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◎学习目标
- 理解映射的合成(乘法):若 \(f\) 是 \(A\) 到 \(B\) 的映射、\(g\) 是 \(B\) 到 \(C\) 的映射,则先做 \(f\) 再做 \(g\) 的合成映射 \(gf\) 是 \(A\) 到 \(C\) 的映射;
- 掌握映射合成的结合律 \((hg)f = h(gf)\),并了解它不满足交换律;
- 理解恒等变换 \(E_A\) 的定义及其在合成运算中充当单位元的角色:\(E_B f = f = f E_A\);
- 掌握可逆映射的定义:存在 \(g\) 使得 \(gf = E_A\) 且 \(fg = E_B\),此时 \(g\) 称为 \(f\) 的逆映射,记作 \(f^{-1}\);
- 证明逆映射的唯一性,并掌握 \((f^{-1})^{-1} = f\)、\(f\) 可逆 \(\Rightarrow\) \(f^{-1}\) 也可逆;
- 探索可逆映射与单射、满射、双射之间的联系(本集开启探索,下集完成证明)。
1引言:由线性空间同构引出的映射乘法 ⏱ 00:01
本集从一个实际问题引入。上一章建立了有限维线性空间 \(V\)(维数为 \(n\))与 \(K^n\) 之间的同构映射 \(\sigma\):\(\sigma\) 把 \(V\) 中的向量送到它的坐标。⏱ 00:02
要回答这个问题,一般地就需要先研究"映射的乘法"(合成):两个同构映射能否合成?合成后还是不是同构?本集先把映射的合成讲清楚。⏱ 02:54
2映射的合成(乘法)的定义 ⏱ 03:21
3映射合成的结合律 ⏱ 07:23
若还有 \(h\) 是 \(C\) 到 \(D\) 的映射,可以比较两条途径从 \(A\) 到 \(D\):
图示说明与严格证明思路
图示:对任一 \(a \in A\),两条途径最终都送到 \(D\) 中同一个元素 \(d\):先 \(f\) 得 \(b\),再 \(g\) 得 \(c\),再 \(h\) 得 \(d\)。无论"先合成 \(gf\) 还是先合成 \(hg\)",中间过程相同,结果相同。 ⏱ 09:00
严格证明(按定义逐项验证):对一切 \(a \in A\),
定义集、值域、对应法则三者均相同,故 \((hg)f = h(gf)\)。老师说明:"这个逻辑上的证明就我书上写了,自己看一下,我现在是图上解释一下。"⏱ 09:31
4交换律一般不成立 ⏱ 10:12
结合律的意义:多个映射相继合成时,加括号的方式不影响结果,因此可以写 \(hgf\) 而不必纠结括号——这是本引言问题(同构映射的传递性)能够成立的关键。⏱ 10:50
5变换与恒等变换 ⏱ 10:50
6恒等变换的单位元作用 ⏱ 12:31
证明:\(f E_A = f\)
第一步(定义域与值域):\(f\) 是 \(A\) 到 \(B\),\(E_A\) 是 \(A\) 到 \(A\),整个合成是 \(A\) 到 \(B\),与 \(f\) 的定义域、值域相同。
第二步(对应法则):对 \(A\) 中任何元素 \(a\),先做恒等变换 \(a \mapsto a\),再做 \(f\) 得 \(f(a)\)——对应法则与 \(f\) 完全相同。
定义域相同、值域相同、对应法则相同,所以这两个映射相等:\(f E_A = f\)。⏱ 13:34
类似地,\(E_B f = f\)(左乘 \(B\) 上的恒等变换),老师留作自证:"类似的,下面是类似的,就不写了,回去可以自己补。" ⏱ 14:53
7可逆映射与逆映射 ⏱ 15:49
证明思路(逆映射唯一)
设 \(g_1, g_2\) 都是 \(f\) 的逆映射,则 \(g_1 f = E_A\),\(g_2 f = E_A\),且 \(f g_1 = E_B\),\(f g_2 = E_B\)。
其中用到结合律与恒等变换的单位元作用。故逆映射唯一,可放心地记作 \(f^{-1}\)。⏱ 18:05
8逆映射的性质 ⏱ 19:01
说明
由定义,\(g = f^{-1}\) 满足 \(g f = E_A\)、\(f g = E_B\)。对这个等式换个角度:把 \(f\) 看作"先做"、\(g\) 看作"后做",则 \(g\) 右乘 \(f\) 等于 \(E_B\)、左乘 \(f\) 等于 \(E_A\)——正好是 \(g\) 可逆、且 \(g\) 的逆映射是 \(f\) 的定义式。
