I.2

Отношения и функции

[51/61%]
Показать
LaTeX
Задача I.2.1

Доказать, что существуют AA, BB и CC такие, что:

?
(а)

A×B≠B×AA \times B \neq B \times A;

(б)

A×(B×C)≠(A×B)×CA \times (B \times C) \neq (A \times B) \times C.

Задача I.2.2

Найти геометрическую интерпретацию следующих множеств:

?
(а)

[a,b]×[c,d][a, b] \times [c, d], где [a,b][a, b] и [c,d][c, d] --- отрезки действительной прямой R\mathbb {R};

(б)

[a,b]2[a, b]^{2};

(в)

[a,b]3[a, b]^{3};

(г)

Rn\mathbb {R}^{n}.

Задача I.2.3

Доказать, что если AA, BB, CC и DD не пусты, то:

?
(а)

A⊆BA \subseteq B и C⊆D⇔A×C⊆B×DC \subseteq D \Leftrightarrow A \times C \subseteq B \times D;

(б)

A=BA = B и C=D⇔A×C=B×DC = D \Leftrightarrow A \times C = B \times D.

Задача I.2.4

Доказать, что:

?
(а)

(A∩B)×(C∩D)=(A×C)∩(B×D)(A \cap B) \times (C \cap D) = (A \times C) \cap (B \times D);

(б)

⋂i∈IAi×⋂i∈IBi=⋂i∈I(Ai×Bi)\bigcap_{i \in I} A_{i} \times \bigcap_{i \in I} B_{i} = \bigcap_{i \in I} (A_{i} \times B_{i}).

Задача I.2.5

Доказать, что (A×B)∪(C×D)⊆(A∪C)×(B∪D)(A \times B) \cup (C \times D) \subseteq (A \cup C) \times (B \cup D). При каких AA, BB, CC и DD получается равенство?

?
Задача I.2.6

Доказать, что:

?
(а)

(A∪B)×C=(A×C)∪(B×C)(A \cup B) \times C = (A \times C) \cup (B \times C);

(б)

A×(B∪C)=(A×B)∪(A×C)A \times (B \cup C) = (A \times B) \cup (A \times C);

(в)

(A∪B)×(C∪D)=(A×C)∪(B×C)∪(A×D)∪(B×D)(A \cup B) \times (C \cup D) = (A \times C) \cup (B \times C) \cup (A \times D) \cup (B \times D);

(г)

(A∖B)×C=(A×C)∖(B×C)(A \setminus B) \times C = (A \times C) \setminus (B \times C);

(д)

A×(B∖C)=(A×B)∖(A×C)A \times (B \setminus C) = (A \times B) \setminus (A \times C);

(е)

A×B=(A×D)∩(C×B)A \times B = (A \times D) \cap (C \times B), где A⊆CA \subseteq C и B⊆DB \subseteq D;

(ж)

U2∖(A×B)=[(U∖A)×U]∪[U×(U∖B)]U^{2} \setminus (A \times B) = [(U \setminus A) \times U] \cup [U \times (U \setminus B)];

(з)

⋃k∈KAk×⋃t∈TBt=⋃⟨k,t⟩∈K×T(Ak×Bt)\bigcup_{k \in K} A_{k} \times \bigcup_{t \in T} B_{t} = \bigcup_{\langle k, t \rangle \in K \times T} (A_{k} \times B_{t});

(и)

⋂k∈KAk×⋂t∈TBt=⋂⟨k,t⟩∈K×T(Ak×Bt)\bigcap_{k \in K} A_{k} \times \bigcap_{t \in T} B_{t} = \bigcap_{\langle k, t \rangle \in K \times T} (A_{k} \times B_{t}).

Задача I.2.7

Пусть A,B≠∅A, B \neq \emptyset и (A×B)∪(B×A)=(C×D)(A \times B) \cup (B \times A) = (C \times D). Доказать, что A=B=C=DA = B = C = D.

