stringtranslate.com

Функциональная композиция

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  : XY и g  : YZ 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  : XZ 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 затем 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 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

Конкретный пример композиции двух функций.

Характеристики

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. [nb 2] Более того, часто бывает удобно неявно ограничить область определения f так, чтобы f производил только значения в области g . Например, композиция g  ∘  f функций f  : R → (−∞,+9] , определенная формулами f ( x ) = 9 − x 2 и g  : [0,+∞)R , определенная формулами, может быть определена на интервал [−3,+3 ] .

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

Говорят, что функции g и f 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 = g −1f −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

Предположим, что у вас есть две (или более) функции f : XX , g : XX, имеющие одну и ту же область определения и кодомен; их часто называют трансформациями . Тогда можно образовать составленные вместе цепочки преобразований, например ffgf . Такие цепи имеют алгебраическую структуру моноида , называемого моноидом преобразования или ( гораздо реже) композиционным моноидом . В общем, моноиды преобразований могут иметь чрезвычайно сложную структуру. Одним из ярких примеров является кривая де Рама . Множество всех функций f : XX называется полной полугруппой преобразований [5] или симметричной полугруппой [6] на  X . (Фактически можно определить две полугруппы в зависимости от того, как определить операцию полугруппы как левую или правую композицию функций. [7] ).

Подобие , которое превращает треугольник EFA в треугольник ATB , представляет собой композицию гомотетии H и вращения R  , общим центром которых является  S.  Например, образ A  при вращении  R — это  , который можно записать  R ( A ) = U.  А  H ( U ) = B означает, что отображение H преобразует U   в B.  Таким образом,  H ( R ( A )) = ( H ∘ R ) ( A ) = B .  

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 : XX (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 : XY может составлять само собой; иногда это обозначается как f 2 . То есть:

( жж )(х) знак равно ж ( ж ( Икс )) знак равно ж 2 ( Икс )
( жжж )(х) знак равно ж ( ж ( ж ( Икс ))) знак равно ж 3 ( Икс )
( жжжж )(х) знак равно ж ( ж ( ж ( ж ( Икс )))) знак равно ж 4 ( Икс )

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

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

В некоторых случаях, когда для данной функции f уравнение gg = 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 n = f имеет единственное решение для некоторого натурального числа n > 0 , тогда f m / n можно определить как g m .

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 ссылка ] предпочитают использовать для обозначения композиционного значения, записывая f n ( x ) для n -й итерации функции f ( x ) , как, например, f ∘3 ( x ) значение ж ( ж ( ж ( x ))) . С той же целью Бенджамин Пирс [14] [11] использовал f [ n ] ( x ) , тогда как вместо этого Альфред Прингшейм и Жюль Молк предложили n f ( x ) . [15] [11] [количество 3]

Альтернативные обозначения

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

В середине 20 века некоторые математики решили, что написание « gf » 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] В некоторых областях это может быть более естественным и казаться более простым, чем запись функций слева — например, в линейной алгебре , когда xвектор-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 писать для этого « f  ; g », [18] тем самым устраняя неоднозначность порядка композиции. Чтобы отличить левый оператор композиции от текстовой точки с запятой, в обозначении Z для обозначения левой композиции отношений используется символ ⨾ . [19] Поскольку все функции являются бинарными отношениями , правильно использовать [жирную] точку с запятой и для композиции функций ( более подробную информацию об этом обозначении см. в статье о композиции отношений ).

Оператор композиции

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

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

Многомерные функции

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 на основе этой более общей схемы, установив все функции аргумента, кроме одной, в качестве подходящим образом выбранных функций проекции . 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. Обратите внимание, что 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

Композиция может быть обобщена на произвольные бинарные отношения . Если RX × Y и SY × Z — два бинарных отношения, то их композиция RS — это отношение, определяемое как {( x , z ) ∈ X × Z  : ∃ yY . ( 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 RS использовался для инфиксного обозначения композиции отношений , а также функций. Однако при использовании для представления композиции функций текстовая последовательность меняется на противоположную, чтобы соответствующим образом 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 концепции морфизма как теоретико-категорной замены функций. Обратный порядок композиции в формуле ( f  ∘  g ) −1 = ( g −1f −1 ) применяется для композиции отношений с использованием обратных отношений и, следовательно, в теории групп . Эти структуры образуют категории кинжала .

Типография

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

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Некоторые авторы вместо этого используют f  ∘  g  : XZ , 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 . См. 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. ^ Обозначение n f ( x ) Альфреда Прингсхайма и Жюля Молка (1907) для обозначения функциональных композиций не следует путать с обозначением n x Рудольфа фон Биттер Рюкера (1982) , введенным Гансом Маурером (1901) и Рубеном. Луи Гудстейн (1947) для тетрации или с преднадстрочной записью n x Дэвида Паттерсона Эллермана (1995) для корней .

