Функциональная композиция

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В математике , композиция функций — это операция которая берет две функции f и g и создает функцию h = g f такую, что h ( x ) = g ( f ( x )) . В этой операции функция g применяется к результату применения функции f к x . То есть функции f : X Y и g : Y Z составлены так , чтобы дать функцию, которая отображает x в области X в g ( f ( x )) в кодомене Z . Интуитивно понятно, что если z — функция от y , а y — функция от x , то z — функция от x . Результирующая составная функция обозначается g f : X Z и определяется как ( g f )( x ) = g ( f ( x )) для всех x в X . [номер 1]

Обозначение g f читается как « g из f », « g после f », « g в круге f », « g в круге f », « g около f », « g составлено с f », « g после f » , « f then g », или « g на f », или «композиция g и f ». Интуитивно, составление функций — это процесс объединения, в котором выходные данные функции f подаются на входные данные функции g .

Композиция функций — это частный случай композиции отношений , иногда также обозначаемый . В результате все свойства композиции отношений справедливы и для композиции функций, [1] например, свойство ассоциативности .

Композиция функций отличается от умножения функций (если она вообще определена) и имеет совершенно другие свойства; в частности, композиция функций не коммутативна . [2]

Примеры [ править ]

Конкретный пример композиции двух функций.
  • Композиция функций на конечном множестве: если f = {(1, 1), (2, 3), (3, 1), (4, 2)} и g = {(1, 2), (2, 3), (3, 1), (4, 2)} , то g f = {(1, 2), (2, 1), (3, 2), (4, 3)} , как показано в фигура.
  • Состав функций на бесконечном множестве : если f : R R (где R — множество всех действительных чисел ) определяется как f ( x ) = 2 x + 4 , а g : R R определяется как g ( x ) = х 3 , затем:
    ( ж г )( Икс ) знак равно ж ( г ( Икс )) знак равно ж ( Икс 3 ) = 2 х 3 + 4 и
    ( г ж )( Икс ) знак равно г ( ж ( Икс )) знак равно г (2 х + 4) = (2 х + 4) 3 .
  • Если высота самолета в момент времени t равна a ( t ) , а давление воздуха на высоте x равно p ( x ) , то ( p a )( t ) — это давление вокруг самолета в момент t .

Свойства [ править ]

Композиция функций всегда ассоциативна — свойство, унаследованное от композиции отношений . [1] То есть, если f , g и h являются составными, то f ∘ ( g h ) = ( f g ) ∘ h . [3] Поскольку круглые скобки не меняют результат, они обычно опускаются.

В строгом смысле композиция g f имеет смысл только в том случае, если кодобласть f равна области определения g ; в более широком смысле достаточно, чтобы первое было несобственным подмножеством второго. [номер 2] Более того, часто бывает удобно неявно ограничить область определения f так, чтобы f выдавало только значения в области g . Например, композиция g f функций f : R (−∞,+9] , определенная формулой f ( x ) = 9 − x 2 и g : [0,+∞) R , определенный формулой может быть определен на интервале [−3,+3] .

Композиции двух действительных функций, абсолютного значения и кубической функции в разных порядках показывают некоммутативность композиции.

функции g и f Говорят, что коммутируют друг с другом, если g f = f g . Коммутативность — это особое свойство, достигаемое только определенными функциями и часто при особых обстоятельствах. Например, | х | + 3 = | х + 3 | только тогда, когда x ≥ 0 . На фото другой пример.

Композиция взаимно однозначных (инъективных) функций всегда взаимно однозначна. Точно так же композиция онто- (сюръективных) функций всегда есть онто-функции. Отсюда следует, что композиция двух биекций также является биекцией. Обратная функция композиции (считающаяся обратимой) обладает тем свойством, что ( f g ) −1 = г −1 ж −1 . [4]

Производные композиций, включающих дифференцируемые функции, можно найти с помощью цепного правила . Высшие производные таких функций даются формулой Фаа ди Бруно . [3]

Композиционные моноиды [ править ]

