Replaced := with \coloneqq and : with \colon in math

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Niklas Birk 2025-01-27 19:03:43 +01:00
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@ -476,12 +476,12 @@ Aussagenformen wurden bereits in der [Aussagenlogik](#syntax)) oben eingeführt,
Das Zusammensetzen von Aussagen(-formen) mit den entsprechenden Junktoren ist analog zur Aussagenlogik. Das Zusammensetzen von Aussagen(-formen) mit den entsprechenden Junktoren ist analog zur Aussagenlogik.
#### Beispiele #### Beispiele
Sei $G = \mathbb{N}$ Grundbereich und $A(n) := ``n + 1 = 3''$ Aussagenform. Sei $G = \mathbb{N}$ Grundbereich und $A(n) \coloneqq ``n + 1 = 3''$ Aussagenform.
Durch Ersetzen der Variable $n$ durch ein Objekt aus $G$, hier also einer natürlichen Zahl, wird $A(x)$ zu einer Aussage: Durch Ersetzen der Variable $n$ durch ein Objekt aus $G$, hier also einer natürlichen Zahl, wird $A(x)$ zu einer Aussage:
- Für $n = 1$ ist $A(1) := ``1 + 1 = 3''$ eine falsche Aussage. - Für $n = 1$ ist $A(1) \coloneqq ``1 + 1 = 3''$ eine falsche Aussage.
- Für $n = 2$ ist $A(2) := ``2 + 1 = 3''$ eine wahre Aussage. - Für $n = 2$ ist $A(2) \coloneqq ``2 + 1 = 3''$ eine wahre Aussage.
Sei $G$ die Menge aller Lebewesen und $Mensch(x) := ``x \text{ ist ein Mensch}''$ eine Aussagenform. Sei $G$ die Menge aller Lebewesen und $Mensch(x) \coloneqq ``x \text{ ist ein Mensch}''$ eine Aussagenform.
In der Prädikatenlogik nennt man solche Aussagenformen ein *Prädikat*. In der Prädikatenlogik nennt man solche Aussagenformen ein *Prädikat*.
$Mensch(AngelaMerkel)$, sprich "Angela Merkel ist ein Mensch", ist eine wahre Aussage, $Mensch(AngelaMerkel)$, sprich "Angela Merkel ist ein Mensch", ist eine wahre Aussage,
während $Mensch(Grumpy Cat)$, sprich "Grumpy Cat ist ein Mensch" eine falsche Aussage ist. während $Mensch(Grumpy Cat)$, sprich "Grumpy Cat ist ein Mensch" eine falsche Aussage ist.
@ -507,12 +507,12 @@ Eine Aussagenform wurde erst zu einer Aussage, wenn wir die Variablen durch ein
Durch ein Quantor ist eine Aussagenform direkt eine Aussage: Durch ein Quantor ist eine Aussagenform direkt eine Aussage:
#### Beispiele #### Beispiele
Sei $G = \mathbb{N}$ Grundbereich und $H(x) := ``x + 1 = 3''$ Aussagenform. Sei $G = \mathbb{N}$ Grundbereich und $H(x) \coloneqq ``x + 1 = 3''$ Aussagenform.
Durch Quantifizierung entstehen folgende Aussagen: Durch Quantifizierung entstehen folgende Aussagen:
- $\forall x (x + 1 = 3)$ - "Für alle $x$ aus $G$ gilt $x + 1 = 3$" ist eine falsche Aussage. - $\forall x (x + 1 = 3)$ - "Für alle $x$ aus $G$ gilt $x + 1 = 3$" ist eine falsche Aussage.
- $\exists x (x + 1 = 3)$ - "Es existiert ein $x$ aus $G$ mit $x + 1 = 3$" ist eine wahre Aussage. - $\exists x (x + 1 = 3)$ - "Es existiert ein $x$ aus $G$ mit $x + 1 = 3$" ist eine wahre Aussage.
Sei $G = \mathbb{N}$ und $H(x) := ``2x \ge x''$. Sei $G = \mathbb{N}$ und $H(x) \coloneqq ``2x \ge x''$.
Durch Quantifizierung entstehen folgende Aussagen: Durch Quantifizierung entstehen folgende Aussagen:
- $\forall x (2x \ge x)$ - "Für alle $x$ aus $G$ gilt $2x \ge x$" ist eine wahre Aussage. - $\forall x (2x \ge x)$ - "Für alle $x$ aus $G$ gilt $2x \ge x$" ist eine wahre Aussage.
- $\exists x (2x \ge x)$ - "Es existiert ein $x$ aus $G$ mit $2x \ge x$" ist eine wahre Aussage. - $\exists x (2x \ge x)$ - "Es existiert ein $x$ aus $G$ mit $2x \ge x$" ist eine wahre Aussage.
@ -522,13 +522,13 @@ Im Beispiel sieht man, dass mehrere $x$ die letzte Aussage erfüllen.
Möchte man dagegen deutlich machen, dass **genau** ein $x$ existiert, dann schreibt man das $\exists ! x (H(x))$. Möchte man dagegen deutlich machen, dass **genau** ein $x$ existiert, dann schreibt man das $\exists ! x (H(x))$.
Damit wäre $\exists ! x (2x \ge x)$ eine falsche Aussage, da jedes $x$ das oben definierte $H(x)$ erfüllt. Damit wäre $\exists ! x (2x \ge x)$ eine falsche Aussage, da jedes $x$ das oben definierte $H(x)$ erfüllt.
Sei $G = \mathbb{Z}$ und $H(x) := ``2x \ge x''$. Sei $G = \mathbb{Z}$ und $H(x) \coloneqq ``2x \ge x''$.
$\forall x (2x \ge x)$ ist nun eine falsche Aussage, da sich der Grundbereich geändert hat. $\forall x (2x \ge x)$ ist nun eine falsche Aussage, da sich der Grundbereich geändert hat.
