Teoría de los conjuntos I: Funciones (parte II)

Introducción

En esta sección hablaremos acerca de algunas propiedades de la imagen y la imagen inversa de un conjunto bajo una función, dichas propiedades hablan de como se comportan estos conjuntos con respecto a la unión, la intersección y la diferencia.

Propiedades

Teorema: Sean $X$ y $Y$ conjuntos y sea $f:X\to Y$ una función. Sean $X_1,X_2\subseteq X$ y $Y_1, Y_2\subseteq Y$. Entonces se cumplen las siguientes propiedades:

  1. Si $X_1\subseteq X_2$, entonces $f[X_1]\subseteq f[X_2]$,
  2. $f[X_1\cup X_2]=f[X_1]\cup f[X_2]$,
  3. $f[X_1\cap X_2]\subseteq f[X_1]\cap f[X_2]$,
  4. $f[X_1]\setminus f[X_2]\subseteq f[X_1\setminus X_2]$,
  5. Si $Y_1\subseteq Y_2$, entonces $f^{-1}[Y_1]\subseteq f^{-1}[Y_2]$,
  6. $f^{-1}[Y_1\cup Y_2]=f^{-1}[Y_1]\cup f[Y_2]$,

Demostración:

1) Supongamos que $X_1\subseteq X_2$ y veamos que $f[X_1]\subseteq f[X_2]$.
Sea $y\in f[X_1]$, entonces existe $x\in X_1$ tal que $f(x)=y$. Dado que $X_1\subseteq X_2$, entonces existe $x\in X_2$ tal que $f(x)=y$, esto es $y\in f[X_2]$.
Por lo tanto, $f[X_1]\subseteq f[X_2]$.

2) Veamos que $f[X_1\cup X_2]=f[X_1]\cup f[X_2]$.

$\subseteq$] Sea $y\in f[X_1\cup X_2]$, entonces existe $x\in X_1\cup X_2$ tal que $f(x)= y$. Entonces existe $x\in X_1$ o $x\in X_2$ tal que $f(x)=y$.
Si $x\in X_1$ tal que $f(x)=y$ entonces $y\in f[X_1]$ y por lo tanto $y\in f[X_1]\cup f[X_2]$.
Si $x\in X_2$ tal que $f(x)=y$ entonces $y\in f[X_2]$ y por lo tanto $y\in f[X_1]\cup f[X_2]$.
Por lo tanto, $f[X_1\cup X_2]\subseteq f[X_1]\cup f[X_2]$.

$\supseteq$] Sea $y\in f[X_1]\cup f[X_2]$, entonces $y\in f[X_1]$ o $y\in f[X_2]$.

Si $y\in f[X_1]$, entonces existe $x\in X_1$ tal que $f(x)=y$. Luego, como $X_1\subseteq X_1\cup X_2$, tenemos que $x\in X_1\cup X_2$. Por lo tanto, existe $x\in X_1\cup X_2$ tal que $f(x)=y$, esto es $y\in f[X_1\cup X_2]$.

Si $y\in f[X_2]$, entonces existe $x\in X_2$ tal que $f(x)=y$. Luego, como $X_2\subseteq X_1\cup X_2$, tenemos que $x\in X_1\cup X_2$. Por lo tanto, existe $x\in X_1\cup X_2$ tal que $f(x)=y$, esto es $y\in f[X_1\cup X_2]$.

Por lo tanto, $f[X_1]\cup f[X_2]\subseteq f[X_1\cup X_2]$.

De las contenciones que demostramos tenemos que $f[X_1]\cup f[X_2]=f[X_1\cup X_2]$.

3) Ahora veamos que $f[X_1\cap X_2]\subseteq f[X_1]\cap f[X_2]$.

Sea $y\in f[X_1\cap X_2]$, entonces existe $x\in X_1\cap X_2$ tal que $f(x)= y$. Entonces existe $x\in X_1$ y $x\in X_2$ tal que $f(x)=y$.

