Introducción
Anteriormente, vimos las operaciones que podemos llevar a cabo entre las funciones. Ahora revisaremos las características que debe cumplir una función para poder determinar si es inyectiva, sobreyectiva o biyectiva. De igual manera, definiremos el concepto de función inversa.
Definición de función inyectiva
Definición (1): Sea $f: A \rightarrow B$ una función. Decimos que $f$ es inyectiva si para cualesquiera dos elementos distintos en $A$, la función le asocia elementos distintos en $B$, es decir,
$$x_{1} \neq x_{2} \Rightarrow f(x_{1}) \neq f(x_{2})$$
para cualesquiera $x_{1}, x_{2} \in A$.
Definición (2): Sea $f: A \rightarrow B$ una función. Decimos que $f$ es inyectiva si para cualesquiera dos elementos iguales en $B$, provienen de dos elementos iguales en $A$ bajo la función, es decir,
$$f(x_{1}) = f (x_{2}) \Rightarrow x_{1} = x_{2}$$
para cualesquiera $x_{1}, x_{2} \in A$.
Ejemplo
Sea $f: (-\infty,-1] \rightarrow \r$ definida como:
$$f(x)=11- \sqrt{x^{2}-4x-5}\quad\text{.}$$
Tomemos $x_{1}, x_{2} \in (-\infty,-1]$ tales que $f(x_{1}) = f(x_{2})$. Así queremos probar que $x_{1}=x_{2}$.
Como $f(x_{1}) = f(x_{2})$ tenemos que:
\begin{align*}
11- \sqrt{x_{1}^{2}-4x_{1}-5} &=11- \sqrt{x_{2}^{2}-4x_{2}-5}\\
– \sqrt{x_{1}^{2}-4x_{1}-5} &=- \sqrt{x_{2}^{2}-4x_{2}-5} \quad \text{sumando $11$}\\
\sqrt{x_{1}^{2}-4x_{1}-5} &=\sqrt{x_{2}^{2}-4x_{2}-5} \quad \text{multiplcando por $-1$}\\
\sqrt{(x_{1}-2)^{2}-9} &=\sqrt{(x_{2}-2)^{2}-9} \quad \text{factorizando}\\
\sqrt{(x_{1}-2)^{2}} &=\sqrt{(x_{2}-2)^{2}}\\
|x_{1}-2| &=|x_{2}-2|\quad \text{quitando la raíz cuadrada}\\
x_{1}-2 &= x_{2}-2\\
x_{1}&= x_{2}\quad \text{sumando 2}
\end{align*}
De lo anterior vemos que $f$ es inyectiva.
Definición de función sobreyectiva
Definición (1): Sea $f: A \rightarrow B$ una función. Decimos que $f$ es sobreyectiva si todo elemento en $B$ proviene de algún elemento en $A$ bajo la función, es decir, para todo $y \in B$ existe $x \in A$ tal que:
$$f(x)=y\quad\text{.}$$
Definición (2): Sea $f: A \rightarrow B$ una función. Decimos que $f$ es sobreyectiva si
$$Im_{f}=Codom_{f}\quad\text{.}$$
Ejemplo
Un ejemplo sería la función tangente, ya que su $Im_{f}= \mathbb{R} $ y su $Codom_{f}= \mathbb{R}$, más adelante veremos su definición con mayor detenimiento:
$$f(x)=tan(x)\quad\text{.}$$
Definición de función biyectiva
Definición: Sea $f: A \rightarrow B$ una función. Decimos que $f$ es biyectiva si cumple con ser inyectiva y sobreyectiva.
Ejemplo
Sea $f: \r \rightarrow \r$ definida como:
$$Id(x)=x\quad\text{.}$$
Veremos que esta función es inyectiva:
Tomemos $x_{1}, x_{2} \in \r$ distintos, queremos ver que $f(x_{1}) \neq f(x_{2})$. Como tenemos que:
$$f(x_{1})= x_{1},$$
$$f(x_{2})= x_{2}\quad\text{.}$$
Y como sabemos $x_{1} \neq x_{2}$ se sigue así:
$$f(x_{1})\neq f(x_{2})\quad\text{.}$$
Por lo que $Id(x)$ es inyectiva.
Ahora vemos que también cumple ser sobreyectiva:
Consideremos $y \in \r$. Por definición de la función identidad tenemos que:
$$y=Id(y)\quad\text{.}$$
Así vemos que cumple ser sobreyectiva.
De lo anterior podemos concluimos que $Id(x)$ es una función biyectiva.
Proposición
Proposición: Si tomamos las funciones $g: A \rightarrow B$ y $f: B \rightarrow C$ se cumple que:
- $f$ inyectiva y $g$ inyectiva $\quad \Rightarrow \quad f \circ g$ es inyectiva.
- $f$ sobreyectiva y $g$ sobreyectiva $\quad \Rightarrow \quad f \circ g$ es sobreyectiva.
- $f$ biyectiva y $g$ biyectiva $\quad \Rightarrow \quad f \circ g$ es biyectiva.
Demostración:
- Tomemos $x_{1}, x_{2} \in A$ tales que $f \circ g (x_{1})= f \circ g (x_{2})$. Queremos probar que:
$x_{1}=x_{2}$.
Observemos que por hipótesis tenemos que:
$$f(g(x_{1}))= f(g(x_{2}))$$
donde $g(x_{1}), g(x_{2}) \in B$.
Como $f$ es una función inyectiva entonces se cumple:
$$g(x_{1})=g(x_{2})\quad\text{.}$$
Y al ser $g$ inyectiva obtenemos:
$$x_{1}=x_{2}\quad\text{.}$$ - Como $f \circ g : A \rightarrow C$ por lo que tomemos $c \in C$. Queremos ver que existe $a \in A$ tal que $f(a)=c$.