Dagegen ist $\forall x (x \in \mathbb{N} \rightarrow 2x \ge x)$ wieder wahr. Dagegen ist $\forall x (x \in \mathbb{N} \rightarrow 2x \ge x)$ wieder wahr.
Statt dieser Schreibweise findet man häufig folgende unexakte Schreibweisen für solche Aussagen: Statt dieser Schreibweise findet man häufig folgende unexakte Schreibweisen für solche Aussagen:
$$ $$
\begin{equation*} \begin{equation*}
\forall x \in \mathbb{N}:\ 2x \ge x \forall x \in \mathbb{N} \colon 2x \ge x
\end{equation*} \end{equation*}
$$ $$
@ -537,12 +537,12 @@ diese durch eine konkrete Aussage ersetzt wurden.
Folgende Beispiele sind nur Aussagenformen, da nicht alle Variablen gebunden vorkommen. Folgende Beispiele sind nur Aussagenformen, da nicht alle Variablen gebunden vorkommen.
Sei $G = \mathbb{Z}$. Sei $G = \mathbb{Z}$.
- $x + y = 0$ - $x + y = 0$
- $\forall x:\ x + y = 0$ - $\forall x \colon x + y = 0$
Dagegen sind sie quantifiziert oder ersetzt bspw. folgende Aussagen: Dagegen sind sie quantifiziert oder ersetzt bspw. folgende Aussagen:
- $\forall x:\ x + 1 = 0$ ist falsch. - $\forall x \colon x + 1 = 0$ ist falsch.
- $\forall x\ \exists y:\ x + y = 0$ ist wahr. - $\forall x\ \exists y \colon x + y = 0$ ist wahr.
- $\exists y\ \forall x:\ x + y = 0$ ist falsch. - $\exists y\ \forall x \colon x + y = 0$ ist falsch.
Am letzten Beispiel erkennt man, dass die Reihenfolge der Quantoren eine wichtige Rolle spielt: Am letzten Beispiel erkennt man, dass die Reihenfolge der Quantoren eine wichtige Rolle spielt:
Die Aussage "Für alle $x$ gibt es ein $y$ \[...\]" ist eine grundlegend andere Aussage als "Es gibt ein y für alle x \[...\]". Die Aussage "Für alle $x$ gibt es ein $y$ \[...\]" ist eine grundlegend andere Aussage als "Es gibt ein y für alle x \[...\]".

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@ -48,7 +48,7 @@ Folgendes Axiom bildet eine Brücke zur Logik:
Sei $H(M^n)$ Aussage über Mengen $n$-ter Stufe. Sei $H(M^n)$ Aussage über Mengen $n$-ter Stufe.
$$ $$
\begin{equation*} \begin{equation*}
\exists M^{n+1}\ \forall M^n:\ M^n \in M^{n+1} \leftrightarrow H(M^n), \exists M^{n+1}\ \forall M^n \colon M^n \in M^{n+1} \leftrightarrow H(M^n),
\end{equation*} \end{equation*}
$$ $$
wobei $M^{n+1}$ nicht in $H(M^n)$ vorkommt. wobei $M^{n+1}$ nicht in $H(M^n)$ vorkommt.
@ -60,11 +60,11 @@ Das Mengenbildungsaxiom sagt aus, dass es eine Menge $M^{n+1}$ gibt, die aus den
Sei $n = 0$, dann können wir die Aussage im Satz mit den üblichen Benennungen wie folgt schreiben: Sei $n = 0$, dann können wir die Aussage im Satz mit den üblichen Benennungen wie folgt schreiben:
$$ $$
\begin{equation*} \begin{equation*}
\exists A\ \forall x:\ x \in M \leftrightarrow H(x). \exists A\ \forall x \colon x \in M \leftrightarrow H(x).
\end{equation*} \end{equation*}
$$ $$
"$M^{n+1}$ kommt nicht in $H(M^n)$ vor" bedeutet, dass in $H(M^n)$ nirgends das Symbol $M^{n+1}$ auftauchen darf. "$M^{n+1}$ kommt nicht in $H(M^n)$ vor" bedeutet, dass in $H(M^n)$ nirgends das Symbol $M^{n+1}$ auftauchen darf.
Deswegen ist $\exists A\ \forall x:\ x \in M \leftrightarrow x \notin M$, also ein Widerspruch, ausgeschlossen. Deswegen ist $\exists A\ \forall x \colon x \in M \leftrightarrow x \notin M$, also ein Widerspruch, ausgeschlossen.
Denn in $H(x) = \text{"}x \notin M\text{"}$ taucht ja $M$ auf und das ist nicht erlaubt Denn in $H(x) = \text{"}x \notin M\text{"}$ taucht ja $M$ auf und das ist nicht erlaubt
Sei $n = 0$ und $H(x) = \text{"} x \text{ ist eine gerade natürliche Zahl"}$. Sei $n = 0$ und $H(x) = \text{"} x \text{ ist eine gerade natürliche Zahl"}$.
@ -83,14 +83,14 @@ Weitere Beispiele sind:
- Menge aller deutschen Bundesländer: $M = \{ x\ |\ x \text{ ist deutsches Bundesland} \}$ - Menge aller deutschen Bundesländer: $M = \{ x\ |\ x \text{ ist deutsches Bundesland} \}$
- Menge aller reellen Zahlen von 0 bis 2: $M = \{ x\ |\ x \in \mathbb{R} \wedge 0 \le x \le 2 \}$ - Menge aller reellen Zahlen von 0 bis 2: $M = \{ x\ |\ x \in \mathbb{R} \wedge 0 \le x \le 2 \}$
- Menge der ganzzahligen Lösungen einer Gleichung: $M = \{ x\ |\ x \in \mathbb{Z} \wedge x^2 + 2 = 4x - 1 \}$ - Menge der ganzzahligen Lösungen einer Gleichung: $M = \{ x\ |\ x \in \mathbb{Z} \wedge x^2 + 2 = 4x - 1 \}$
- Menge aller ganzen Quadratzahlen: $M = \{ x\ |\ \exists y \in \mathbb{Z}:\ x = y^2 \}$ - Menge aller ganzen Quadratzahlen: $M = \{ x\ |\ \exists y \in \mathbb{Z} \colon x = y^2 \}$
:::note Extensionalitätsaxiom (ZF) / Gleichheit von Mengen :::note Extensionalitätsaxiom (ZF) / Gleichheit von Mengen
Zwei Mengen sind gleich, wenn sie die gleichen Elemente besitzen: Zwei Mengen sind gleich, wenn sie die gleichen Elemente besitzen:
$$ $$
\begin{equation*} \begin{equation*}
A = B\ :=\ \forall x:\ x \in A \leftrightarrow x \in B A = B\ \coloneqq\ \forall x \colon x \in A \leftrightarrow x \in B
\end{equation*} \end{equation*}
$$ $$
@ -122,7 +122,7 @@ oder *Schnittmenge*.