?
Задача I.2.8

Найти δR\delta R, ρR\rho R, R−1R^{-1}, R⋅RR \cdot R, R⋅R−1R \cdot R^{-1}, R−1⋅RR^{-1} \cdot R для следующих отношений:

?
(а)

R={⟨x,y⟩∣x,y∈N и x делит y}R = \left\{ \langle x, y \rangle \mid x, y \in \mathbb {N} \text{ и } x \text{ делит } y\right\};

(б)

R={⟨x,y⟩∣x,y∈N и y делит x}R = \left\{ \langle x, y \rangle \mid x, y \in \mathbb {N} \text{ и } y \text{ делит } x\right\};

(в)

R={⟨x,y⟩∣x,y∈R и x+y≤0}R = \left\{ \langle x, y \rangle \mid x, y \in \mathbb {R} \text{ и } x + y \leq 0\right\};

(г)

R={⟨x,y⟩∣x,y∈R и 2x≥3y}R = \left\{ \langle x, y \rangle \mid x, y \in \mathbb {R} \text{ и } 2x \geq 3y\right\};

(д)

R={⟨x,y⟩∣x,y∈[−π2,π2] и y≥sin⁡x}R = \left\{ \langle x, y \rangle \mid x, y \in \left[-\frac{\pi }{2}, \frac{\pi }{2}\right] \text{ и } y \geq \sin x\right\}.

Задача I.2.9

Доказать, что:

?
(а)

δR=∅⇔R=∅⇔ρR=∅\delta R = \emptyset \Leftrightarrow R = \emptyset \Leftrightarrow \rho R = \emptyset;

(б)

δR−1=ρR\delta R^{-1} = \rho R, ρR−1=δR\rho R^{-1} = \delta R;

(в)

δR1⋅R2=R1−1(ρR1∩δR2)\delta_{R_{1} \cdot R_{2}} = R_{1}^{-1}(\rho R_{1} \cap \delta R_{2});

(г)

ρR1⋅R2=R2(ρR1∩δR2)\rho_{R_{1} \cdot R_{2}} = R_{2}(\rho R_{1} \cap \delta R_{2}).

Задача I.2.10

Доказать, что:

?
(а)

если B≠∅B \neq \emptyset, то δA×B=A\delta_{A \times B} = A;

(б)

если A≠∅A \neq \emptyset, то ρA×B=B\rho_{A \times B} = B.

Задача I.2.11

Пусть RR --- бинарное отношение на AA. Доказать, что R=iAR = i_{A} тогда и только тогда, когда R⋅R1=R1⋅R=R1R \cdot R_{1} = R_{1} \cdot R = R_{1} для любого отношения R1R_{1} на AA.

?
Задача I.2.12

Доказать, что для любых бинарных отношений:

?
(а)

R∪R=R∩R=RR \cup R = R \cap R = R;

(б)

(R−1)−1=R(R^{-1})^{-1} = R;

(в)

(R1∪R2)−1=R1−1∪R2−1(R_{1} \cup R_{2})^{-1} = R_{1}^{-1} \cup R_{2}^{-1};

(г)

(R1∩R2)−1=R1−1∩R2−1(R_{1} \cap R_{2})^{-1} = R_{1}^{-1} \cap R_{2}^{-1};

(д)

−R−1=(−R)−1-R^{-1} = (-R)^{-1};

(е)

(⋃i∈IRi)−1=⋃i∈IRi−1\left(\bigcup_{i \in I} R_{i}\right)^{-1} = \bigcup_{i \in I} R_{i}^{-1};

(ж)

(⋂i∈IRi)−1=⋂i∈IRi−1\left(\bigcap_{i \in I} R_{i}\right)^{-1} = \bigcap_{i \in I} R_{i}^{-1}.

Задача I.2.13

Для каких бинарных отношений RR справедливо R−1=−RR^{-1} = -R?

?
Задача I.2.14

Пусть AA и BB --- конечные множества, состоящие из mm и nn элементов соответственно.

?
(а)

Сколько существует бинарных отношений между элементами множеств AA и BB?

(б)

Сколько имеется функций из AA в BB?

(в)

Сколько имеется 1--1-функций из AA в BB?

(г)

При каких mm и nn существует взаимно однозначное соответствие между AA и BB?

