44주차 — 상과 원상 + 9부 총정리#

이 주의 길잡이

핵심 문장: 기호 \(f^{-1}(Y)\)는 역함수가 없어도 산다 — 원상은 \(\cup\)\(\cap\)을 모두 보존하고, 상은 \(\cap\)에서 반쪽만 보존한다.

이 주의 위치: 50주 과정의 44주차. 9부(함수)의 마지막 주다. 40~43주차에서 세운 함수의 언어에 집합 단위의 두 연산(상\(\cdot\)원상)을 더하고, 27주차의 집합 증명 서식을 함수 무대에서 다시 쓴 뒤, 총정리 모의시험으로 9부를 닫는다.

원서 대응: BoP(Book of Proof) 12.6 (Image and Preimage) — 병행자 참고용이고, 이 교재는 원서 없이 읽을 수 있다.

이번 주 목표#

  1. \(f(X)\)와 원상 \(f^{-1}(Y)\)의 정의를 백지에 쓰고, “원상 기호는 역함수와 무관하다”를 반례와 함께 설명할 수 있다.

  2. \(\cdot\)원상과 \(\cup\), \(\cap\)의 궁합 정리(등호 셋, 반쪽 하나)를 증명하고, 반쪽인 자리의 반례를 제시할 수 있다.

  3. \(X \subseteq f^{-1}(f(X))\)\(f(f^{-1}(Y)) \subseteq Y\)를 증명하고, 등호가 되는 조건(각각 단사\(\cdot\)전사)을 말할 수 있다.

  4. 20문항 모의시험으로 9부(40~44주차)를 자가 평가한다.

본문 곳곳의 확인 상자는 연필로 먼저 답하는 자리다. 바로 아래의 상자는 (웹에서는 접혀 있다) 스스로 답한 뒤에 열어 대조한다.

준비 운동 (43주차 복습)#

  1. 역함수가 존재할 필요충분조건을 쓰고, 그 정리에서 역관계의 전체성\(\cdot\)유일성이 각각 \(f\)의 무엇과 대응했는지 쓰시오.

  2. \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\), \(f(x) = x^2\)은 역함수를 갖는가. 판정하고 이유를 쓰시오.

  3. 신발–양말 정리를 진술하시오.

자주 나오는 세 가지 답 — 2번 문항#

방금 쓴 답은 대개 다음 세 유형 중 하나다. 셋 다 옳은 부분이 있고, 셋 다 이번 주에 메울 정확한 간격이 있다.

  • 유형 1 — 있다고 답하고 \(\sqrt{y}\)를 적는다.\(f^{-1}(y) = \sqrt{y}\)”라고 적는

경우가 많다. 계산 자체는 근거가 있다 — 정의역을 \([0, \infty)\)로 제한한 함수에 대해서는 \(\sqrt{\ }\)가 실제로 역함수다(43주차 예제 2.3). 어긋난 것은 대상이다. 물음의 \(f\)는 정의역이 \(\mathbb{R}\)인 함수이고, 제한해서 만든 함수는 원래 \(f\)가 아니다. 이 혼동이 이번 주 문제 18(b)에서 정확히 같은 꼴로 다시 나온다.

  • 유형 2 — 없다고 답하고 그래프로 설명한다. “가로선이 두 번 만나므로 없다”고

적는다. 판정은 옳다. 간격은 근거의 꼴이다 — 그림은 근거 목록에 없다(41주차 §1.9). 같은 내용을 \(f(1) = f(-1)\)이고 \(1 \neq -1\)이라는 등식 두 줄로 옮겨 적어야 근거가 된다. 내용이 아니라 꼴이 근거의 자격을 정한다.

  • 유형 3 — 없다고 답하고 이유를 전사에서만 찾는다.\(-1\)이 출력되지 않으므로

역함수가 없다”고 적는다. 관찰은 사실이고, 그것만으로도 전단사가 깨지므로 결론도 옳다. 다만 43주차 핵심 정리는 두 조각을 각각 요구한다 — 여기서는 단사도 깨진다. 어느 조각이 깨졌는지 지목하는 습관이 이번 주 문제 2와 문제 17에서 점수가 된다.

개념 — 상과 원상#

1 43주차의 도구로는 어디서 막히는가#

지금까지의 도구로는 함수에 원소 하나를 넣어 원소 하나를 얻는다. 이 도구로 다음 물음을 처리해 보자.

물음 \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\), \(f(x) = x^2\)이라 하자.

제곱했을 때 \(1\)\(4\) 사이(양 끝 포함)에 들어가는 실수를 전부 적으시오.