:::note Durchschnitt :::note Durchschnitt
$$ $$
A \cap B := \{ x\ |\ x \in A \wedge x \in B \} A \cap B \coloneqq \{ x\ |\ x \in A \wedge x \in B \}
$$ $$
gesprochen: "A geschnitten B" gesprochen: "A geschnitten B"
@ -155,7 +155,7 @@ Elemente, die in beiden vorkommen, werden dabei nur einmal gezählt.
:::note Vereinigung :::note Vereinigung
$$ $$
A \cup B := \{ x\ |\ x \in A \vee x \in B \} A \cup B \coloneqq \{ x\ |\ x \in A \vee x \in B \}
$$ $$
gesprochen: "A vereinigt B" gesprochen: "A vereinigt B"
@ -182,7 +182,7 @@ Das *Komplement* einer Menge besteht gerade aus den Elementen, die nicht in der
:::note Komplement :::note Komplement
$$ $$
\overline{A} = A^\complement := \{ x\ |\ \neg (x \in A) \} = \{ x\ |\ x \notin A \} \overline{A} = A^\complement \coloneqq \{ x\ |\ \neg (x \in A) \} = \{ x\ |\ x \notin A \}
$$ $$
gesprochen: "Komplement von A" gesprochen: "Komplement von A"
@ -209,7 +209,7 @@ aber ohne die Elemente, die auch in der anderen liegen, dann ist das die *Differ
:::note Differenz :::note Differenz
$$ $$
A \setminus B := \{ x\ |\ x \in A \wedge x \notin B \} A \setminus B \coloneqq \{ x\ |\ x \in A \wedge x \notin B \}
$$ $$
@ -322,8 +322,8 @@ Dieses Wort "Teil" lässt sich wie folgt definieren:
:::note Inklusion :::note Inklusion
Seien $M, A$ Mengen. Seien $M, A$ Mengen.
- $A \subseteq M := \forall x:\ x \in A \rightarrow x \in M$ - $A \subseteq M \coloneqq \forall x \colon x \in A \rightarrow x \in M$
- $A \subset M := A \subseteq M \wedge A \ne M$ - $A \subset M \coloneqq A \subseteq M \wedge A \ne M$
Für $A \subseteq M$ spricht man "$A$ ist *Teilmenge* von $M$" und Für $A \subseteq M$ spricht man "$A$ ist *Teilmenge* von $M$" und
für $A \subset M$ spricht man "$A$ ist *echte Teilmenge* von $M$" für $A \subset M$ spricht man "$A$ ist *echte Teilmenge* von $M$"

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@ -79,7 +79,7 @@ $$$
:::danger Aber gilt nun $X \in X$? :::danger Aber gilt nun $X \in X$?
Für $A := X$ erhält man den Widerspruch Für $A \coloneqq X$ erhält man den Widerspruch
$$ $$
X \in X \text{ genau dann, wenn } X \notin X X \in X \text{ genau dann, wenn } X \notin X
$$ $$
@ -110,7 +110,7 @@ $$$
:::danger Rasiert der Barbier sich selbst? :::danger Rasiert der Barbier sich selbst?
Für $M := B$ erhält man den Widerspruch Für $M \coloneqq B$ erhält man den Widerspruch
$$ $$
B \in B \text{ genau dann, wenn } B \notin B B \in B \text{ genau dann, wenn } B \notin B
$$ $$

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@ -14,7 +14,7 @@ möchte Mengen miteinander in eine gewisse Verbindung bringen, ohne sie einfach
Ein *geordnetes Paar* (*2-Tupel*) mit den Elementen $a$ und $b$ ist wie folgt als Menge definiert: Ein *geordnetes Paar* (*2-Tupel*) mit den Elementen $a$ und $b$ ist wie folgt als Menge definiert:
$$ $$
(a, b)\ :=\ \{ \overbrace{\{a, b\}}^{\text{Elemente des Tupels}}, \underbrace{\{a\}}_{\text{Erstes Element}} \} (a, b)\ \coloneqq\ \{ \overbrace{\{a, b\}}^{\text{Elemente des Tupels}}, \underbrace{\{a\}}_{\text{Erstes Element}} \}
$$ $$
::: :::
@ -58,13 +58,13 @@ Die Menge aller Tupel von Mengen nennt man *kartesisches Produkt*:
Seien $A$ und $B$ Mengen, dann ist das *kartesische Produkt* der Mengen $A$ und $B$ definiert als Seien $A$ und $B$ Mengen, dann ist das *kartesische Produkt* der Mengen $A$ und $B$ definiert als
$$ $$
A \times B\ :=\ \{ (a,b)\ |\ a \in A \wedge b \in B \} A \times B\ \coloneqq\ \{ (a,b)\ |\ a \in A \wedge b \in B \}
$$ $$
Mit Mit
- $A^0 := \{ \emptyset \}$ - $A^0 \coloneqq \{ \emptyset \}$
- $A^1 := A$ - $A^1 \coloneqq A$
- $A^{n+1} := A^n \times A$ - $A^{n+1} \coloneqq A^n \times A$
erhalten wir die *n-fache kartesische Potenz*. erhalten wir die *n-fache kartesische Potenz*.