于是 \(\big(f^{-1}\big)^{-1} = f\)。这一条与实数中"倒数再取倒数回到自身"完全类似。
9可逆映射与单射、满射、双射的联系 ⏱ 20:36
回顾此前定义:单射(一一)、满射(像集为全体 \(B\))、双射(单且满)都是从映射本身的对应法则刻画的;可逆映射是从乘法(合成)角度刻画的。两者之间有什么联系?⏱ 20:54
- 满射:任取 \(b \in B\),\(f^{-1}(b)\) 是 \(A\) 中的元素且 \(f\big(f^{-1}(b)\big) = b\),故 \(b\) 有原像;
- 单射:设 \(f(a_1) = f(a_2)\),两边同时用 \(f^{-1}\) 作用,得 \(a_1 = f^{-1}\big(f(a_1)\big) = f^{-1}\big(f(a_2)\big) = a_2\)。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 合成记号的方向:\(gf\) 是"先 \(f\) 后 \(g\),结果作用于 \(gf(a)\)",而不是"先 \(g\) 后 \(f\) 作用"。书写顺序与执行顺序相反,是初学者最大的坑。
- 可逆的两个条件缺一不可:仅 \(gf = E_A\)(左逆)不足以保证 \(f\) 可逆;仅 \(fg = E_B\)(右逆)也不够。必须左右同时成立。对有限集合到自身的映射,单侧即可(留作思考题),但一般无穷集合必须双侧。
- 不要假设交换律:\((gf)\) 与 \((fg)\) 一般甚至定义域不同(若 \(f: A \to B\),\(g: B \to C\),\(gf\) 是 \(A \to C\),而 \(fg\) 通常不可乘)。老师特别强调"满足结合律但不满足交换律"。
- 恒等变换的下标:\(f E_A = f\)(右乘 \(A\) 上的恒等),\(E_B f = f\)(左乘 \(B\) 上的恒等)——下标要跟匹配端的集合对应,写错下标是常见笔误。
- 可逆 \(\Rightarrow\) 双射只是必要条件方向:本集只探索了必要性(可逆→双射),充分性(双射→可逆)在下一集通过"构造 \(g\):把 \(b\) 对应到 \(A\) 中唯一的 \(a\) 使得 \(f(a) = b\)"完成,不要混用。
✎自我检测
- 设 \(f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}\),\(f(x) = 2x + 1\);\(g: \mathbb{R} \to \mathbb{R}\),\(g(x) = x^2\)。写出 \(gf\) 与 \(fg\),说明二者为何不相等;验证结合律:设 \(h(x) = x - 3\),计算 \((hg)f\) 与 \(h(gf)\)。
- 证明:若 \(g_1, g_2\) 都满足 \(g_i f = E_A\) 且 \(f g_i = E_B\),则 \(g_1 = g_2\)(逆映射唯一性)。
- 设 \(f: A \to B\) 可逆,证明 \(\big(f^{-1}\big)^{-1} = f\),并说明"可逆映射的逆也是可逆映射"。
- 设 \(f: A \to B\) 可逆。证明:\(f\) 是单射(提示:设 \(f(a_1) = f(a_2)\),两边同时作用 \(f^{-1}\))。
- 设 \(f: A \to B\) 可逆。证明:\(f\) 是满射(提示:任取 \(b \in B\),取 \(a = f^{-1}(b)\),验证 \(f(a) = b\))。
- (思考,下集将给出构造)设 \(f: A \to B\) 是双射,构造 \(g: B \to A\) 使得 \(gf = E_A\) 且 \(fg = E_B\),并验证两条恒等式。
- 设 \(V, V'\) 是同维数 \(n\) 的 \(K\) 上线性空间,\(\sigma: V \to V'\) 与 \(\tau: V' \to V''\) 均为同构映射。利用本集结论说明 \(\tau\sigma\) 也是同构映射,并写出其逆映射。