Задача I.2.15

Доказать, что для любых бинарных отношений:

?
(а)

R1⋅(R2⋅R3)=(R1⋅R2)⋅R3R_{1} \cdot (R_{2} \cdot R_{3}) = (R_{1} \cdot R_{2}) \cdot R_{3};

(б)

(R1⋅R2)−1=R2−1⋅R1−1(R_{1} \cdot R_{2})^{-1} = R_{2}^{-1} \cdot R_{1}^{-1};

(в)

(⋃i∈IRi)⋅Q=⋃i∈I(Ri⋅Q)\left(\bigcup_{i \in I} R_{i}\right) \cdot Q = \bigcup_{i \in I} (R_{i} \cdot Q);

(г)

Q⋅(⋃i∈IRi)=⋃i∈I(Q⋅Ri)Q \cdot \left(\bigcup_{i \in I} R_{i}\right) = \bigcup_{i \in I} (Q \cdot R_{i}).

Задача I.2.16

Доказать, что:

?
(а)

Q⋅(⋂i∈IRi)⊆⋂i∈I(Q⋅Ri)Q \cdot \left(\bigcap_{i \in I} R_{i}\right) \subseteq \bigcap_{i \in I} (Q \cdot R_{i});

(б)

(⋂i∈IRi)⋅Q⊆⋂i∈I(Ri⋅Q)\left(\bigcap_{i \in I} R_{i}\right) \cdot Q \subseteq \bigcap_{i \in I} (R_{i} \cdot Q);

(в)

в утверждениях (а) и (б) включения нельзя заменить равенствами.

Задача I.2.17

Образуют ли бинарные отношения группу относительно операций ⋅\cdot и −1{}^{-1}?

?
Задача I.2.18

Доказать, что если R1⊆R2R_{1} \subseteq R_{2}, то:

?
(а)

Q⋅R1⊆Q⋅R2Q \cdot R_{1} \subseteq Q \cdot R_{2};

(б)

R1⋅Q⊆R2⋅QR_{1} \cdot Q \subseteq R_{2} \cdot Q;

(в)

R1−1⊆R2−1R_{1}^{-1} \subseteq R_{2}^{-1}.

Задача I.2.19

Доказать, что:

?
(а)

если B≠∅B \neq \emptyset, то BA≠∅B^{A} \neq \emptyset;

(б)

BA⊆P(A×B)B^{A} \subseteq P(A \times B).

Задача I.2.20

Установить взаимно однозначное соответствие между AnA^{n} и AlA^{l} при l={1,…,n}l = \left\{ 1, \ldots , n\right\}.

?
Задача I.2.21

Используя определение, описать множество D(DD)D(D^{D}), где DD --- множество действительных чисел.

?
Задача I.2.22

Доказать, что если ff есть функция из AA в BB и gg есть функция из BB в CC, то f⋅gf \cdot g есть функция из AA в CC.

?
Задача I.2.23

Пусть ff и gg --- функции. При каких условиях:

?
(а)

f−1f^{-1} является функцией;

(б)

f⋅gf \cdot g является 1--1-функцией?

Задача I.2.24

Пусть A,B,A1,B1A, B, A_{1}, B_{1} --- такие множества, что AA находится во взаимно однозначном соответствии с A1A_{1}, а BB --- с B1B_{1}. Показать, что можно установить взаимно однозначное соответствие:

?
(а)

между A×BA \times B и A1×B1A_{1} \times B_{1};

(б)

между ABA^{B} и A1B1A_{1}^{B_{1}};

(в)

между A∪BA \cup B и A1∪B1A_{1} \cup B_{1}, если A∩B=∅A \cap B = \emptyset и A1∩B1=∅A_{1} \cap B_{1} = \emptyset.

Задача I.2.25

Доказать, что можно установить взаимно однозначное соответствие между множествами:

?
(а)

A×BA \times B и B×AB \times A;

(б)

A×(B×C)A \times (B \times C) и (A×B)×C(A \times B) \times C;

(в)

(A×B)C(A \times B)^{C} и AC×BCA^{C} \times B^{C};

(г)

(AB)C(A^{B})^{C} и AB×CA^{B \times C};

(д)

AB∪CA^{B \cup C} и AB×ACA^{B} \times A^{C}, если B∩C=∅B \cap C = \emptyset;

(е)

∏i∈IAi\prod_{i \in I} A_{i} и ∏i∈IAφ(i)\prod_{i \in I} A_{\varphi (i)}, где φ\varphi --- подстановка множества II;

(ж)

∏i∈IAi\prod_{i \in I} A_{i} и ∏k∈K(∏j∈TkAj)\prod_{k \in K} \left(\prod_{j \in T_{k}} A_{j}\right), где ⋃k∈KTk=I\bigcup_{k \in K} T_{k} = I и все TkT_{k} попарно не пересекаются;

(з)

AIA^{I} и ∏k∈KATk\prod_{k \in K} A^{T_{k}}, где ⋃k∈KTk=I\bigcup_{k \in K} T_{k} = I и все TkT_{k} попарно не пересекаются.