@ -77,7 +77,7 @@ Daraus können wir nun eine Teilmenge betrachten.
:::note Relation :::note Relation
Seien $A$, $B$ Mengen. Seien $A$, $B$ Mengen.
Man nennt $R$ *Relation* oder *Korrespondenz* __aus__ $A$ __in__ $B$ $:=\ R \subseteq A \times B$ Man nennt $R$ *Relation* oder *Korrespondenz* __aus__ $A$ __in__ $B$ $\coloneqq\ R \subseteq A \times B$
::: :::
@ -117,12 +117,12 @@ Es ist sinnvoll Mengen zu definieren, die nur die Elemente ersten oder die zweit
- *Definitionsbereich* von $R$: - *Definitionsbereich* von $R$:
$$ $$
D(R)\ :=\ \{ x\ |\ x \in A \wedge \exists y \in B:\ (x,y) \in R \} D(R)\ \coloneqq\ \{ x\ |\ x \in A \wedge \exists y \in B \colon (x,y) \in R \}
$$ $$
Der Definitionsbereich von $R$ umfasst also alle Elemente $x$ aus $A$, für die es ein $y$ aus $B$ gibt. Der Definitionsbereich von $R$ umfasst also alle Elemente $x$ aus $A$, für die es ein $y$ aus $B$ gibt.
- *Wertebereich* oder *Bild* von $R$: - *Wertebereich* oder *Bild* von $R$:
$$ $$
W(R)\ :=\ \{ y\ |\ y \in B \wedge \exists x \in A:\ (x,y) \in R \} W(R)\ \coloneqq\ \{ y\ |\ y \in B \wedge \exists x \in A \colon (x,y) \in R \}
$$ $$
Der Wertebereich oder das Bild von $R$ umfasst also alle Elemente $y$ aus $B$, für die es ein $x$ aus $A$ gibt. Der Wertebereich oder das Bild von $R$ umfasst also alle Elemente $y$ aus $B$, für die es ein $x$ aus $A$ gibt.
@ -159,9 +159,9 @@ Je nachdem, ob der Definitions- oder Wertebereich die gesamte Menge $A$ bzw. $B$
:::note Sprechweisen :::note Sprechweisen
$R$ ist Relation $R$ ist Relation
- "*__von__* $A$ *in* $B$" $:=\ D(R) = A$ - "*__von__* $A$ *in* $B$" $\coloneqq\ D(R) = A$
- "*aus* $A$ *__auf__* $B$" $:=\ W(R) = B$ - "*aus* $A$ *__auf__* $B$" $\coloneqq\ W(R) = B$
- "*__von__* $A$ *__auf__* $B$" $:=\ D(R) = A \wedge W(R) = B$ - "*__von__* $A$ *__auf__* $B$" $\coloneqq\ D(R) = A \wedge W(R) = B$
::: :::
@ -172,7 +172,7 @@ und möchte dies formal ausdrücken bzw. aufschreiben, ohne dabei immer die Tupe
Sei $R$ Relation. Sei $R$ Relation.
$$ $$
R(x)\ :=\ \{ y\ |\ y \in B \wedge (x,y) \in R \} R(x)\ \coloneqq\ \{ y\ |\ y \in B \wedge (x,y) \in R \}
$$ $$
::: :::
@ -201,7 +201,7 @@ Relationsbezeichnung in die Mitte:
Sei $R$ Relation. Sei $R$ Relation.
$$ $$
x R y\ :=\ (x,y) \in R x R y\ \coloneqq\ (x,y) \in R
$$ $$
::: :::
@ -227,7 +227,7 @@ Man kann auch zwei Relationen kombinieren, sofern diese *in* und *aus* den gleic
Seien $R \subseteq A \times B$ und $K \subseteq B \times C$ Relationen. Seien $R \subseteq A \times B$ und $K \subseteq B \times C$ Relationen.
Dann ist die Verkettung von $R$ mit $K$ definiert als: Dann ist die Verkettung von $R$ mit $K$ definiert als:
$$ $$
R \circ K\ :=\ \{ (x,z)\ |\ \exists y \in B:\ (x,y) \in R \wedge (y,z) \in K \} R \circ K\ \coloneqq\ \{ (x,z)\ |\ \exists y \in B \colon (x,y) \in R \wedge (y,z) \in K \}
$$ $$
Also ist $R \circ K \subseteq A \times C$. Also ist $R \circ K \subseteq A \times C$.
@ -260,7 +260,7 @@ Das heißt, wenn $x$ mit $y$ in Relation steht, also $(x,y) \in R$, dann ist das
Gegeben sei $R \subseteq A \times B$ Gegeben sei $R \subseteq A \times B$
$$ $$
R^{-1}\ :=\ \{(y,x)\ |\ (x,y) \in R \} \subset B \times A R^{-1}\ \coloneqq\ \{(y,x)\ |\ (x,y) \in R \} \subset B \times A
$$ $$
ist die *inverse Relation* zu $R$. ist die *inverse Relation* zu $R$.