Ya sabemos que $f: B \rightarrow C$ es sobreyectiva entonces existe $b \in B$ tal que:
$$f(b)=c\quad\text{.}$$
Recordemos que $g: A \rightarrow B$ al ser sobreyectiva ocurre que existe $a \in A$ tal que:
$$g(a)=b\quad\text{.}$$
De lo anterior al sustituir en la composición de funciones se sigue:
\begin{align*}
f \circ g(a)&=f(g(a))\\
&=f(b)\\
&=c
\end{align*} - Se queda como ejercicio de tarea moral.
$\square$
Función inversa
Definición (función invertible): Sea $f: A \rightarrow B$ una función. Decimos que $f$ es invertible si y sólo si existe una función $g: B \rightarrow A$ tal que cumple las siguientes condiciones:
- $g \circ f = Id_{A}$
- $f \circ g = Id_{B}$
A continuación veremos una equivalencia que nos será de utilidad para poder decir si una función es invertible:
Teorema: Consideremos a $f: A \rightarrow B$ una función. Decimos que:
$f$ es Invertible $\Leftrightarrow f$ es biyectiva.
Demostración:
$\Rightarrow ):$ Tomemos $f$ invertible, así por definición existe una función $g: B \rightarrow A$ tal que cumple:
- $g \circ f = Id_{A}$
- $f \circ g = Id_{B}$
Debemos probar que $f$ es biyectiva, por lo que debemos verificar que sea inyectiva y sobreyectiva:
Inyectiva: Sean $x_{1} , x_{2} \in A$ tales que $f(x_{1})= f (x_{2})$ por lo que $g(f(x_{1}))=g( f (x_{2}))$ al ser $g$ función. Reescribiendo lo anterior tenemos lo siguiente:
\begin{align*}
g(f(x_{1}))=g( f (x_{2})) &\Rightarrow (g \circ f)(x_{1})=(g \circ f)(x_{2})\\
&\Rightarrow Id_{A}(x_{1})=Id_{A}(x_{2}) \tag{por definición de $g$}\\
&\Rightarrow x_{1}= x_{2}
\end{align*}
$\therefore f$ es inyectiva
Sobreyectiva: Sea $y \in B$. Debido a que $Id_{B}$ es sobreyectiva tenemos que $Id_{B}(y)=y$. De lo anterior tenemos:
\begin{align*}
Id_{B}(y)=y &\Rightarrow f \circ g (y)= y\\
&\Rightarrow f(g(y))=y\\
&\Rightarrow g(y) \in A
\end{align*}
$\therefore f$ es sobreyectiva
De todo lo anterior concluimos que $f$ es biyectiva.
$\Leftarrow ):$ Sea $f: A \rightarrow B$ una función biyectiva. De este modo para todo $y \in B$ existe $x \in A$ tal que:
$$f(x)=y$$
ya que $f$ es sobreyectiva. De igual manera cumple ser inyectiva por lo que esa $x$ es única.
Consideremos la función $g: B \rightarrow A$ tal que:
$$g(y)=x \Leftrightarrow f(x)=y\quad\text{.}$$
Por lo que al realizar la siguiente composición de funciones tenemos:
$$ (g \circ f)(x)=g(f(x)) =g(y)=x = Id_{A}(x),$$
$$(f \circ g)(y)= f(g(y))= f(x)=y = Id_{B}(y)$$\quad\text{.}
Vemos que esto cumple la definición de ser invertible.
$\therefore f$ es una función invertible.
$\square$
Definición: Sea $f: A \rightarrow B$ entonces:
- $f$ tiene inversa izquierda si existe $g: B \rightarrow A$ tal que $g \circ f=Id_{A}$.
- $f$ tiene inversa derecha si existe $h: B \rightarrow A$ tal que $f\circ h=Id_{B}$.
Definición (función inversa): Si $f: A \rightarrow B$ es invertible donde $g: B \rightarrow A$ que cumple lo anterior. Decimos que $f^{-1}=g$ es la inversa de $f$.
Corolario: Si $f: A \rightarrow B$ es una función invertible entonces $f^{-1}$ también es biyectiva.
Demostración:
Como $f$ es invertible por definición cumple:
- $f^{-1} \circ f =Id_{A}$
- $f \circ f^{-1}=Id_{B}$
Por lo que cumple ser inyectiva y sobreyectiva.
$\square$
Del resultado anterior observamos que $f^{-1}$ es función inversa al componer por la derecha y por la izquierda.
Teorema: Si $f: A \rightarrow B$ entonces es equivalente lo siguiente:
- $f$ es una función inyectiva
- $f$ tiene inversa izquierda
Teorema: Si $f: A \subseteq \r \rightarrow \r$ entonces es equivalente lo siguiente:
- $f$ es una función suprayectiva
- $f$ tiene inversa derecha
Más adelante
En la siguiente entrada veremos otras características que las funciones pueden cumplir para clasificarse como pares o impares. Veremos su definición formal, algunos ejemplos y resultados.
Tarea moral
- Demuestra que $f: [0, \infty) \rightarrow [0, \infty)$ definida como:
$$f(x)= x^{2}$$
es inyectiva.
- Argumenta porque la función $f: \r \rightarrow \r$ definida como:
$$f(x)= x^{2}$$
no es inyectiva.
- Demuestra que $f: \r \rightarrow \r$ definida como:
$$f(x)= -2x+1$$
es inyectiva.
- Prueba que si $f$ y $g$ son funciones biyectivas entonces $f \circ g$ es biyectiva.
- Demuestra la siguiente igualdad:
$$(f \circ g)^{-1}= f^{-1} \circ g^{-1}$$
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Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE104522 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 2»