Задача I.2.26

Пусть φ:A→A\varphi : A \rightarrow A --- подстановка множества AA. Доказать, что φ−1\varphi^{-1} --- подстановка множества AA.

?
Задача I.2.27

Доказать, что множество подстановок множества AA образует группу.

?
Задача I.2.28

Пусть φ:A→B\varphi : A \rightarrow B --- взаимно однозначное соответствие. Доказать, что:

?
(а)

φ−1\varphi^{-1} --- взаимно однозначное соответствие между BB и AA;

(б)

φ−1⋅φ=iB\varphi^{-1} \cdot \varphi = i_{B};

(в)

φ⋅φ−1=iA\varphi \cdot \varphi^{-1} = i_{A}.

Задача I.2.29

Доказать, что для того, чтобы отношение R⊆A×BR \subseteq A \times B было взаимно однозначным соответствием между AA и BB, необходимо и достаточно, чтобы R⋅R−1=iAR \cdot R^{-1} = i_{A} и R−1⋅R=iBR^{-1} \cdot R = i_{B}.

?
Задача I.2.30

Доказать, что объединение (пересечение) двух функций f1f_{1} и f2f_{2} из AA в BB является функцией из AA в BB тогда и только тогда, когда f1=f2f_{1} = f_{2}.

?
Задача I.2.31

Доказать, что для любой функции ff:

?
(а)

f(A∪B)=f(A)∪f(B)f(A \cup B) = f(A) \cup f(B);

(б)

f(⋃i∈IAi)=⋃i∈If(Ai)f\left(\bigcup_{i \in I} A_{i}\right) = \bigcup_{i \in I} f(A_{i}).

Задача I.2.32

Доказать, что для любой функции ff:

?
(а)

f(A∩B)⊆f(A)∩f(B)f(A \cap B) \subseteq f(A) \cap f(B);

(б)

f(⋂i∈IAi)⊆⋂i∈If(Ai)f\left(\bigcap_{i \in I} A_{i}\right) \subseteq \bigcap_{i \in I} f(A_{i}),

и эти включения нельзя заменить равенствами.

Задача I.2.33

Доказать, что ff удовлетворяет условию

f(A∩B)=f(A)∩f(B) для любых A и B f(A \cap B) = f(A) \cap f(B) \text{ для любых } A \text{ и } B

тогда и только тогда, когда ff есть 1--1-функция.

?
Задача I.2.34

Доказать, что f(A)∖f(B)⊆f(A∖B)f(A) \setminus f(B) \subseteq f(A \setminus B) для любой функции ff.

?
Задача I.2.35

Доказать, что если в предыдущем примере ff есть 1--1-функция, то выполняется равенство.

?
Задача I.2.36

Доказать, что если A⊆BA \subseteq B, то f(A)⊆f(B)f(A) \subseteq f(B) для любой функции ff.

?
Задача I.2.37

Доказать, что для любой функции ff

f(A)=∅⇔A∩δf=∅. f(A) = \emptyset \Leftrightarrow A \cap \delta f = \emptyset .
?
Задача I.2.38

Доказать следующие тождества для любой функции ff:

?
(а)

f−1(A∪B)=f−1(A)∪f−1(B)f^{-1}(A \cup B) = f^{-1}(A) \cup f^{-1}(B);

(б)

f−1(⋃i∈IAi)=⋃i∈If−1(Ai)f^{-1}\left(\bigcup_{i \in I} A_{i}\right) = \bigcup_{i \in I} f^{-1}(A_{i});

(в)

f−1(A∩B)=f−1(A)∩f−1(B)f^{-1}(A \cap B) = f^{-1}(A) \cap f^{-1}(B);

(г)

f−1(⋂i∈IAi)=⋂i∈If−1(Ai)f^{-1}\left(\bigcap_{i \in I} A_{i}\right) = \bigcap_{i \in I} f^{-1}(A_{i});

(д)

f−1(A∖B)=f−1(A)∖f−1(B)f^{-1}(A \setminus B) = f^{-1}(A) \setminus f^{-1}(B).