Предположим, что у вас есть две (или более) функции f : X X , g : X X , имеющие один и тот же домен и кодомен; их часто называют трансформациями . Тогда можно образовать составленные вместе цепочки преобразований, например f f g f . Такие цепи имеют алгебраическую структуру моноида композиционным , называемого моноидом преобразования или (гораздо реже) моноидом . В общем, моноиды преобразований могут иметь чрезвычайно сложную структуру. Одним из ярких примеров является кривая де Рама . Совокупность всех функций f : X X называется полной полугруппой преобразований. [5] или симметричная полугруппа [6] на Х. ​ (Фактически можно определить две полугруппы в зависимости от того, как определяется операция полугруппы как левая или правая композиция функций. [7] )

Состав карты сдвига (красный) и поворота по часовой стрелке на 45° (зеленый) . Слева находится исходный объект. Вверху сдвиг, затем поворот. Ниже поворот, затем сдвиг.

Если преобразования биективны (и, следовательно, обратимы), то множество всех возможных комбинаций этих функций образует группу преобразований ; и говорят, что группа порождается этими функциями. Фундаментальный результат теории групп, теорема Кэли , по сути, говорит, что любая группа на самом деле является просто подгруппой группы подстановок (с точностью до изоморфизма ). [8]

Набор всех биективных функций f : X X (называемых перестановками ) образует группу относительно композиции функций. Это симметричная группа , которую также иногда называют композиционной группой .

В симметричной полугруппе (всех преобразований) также встречается более слабое, неединственное понятие инверсии (называемое псевдоинверсией), поскольку симметрическая полугруппа является регулярной полугруппой . [9]

Функциональные полномочия

Если Y X , то f : X Y может составлять само собой; иногда это обозначается как f 2 . То есть:

( ж ж )(х) знак равно ж ( ж ( Икс )) знак равно ж 2 ( Икс )
( ж ж ж )(х) знак равно ж ( ж ( ж ( Икс ))) знак равно ж 3 ( Икс )
( ж ж ж ж )(х) знак равно ж ( ж ( ж ( ж ( Икс )))) = ж 4 ( Икс )

В более общем смысле, для любого натурального числа n ≥ 2 n - я функциональная степень может быть определена индуктивно как f н = ж ж п -1 = е п -1 f — обозначение, введенное Гансом Генрихом Бюрманом. [ нужна цитата ] [10] [11] и Джон Фредерик Уильям Гершель . [12] [10] [13] [11] Повторная композиция такой функции сама с собой называется итерированной функцией .

  • По соглашению f 0 определяется как тождественная карта в , области f id X .
  • Если Y = X и f : X X допускает обратную функцию f −1 (иногда называется «минус первая итерация» [ нужна цитата ] ), отрицательные функциональные мощности f п определяются при n > 0 как отрицательная степень обратной функции: f п = ( ж −1 ) н . [12] [10] [11]

Примечание. Если f принимает свои значения в кольце (в частности, для действительного или комплексного f ), существует риск путаницы, поскольку f н может также обозначать n -кратное произведение f , например f 2 ( Икс ) знак равно ж ( Икс ) · ж ( Икс ) . [11] Для тригонометрических функций обычно подразумевают последнее, по крайней мере, для положительных показателей. [11] Например, в тригонометрии это обозначение верхнего индекса представляет собой стандартное возведение в степень при использовании с тригонометрическими функциями : грех 2 ( Икс ) знак равно грех( Икс ) · грех( Икс ) . Однако для отрицательных показателей (особенно −1) это все же обычно относится к обратной функции, например tan −1 = арктан ≠ 1/тан .

В некоторых случаях, когда для данной функции f уравнение g g = f имеет единственное решение g , эту функцию можно определить как функциональный квадратный корень из f , а затем записать как g = f 1/2 .

В более общем смысле, когда g н = f имеет единственное решение для некоторого натурального числа n > 0 , то f м / н можно определить как g м .

При дополнительных ограничениях эту идею можно обобщить так, что количество итераций станет непрерывным параметром; в этом случае такая система называется потоком , заданным через решения уравнения Шредера . Итерационные функции и потоки естественным образом возникают при изучении фракталов и динамических систем .