Рекомендации

  1. ^ аб 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. ^ аб 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. ^ Грийе, Пьер А. (1995). Полугруппы: введение в теорию структуры. ЦРК Пресс . п. 2. ISBN 978-0-8247-9662-4.
  7. ^ Домёси, 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. ^ abc 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 более старую работу Ганса Генриха Бюрмана .)
  11. ^ abcdefg 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 ), …, k +1 log b a = log b ( k log b а )». [а] […] §533. Обозначения Джона Гершеля для обратных функций sin −1 x , tan −1 x и т. д. были опубликованы им в лондонском журнале Philosophical Transactions за 1813 год. Он говорит (стр. 10): «Эти обозначения потому . -1 e не следует понимать как 1/cos.e  , а то, что обычно пишут так, как arc (cos.= e )». Он признает, что некоторые авторы используют cos. m A вместо (cos.  A ) m , но он оправдывает свои собственные обозначения, указывая, что, поскольку d 2 x , Δ 3 x , Σ 2 x означают dd x , ΔΔΔ  x , ΣΣ  x , мы должны писать sin. 2 раза за грех. грех.  х , лог. 3 х для журнала. бревно. бревно.  Икс . Точно так же, как мы пишем d n  V=∫ n  V, мы можем аналогично написать sin. −1 x = дуга (sin.= x ), лог. −1 x .=c ​​x . Несколько лет спустя Гершель объяснил, что в 1813 году он использовал f n ( x ), f n ( x ), sin. −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. Однако он [Бурман], похоже, не заметил удобства применения этой идеи к обратным функциям tan −1и т. д., и при этом он, по-видимому, вообще не осведомлен об обратном исчислении функций, которое оно порождает». Гершель добавляет: «Симметрия этого обозначения и, прежде всего, новые и наиболее обширные взгляды, которые оно открывает на природу аналитических операций. кажется, допускают его универсальное принятие». [b] […] §535. Сохранение конкурирующих обозначений для обратной функции. — […] Использование обозначений Гершеля претерпело небольшие изменения в книгах Бенджамина Пирса , чтобы устранить главное возражение. им; Пирс писал: «cos [−1] x » , «log [−1] x ». [c] […] §537. Степени тригонометрических функций. — Для обозначения, скажем, использовались три основных обозначения квадрат греха  x , а именно (sin  x ) 2 , sin  x 2 , sin 2 x . В настоящее время преобладающим обозначением является sin 2 x , хотя первое с наименьшей вероятностью будет неправильно истолковано. В случае sin 2 x два интерпретации напрашиваются сами собой: во-первых, sin  x · sin  x , во-вторых, [d] sin (sin  x ). 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 sin n x для (sin  x ) n широко использовалось и в настоящее время является преобладающим. […](xviii+367+1 страница, включая 1 страницу дополнений) (Примечание. ISBN и ссылка на перепечатку 2-го издания Cosimo, Inc., Нью-Йорк, США, 2013 г.)
  12. ^ аб Гершель, Джон Фредерик Уильям (1813) [1812-11-12]. «О замечательном применении теоремы Котса». Философские труды Лондонского королевского общества . Лондон: Лондонское королевское общество , напечатано W. Bulmer and Co., Кливленд-Роу, Сент-Джеймс, продано Г. и У. Николом, Pall-Mall. 103 (Часть 1): 8–26 [10]. дои : 10.1098/rstl.1813.0005. JSTOR  107384. S2CID  118124706.
  13. ^ Пеано, Джузеппе (1903). Formulaire mathématique (на французском языке). Том. IV. п. 229.
  14. ^ Пирс, Бенджамин (1852). Кривые, функции и силы . Том. Я (новая ред.). Бостон, США. п. 203.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  15. ^ Прингсхайм, Альфред ; Молк, Жюль (1907). Энциклопедия чистых и прикладных математических наук (на французском языке). Том. И. п. 195. Часть I.
  16. ^ Иванов, Олег А. (1 января 2009 г.). Оживление математики: Руководство для учителей и студентов. 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 Prentice Hall в 1990 году под номером ISBN 978-0-13-120486-7 .) 
  19. ^ ISO/IEC 13568:2002(E), стр. 23
  20. ^ Брайант, RE (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. ^ abcd Бергман, Клиффорд (2011). Универсальная алгебра: основы и избранные темы. ЦРК Пресс . стр. 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.

Внешние ссылки