@ -301,9 +301,9 @@ $$
\begin{alignat*}{2} \begin{alignat*}{2}
\quad && &(z,x) \in (R \circ K)^{-1}\\ \quad && &(z,x) \in (R \circ K)^{-1}\\
\overset{\text{Def. } \square^{-1}}{\Longleftrightarrow}\quad && &(x,z) \in R \circ K\\ \overset{\text{Def. } \square^{-1}}{\Longleftrightarrow}\quad && &(x,z) \in R \circ K\\
\overset{\text{Def. } \circ}{\Longleftrightarrow}\quad && &\exists y:\ (x,y) \in R \wedge (y,z) \in K\\ \overset{\text{Def. } \circ}{\Longleftrightarrow}\quad && &\exists y \colon (x,y) \in R \wedge (y,z) \in K\\
\overset{\text{Def. } \square^{-1}}{\Longleftrightarrow}\quad && &\exists y:\ (y,x) \in R^{-1} \wedge (z,y) \in K^{-1}\\ \overset{\text{Def. } \square^{-1}}{\Longleftrightarrow}\quad && &\exists y \colon (y,x) \in R^{-1} \wedge (z,y) \in K^{-1}\\
\overset{\text{Kom. } \wedge}{\Longleftrightarrow}\quad && &\exists y:\ (z,y) \in K^{-1} \wedge (y,x) \in R^{-1}\\ \overset{\text{Kom. } \wedge}{\Longleftrightarrow}\quad && &\exists y \colon (z,y) \in K^{-1} \wedge (y,x) \in R^{-1}\\
\overset{\text{Def. } \circ}{\Longleftrightarrow}\quad && &(z,x) \in K^{-1} \circ R^{-1} \overset{\text{Def. } \circ}{\Longleftrightarrow}\quad && &(z,x) \in K^{-1} \circ R^{-1}
\qquad\qquad\qquad\qquad\blacksquare \qquad\qquad\qquad\qquad\blacksquare
\end{alignat*} \end{alignat*}

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@ -15,7 +15,7 @@ Bevor wir uns den Abbildungen widmen, definieren wir die Eindeutigkeit:
Eine Relation $R \subseteq A \times B$ ist *eindeutig*, wenn Eine Relation $R \subseteq A \times B$ ist *eindeutig*, wenn
$$ $$
\forall x \in A\ \forall y, y' \in B:\ (x,y) \in R \wedge (x,y') \in R \rightarrow y = y' \forall x \in A\ \forall y, y' \in B \colon (x,y) \in R \wedge (x,y') \in R \rightarrow y = y'
$$ $$
::: :::
@ -32,18 +32,18 @@ Bei der Eindeutigkeit ist es egal, wie viele Pfeile rechts auf ein Element zugeh
:::note Abbildung / Funktion :::note Abbildung / Funktion
$f$ ist *Abbildung* oder *Funktion* von $A$ in $B$ $:=$ $f$ ist *Abbildung* oder *Funktion* von $A$ in $B$ $\coloneqq$
- $f$ ist Relation, also $f \subseteq A \times B$ - $f$ ist Relation, also $f \subseteq A \times B$
- $D(f) = A$, also $f$ ist Relation *__von__ $A$ in $B$* - $D(f) = A$, also $f$ ist Relation *__von__ $A$ in $B$*
- $f$ ist eindeutig - $f$ ist eindeutig
Mathematisch-logisch aufgeschrieben: Mathematisch-logisch aufgeschrieben:
$$ $$
\forall x \in A\ \exists ! y \in B:\ (x,y) \in A \times B \forall x \in A\ \exists ! y \in B \colon (x,y) \in A \times B
$$ $$
::: :::
Man schreibt dafür: $f:\ A \rightarrow B$. Man schreibt dafür: $f \colon A \rightarrow B$.
Statt $R(x) = \{y\}$ wie bei normalen Relationen, schreibt man verkürzt $f(x) = y$, da das $y$ ja nun eindeutig ist. Statt $R(x) = \{y\}$ wie bei normalen Relationen, schreibt man verkürzt $f(x) = y$, da das $y$ ja nun eindeutig ist.
Eine Funktion ordnet also jedem Element aus $A$ genau ein $y$ aus $B$ zu. Eine Funktion ordnet also jedem Element aus $A$ genau ein $y$ aus $B$ zu.
@ -56,12 +56,12 @@ Eine Abbildung oder eine Funktion einer Menge $A$ in eine Menge $B$ ordnet jedem
::: :::
Bei dieser Definition wird komplett auf die mengentheoretische Begriffe wie *geordnetes Paar* oder auch *Relation* verzichtet. Bei dieser Definition wird komplett auf die mengentheoretische Begriffe wie *geordnetes Paar* oder auch *Relation* verzichtet.
Erst aufbauend darauf wird dann mengentheoretisch der *Graph der Funktion* definiert als $G_f := \{(x,f(x))\ |\ x \in A \wedge f(x) \in B\} \subseteq A \times B$. Erst aufbauend darauf wird dann mengentheoretisch der *Graph der Funktion* definiert als $G_f \coloneqq \{(x,f(x))\ |\ x \in A \wedge f(x) \in B\} \subseteq A \times B$.
Aus mengentheoretischer Sicht stimmen in diesen Fällen die Begriffe "Funktion" und "Graph der Funktion" überein. Aus mengentheoretischer Sicht stimmen in diesen Fällen die Begriffe "Funktion" und "Graph der Funktion" überein.
#### Beispiele #### Beispiele
Gegeben seien $A = \{1, 2, 3, 4, 5\}$ und $B = \{a, b, c, d\}$. Gegeben seien $A = \{1, 2, 3, 4, 5\}$ und $B = \{a, b, c, d\}$.
Eine Abbildung $f:\ A \rightarrow B$ können dann sein: Eine Abbildung $f \colon A \rightarrow B$ können dann sein:
- $f = \{(1,b)\}$ - $f = \{(1,b)\}$
- $f = \{(1,a), (2,b), (3,b), (4,d)\}$ - $f = \{(1,a), (2,b), (3,b), (4,d)\}$
- $f = \{(1,b), (2,c), (3,d), (4,a), (5,b)\}$ - $f = \{(1,b), (2,c), (3,d), (4,a), (5,b)\}$
@ -73,7 +73,7 @@ dann schreibt man Abbildungen so:
:::note Schreibweisen :::note Schreibweisen
$$ $$
f:\ A \rightarrow B,\ x \mapsto f(x) f \colon A \rightarrow B,\ x \mapsto f(x)
\qquad\qquad\text{oder}\qquad\qquad \qquad\qquad\text{oder}\qquad\qquad
f: \begin{cases} f: \begin{cases}
A \rightarrow B\\ A \rightarrow B\\
@ -85,7 +85,7 @@ wobei anstelle $f(x)$ dann z.B. eine *Funktionsgleichung* tritt.