물음에는 분명히 답이 있다. \(1 \le x^2 \le 4\)\(1 \le |x| \le 2\)와 같은 말이고, \(x\)의 부호로 경우를 나누면(17주차) \(x \in [1, 2]\) 또는 \(x \in [-2, -1]\)이다. 답은 \([-2, -1] \cup [1, 2]\)다. 문제는 이 답을 기호로 적을 수단이 없다는 데 있다.

시도 — 역함수로 적기

“되돌아오는 입력”이니 역함수를 쓰면 될 것 같다: \(f^{-1}([1, 4])\).

그런데 \(f\)는 단사가 아니므로(\(f(1) = f(-1)\)) 전단사가 아니고,

43주차 핵심 정리에 의해 역함수 자체가 없다. 존재하지 않는 대상을

인용한 셈이므로 이 표기는 아직 뜻이 없다.

시도 — 정의역을 제한해 우회하기

43주차 예제 2.3처럼 정의역을 \([0, \infty)\)로 줄이면 \(\sqrt{\ }\)라는 역함수가 생긴다.

이것으로 계산하면 \([\sqrt1, \sqrt4] = [1, 2]\)가 나온다.

확인 1. 두 번째 시도가 내놓은 \([1, 2]\)와 실제 답 \([-2, -1] \cup [1, 2]\)를 비교해 보자. 무엇이 빠졌고, 왜 빠졌는가.

반대 방향에도 같은 결핍이 있다. “\([1, 2]\)의 수들을 \(f\)에 넣으면 무엇이 나오는가”를 \(f([1, 2])\)로 적고 싶지만, 정의 40.1의 \(f\)\(\mathbb{R}\)원소를 받는 함수이고 \([1, 2]\)는 원소가 아니라 부분집합이다. 이 표기도 아직 뜻이 없다.

확인 2. 두 결핍은 각각 무엇을 새로 약속하면 메워지는가. 한 줄씩 적어 보자.

2 표를 채우며 — 집합 단위의 두 방향#

약속을 세우기 전에 두 방향을 손으로 돌려 본다. 계속 \(f(x) = x^2\) (\(\mathbb{R} \to \mathbb{R}\))이다. 왼쪽 방향부터 — 입력 집합을 주고 출력을 모은다.

입력 집합 \(X\)

\(x \in X\)의 출력들

모아 놓은 집합

\(\{1, 2, 3\}\)

\(1,\ 4,\ 9\)

\(\{1, 4, 9\}\)

\(\{-1, 1\}\)

\(1,\ 1\)

\(\{1\}\)

\([0, 2]\)

\(x^2\)\(0\)부터 \(4\)까지

\(\underline{\quad(1)\quad}\)

오른쪽 방향 — 목표 집합을 주고 거기에 떨어지는 입력을 모은다.

목표 집합 \(Y\)

\(f(x) \in Y\)\(x\)

모아 놓은 집합

\(\{4\}\)

\(x^2 = 4\)\(x\): \(2,\ -2\)

\(\{2, -2\}\)

\(\{-1\}\)

\(x^2 = -1\)인 실수 없음

\(\emptyset\)

\([0, 1]\)

\(0 \le x^2 \le 1\)\(x\)

\(\underline{\quad(2)\quad}\)

확인 3. 두 표의 빈칸 (1)(2)를 채워 보자. 그리고 둘째 행 두 개(\(\{-1,1\}\) 행과 \(\{-1\}\) 행)에서 관찰되는 현상을 각각 한 줄로 적어 보자.

이 두 방향에 이름과 형식을 붙인다. 식 자체에 새로운 것은 없다 — 방금 표에서 한 일(출력 모으기, 조건으로 거르기)을 조건제시법으로 굳혔을 뿐이다.

정의 44.1 — 상과 원상 (image, preimage) [백지 암기 대상]#

\(f : A \to B\)이고 \(X \subseteq A\), \(Y \subseteq B\)라 하자.

\[ f(X) = \{f(x) : x \in X\} \subseteq B \qquad (X\text{의 } \textbf{상}) \]
\[ f^{-1}(Y) = \{x \in A : f(x) \in Y\} \subseteq A \qquad (Y\text{의 } \textbf{원상}) \]

읽는 법 — \(f(X)\)는 “\(X\)의 상” 또는 “\(f\)에 의한 \(X\)의 상”으로 읽는다. \(f^{-1}(Y)\)는 “\(Y\)의 원상”으로 읽고, “에프 인버스”로 읽지 않는다. 기호 \(f^{-1}\)이 붙어 있어도 역함수를 가리키는 것이 아니기 때문이다. 읽는 법까지가 정의다.

치역(40주차)은 이 표기에서 \(f(A)\)다 — 정의역 전체의 상이라는 특수한 경우다. \(f\)가 전단사여서 역함수가 실제로 있는 경우에도 두 기호는 충돌하지 않는다. 그때 \(f^{-1}(\{b\})\)는 원소 하나짜리 집합 \(\{f^{-1}(b)\}\)가 되어, 집합이냐 원소냐만 다르고 내용은 일치한다.