Задача I.2.39

Доказать, что если A⊆BA \subseteq B, то f−1(A)⊆f−1(B)f^{-1}(A) \subseteq f^{-1}(B) для любой функции ff.

?
Задача I.2.40

Доказать, что для любой функции ff

f−1(A)=∅⇔A∩ρf=∅. f^{-1}(A) = \emptyset \Leftrightarrow A \cap \rho f = \emptyset .
?
Задача I.2.41

Доказать, что если A⊆δfA \subseteq \delta f и B⊆ρfB \subseteq \rho f, то:

?
(а)

A⊆f−1(f(A))A \subseteq f^{-1}(f(A));

(б)

f(f−1(B))=Bf(f^{-1}(B)) = B;

(в)

f(A)∩B=f(A∩f−1(B))f(A) \cap B = f(A \cap f^{-1}(B));

(г)

f(A)∩B=∅⇔A∩f−1(B)=∅f(A) \cap B = \emptyset \Leftrightarrow A \cap f^{-1}(B) = \emptyset;

(д)

f(A)⊆B⇔A⊆f−1(B)f(A) \subseteq B \Leftrightarrow A \subseteq f^{-1}(B).

Задача I.2.42

Пусть f:A→Bf: A \rightarrow B. Определим f∗:P(A)→P(B)f_{*}: P(A) \rightarrow P(B), f∗:P(B)→P(A)f^{*}: P(B) \rightarrow P(A) так, что f∗(X)={f(x)∣x∈X}f_{*}(X) = \left\{ f(x) \mid x \in X\right\} и f∗(Y)={x∣f(x)∈Y}f^{*}(Y) = \left\{ x \mid f(x) \in Y\right\}. При каких условиях f∗⋅f∗=iP(B)f^{*} \cdot f_{*} = i_{P(B)}? При каких условиях f∗⋅f∗=iP(A)f_{*} \cdot f^{*} = i_{P(A)}?

?
Задача I.2.43

В обозначениях предыдущей задачи доказать, что:

?
(а)

f∗(X∩Y)=f∗(X)∩f∗(Y)f^{*}(X \cap Y) = f^{*}(X) \cap f^{*}(Y);

(б)

(f⋅g)∗(X)=f∗(g∗(X))(f \cdot g)^{*}(X) = f^{*}(g^{*}(X)).

Задача I.2.44

Пусть UU --- непустое множество. Для любого подмножества AA множества UU обозначим через χAU\chi_{A}^{U} следующую функцию (характеристическую функцию множества AA):

χAU={0,если x∈A,1,если x∈U∖A. \chi _{A}^{U} = \begin{cases} 0, & \text{если } x \in A, \\ 1, & \text{если } x \in U \setminus A. \end{cases}

Определим функцию f:P(U)→{0,1}Uf: P(U) \rightarrow \left\{ 0, 1\right\}^{U} следующим условием: f(A)=χAUf(A) = \chi_{A}^{U} для любого A∈P(U)A \in P(U). Доказать, что ff есть взаимно однозначное соответствие между P(U)P(U) и {0,1}U\left\{ 0, 1\right\}^{U}.

?
Задача I.2.45

Доказать, что введенная в предыдущей задаче функция χAU\chi_{A}^{U} удовлетворяет следующим условиям:

?
(а)

χUU(x)=0\chi_{U}^{U}(x) = 0;

(б)

χ∅U(x)=1\chi_{\emptyset }^{U}(x) = 1;

(в)

χU∖AU(x)=1−χAU(x)\chi_{U \setminus A}^{U}(x) = 1 - \chi_{A}^{U}(x);

(г)

χA∪BU(x)=χAU(x)⋅χBU(x)\chi_{A \cup B}^{U}(x) = \chi_{A}^{U}(x) \cdot \chi_{B}^{U}(x);

(д)