Чтобы избежать двусмысленности, некоторые математики [ нужна цитата ] решите использовать для обозначения композиционного значения, написав f n ( x ) для n -й итерации функции f ( x ) , как, например, f ∘3 ( x ) значение ж ( ж ( ж ( x ))) . С этой же целью f [ н ] ( x ) использовал Бенджамин Пирс [14] [11] тогда как Альфред Прингшейм и Жюль Молк предложили н вместо этого f ( x ) . [15] [11] [номер 3]

Альтернативные обозначения [ править ]

Многие математики, особенно в теории групп , опускают символ композиции, записывая gf вместо g f . [16]

В середине 20-го века некоторые математики решили, что написание « g f » означает «сначала применить f , затем применить g » слишком запутанно, и решили изменить обозначения. Они пишут « xf » вместо « f ( x ) » и « ( xf ) g » вместо « g ( f ( x )) ». [17] это может быть более естественным и казаться более простым, чем запись функций слева В некоторых областях в линейной алгебре — например, , когда x вектор-строка , а f и g обозначают матрицы , а композиция осуществляется путем умножения матриц . Эта альтернативная нотация называется постфиксной нотацией . Порядок важен, поскольку композиция функций не обязательно является коммутативной (например, умножение матриц). Последовательные преобразования, применяемые и составляющие вправо, согласуются с последовательностью чтения слева направо.

Математики, использующие постфиксную нотацию, могут писать « fg », что означает сначала применить f , а затем применить g , в соответствии с порядком появления символов в постфиксной нотации, что делает обозначение « fg » неоднозначным. Ученые-компьютерщики могут написать « f ; g », для этого [18] тем самым устраняя неоднозначность порядка композиции. Чтобы отличить левый оператор композиции от текстовой точки с запятой, в обозначении Z используется символ ⨾ для обозначения левой композиции отношений . [19] Поскольку все функции являются бинарными отношениями , правильно использовать [жирную] точку с запятой и для композиции функций ( см. в статье о композиции отношений более подробную информацию об этом обозначении ).

Оператор композиции [ править ]

Учитывая функцию g , оператор композиции C g определяется как оператор , который отображает функции в функции следующим образом:

Композиционные операторы изучаются в области теории операторов .

В языках программирования [ править ]

Композиция функций в той или иной форме встречается во многих языках программирования .

Многомерные функции [ править ]

Частичная композиция возможна для многомерных функций . Функция, возникающая при замене некоторого аргумента x i функции f функцией g , в некоторых контекстах компьютерной инженерии называется композицией f и g и обозначается f | х я = г

Когда g является простой константой b , композиция вырождается в (частичную) оценку, результат которой также известен как ограничение или кофактор . [20]

В общем, композиция многомерных функций может включать в себя несколько других функций в качестве аргументов, как в определении примитивно-рекурсивной функции . Учитывая f , n -арную функцию, и n m -арные функции g 1 , ..., g n , композиция f с g 1 , ..., g n , является m -арной функцией

Иногда это называют обобщенной композицией или суперпозицией f , с g 1 ..., g n . [21] Частичная композиция только с одним аргументом, упомянутая ранее, может быть реализована из этой более общей схемы, установив все функции аргумента, кроме одной, в качестве подходящим образом выбранных функций проецирования . Здесь g 1 , ..., g n можно рассматривать как одну векторную/ кортежную функцию в этой обобщенной схеме, и в этом случае это в точности стандартное определение композиции функций. [22]

Набор финитарных операций на некотором базовом множестве X называется клоном, если он содержит все проекции и замкнут относительно обобщенной композиции. Клон обычно содержит операции различной сложности . [21] Понятие коммутации также находит интересное обобщение в многомерном случае; Говорят, что функция f арности n коммутирует с функцией g арности m, если f является гомоморфизмом , сохраняющим g , и наоборот, т. е.: [21]

Унарная операция всегда коммутирует сама с собой, но это не обязательно относится к бинарной операции (или операции более высокой арности). Бинарная операция (или более высокой арности), коммутирующая сама с собой, называется медиальной или энтропической . [21]