Entonces existe $x\in X_1$ tal que $f(x)=y$ y existe $x\in X_2$ tal que $f(x)=y$, de donde $y\in f[X_1]$ y $y\in f[X_2]$. Por lo tanto, $y\in f[X_1]\cap f[X_2]$.

Así, $f[X_1\cap X_2]\subseteq f[X_1]\cap f[X_2]$.

4) A continuación mostraremos que $f[X_1]\setminus f[X_2]\subseteq f[X_1\setminus X_2]$.

Sea $y\in f[X_1]\setminus f[X_2]$, entonces $y\in f[X_1]$ y $y\notin f[X_2]$.

Dado que $y\in f[X_1]$, entonces existe $x\in X_1$ tal que $f(x)=y$. Luego, como $y\notin f[X_2]$ entonces para cualquier $a\in X_2$, $f(a)\not=y$. Resulta que $x\notin X_2$ pues de lo contrario $f(x)\not=y$ lo cual no puede ocurrir.

Por lo tanto, existe $x\in X_1\setminus X_2$ tal que $f(x)=y$, esto es, $y\in f[X_1\setminus X_2]$.

5) Supongamos que $Y_1\subseteq Y_2$ y veamos que $f^{-1}[Y_1]\subseteq f^{-1}[Y_2]$.
Sea $x\in f^{-1}[Y_1]$, entonces existe $y\in Y_1$ tal que $f(x)=y$. Dado que $Y_1\subseteq Y_2$, entonces existe $y\in Y_2$ tal que $f(x)=y$, esto es $x\in f^{-1}[Y_2]$.
Por lo tanto, $f^{-1}[Y_1]\subseteq f^{-1}[Y_2]$.

6) Finalmente veamos que $f^{-1}[Y_1\cup Y_2]=f^{-1}[Y_1]\cup f^{-1}[Y_2]$.

Sea $x\in f^{-1}[Y_1\cup Y_2]$, entonces existe $y\in Y_1\cup Y_2$ tal que $f(x)=y$. Luego, como $y\in Y_1\cup Y_2$ se tiene que $y\in Y_1$ o $y\in Y_2$.

Si $y\in Y_1$, entonces existe $y\in Y_1$ tal que $f(x)=y$, es decir, $x\in f^{-1}[Y_1]$. Por lo tanto $x\in f^{-1}[Y_1]\cup f^{-1}[Y_2]$.

Si $y\in Y_2$, entonces existe $y\in Y_2$ tal que $f(x)=y$, es decir, $x\in f^{-1}[Y_2]$. Por lo tanto $x\in f^{-1}[Y_1]\cup f^{-1}[Y_2]$.

$\square$

¿Por qué $f[X_1\cap X_2]\not=f[X_1]\cap f[X_2]$?

Ya vimos que $f[X_1\cap X_2]\subseteq f[X_1]\cap f[X_2]$, por lo que al igual que con la unión podríamos pensar que se da la igualdad entre los conjuntos. Sin embargo, vamos a ver que $f[X_1]\cap f[X_2]\not\subseteq f[X_1\cap X_2]$.

Con el siguiente ejemplo mostraremos que no siempre es posible que $f[X_1]\cap f[X_2]\not\subseteq f[X_1\cap X_2]$.

Ejemplo:

Sean $X=\set{0,1,2}$ y $Y=\set{1,2,3}$ conjuntos y sea $f:X\to Y$ una función dada por el conjunto $f(x)=2$ Sean $X_1=\set{0,1}$ y $X_2=\set{2}$ subconjuntos de $X$.

Por un lado tenemos que $X_1\cap X_2=\set{0,1}\cap \set{2}=\emptyset$, por lo que $f[X_1\cap X_2]=f[\emptyset]= \emptyset$.

Por otro lado, $f[X_1]=f[\set{0,1}]=\set{2}$ y $f[X_2]=f[\set{2}]=\set{2}$. Así, $f[X_1]\cap f[X_2]=\set{2}$.

Por lo tanto, $f[X_1]\cap f[X_2]\not\subseteq f[X_1\cap X_2]$.

