高数中的映射,了解一下?

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首先,映射是现代数学中的一个基本的概念,而函数,相信学c++的同学都不陌生,不过这次我们讲的函数和代码中的函数有所不同,函数是微积分的研究对象,也是映射的一种,学好函数,就是给三年大学生活打下基础。

  1. 映射的概念

定义1X,Y 是两个非空集合,如果存在一个法则f,使得对 X 中每个元素 x,按法则f,在 Y中有唯一确定的元素 y 与之对应,那么称 f 为从 XY映射,记作:f:X \to Y

这段用人话来讲,就是开 X,Y 两个数组,然后 X 数组中有一个元素 x 能按照一个规定在 Y 数组中找到唯一确定的元素 y,那么,我们就称这个 f 是数组 X 到数组 Y 的映射。(注:集合一般用大写拉丁字母表示,如:A,B,C...;元素一般用小写字母表示,如:a,b,c...

接上面,y 称为元素 x(在映射 f 下)的,并记作 f(x),即 y=f(x)

这段用人话来讲,就 yx 的影子,就这么简单。

而元素 x 称为元素 y(在映射 f 下)的一个原像;集合 X 称为映射 f定义域,记作 D_f,即 D_f =XX 中所有元素组成的集合称为映射 f值域,记作 R_ff(X),即 R_f=f(X)=\{f(x)|x\in X\}

在上述映射的定义中,需要注意的是

  1. 构成一个映射必须具备三要素:集合 X,即定义域 D_f =X;集合 Y,即值域的范围:R_f \subset Y;对应法则 f,使对每个 x\in X,有唯一确定的 y=f(x) 与之对应。
  2. 对每个 x\in X,元素 x 的像 y 是唯一的;而对每个 y \in R_f,元素 y 的原像不一定是唯一的;映射 f 的值域 R_fY 的一个子集,即 R_f \subset Y,不一定 R_f=Y

下面有几个例子:

  1. f:R \to R,对每个 x \in R,f(x)= x^2。显然, f 是一个映射,f的定义域 D_f=R,值域 R_f =\{y | y\geqslant0\},它是 R 的一个真子集。对于R_f 中的元素 y,除 y=0 外,它的原像不是唯一的。如 y=4 的原像就有 x=2x=-2 两个。
  2. X=\{(x,y)|x^2+y^2=1\}Y=\{(x,0)||x|\leqslant1\}f:X \to Y,对每个 (x,y) \in X ,有唯一确定的 (x,0) \in Y 与之对应,显然 f 是一个映射,f 的定义域 D_f =X,值域 R_f=Y。在几何上,这个映射表示将平面上一个圆心在原点的单位圆周上的点投影到 x 轴的区间 \left[ -1,1 \right] 上。
  3. f: \left[-\dfrac{\pi}{2} ,\dfrac{\pi}{2}\right] \to \left[-1,1\right],对每个 x \in \left[-\dfrac{\pi}{2} ,\dfrac{\pi}{2}\right]f(x) =sin xf 是一个映射,其定义域 D_f=\left[-\dfrac{\pi}{2} ,\dfrac{\pi}{2}\right],值域R_f=\left[-1,1\right]

f 是从集合 X 到集合 Y 的映射,若 R_F=Y,即 Y 中任意元素 y 都是 X 中某元素的像,则称 fXY映射满射;若对 X 中任意两个不同元素 x_1\ne x_2,它们的像f(x_1)\ne f(x_2),则称 fXY单射;若映射 f 既是单射,又是满射,则称 f一一映射(或双射)(这里感谢Convergent_Series大佬的指正)。

上面例1中的映射,既非单射,又非满射;例2中的映射不是单射,是满射;例3中的映射,既是单射,又是满射,因此是一一单射。

映射又称算子。根据集合 X,Y 的不同情形,在不同的数学分支中,映射又有不同的惯用名称。例如,从非空数集 X 到数集 Y 的映射又称为 X 中的泛函,从非空集合 X 到它自身的映射又称为 X 上的变换,从实数集(或其子集)X 到实数集 Y 的映射通常称为定义在 X 中的函数

如果我们设 fXY 的单射,则由定义,对每个y \in R_f,有唯一的 x \in X,适合f(x)=y。于是,我们可以定义一个从 R_fX 的新映射 g,即:g:R_f\to X,对每个 y \in R_f ,规定 g(y)=x,这 x 满足 f(x)=y。这个映射 g 称为 f逆映射,记作 f^{-1},其定义 D_{f-1} =R_f,值域 R_{f-1} =X

按上述定义,只有单射才存在逆映射。所以在例1,例2,例3中,只有例3的映射 f 才存在逆映射 f^{-1},这个 f^{-1} 就是反正弦函数的主值

f^{-1}(x)= \arcsin x,x \in \left[-1,1\right]