Обобщения [ править ]

Композиция может быть обобщена на произвольные бинарные отношения . Если R X × Y и S Y × Z — два бинарных отношения, то их композиция R S — это отношение, определяемое как {( x , z ) ∈ X × Z : y Y . ( Икс , y ) ∈ р ( y , z ) ∈ S } . Рассматривая функцию как частный случай бинарного отношения (а именно функциональных отношений ), композиция функций удовлетворяет определению композиции отношений. Маленький кружок R S использовался для инфиксного обозначения композиции отношений , а также функций. При использовании для представления композиции функций однако текстовая последовательность перевернута, чтобы соответственно проиллюстрировать различные последовательности операций.

Композиция определяется таким же образом для частичных функций, и теорема Кэли имеет аналог, называемый теоремой Вагнера-Престона . [23]

Категория множеств с функциями как морфизмами является прототипической категорией . Аксиомы категории фактически основаны на свойствах (а также определении) композиции функций. [24] Структуры, заданные композицией, аксиоматизируются и обобщаются в теории категорий с использованием понятия морфизма как теоретико-категорной замены функций. Обратный порядок композиции в формуле ( f g ) −1 = ( г −1 ж −1 ) применяется для композиции отношений с использованием обратных отношений и, следовательно, в теории групп . Эти структуры образуют категории кинжала .

Стандартный «фундамент» математики начинается с множеств и их элементов . Можно начать иначе, с аксиоматизации не элементов множеств, а функций между множествами. Это можно сделать, используя язык категорий и универсальных конструкций.


. . . отношение принадлежности для множеств часто можно заменить операцией композиции для функций. Это приводит к альтернативному основанию математики на категориях — в частности, на категории всех функций. Большая часть математики является динамической, поскольку она имеет дело с морфизмами одного объекта в другой объект того же типа. Такие морфизмы ( например, функции ) образуют категории, и поэтому подход с использованием категорий хорошо соответствует целям организации и понимания математики. По правде говоря, это и должно быть целью настоящей философии математики.

- Сондерс Мак Лейн , Математика: форма и функция. [25]

Типография [ править ]

Символ композиции кодируется как U + 2218 КОЛЬЦО ОПЕРАТОР ( ∘, ∘ ); информацию Символ степени» о похожих символах Юникода см. в статье « . В TeX написано \circ.

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Некоторые авторы вместо этого используют f g : X Z , определенное как ( f g )( x ) = g ( f ( x ) ) . Это часто встречается при использовании постфиксной записи , особенно если функции представлены показателями степени, как, например, при изучении групповых действий . Видеть Диксон, Джон Д.; Мортимер, Брайан (1996). Группы перестановок . Спрингер. п. 5 . ISBN  0-387-94599-7 .
  2. ^ Строгий смысл используется, например , в теории категорий , где отношение подмножества моделируется явно с помощью функции включения .
  3. ^ Обозначения Альфреда Прингсхайма и Жюля Молка (1907). н f ( x ) для обозначения функциональных композиций не следует путать с Рудольфа фон Биттера Рукера (1982). обозначениями н x , введенный Гансом Маурером (1901) и Рубеном Луи Гудштейном (1947) для тетрации или Дэвидом Паттерсоном Эллерманом (1995). н x преднадстрочное обозначение для корней .

Ссылки [ править ]

