双射

(重定向自雙射函數

数学中,一个由集合映射至集合函数,若对每一在内的,存在唯一一个在内的与其对应,且对每一在内的,存在唯一一个在内的与其对应,则此函数为双射函数

一个双射函数

换句话说,如果其为两集合间的一一对应,则是双射的。即,同时为单射满射

例如,由整数集合的函数,其将每一个整数连结至整数,这是一个双射函数;再看一个例子,函数,其将每一对实数连结至,这也是个双射函数。

一双射函数亦简称为双射(英语:bijection)或置换。后者一般较常使用在时。以由的所有双射组成的集合标记为

双射函数在许多数学领域扮演着很基本的角色,如在同构的定义(以及如同胚微分同构等相关概念)、置换群投影映射及许多其他概念的基本上。

复合函数与反函数

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一函数 为双射的当且仅当其逆关系 也是个函数。在这情况, 也会是双射函数。

两个双射函数  复合函数 亦为双射函数。其反函数为 

 
一个复合所得的双射,左侧为单射,右侧为满射。

另一方面,若 为双射的,可知 是单射的且 是满射的,但也仅限于此。

一由  的关系 为双射函数当且仅当存在另一由  的关系 ,使得  上的恒等函数,且  上的恒等函数。必然地,此两个集合会有相同的

双射与势

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  有限集合,则其存在一两集合的双射函数当且仅当两个集合有相同的元素个数。确实,在公理集合论里,这正是“相同元素个数”的定义,且广义化至无限集合,并导致了基数的概念,用以分辨无限集合的不同大小。

例子与反例

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  • 对任一集合 ,其恒等函数为双射函数。
  • 函数 ,其形式为 ,是双射的,因为对任一 ,存在一唯一 使得 
  • 指数函数 ,其形式为 ,不是双射的:因为不存在一 内的 使得 ,故 非为双射。但若其陪域改成正实数 ,则 便是双射的了;其反函数为自然对数函数 
  • 函数  :  ,其形式为 ,不是双射的:因为 ,故 非为双射。但如果把定义域也改成 ,则 便是双射的了;其反函数为正平方根函数。
  •  不是双射函数,因为  都在其定义域里且都映射至 
  •  不是双射函数,因为 和2 都在其定义域里且都映射至 

性质

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  • 一由实数  的函数 是双射的,当且仅当其图像和任一水平线相交且只相交于一点。
  •  为一集合,则由 至其本身的双射函数,加上其复合函数“ ”的运算,会形成一个,即为 对称群,其标记为   
  • 取一定义域的子集 及一陪域的子集 ,则
  
  •   为具相同有限集合,且 ,则下列三种说法是等价的:
  1.  为一双射函数。
  2.  为一满射函数。
  3.  为一单射函数。
  • 一个严格的单调函数是双射函数,但双射函数不一定是单调函数(例如 )。

双射与范畴论

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形式上,双射函数恰好是集合范畴内的同构

另见

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参考文献

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  • Sundstrom. Mathematical Reasoning: Writing and Proof. Prentice-Hall. 2003. 
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外部链接

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