3 정의 해부 — 조각마다 하는 일#

조각

하는 일

증명에서의 역할

\(X \subseteq A\)”, “\(Y \subseteq B\)

재료의 자격 제한

상은 정의역 쪽 집합을 받아 공역 쪽 집합을 내놓고, 원상은 그 반대다 — 어느 쪽에 무엇을 넣는지가 여기서 정해진다

\(\{f(x) : x \in X\}\)

출력을 모은다

\(y \in f(X)\)를 “\(f(x) = y\)\(x \in X\)존재한다”로 푼다 — 증인 \(x\)가 필요하다

\(\{x \in A : f(x) \in Y\}\)

조건으로 거른다

\(x \in f^{-1}(Y)\)를 “\(f(x) \in Y\)”로 푼다 — 대입 한 번뿐이고 증인이 없다

기호 \(f^{-1}\)

이름표

역함수의 존재를 요구하지 않는다\(f\)가 어떤 함수든 이 집합은 정의된다

\(\subseteq B\)”, “\(\subseteq A\)

결과의 소속 선언

두 결과가 서로 다른 무대에 산다 — \(f(X)\)\(B\)의 부분집합, \(f^{-1}(Y)\)\(A\)의 부분집합이므로, 집합 연산이나 포함 비교는 같은 무대의 집합끼리만 한다((P5)에서 \(X\)\(f^{-1}(f(X))\)가 둘 다 \(A\) 안에 있는 것이 그 예다)

조각 삭제 실험 1. 상의 정의에서 조건 “\(x \in X\)”를 지우고 \(\{f(x) : x \in A\}\)로 두어 보자. 어떤 \(X\)를 넣어도 결과가 치역 \(f(A)\) 하나로 고정된다. \(X\)마다 다른 답을 주는 것이 상의 전부이므로, 이 조각을 빼면 표기가 할 일이 없어진다.

조각 삭제 실험 2. 원상에서 “이름표” 조각을 잊고 \(f^{-1}\)을 역함수 기호로 읽어 보자. \(f^{-1}([1, 4])\)를 “\([1,4]\)의 각 원소에 역함수를 적용한 값들”로 읽으면, \(f(x) = x^2\)에서는 애초에 그런 함수가 없고, 억지로 \(\sqrt{\ }\)를 끌어오면 \([1, 2]\)가 나와 §1.1에서 확인한 대로 음수 가지가 통째로 사라진다. 정의대로 조건 \(f(x) \in [1,4]\)의 해집합을 구하면 \([-2, -1] \cup [1, 2]\)가 나온다. 두 답의 차이가 이 조각의 하중이다.

확인 4. \(f(x) = x^2\)일 때 \(f^{-1}(\{0\})\)\(f^{-1}(\{-3\})\)을 각각 구해 보자. 두 결과의 원소 개수가 다른데, 이것이 정의의 어느 조각과 어긋나는가.

확인 5. \(f(x) = x^2\), \(X = \{-2, -1, 0, 1, 2\}\)일 때 \(f(X)\)를 구하고, \(|X|\)\(|f(X)|\)를 비교해 보자. 모든 \(X \subseteq \mathbb{R}\)에서 두 크기가 항상 같으려면 \(f\)에 어떤 성질이 필요한가.

4 원소 번역 — 증명의 엔진#

두 정의를 증명에서 쓸 꼴로 한 줄씩 옮겨 둔다. 이번 주 모든 증명이 이 두 줄에서 출발한다.

\[ y \in f(X) \iff f(x) = y\text{인 } x \in X\text{가 존재한다} \]
\[ x \in f^{-1}(Y) \iff f(x) \in Y \]

확인 6. 두 번역의 오른쪽을 비교해 보자. 한쪽에는 있고 다른 쪽에는 없는 것이 무엇인가. 증명을 쓸 때 그 차이가 어떤 작업으로 나타나는가.

5 궁합 — 먼저 실험하고 정리를 세운다#

두 방향의 표기를 \(\cup\), \(\cap\)과 섞으면 어떻게 되는지 실험부터 한다.

확인 7. \(f(x) = x^2\), \(X_1 = \{1\}\), \(X_2 = \{-1\}\)이라 하자. \(f(X_1 \cap X_2)\)\(f(X_1) \cap f(X_2)\)를 각각 계산하고 비교해 보자.

확인 8. 같은 \(f\)\(X = \{1\}\)을 두고 \(f^{-1}(f(X))\)를 계산해 \(X\)와 비교해 보자. 또 \(Y = \{-1\}\)에 대해 \(f(f^{-1}(Y))\)를 계산해 \(Y\)와 비교해 보자.