  1. ^ Перейти обратно: а б Веллеман, Дэниел Дж. (2006). Как это доказать: структурированный подход . Издательство Кембриджского университета . п. 232. ИСБН  978-1-139-45097-3 .
  2. ^ «3.4: Состав функций» . Математика LibreTexts . 16 января 2020 г. Проверено 28 августа 2020 г.
  3. ^ Перейти обратно: а б Вайсштейн, Эрик В. «Композиция» . mathworld.wolfram.com . Проверено 28 августа 2020 г.
  4. ^ Роджерс, Нэнси (2000). Учимся рассуждать: введение в логику, множества и отношения . Джон Уайли и сыновья . стр. 359–362. ISBN  978-0-471-37122-9 .
  5. ^ Холлингс, Кристофер (2014). Математика за железным занавесом: история алгебраической теории полугрупп . Американское математическое общество . п. 334. ИСБН  978-1-4704-1493-1 .
  6. ^ Грилье, Пьер А. (1995). Полугруппы: введение в теорию структуры . ЦРК Пресс . п. 2. ISBN  978-0-8247-9662-4 .
  7. ^ Дёмёси, Пал; Неханив, Кристофер Л. (2005). Алгебраическая теория автоматных сетей: Введение . СИАМ. п. 8. ISBN  978-0-89871-569-9 .
  8. ^ Картер, Натан (9 апреля 2009 г.). Теория визуальных групп . МАА. п. 95. ИСБН  978-0-88385-757-1 .
  9. ^ Ганюшкин Александр; Мазорчук, Владимир (2008). Классические полугруппы конечного преобразования: введение . Springer Science & Business Media . п. 24. ISBN  978-1-84800-281-4 .
  10. ^ Перейти обратно: а б с Гершель, Джон Фредерик Уильям (1820). «Часть III. Раздел I. Примеры прямого метода разностей» . Сборник примеров приложений исчисления конечных разностей . Кембридж, Великобритания: Отпечатано Дж. Смитом, продано компанией J. Deighton & Sons. С. 1–13 [5–6]. Архивировано из оригинала 04 августа 2020 г. Проверено 4 августа 2020 г. [1] (Примечание. Здесь Гершель ссылается на свою работу 1813 года и упоминает Ганса Генриха Бюрмана .) более старую работу
  11. ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г Каджори, Флориан (1952) [март 1929]. «§472. Степень логарифма / §473. Повторные логарифмы / §533. Обозначения Джона Гершеля для обратных функций / §535. Сохранение конкурирующих обозначений для обратных функций / §537. Степени тригонометрических функций». История математических обозначений . Том. 2 (3-е исправленное издание выпуска 1929 г., 2-е изд.). Чикаго, США: Издательская компания «Открытый суд» . стр. 108, 176–179, 336, 346. ISBN.  978-1-60206-714-1 . Проверено 18 января 2016 г. […] §473. Повторные логарифмы […] Отметим здесь символику, использованную Прингсхаймом и Молком в их совместной статье в Энциклопедии : « 2 log b a = log b (log b a ), …, к +1 log b a = log b ( к журнал б а )". [а] […] §533. Джона Гершеля Обозначения для обратных функций, sin −1 х , так что −1 x и т. д., было опубликовано им в лондонском журнале Philosophical Transactions за 1813 год. Он говорит ( стр. 10 ): «Это обозначение cos. −1 e не следует понимать как означающее 1/cos. e , но то, что обычно пишется так, arc (cos.= e )». Он признает, что некоторые авторы используют cos. м A для (cos. A ) м , но он оправдывает свои обозначения, указывая, что, поскольку d 2 х , Д 3 х , С 2 x означает dd x , ΔΔΔ x , ΣΣ x , нам следует написать sin. 2 х за грех. грех. х , лог. 3 х для журнала. бревно. бревно. Икс . Так же, как мы пишем d п  V=∫ н V, мы можем написать аналогично грех. −1 x = дуга (sin.= x ), лог. −1 х .