$\square$

¿Por qué $f[X_1\setminus X_2]\not=f[X_1]\setminus f[X_2]$?

Ya vimos que $f[X_1]\setminus f[X_2]\subseteq f[X_1\setminus X_2]$, pero va a resultar que la contención de regreso no es posible, es decir, $f[X_1\setminus X_2]\not\subseteq f[X_1]\setminus f[X_2]$.

Con el siguiente ejemplo mostraremos que no siempre es posible que $f[X_1\setminus X_2]\not\subseteq f[X_1]\setminus f[X_2]$.

Ejemplo:

Sean $X=\set{0,1,2}$ y $Y=\set{1,2,3}$ conjuntos y sea $f:X\to Y$ una función dada por el conjunto $f(x)=2$ Sean $X_1=\set{0,1}$ y $X_2=\set{1,2}$ subconjuntos de $X$.

Por un lado tenemos que $X_1\setminus X_2=\set{0,1}\setminus \set{1,2}=\set{0}$, por lo que $f[X_1\setminus X_2]=f[\set{0}]= \set{2}$.

Por otro lado, $f[X_1]=f[\set{0,1}]=\set{2}$ y $f[X_2]=f[\set{1,2}]=\set{2}$. Así, $f[X_1]\setminus f[X_2]=\emptyset$.

Por lo tanto, $f[X_1\setminus X_2]\not\subseteq f[X_1]\setminus f[X_2]$.

$\square$

Composición de funciones

Definición: Sean $f:X\to Y$ y $g:Y\to Z$ funciones. Definimos a la composición de $f$ con $g$ como la función $g\circ f:X\to Z$ dada por $g\circ f(x)= g(f(x))$ para cualquier $x\in X$.

Teorema: Si $f:X\to Y$ y $g:Y\to Z$ son funciones, entonces $g\circ f:X\to Z$ es función.

En la sección de composición de relaciones vimos que si $f$ y $g$ son relaciones, entonces $g\circ f$ es relación, por lo que resta ver que si $(a,b)\in g\circ f$ y $(a,c)\in g\circ f$, entonces $b=c$.

Supongamos que $(a,b)\in g\circ f$ y $(a,c)\in g\circ f$, esto es $b=g(f(a))$ y $c=g(f(a))$ y por lo tanto, $b=c$.

$\square$

Ejemplo:

Sea $f:\set{1,2}\to \set{2,4}$ y $g:\set{2,4}\to \set{3,5}$ funciones dadas por $f(x)= 2x$ y $g(x)=x+1$ respectivamente. Entonces $g\circ f:\set{1,2}\to \set{3,5}$ está dada por:

$g\circ f(x)=g(f(x))=g(2x)=2x+1$

Por lo que,

  • $g\circ f(1)=2(1)+1=2+1=3$,
  • $g\circ f(2)= 2(2)+1=4+1=5$.

De modo que los elementos de $g\circ f$ son $(1,3)$ y $(2,5)$.

$\square$

Tarea moral

a) Demuestra que si $X$ y $Y$ son conjuntos y $f:X\to Y$ una función. Sean $X_1\subseteq X$ y $Y_1, Y_2\subseteq Y$. Entonces se cumplen las siguientes propiedades:

  1. $f^{-1}[Y_1\cap Y_2]=f^{-1}[Y_1]\cap f[Y_2]$,
  2. $f^{-1}[Y_1\setminus Y_2]=f^{-1}[Y_1]\setminus f[Y_2]$,
  3. $X_1\subseteq f^{-1}[f[X_1]]$,
  4. $f[f^{-1}[B_1]]\subseteq B_1$.

b) Demuestra que la composición de funciones es asociativa.

Más adelante

La siguiente sección estará dedicada a funciones inyectivas y sobreyectivas. Este tema será de gran importancia pues en muchas ocasiones tendremos que verificar si se satisfacen estas propiedades.

Enlaces

Álgebra Superior I: Introducción a funciones

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