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单射

Injective function · One-to-one function

不同输入必有不同输出的函数。

条目类型
定义

形式陈述

函数 f:AB 是单射,当且仅当

x,yA(f(x)=f(y)x=y).

等价地,不同输入必有不同输出;每个 bB 至多有一个原像。

直觉

单射不发生输入碰撞,因此输出保留区分输入所需的信息。它不要求覆盖整个陪域。

单射要求不同输入不能被压到同一输出,因此输出保留足够信息以恢复输入。它不要求覆盖整个陪域;未被命中的元素与信息保真无关。等价地,每个输出的原像纤维至多含一个元素,或存在定义在像上的左逆。

例子与边界

f:ZZ, f(n)=2n 是单射但不是满射。xx2R 上不是单射,在 [0,) 上则是。要否定单射,只需找到 xyf(x)=f(y)

线性映射

T:R2R2,T(x,y)=(x+y,xy)

是单射:若 T(x,y)=T(x,y),两坐标相加、相减即可得到 x=xy=y。投影 (x,y)x 则不是单射,因为整条竖直线具有同一像。单射只关心不同输入是否碰撞,扩大陪域不会破坏单射性;限制定义域却可能把原本有碰撞的函数变成单射。

推论与应用

单射用于嵌入结构、比较基数和证明表示唯一性。若存在 g:BA 使 gf=idA,则 f 必为单射。反过来,当 A 时,每个单射 f:AB 在 ZF 中都有左逆:固定一个 a0A,在 f(A) 上取唯一原像,在其余点取 a0,不需要选择公理。若 A=,左逆存在当且仅当 B=。选择公理对应的经典全局命题是“每个满射都有右逆”。

逆函数存在需同时单射与满射,Cantor–Schröder–Bernstein 定理用双向单射推出等势。代数中同态单射称嵌入,线性映射的单射性由核是否为零判定。

参考资料
  • Richard Hammack, Book of Proof, 3rd ed., 2018, Chapter 12。
  • Daniel J. Velleman, How to Prove It: A Structured Approach, 3rd ed., Cambridge University Press, 2019, Functions chapter。
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