χA∩BU(x)=χAU(x)+χBU(x)−χAU(x)⋅χBU(x)\chi_{A \cap B}^{U}(x) = \chi_{A}^{U}(x) + \chi_{B}^{U}(x) - \chi_{A}^{U}(x) \cdot \chi_{B}^{U}(x);

(е)

χA∖BU(x)=1−χBU(x)+χA∪BU(x)\chi_{A \setminus B}^{U}(x) = 1 - \chi_{B}^{U}(x) + \chi_{A \cup B}^{U}(x);

(ж)

если A=⋃i∈IAiA = \bigcup_{i \in I} A_{i}, то χAU(x)=min⁡i∈IχAiU(x)\chi_{A}^{U}(x) = \min_{i \in I} \chi_{A_{i}}^{U}(x);

(з)

если A=⋂i∈IAiA = \bigcap_{i \in I} A_{i}, то χAU(x)=max⁡i∈IχAiU(x)\chi_{A}^{U}(x) = \max_{i \in I} \chi_{A_{i}}^{U}(x).

Задача I.2.46

Доказать свойства полной дистрибутивности:

?
(а)

⋃i∈I⋂j∈JAij=⋂f∈JI⋃i∈IAif(i)\bigcup_{i \in I} \bigcap_{j \in J} A_{ij} = \bigcap_{f \in J^{I}} \bigcup_{i \in I} A_{i f(i)};

(б)

⋂i∈I⋃j∈JAij=⋃f∈JI⋂i∈IAif(i)\bigcap_{i \in I} \bigcup_{j \in J} A_{ij} = \bigcup_{f \in J^{I}} \bigcap_{i \in I} A_{i f(i)}.

Задача I.2.47

Доказать, что AI=∏i∈IAiA^{I} = \prod_{i \in I} A_{i}, где Ai=AA_{i} = A для всех i∈Ii \in I.

?
Задача I.2.48

Пусть Ai⊆XiA_{i} \subseteq X_{i}. Доказать, что:

?
(а)

∏i∈IAi=⋂i∈I∏j∈JAij\prod_{i \in I} A_{i} = \bigcap_{i \in I} \prod_{j \in J} A_{ij}, где Aii=AiA_{ii} = A_{i}, Aij=XjA_{ij} = X_{j} при i≠ji \neq j;

(б)

∏i∈IXi∖∏i∈IAi=⋃i∈I∏j∈JBij\prod_{i \in I} X_{i} \setminus \prod_{i \in I} A_{i} = \bigcup_{i \in I} \prod_{j \in J} B_{ij}, где Bii=Xi∖AiB_{ii} = X_{i} \setminus A_{i}, Bij=XjB_{ij} = X_{j} при i≠ji \neq j.

Задача I.2.49

Доказать, что:

?
(а)

⋂k∈K∏t∈TAkt=∏t∈T⋂k∈KAkt\bigcap_{k \in K} \prod_{t \in T} A_{kt} = \prod_{t \in T} \bigcap_{k \in K} A_{kt};

(б)

если At1∩At2=∅A_{t_{1}} \cap A_{t_{2}} = \emptyset при t1≠t2t_{1} \neq t_{2}, то можно установить взаимно однозначное соответствие между B(⋃t∈TAt)B^{\left(\bigcup_{t \in T} A_{t}\right)} и ∏t∈TBAt\prod_{t \in T} B^{A_{t}};

(в)

можно установить взаимно однозначное соответствие между (∏t∈TBt)A\left(\prod_{t \in T} B_{t}\right)^{A} и ∏t∈TBtA\prod_{t \in T} B_{t}^{A}.

Задача I.2.50

Доказать, что если At≠∅A_{t} \neq \emptyset для всех t∈Tt \in T, то ∏t∈TAt≠∅\prod_{t \in T} A_{t} \neq \emptyset (одна из формулировок аксиомы выбора).

?
Задача I.2.51

Доказать, что между ∏t∈TAt\prod_{t \in T} A_{t} и (∏t1∈T1At1)×(∏t2∈T2At2)\left(\prod_{t_{1} \in T_{1}} A_{t_{1}}\right) \times \left(\prod_{t_{2} \in T_{2}} A_{t_{2}}\right) можно установить взаимно однозначное соответствие, если T1∪T2=TT_{1} \cup T_{2} = T и T1∩T2=∅T_{1} \cap T_{2} = \emptyset.

?