Nota 11. Funciones inyectivas, suprayectivas y biyectivas.

Por Julio César Soria Ramírez

(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

En esta nota analizaremos las definiciones de lo que es una función inyectiva o uno a uno, suprayectiva o aquella que tiene su codominio lleno, y las biyectivas, aquellas funciones que son inyectivas y suprayectivas al mismo tiempo, terminaremos mostrando que el hecho de tener una función invertible es equivalente a tener una función biyectiva.

Definición

Sean $A$, $B$ conjuntos, $f:A\to B$ una función. Si para cada $x_1$, $x_2$ $\in A$ se tiene que:

$x_1\neq x_2$ implica que $f(x_1)\neq f(x_2)$

O de modo equivalente

$f(x_1)=f(x_2)$ implica que $x_1=x_2$

decimos que $f$ es una función inyectiva.

Ejemplo

Sea $f:\mathbb R\setminus \set{1}\to \mathbb R$ dada por $f(x)=\frac{x}{x-1}$

Sean $x_1,x_2\in \mathbb R\setminus \set{1}$ tales que $f(x_1)=f(x_2)$

$f(x_1)=f(x_2)$ $\Longrightarrow$

$\frac{x_1}{x_1-1}= \frac{x_2}{x_2-1}$ $\Longrightarrow$

$x_1(x_2-1)=x_2(x_1-1)$ $\Longrightarrow$

$x_1x_2-x_1=x_2x_1-x_2$ $\Longrightarrow$

$-x_1=-x_2$ $\Longrightarrow$

$x_1=x_2$

Y por lo tanto $f$ es inyectiva.

Definición

Sean $A$, $B$ conjuntos, $f:A\to B$ una función. Decimos que $f$ es una función suprayectiva si para toda $y\in B$ existe $x\in A$ tal que $f(x)=y$, o de modo equivalente $Im\,f=B$.

Ejemplo

$f:\mathbb R\setminus \set{-5}\to \mathbb R$ dada por $f(x)=\frac{2}{x+5}+1$

¿La función es suprayectiva?, Para toda $y\in \mathbb R$, ¿existe $x\in \mathbb R\setminus \set{-5}$ tal que $f(x)=y$?

Supongamos que sí es suprayectiva, entonces para $y=1$, existe $x\in \mathbb R\setminus \set{-5}$ tal que $f(x)=1=y$

$1=\frac{2}{x+5}+1$ $\Longrightarrow$

$0=\frac{2}{x+5}$ $\Longrightarrow$

$(x+5)0=2$ $\Longrightarrow$

$0=2$, lo cual es una contradicción.

Así no existe $x\in \mathbb R\setminus \set{-5}$ tal que $f(x)=y=1$ y por lo tanto $f$ no es suprayectiva.

Definición

Sean $A,B$ conjuntos $f:A\to B$ una función. Decimos que $f$ es biyectiva si $f$ es inyectiva y suprayectiva.

Teorema

Una función es invertible si y solosi es biyectiva.

Demostración

$\Longrightarrow$ Demostración de la implicación de ida

Supongamos que $f$ es invertible.

Por demostrar que es biyectiva.

Si $f$ es invertible entonces existe $f^{-1}:B\to A$ la inversa de $f$.

Veamos que $f$ es inyectiva.

Sean $x_1,x_2\in A$ tales que $f(x_1)=f(x_2)$

$f(x_1)=f(x_2)$ $\Longrightarrow$

$f^{-1}(f(x_1))= f^{-1} (f(x_2))$ $\Longrightarrow$

$f^{-1}\circ f(x_1)= f^{-1}\circ f(x_2)$ $\Longrightarrow$

$id_A(x_1)=id_B(x_2)$ $\Longrightarrow$

$x_1=x_2$

Y por lo tanto $f$ es inyectiva.

Para ver que $f$ es suprayectiva, Sea $y\in B$, tenemos que mostrar que hay un elemento en $A$ tal que bajo $f$ va a dar a $y\in B$, consideramos $f^{-1}(y)\in A$ y al aplicarle $f$ tenemos que:

$f(f^{-1}(y))=f\circ f^{-1}(y) = id_B(y)=y$, y por lo tanto $f$ es suprayectiva.

$\Longleftarrow$ Demostración de la implicación de regreso

Supongamos que $f$ es biyectiva

Por demostrar que es invertible.

Dado $y\in B$ por ser $f$ suprayectiva existe $x\in A$ tal que $f(x)=y$, además como $f$ es inyectiva dicha $x$ es única, llamémosle $x_y$.

Definimos $g:B\to A$ con $g(y)=x_y$, donde $x_y$ es el único elemento de $A$ tal que $f(x_y)=y$.

Como $g$ asigna a cada $y\in B$ un único elemento de $A$, entonces $g$ es una función.

Veamos ahora que $g$ es una inversa de $f$.

Dado $y\in B$ se tiene que

$f\circ g(y)=f(g(y))=f(x_y)=y$, y así $f\circ g=id_B.$

Dado $x\in A$ se tiene que

$g\circ f(x)=g(f(x))=x_{f(x)}$, el único elemento en $A$ que bajo $f$ nos da $f(x)$, pero $x\in A$ es tal que bajo $f$ da $f(x)$. Así $x_{f(x)}=x$ y entonces $g\circ f(x)=x$, por lo tanto $g\circ f=id_A$.

Así $g$ es una inversa de $f$ y concluimos que $f$ es invertible.

$\square$

Tarea Moral

1. Prueba o da un contraejemplo:

i) Sean $f:A\to B$, $g:B\to C$ tales que $g\circ f$ es inyectiva, ¿Es $g\circ f$ necesariamente inyectiva?.

ii) Sean $f:A\to B$, $g:B\to C$ tales que $f$ es inyectiva, ¿Es $g\circ f$ necesariamente inyectiva?.

2. Prueba o da un contraejemplo:

i) Sean $f:A\to B$, $g:B\to C$ tales que $g\circ f$ es suprayectiva, ¿Es $g\circ f$ necesariamente suprayectiva ?.

ii) Sean $f:A\to B$, $g:B\to C$ tales que $g$ es suprayectiva , ¿Es $g\circ f$ necesariamente suprayectiva?.

3. Determina si las siguientes funciones son inyectivas, suprayectivas o biyectivas.

i) $f:\mathbb R\to (-\infty,3]$ con $f(x)=x^2+3$

ii) $f:[1,\infty)\to [0,\infty)$ con $f(x)=4(x-1)^2$

iii) $f:\set{x\in \mathbb R\mid x\neq -2}\to \mathbb R$ con $f(x)=\frac{1}{x+2}$.

iv) $f:\set{x\in \mathbb R\mid x\neq 7}\to \set{x\in \mathbb R\mid x\neq 1}$ con $f(x)=\frac{1}{x-7}+1$.

Más adelante

En la siguiente nota daremos algunos teoremas referentes a la composición de funciones inyectivas con inyectivas y suprayectivas con suprayectivas, además veremos que es lo mismo ser biyectiva que invertible.

Enlaces relacionados

Página principal del curso.

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.