bb arbitrário do contradomínio e encontra uma origem admissível. Para a refutar, apresenta um destino que nunca é atingido.

O domínio muda a resposta

Para f:Z→Zf:\mathbb Z\to\mathbb Z, f(x)=x2f(x)=x^2, cada origem tem uma imagem, mas 11 e −1-1 chegam ambas a 11. Logo, a função não é injetiva. Também não é sobrejetiva: a equação x2=−1x^2=-1 não tem solução inteira.

Restringir o domínio a N\mathbb N elimina a colisão entre 11 e −1-1. Se x,y≥0x,y\ge0 e x2=y2x^2=y^2, então (x−y)(x+y)=0(x-y)(x+y)=0, e ambas as alternativas dão x=yx=y, pois x+y=0x+y=0 com x,y≥0x,y\ge0 só acontece em x=y=0x=y=0. Porém, 22 continua sem origem natural. A tabela compara estas alterações:

FunçãoInjetiva?Sobrejetiva?
Z→Z\mathbb Z\to\mathbb ZNão, f(1)=f(−1)f(1)=f(-1).Não, por exemplo não atinge −1-1 nem 2.
N→N\mathbb N\to\mathbb NSim, dois naturais com quadrados iguais são iguais.Não, 2 não é quadrado de um natural.
[0,∞)→[0,∞)[0,\infty)\to[0,\infty)Sim.Sim, a origem de yy é y\sqrt y.

Resolver x2=yx^2=y em R\mathbb R não prova sobrejetividade em Z\mathbb Z, porque a origem tem de pertencer ao domínio indicado.

Para g:Z→Zg:\mathbb Z\to\mathbb Z, g(x)=2x−3g(x)=2x-3, a injetividade vem de 2x−3=2y−3⇒x=y2x-3=2y-3\Rightarrow x=y. A imagem são os inteiros ímpares: todo o resultado é ímpar e, dado um ímpar 2k+12k+1, a origem k+2k+2 serve. Não é sobrejetiva para Z\mathbb Z, mas é bijetiva para esse conjunto de ímpares.

Inversa como relação e como função

A relação f−1f^{-1} existe sempre: troca os pares. Para ser uma função B→AB\to A, precisa de totalidade e funcionalidade.

  • Se ff é injetiva, f−1f^{-1} é funcional, mas pode faltar uma origem para algum b∈Bb\in B.
  • Se ff é sobrejetiva, f−1f^{-1} é total, mas pode ter vários destinos para uma mesma origem.
  • Se ff é bijetiva, f−1f^{-1} é uma função total.

Para uma função total f:A→Bf:A\to B:

f eˊ injetiva⟺f−1∘f=id⁡A,f eˊ sobrejetiva⟺f∘f−1=id⁡B.\begin{aligned} f\text{ é injetiva}&\Longleftrightarrow f^{-1}\circ f=\operatorname{id}_A,\\ f\text{ é sobrejetiva}&\Longleftrightarrow f\circ f^{-1}=\operatorname{id}_B. \end{aligned}

O par (a1,a2)(a_1,a_2) pertence a f−1∘ff^{-1}\circ f se f(a1)=f(a2)f(a_1)=f(a_2). Por isso, a primeira igualdade diz que as únicas origens com imagem igual são as iguais. Já f∘f−1f\circ f^{-1} é a identidade sobre a imagem de ff, que coincide com BB precisamente no caso sobrejetivo.

Para uma relação geral R⊆A×BR\subseteq A\times B, a totalidade equivale a id⁡A⊆R−1∘R\operatorname{id}_A\subseteq R^{-1}\circ R e a funcionalidade a R∘R−1⊆id⁡BR\circ R^{-1}\subseteq\operatorname{id}_B. Estas inclusões não pressupõem que RR já seja função.

Fibras e classes de equivalência

Para uma função total f:A→Bf:A\to B, a relação R=f−1∘fR=f^{-1}\circ f junta origens com a mesma imagem:

aRa′⟺f(a)=f(a′).aRa'\Longleftrightarrow f(a)=f(a').

É sempre uma equivalência: f(a)=f(a)f(a)=f(a) dá reflexividade, trocar os lados dá simetria e encadear igualdades dá transitividade. Não exige que ff seja injetiva nem sobrejetiva.

A classe [a]R={x∈A:f(x)=f(a)}[a]_R=\{x\in A:f(x)=f(a)\} é a fibra do valor f(a)f(a). Não é o próprio valor f(a)f(a), nem o conjunto de todas as imagens.