,其定义域 D_{f-1}=[-1,1],值域 R_{f-1} =\left[-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}\right]。 设有两个映射 g:X\to Y_1,f:Y_2 \to Z,其中Y_1 \subset Y_2,则由映射 gf 可以定出一个从 XZ 的对应法则,他将每个 x \in X映射成 f[g(x)] \in Z。显然,这个对应法则则确定了一个从 XZ 的映射,这个映射称为映射 gf 构成的复合映射,记作 fog ,即 f\circ g:x \to Z,(f\circ g)(x)=f[g(x)],x \in X。(这里感谢jijidawang 大佬的指正)

由复合映射的定义可知映射 gf 构成复合映射的条件是:g 的值域 R_g必须包含在 f 的定义域内,即 R_g \subset D_f。否则,不能构成复合映射。由此可以知道,映射 gf 的复合是有顺序的, foggof 都有意义,复合映射 f\circ gg\circ f 也必须未必相同。

  1. 设有映射 g:R \to [-1,1],对每个 x \in R,g(x) =\sin x;映射 f:[-1,1] \to [0,1],对每个 u \in [-1,1]f(u) = \sqrt{1-u^2},则映射 gf 构成的复合映射 fog:R \to[0,1]对每个 x \in R(f\circ g)(x)=f[g(x)]=f(\sin x)=\sqrt{1-sin^2x }=|cos\ x|

下面是我个人对逆映射和复合映射的了解:

  1. 逆映射

对于单射,指的是集合 X 在法则 f 的映射下,对于每一个属于集合 X 元素x,都有唯一一个确定的属于集合 Y 的元素 y 与之对应。

因为元素 x 和元素 y 是一一对应的,那么相反,我们也可以说在集合 X 到集合 Y 的单射中:

对于每一个集合 Y 中的元素 y,都有一个确定的且唯一的集合 X 中元素 x,与之一一对应。

而此时,这种集合 Y 到集合 X 的映射,就叫做逆映射。。。非常简短。。。

  1. 复合映射

假设现在有两个映射,一个映射法则是 g,另一个映射法则是 f,而存在 X 集合,Y_2 集合,Z 集合。而又存在 Y_1 集合,是 Y_2 集合的子集。X 集合到 Y_1 集合是按照 g 法则的映射,Y_2 集合到 Z 集合是按照法则 f 的映射。

那么,由 X 集合到 Z 集合通过法则 gf 复合而成的新的法则的映射,就叫做复合映射。

而此时这个复合映射记作 f^g

通过这个过程我们可以知道:

本质上,是每一个 x 元素对应的唯一确定的 y_1 元素又对应了唯一确定的 z 元素,因此 x 元素就与这个唯一确定的 z 元素也有了对应关系,而此时集合 X 到集合 Z 也就有了映射,这种映射就叫做复合映射。

详细过程:(如若前文理解,下文可忽略)

对于每一个属于 X 集合的元素 x,通过映射法则 g,都有 Y_1 集合的唯一确定的 y_1 元素与之对应,

而在 Y_2 集合通过 f 法则向 Z 集合的映射中,对于 Y_2 集合的每一个元素 y_2,都有 Z 集合的唯一确定的元素 z 与之对应,

Y_1 又是 Y_2 的子集,所以我们就可以说,对于每一个属于 X 集合的元素 x,通过映射法则 g,都可以对应到 Y_1 集合的唯一确定的 y_1 元素,同时,因为 Y_1 集合是 Y_2 集合的子集,那么这些元素 x 就也一定通过法则 g 对应到了 Y2 集合的唯一确定的 y_2 元素(因为 Y_1Y_2 的子集,y_1 元素也一定是部分的 y_2 元素)。

总结一下,对于每一个属于集合 X 的元素 x,通过映射法则 g,对应到了 Y_1 集合的唯一确定的 y_1 元素,也同时能映射到 Y_2 集合的唯一确定的 y_2 元素,而 Y_2 集合的每一个元素 y_2,都通过映射法则 f,对应到了 Z 集合唯一确定的 z 元素,所以,对于集合 X 的每一个元素 x,通过映射法则 fg 的复合,都有集合 Z 的唯一确定的元素 z 与之对应,这个由集合 X 到集合 Z 的映射,叫做复合映射。

ok,以上就是我个人对逆映射和复合映射的见解,如有错误,请在下方评论区联系纠正,谢谢! 下面附上一张常用集合的对应表:

常用数集 符号表示
自然数集 N
正整数集 N^*N_+
整数集 Z
有理数集 Q
实数集 R

后语:本文参考《高等数学》同济八版上册,第一章,第一节。