::: :::
#### Beispiele #### Beispiele
- $f:\ \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R},\ x \mapsto x^2 \quad$ für eine Parabel - $f \colon \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R},\ x \mapsto x^2 \quad$ für eine Parabel
- $f: \begin{cases} - $f: \begin{cases}
\mathbb{N} \rightarrow \mathbb{R}\\ \mathbb{N} \rightarrow \mathbb{R}\\
x \mapsto \sqrt{x} x \mapsto \sqrt{x}
@ -95,7 +95,7 @@ Es werden noch mehr unterschiedliche Darstellungsformen für Funktionen auftauch
Bis dahin sollten einem die Begriffe allerdings so vertraut vorkommen, dass eine genaue Definition oder Einführung nicht notwendig ist. Bis dahin sollten einem die Begriffe allerdings so vertraut vorkommen, dass eine genaue Definition oder Einführung nicht notwendig ist.
## Grundlegende Eigenschaften von Funktionen ## Grundlegende Eigenschaften von Funktionen
Die *Verkettung*, oder auch *Komposition*, $f \circ g: A \rightarrow C$ von Funktionen $f:\ A \rightarrow B$ und $g:\ B \rightarrow C$ ist wieder eine Funktion. Die *Verkettung*, oder auch *Komposition*, $f \circ g: A \rightarrow C$ von Funktionen $f \colon A \rightarrow B$ und $g \colon B \rightarrow C$ ist wieder eine Funktion.
Für die Komposition gilt $f \circ g = g(f(x))$. Für die Komposition gilt $f \circ g = g(f(x))$.
In anderer Literatur kann es sein, dass die Komposition anders definiert ist und dann $f \circ g = f(g(x))$ gilt. In anderer Literatur kann es sein, dass die Komposition anders definiert ist und dann $f \circ g = f(g(x))$ gilt.
@ -106,9 +106,9 @@ Zwei Funktionen $f$ und $g$ sind gleich $f=g$, wenn für alle $x$ gilt $f(x) = g
:::note Injektivität, Surjektivität, Bijektivität :::note Injektivität, Surjektivität, Bijektivität
Sei $f: A \rightarrow B$ eine Funktion. Sei $f: A \rightarrow B$ eine Funktion.
- $f$ heißt *injektiv* (*eineindeutig*) $:=\ \forall x,x' \in A:\ f(x) = f(x') \rightarrow x = x'$ - $f$ heißt *injektiv* (*eineindeutig*) $\coloneqq\ \forall x,x' \in A \colon f(x) = f(x') \rightarrow x = x'$
- $f$ heißt *surjektiv* (*Abbildung auf $B$*) $:=\ \forall y \in B\ \exists x \in A:\ f(x) = y$ - $f$ heißt *surjektiv* (*Abbildung auf $B$*) $\coloneqq\ \forall y \in B\ \exists x \in A \colon f(x) = y$
- $f$ heißt *bijektiv* (*eineindeutige Abbildung auf $B$*) $:=\ f$ ist injektiv und surjektiv - $f$ heißt *bijektiv* (*eineindeutige Abbildung auf $B$*) $\coloneqq\ f$ ist injektiv und surjektiv
::: :::
*Injektivität* bedeutet, dass jedes $y$ aus der Bildmenge *höchstens einmal* abgebildet wird. *Injektivität* bedeutet, dass jedes $y$ aus der Bildmenge *höchstens einmal* abgebildet wird.
@ -133,21 +133,21 @@ Dass dabei $A$ und $B$ gleich viele Elemente haben müssen ist kein Zufall.
Welche Rolle bijektive Abbildungen bei der *Kardinalität* ("Größe") von Mengen haben, wird im Kapitel [Endlichkeit und Kardinalzahlen](../endlichkeit) erklärt. Welche Rolle bijektive Abbildungen bei der *Kardinalität* ("Größe") von Mengen haben, wird im Kapitel [Endlichkeit und Kardinalzahlen](../endlichkeit) erklärt.
#### Beispiele #### Beispiele
Gegeben sei $f:\ \mathbb{N} \rightarrow \mathbb{N},\ n \mapsto f(n)$. Gegeben sei $f \colon \mathbb{N} \rightarrow \mathbb{N},\ n \mapsto f(n)$.
Betrachten verschiedene Funktionsgleichungen für $f(n)$: Betrachten verschiedene Funktionsgleichungen für $f(n)$:
- $f(n)\ :=\ n+1 \quad$ (*Nachfolgerfunktion*) ist injektiv, aber nicht surjektiv, da $0 \notin W(f)$ - $f(n)\ \coloneqq\ n+1 \quad$ (*Nachfolgerfunktion*) ist injektiv, aber nicht surjektiv, da $0 \notin W(f)$
- $f(n)\ := \begin{cases} \lfloor \frac{n}{2} \rfloor & n \text{ gerade}\\ 0 & n \text{ ungerade} \end{cases} \quad$ ist surjektiv, - $f(n)\ \coloneqq \begin{cases} \left\lfloor \frac{n}{2} \right\rfloor & n \text{ gerade}\\ 0 & n \text{ ungerade} \end{cases} \quad$ ist surjektiv,
aber nicht injektiv, da z.B. $f(1) = f(3) = 0$ aber nicht injektiv, da z.B. $f(1) = f(3) = 0$
- $f(n)\ :=\ n \quad$ (*identische Abbildung*) ist injektiv, surjektiv und damit auch bijektiv - $f(n)\ \coloneqq\ n \quad$ (*identische Abbildung*) ist injektiv, surjektiv und damit auch bijektiv
Gegeben sei $f:\ \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R},\ x \mapsto x^2$, also eine Parabelfunktion. Gegeben sei $f \colon \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R},\ x \mapsto x^2$, also eine Parabelfunktion.