Com A={1,2,3,4,5}A=\{1,2,3,4,5\}, B={u,v,w}B=\{u,v,w\} e f(1)=f(3)=uf(1)=f(3)=u, f(2)=f(4)=f(5)=vf(2)=f(4)=f(5)=v:

Valor em BBOrigens com essa imagem
uu{1,3}\{1,3\}
vv{2,4,5}\{2,4,5\}
ww∅\emptyset

O quociente é A/R={{1,3},{2,4,5}}A/R=\{\{1,3\},\{2,4,5\}\} e tem dois elementos. A imagem f(A)={u,v}f(A)=\{u,v\} também tem dois, mas contém objetos de outro tipo. A fibra vazia de ww não é uma classe, porque não contém nenhuma origem.

A função [a]R↦f(a)[a]_R\mapsto f(a) é uma bijeção de A/RA/R para f(A)f(A). É bem definida porque representantes da mesma classe têm a mesma imagem; é injetiva pela definição de RR; é sobrejetiva porque cada imagem vem de alguma origem. Para AA finito, isto dá ∣A/R∣=∣f(A)∣|A/R|=|f(A)|. Já dom⁡(R)=rng⁡(R)=A\operatorname{dom}(R)=\operatorname{rng}(R)=A, pois a reflexividade inclui todos os pares (a,a)(a,a).

Composição

Para f:A→Bf:A\to B e g:B→Cg:B\to C, (g∘f)(x)=g(f(x))(g\circ f)(x)=g(f(x)). Aplicamos primeiro ff.

Com f(n)=2nf(n)=2n e g(n)=n+1g(n)=n+1 em Z\mathbb Z, seguimos o mesmo argumento nas duas ordens:

OrdemPrimeiro valorSegundo valor
g∘fg\circ f em 3f(3)=6f(3)=6g(6)=7g(6)=7
f∘gf\circ g em 3g(3)=4g(3)=4f(4)=8f(4)=8

A composição de funções também não é comutativa. O valor que entra na segunda função é a saída da primeira.

Se ambas são injetivas, a composição é injetiva: g(f(x))=g(f(y))g(f(x))=g(f(y)) implica f(x)=f(y)f(x)=f(y) e depois x=yx=y. Se ambas são sobrejetivas, para cada c∈Cc\in C existe b∈Bb\in B com g(b)=cg(b)=c e depois a∈Aa\in A com f(a)=bf(a)=b.

A recíproca exige cuidado. Se g∘fg\circ f é injetiva, ff tem de ser injetiva, mas gg pode falhar injetividade fora da imagem de ff. Se g∘fg\circ f é sobrejetiva, gg tem de ser sobrejetiva, mas ff pode não atingir todo o BB.

Para bijeções, a inversa inverte a ordem:

(g∘f)−1=f−1∘g−1.(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}.

Cardinalidade finita e infinita

Dois conjuntos têm a mesma cardinalidade quando existe uma bijeção entre eles. Para conjuntos finitos, uma injeção A→BA\to B exige ∣A∣≤∣B∣|A|\le|B| e uma sobrejeção exige ∣A∣≥∣B∣|A|\ge|B|. Se ambos são finitos e têm o mesmo tamanho, uma função é injetiva se e só se é sobrejetiva.

Para conjuntos infinitos, um subconjunto próprio pode ter a mesma cardinalidade que o conjunto. n↦2nn\mapsto2n é uma bijeção de N\mathbb N para os naturais pares. O subconjunto tem menos elementos no sentido de inclusão, mas não no sentido de cardinalidade.

Uma bijeção h:N→Zh:\mathbb N\to\mathbb Z é:

h(n)={n/2,n par,−(n+1)/2,n ıˊmpar.h(n)=\begin{cases} n/2,&n\text{ par},\\ -(n+1)/2,&n\text{ ímpar}. \end{cases}

A sequência de imagens é 0,−1,1,−2,2,…0,-1,1,-2,2,\ldots. A inversa é h−1(z)=2zh^{-1}(z)=2z para z≥0z\ge0 e h−1(z)=−2z−1h^{-1}(z)=-2z-1 para z<0z<0. As duas fórmulas mostram que cada inteiro tem uma origem e que essa origem é única.

Um conjunto é numerável se é finito ou tem bijeção com N\mathbb N. Como aprofundamento, os racionais também são numeráveis: percorremos os pares (p,q)(p,q) com p∈Z,q≥1p\in\mathbb Z,q\ge1 por valores crescentes de ∣p∣+q|p|+q, e omitimos frações repetidas. Cada etapa é finita e qualquer racional aparece numa delas. Os reais não são numeráveis. Serem ambos infinitos não prova que dois conjuntos tenham a mesma cardinalidade.