실험에서 관찰한 것을 명제로 굳힌다. 여섯 항목 중 등호가 셋, 반쪽이 셋이다.

궁합 정리 [백지 암기 대상]#

\(f : A \to B\), \(X, X_1, X_2 \subseteq A\), \(Y, Y_1, Y_2 \subseteq B\)에 대해:

(P1) \(f(X_1 \cup X_2) = f(X_1) \cup f(X_2)\)

(P2) \(f(X_1 \cap X_2) \subseteq f(X_1) \cap f(X_2)\) — 반쪽만 성립한다 (\(f\)가 단사이면 등호)

(P3) \(f^{-1}(Y_1 \cup Y_2) = f^{-1}(Y_1) \cup f^{-1}(Y_2)\)

(P4) \(f^{-1}(Y_1 \cap Y_2) = f^{-1}(Y_1) \cap f^{-1}(Y_2)\)

(P5) \(X \subseteq f^{-1}(f(X))\) (\(f\)가 단사이면 등호)

(P6) \(f(f^{-1}(Y)) \subseteq Y\) (\(f\)가 전사이면 등호)

암기 문장은 **”원상은 둘 다 보존하고, 상은 \(\cap\)에서 반쪽”**이다. 이유는 §1.4의 비대칭 하나뿐이다 — 상의 번역에는 \(\exists\)가 끼어서 “\(X_1\)에서의 증인”과 “\(X_2\)에서의 증인”이 같은 원소라는 보장이 없고(확인 7), 원상의 번역에는 \(\exists\)가 없어서 모든 단계가 왕복 가능하다. (P1)과 (P3)의 증명은 문제 10과 훈련 2에서, (P2)와 (P4)의 증명은 예제 2.2와 2.3에서 한다.

6 근거 목록 갱신 — 칸은 그대로 네 개#

칸의 개수는 늘지 않는다. ① 칸에 정의 44.1이 추가되고, ④ 칸에 이번 주의 궁합 정리와 9부에서 증명해 둔 명제 전부가 들어온다.

근거

내용

이번 주에는 이렇게 쓴다

① 정의

1~43주차의 정의 전부 + 정의 44.1(상\(\cdot\)원상)

§1.4의 원소 번역 두 줄로 기호를 조건으로 푼다 — 모든 증명의 첫 변형이다

② 닫힘성

정수\(\cdot\)실수의 합\(\cdot\)\(\cdot\)곱은 각각 정수\(\cdot\)실수이고, 0이 아닌 실수로 나눈 몫은 실수 (정수를 정수로 나눈 몫은 정수라는 보장이 없다)

문제 3의 증인 \(n = k\)가 정수임을, 문제 4의 증인 \(\frac{5-y}{2}\)가 실수임을 보장한다

③ 등식의 성질

대입 / 전개 / 묶기 / 양변 연산

문제 5의 검증 계산, 문제 7의 전개, 문제 15의 \(\mathbb{Z}_6\) 계산

④ 이미 증명한 명제

40주차 정의 40.1과 함수 상등의 세 기준, 41주차 정의 41.1~41.3과 서식 4종, 42주차 보존 정리\(\cdot\)역추적 정리\(\cdot\)결합법칙(42주차 문제 7), 43주차 핵심 정리\(\cdot\)특징짓기\(\cdot\)유일성, 27주차 양방향 포함 서식, 20주차 문제 9(b), 16주차 §1.2 인정 사실(제곱근의 존재와 유일), 43주차 예제 2.3(\(\sqrt{\ }\)의 정의) + 이번 주의 (P1)~(P6)

문제 12를 예제 2.2의 한 방향 인용으로 절반 줄이고, 문제 19를 결합법칙 두 줄로 끝낸다

목록 밖의 것은 이번 주에도 근거가 되지 않는다. 특히 그래프와 “\(f^{-1}\)은 역함수니까”는 목록에 없다.

확인 9. 다음 세 문장은 각각 허용되는가. 허용된다면 몇 번 근거인가. (가) “\(y \in f(X)\)이므로 \(f(x) = y\)\(x \in X\)가 존재한다” (나) “\(f^{-1}(Y)\)\(f\)의 역함수를 \(Y\)의 원소마다 적용한 결과이므로” (다) “\(x \in f^{-1}(Y_1) \cap f^{-1}(Y_2)\)이므로 \(f(x) \in Y_1\)이고 \(f(x) \in Y_2\)이다”

정의는 외운다 — [백지 암기 대상] 표시가 그 대상이다. 정의 44.1은 두 집합의 소속 조건(”\(X \subseteq A\)”, “\(Y \subseteq B\)”)까지 포함해 외운다.