=с Икс . Несколько лет спустя Гершель объяснил, что в 1813 году он использовал ф. н ( х ), ж п ( х ), грех. −1 x и т. д., «как он тогда впервые предположил. Однако в течение этих нескольких месяцев ему стала известна работа немецкого аналитика Бурмана , в которой то же самое объясняется значительно раньше. Он [Бурман], однако, похоже, не заметил удобства применения этой идеи к обратным функциям tan −1 и т. д., и, по-видимому, он вообще не осознает обратного исчисления функций, которое оно порождает». Гершель добавляет: «Симметрия этого обозначения и, прежде всего, новые и наиболее обширные взгляды, которые оно открывает на природу аналитических операций. похоже, санкционируют его всеобщее принятие». [б] […] §535. Сохранение конкурирующих обозначений обратной функции. — […] Использование обозначений Гершеля претерпело небольшие изменения в книгах Бенджамина Пирса , чтобы устранить главное возражение против них; Пирс писал: «Потому что [−1] х ," "журнал [−1] Икс ." [с] […] §537. Степени тригонометрических функций. использовались три основных обозначения — Для обозначения, скажем, квадрата sin x , а именно (sin x ) 2 , грех х 2 , грех 2 Икс . В настоящее время преобладающее обозначение - грех. 2 x , хотя первое вряд ли будет неправильно истолковано. В случае греха 2 x напрашиваются две интерпретации; во-первых, грех х ⋅ грех х ; второй, [д] грех (грех х ). Поскольку функции последнего типа обычно не проявляются, опасность неправильной интерпретации гораздо меньше, чем в случае log. 2 x , где log x ⋅ log x и log (log x ) часто встречаются в анализе. […] Обозначение грех н х за (грех х ) н широко использовался и в настоящее время является преобладающим. […] (xviii+367+1 страница, включая 1 страницу с дополнениями) (NB. ISBN и ссылка на перепечатку 2-го издания Cosimo, Inc., Нью-Йорк, США, 2013 г.)
  12. ^ Перейти обратно: а б Гершель, Джон Фредерик Уильям (1813) [1812-11-12]. «О замечательном применении теоремы Котса». Философские труды Лондонского королевского общества . 103 (Часть 1). Лондон: Лондонское королевское общество , напечатано W. Bulmer and Co., Cleveland-Row, St. James's, продано G. and W. Nicol, Pall-Mall: 8–26 [10]. дои : 10.1098/rstl.1813.0005 . JSTOR   107384 . S2CID   118124706 .
  13. ^ Пеано, Джузеппе (1903). Математическая форма (на французском языке). Полет. IV. п. 229.
  14. ^ Пирс, Бенджамин (1852). Кривые, функции и силы . Том. Я (новая ред.). Бостон, США. п. 203. {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  15. ^ Прингсхайм, Альфред ; Молк, Жюль (1907). Энциклопедия чистых и прикладных математических наук (на французском языке). Полет. И. п. 195. Часть I.
  16. ^ Иванов, Олег А. (1 января 2009 г.). Оживление математики: Руководство для учителей и учащихся . Американское математическое общество . стр. 217–. ISBN  978-0-8218-4808-1 .
  17. ^ Галье, Жан (2011). Дискретная математика . Спрингер. п. 118. ИСБН  978-1-4419-8047-2 .
  18. ^ Барр, Майкл; Уэллс, Чарльз (1998). Теория категорий для информатики (PDF) . п. 6. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 23 августа 2014 г. (Примечание. Это обновленная и бесплатная версия книги, первоначально опубликованной издательством Prentice Hall в 1990 году под названием ISBN   978-0-13-120486-7 .)
  19. ^ ISO/IEC 13568:2002(E), стр. 23
  20. ^ Брайант, Р.Э. (август 1986 г.). «Алгоритмы логической минимизации для синтеза СБИС» (PDF) . Транзакции IEEE на компьютерах . С-35 (8): 677–691. дои : 10.1109/tc.1986.1676819 . S2CID   10385726 .
  21. ^ Перейти обратно: а б с д Бергман, Клиффорд (2011). Универсальная алгебра: основы и избранные темы . ЦРК Пресс . С. 79–80 , 90–91 . ISBN  978-1-4398-5129-6 .
  22. ^ Турлакис, Джордж (2012). Теория вычислений . Джон Уайли и сыновья . п. 100. ИСБН  978-1-118-31533-0 .
  23. ^ Липскомб, С. (1997). Симметричные инверсные полугруппы . Математические обзоры и монографии AMS. п. хв. ISBN  0-8218-0627-0 .
  24. ^ Хилтон, Питер; Ву, Ел-Чан (1989). Курс современной алгебры . Джон Уайли и сыновья . п. 65. ИСБН  978-0-471-50405-4 .
  25. ^ «Сондерс Мак Лейн - Цитаты» . История математики . Проверено 13 февраля 2024 г.

Внешние ссылки [ править ]