Exercícios

Imagem e inversa

Para f:Z→Zf:\mathbb Z\to\mathbb Z, f(n)=3n+1f(n)=3n+1, decide injetividade e sobrejetividade. Qual contradomínio torna a função bijetiva e qual a inversa?

Pista

Todo o resultado tem resto 1 módulo 3.

Mais uma pista

Se y=3k+1y=3k+1, então kk é uma origem inteira. O inteiro 0 não é atingido.

Solução

É injetiva porque 3n+1=3m+13n+1=3m+1 implica n=mn=m. Não é sobrejetiva para Z\mathbb Z, pois 0 exigiria n=−1/3n=-1/3. É bijetiva para B={3k+1:k∈Z}B=\{3k+1:k\in\mathbb Z\}, com domínio Z\mathbb Z e contradomínio BB, com inversa f−1:B→Zf^{-1}:B\to\mathbb Z, f−1(y)=(y−1)/3f^{-1}(y)=(y-1)/3.

Confere a tua resposta:

  • Provei a injetividade por igualdade das imagens.
  • Refutei sobrejetividade com um inteiro fora da imagem.
  • Restringi o contradomínio à imagem e escrevi a inversa.

Erros frequentes

Uma fórmula de inversa não basta: verifica que o argumento está no contradomínio escolhido e que o resultado está no domínio original.

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A composição não decide tudo

Constrói f:A→Bf:A\to B e g:B→Cg:B\to C tais que g∘fg\circ f seja bijetiva, mas nem ff nem gg sejam bijetivas.

Pista

Um elemento de BB pode ficar fora da imagem de ff.

Solução

Toma A=C={0}A=C=\{0\} e B={0,1}B=\{0,1\}. Define f(0)=0f(0)=0 e g(0)=g(1)=0g(0)=g(1)=0. A composição é a única função {0}→{0}\{0\}\to\{0\}, portanto bijetiva. ff não é sobrejetiva, pois não atinge 1. gg não é injetiva, pois as duas origens têm a mesma imagem.

Confere a tua resposta:

  • Declarei os três conjuntos e todas as imagens.
  • A composição é injetiva e sobrejetiva.
  • Identifiquei a falha de sobrejetividade de f e de injetividade de g.

Erros frequentes

Uma composição bijetiva obriga ff a ser injetiva e gg a ser sobrejetiva. Não obriga às outras duas propriedades.

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Classes, imagem e domínio ativo

Sejam A={1,2,3,4,5,6,7}A=\{1,2,3,4,5,6,7\}, B={u,v,w,z}B=\{u,v,w,z\} e f:A→Bf:A\to B definida por f(1)=f(4)=f(7)=uf(1)=f(4)=f(7)=u, f(2)=f(5)=f(6)=vf(2)=f(5)=f(6)=v e f(3)=wf(3)=w. Para R=f−1∘fR=f^{-1}\circ f:

  1. Prova que RR é equivalência e determina A/RA/R.
  2. Calcula ∣R∣|R|, ∣f(A)∣|f(A)|, ∣dom⁡(R)∣|\operatorname{dom}(R)| e ∣rng⁡(R)∣|\operatorname{rng}(R)|.
  3. RR é uma função A→AA\to A? E f−1f^{-1} é uma função B→AB\to A? Justifica.

Pista

Compõe primeiro f e depois a relação inversa. Duas origens relacionam-se quando chegam ao mesmo valor, não quando têm o mesmo nome.

Solução

Temos aRbaRb se e só se f(a)=f(b)f(a)=f(b). Reflexividade, simetria e transitividade seguem das mesmas propriedades da igualdade. As classes são as três fibras não vazias:

A/R={{1,4,7},{2,5,6},{3}}.A/R=\{\{1,4,7\},\{2,5,6\},\{3\}\}.

Cada bloco XX contribui com todos os pares de X×XX\times X, sem pares entre blocos. Logo ∣R∣=32+32+12=19|R|=3^2+3^2+1^2=19. A imagem de ff é {u,v,w}\{u,v,w\}, com 3 elementos. Já dom⁡(R)=rng⁡(R)=A\operatorname{dom}(R)=\operatorname{rng}(R)=A, com 7 elementos cada, pela reflexividade.

RR é total mas não funcional: 1 relaciona-se com 1, 4 e 7. f−1f^{-1} também não é uma função total B→AB\to A: zz não tem destino, e uu tem os três destinos 1, 4 e 7. Assim falham tanto totalidade como funcionalidade da inversa.

Confere a tua resposta:

  • Provei as três propriedades por igualdade de imagens.
  • Listei as fibras não vazias e contei pares por bloco.
  • Distingui a imagem de f, o quociente e a imagem de R.
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