$f$ ist weder injektiv, noch surjektiv. $f$ ist weder injektiv, noch surjektiv.
Wenn man allerdings die Abbildungsmengen einschränkt, kann man eine injektive, surjektive oder bijektive Abbildung erhalten. Wenn man allerdings die Abbildungsmengen einschränkt, kann man eine injektive, surjektive oder bijektive Abbildung erhalten.
Im Folgenden bezeichnen wir $\mathbb{R}_{\ge 0}$ als die Menge der nicht-negativen reellen Zahlen, also reelle Zahlen $\ge 0$. Im Folgenden bezeichnen wir $\mathbb{R}_{\ge 0}$ als die Menge der nicht-negativen reellen Zahlen, also reelle Zahlen $\ge 0$.
Am einfachsten ist es, sich die folgenden Fälle zu skizzieren: Am einfachsten ist es, sich die folgenden Fälle zu skizzieren:
- $f:\ \mathbb{R}_{\ge 0} \rightarrow \mathbb{R},\ x \mapsto x^2 \quad$ ist injektiv, aber nicht surjektiv - $f \colon \mathbb{R}_{\ge 0} \rightarrow \mathbb{R},\ x \mapsto x^2 \quad$ ist injektiv, aber nicht surjektiv
- $f:\ \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}_{\ge 0},\ x \mapsto x^2 \quad$ ist surjektiv, aber nicht injektiv - $f \colon \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}_{\ge 0},\ x \mapsto x^2 \quad$ ist surjektiv, aber nicht injektiv
- $f:\ \mathbb{R}_{\ge 0} \rightarrow \mathbb{R}_{\ge 0},\ x \mapsto x^2 \quad$ ist injektiv und surjektiv und damit auch bijektiv - $f \colon \mathbb{R}_{\ge 0} \rightarrow \mathbb{R}_{\ge 0},\ x \mapsto x^2 \quad$ ist injektiv und surjektiv und damit auch bijektiv
Zu bijektiven Funktion sagt man auch, sie bilden "*umkehrbar eindeutig*" ab. Zu bijektiven Funktion sagt man auch, sie bilden "*umkehrbar eindeutig*" ab.
Eingangs wurde erwähnt: Eingangs wurde erwähnt:
@ -160,12 +160,12 @@ Bei einer bijektiven Abbildung, die durch eine Funktionsgleichung $y = f(x)$ geg
dass man die Funktionsgleichung nach $x$ umstellt. dass man die Funktionsgleichung nach $x$ umstellt.
Man hat dann einen Ausdruck der Form $x = g(y) = f^{-1}(y)$. Man hat dann einen Ausdruck der Form $x = g(y) = f^{-1}(y)$.
Gegeben sei die Abbildung $f:\ \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}^+$ mit der Funktionsgleichung $f(x) = e^x$. Gegeben sei die Abbildung $f \colon \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}^+$ mit der Funktionsgleichung $f(x) = e^x$.
Die Exponentialfunktion ist surjektiv, wenn man diese auf die positiven reellen Zahlen abbildet, also die nicht-negativen reellen Zahlen ohne die $0$: Die Exponentialfunktion ist surjektiv, wenn man diese auf die positiven reellen Zahlen abbildet, also die nicht-negativen reellen Zahlen ohne die $0$:
$\mathbb{R}^+ := \mathbb{R}_{>0} = \mathbb{R}_{\ge 0} \setminus \{0\}$. $\mathbb{R}^+ \coloneqq \mathbb{R}_{>0} = \mathbb{R}_{\ge 0} \setminus \{0\}$.
Der ganze Beweis der Bijektivität sei an dieser allerdings weggelassen. Der ganze Beweis der Bijektivität sei an dieser allerdings weggelassen.
Die Umkehrfunktion $f^{-1}:\ \mathbb{R}^+ \rightarrow \mathbb{R}$ kann man nun durch Umstellen nach $y$ berechnen: Die Umkehrfunktion $f^{-1} \colon \mathbb{R}^+ \rightarrow \mathbb{R}$ kann man nun durch Umstellen nach $y$ berechnen:
$$ $$
\begin{alignat*}{2} \begin{alignat*}{2}
&& y &= f(x)\\ && y &= f(x)\\
@ -194,26 +194,26 @@ Formal lässt sich das so auffassen:
:::note Erweiterung :::note Erweiterung
Gegeben seien eine Abbildung $f:\ A \rightarrow B$ und die Teilmengen $X \subseteq A$ und $Y \subseteq B$. Gegeben seien eine Abbildung $f \colon A \rightarrow B$ und die Teilmengen $X \subseteq A$ und $Y \subseteq B$.
$\widehat{f}(X)\ :=\ \{ y\ |\ y \in B \wedge \exists x \in X:\ f(x) = y \}$ $\widehat{f}(X)\ \coloneqq\ \{ y\ |\ y \in B \wedge \exists x \in X \colon f(x) = y \}$
heißt *Erweiterung* von $f$ auf $\mathcal{P}(A)$. heißt *Erweiterung* von $f$ auf $\mathcal{P}(A)$.
$\widehat{f^{-1}}(Y)\ :=\ \{ x\ |\ x \in A \wedge f(x) \in Y \}$ $\widehat{f^{-1}}(Y)\ \coloneqq\ \{ x\ |\ x \in A \wedge f(x) \in Y \}$
heißt *Erweiterung* von $\underbrace{f^{-1}}_{\substack{\text{Inverse Relation}\\\text{i.A. keine Abbildung}}}$ auf $\mathcal{P}(B)$. heißt *Erweiterung* von $\underbrace{f^{-1}}_{\substack{\text{Inverse Relation}\\\text{i.A. keine Abbildung}}}$ auf $\mathcal{P}(B)$.
::: :::
$\widehat{f}:\ \mathcal{P}(A) \rightarrow \mathcal{P}(B)$ ist wie $f$ wieder eine Abbildung. $\widehat{f} \colon \mathcal{P}(A) \rightarrow \mathcal{P}(B)$ ist wie $f$ wieder eine Abbildung.
Während $f^{-1}$ hier allgemein die inverse Relation ist und damit keine (Umkehr-)Abbildung, Während $f^{-1}$ hier allgemein die inverse Relation ist und damit keine (Umkehr-)Abbildung,
ist $\widehat{f^{-1}}:\ \mathcal{P}(B) \rightarrow \mathcal{P}(A)$ allerdings immer eine Abbildung. ist $\widehat{f^{-1}} \colon \mathcal{P}(B) \rightarrow \mathcal{P}(A)$ allerdings immer eine Abbildung.
Häufig schreibt man statt $\widehat{f}$ auch wieder nur $f$ bzw. für $\widehat{f^{-1}}$ auch wieder $f^{-1}$. Häufig schreibt man statt $\widehat{f}$ auch wieder nur $f$ bzw. für $\widehat{f^{-1}}$ auch wieder $f^{-1}$.
Eine Verwechslung ist ausgeschlossen, da die Abbildung $f$ ein Element entgegennimmt, Eine Verwechslung ist ausgeschlossen, da die Abbildung $f$ ein Element entgegennimmt,
während die Erweiterung von $f$ eine Menge entgegennimmt. während die Erweiterung von $f$ eine Menge entgegennimmt.
#### Beispiele #### Beispiele
Gegeben sei $f:\ \{1, 2, 3\} \rightarrow \{a, b, c, d\}$ mit $f(1) = a,\ f(2) = c,\ f(3) = a$. Gegeben sei $f \colon \{1, 2, 3\} \rightarrow \{a, b, c, d\}$ mit $f(1) = a,\ f(2) = c,\ f(3) = a$.
Dann sind bspw.: Dann sind bspw.:
- $\widehat{f}(\emptyset) = f(\emptyset) = \emptyset$ - $\widehat{f}(\emptyset) = f(\emptyset) = \emptyset$
- $\widehat{f}(\{1, 2\}) = f(\{1, 2\}) = \{ a, c \}$ - $\widehat{f}(\{1, 2\}) = f(\{1, 2\}) = \{ a, c \}$
@ -234,7 +234,7 @@ Diese spielen in der Algebra eine wichtige Rolle.
:::note Operation oder Verknüpfung :::note Operation oder Verknüpfung
$f$ heißt *innere $n$-stellige algebraische Operation* $:=\ f:\ A^n \rightarrow A$. $f$ heißt *innere $n$-stellige algebraische Operation* $\coloneqq\ f \colon A^n \rightarrow A$.
::: :::
@ -249,17 +249,17 @@ Bereits im Kapitel [Verband](../mengen#verband) wurden zweistellige Operationen
#### Beispiele #### Beispiele
Aus dem Kapitel [Verband](../mengen#verband) wissen wir, dass $\cap$ und $\cup$ zweistellige Operationen für eine Menge $A$ sind: Aus dem Kapitel [Verband](../mengen#verband) wissen wir, dass $\cap$ und $\cup$ zweistellige Operationen für eine Menge $A$ sind:
- $\cap:\ \mathcal{P}^2(A) \rightarrow \mathcal{P}(A)$ - $\cap \colon \mathcal{P}^2(A) \rightarrow \mathcal{P}(A)$
- $\cup:\ \mathcal{P}^2(A) \rightarrow \mathcal{P}(A)$ - $\cup \colon \mathcal{P}^2(A) \rightarrow \mathcal{P}(A)$
Weitere Beispiele: Weitere Beispiele:
- $+:\ \mathbb{N}^2 \rightarrow \mathbb{N}$ als Addition in den natürlichen Zahlen: $+(a, b) = a+b \quad = \quad c$ - $+ \colon \mathbb{N}^2 \rightarrow \mathbb{N}$ als Addition in den natürlichen Zahlen: $+(a, b) = a+b \quad = \quad c$
- $+(2,3) = 2 + 3 \quad = \quad 5$ - $+(2,3) = 2 + 3 \quad = \quad 5$
- $100 + 1 = 101$ - $100 + 1 = 101$
- $\hat{\ }:\ \mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}$ als Potenz: $\hat{\ }(a,b) = a^b \quad = \quad c$ - $\hat{\ } \colon \mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}$ als Potenz: $\hat{\ }(a,b) = a^b \quad = \quad c$
- $\hat{\ }(2,2) = 2^2 \quad = \quad 4$ - $\hat{\ }(2,2) = 2^2 \quad = \quad 4$
- $3^4 = 81$ - $3^4 = 81$
- $\circ:\ \text{Abb}(A,A)^2 \rightarrow \text{Abb}(A,A)$ als Komposition: $\circ(f,g) = f \circ g = g(f(x)) \quad = \quad h$ - $\circ \colon \text{Abb}(A,A)^2 \rightarrow \text{Abb}(A,A)$ als Komposition: $\circ(f,g) = f \circ g = g(f(x)) \quad = \quad h$.
$\text{Abb}(A,A)$ ist dabei die Menge aller Abbildungen von $A$ in $A$. $\text{Abb}(A,A)$ ist dabei die Menge aller Abbildungen von $A$ in $A$.
- Mit $f(x) = x^2,\ g(x) = x+2$ ist $\circ(f,g) = f \circ g = g(f(x)) \quad = \quad g(x^2) = x^2+2$ - Mit $f(x) = x^2,\ g(x) = x+2$ ist $\circ(f,g) = f \circ g = g(f(x)) \quad = \quad g(x^2) = x^2+2$
- Mit $f(x) = \ln(x) + \frac{\pi}{2},\ g(x) = \sin x$ ist - Mit $f(x) = \ln(x) + \frac{\pi}{2},\ g(x) = \sin x$ ist