函数的像是将一个函数作用于其函数的定义域中的每个元素后,所得全部值组成的集合。对于函数 ,其像记作 或 ,是陪域 的一个子集。更一般地,子集 的像由以 中的元素为输入所得到的输出组成。整个函数的像通常称为其值域,不过有些作者用英文 “range” 一词指陪域。(jirka.org)
定义与记号
对于 ,子集 的像定义为
这也称为 的直接像。取 ,便得到
因此,一个元素是否属于像,是一个存在性问题:某个输出属于 ,当且仅当 中至少有一个输入能产生该输出。(jirka.org)
“元素 的像”指的是值 ,而单元素集合 的像则是集合 。按照惯例,同一个记号 既用于求元素的函数值,也用于求集合的像;具体指哪一种运算,由其作用对象决定。(jirka.org)
像、定义域与陪域
这三个集合各有不同的作用:
- 定义域规定允许使用的输入。
- 陪域规定输出必须属于哪个集合。
- 像由实际取得的输出组成。
定义函数 时,就指定了定义域和陪域;像则由函数在定义域上的作用决定。特别地,陪域中可能包含函数永远不会取到的元素。(cs.cornell.edu)
例如,考虑以下取值为实数的函数:
它的像是 :任何数的平方都非负,而且对于每个 ,取 就能得到该值。如果将定义域限制为 ,像就变为 。如果改以整数为定义域,像就是所有非负整数平方组成的集合。这些都是定义的直接应用,也说明了为什么在没有指定定义域时,仅凭公式无法确定像。(jirka.org)
在保持输入和输出不变的情况下,只要新的陪域仍然包含所有输出,改变陪域就不会改变像。不过,这可能改变函数是否为满射。(tildesites.geneseo.edu)
满射性与可逆性
满射函数是指像等于陪域的函数:
单射函数不会将两个不同的输入映射为同一个输出。双射函数则同时满足这两个条件。(math.dartmouth.edu)
将任意函数的陪域替换为 ,就可以把它看作到自身像上的满射:
如果 还是单射,那么这个映射就是双射,并且存在定义在 上的反函数。这些结论直接来自定义:像中的每个元素都有一个输入能产生它,而单射性保证了这个输入的唯一性。(math.dartmouth.edu)
像与原像
子集 的原像,也称逆像,定义为
求像是从一组输入出发,得到它们产生的输出;求原像则是从一组输出出发,找出能产生这些输出的所有输入。使用原像记号并不要求反函数存在。(jirka.org)
对于平方函数,直接计算可得
因此,同一个输出可能由多个输入产生,也可能没有任何输入能产生它。更一般地,
这只是像的定义的直接改写。(jirka.org)
像与集合运算
取像保持包含关系和任意并集。如果 ,那么
对于 的任意子集族 ,有
特别地,空集的像仍为空集。这些等式成立,是因为一个输入属于某个并集,当且仅当它属于该集合族中的至少一个集合。(ncatlab.org)
取像一般不保持交集:
但等号未必成立。例如,在 下,不相交的集合 和 的像都是 ,而它们交集的像为空集。等号不成立的原因是,同一个输出可能来自不同的输入。对于单射函数,任意两个子集都满足上述等式。(ncatlab.org)
像与函数复合之间也有自然的关系。对于 、 以及 ,有
因此,复合函数的像包含于其外层函数的像。将 代入像的定义,即可得到这一等式。(math.dartmouth.edu)
线性代数中的像
对于向量空间之间的线性映射 ,其像(线性映射)是 的一个线性子空间。当该映射用矩阵 表示时,其像就是由 的各列向量张成的空间:
其维数就是 的矩阵的秩。(math.mit.edu)
像决定了线性方程组的哪些右端向量可以由左端取得:
因此,像描述的是能够取得的输出,而零空间描述的是被映射为零的输入。(math.mit.edu)
连续函数下的像
- 紧空间的连续像仍是紧空间。
- 连通空间的连续像仍是连通空间。
这些结论中的像配备的是从陪域继承的子空间拓扑。(math.toronto.edu)
由于实数直线上的连通子集都是区间,区间在连续实值函数下的像仍是区间。这与介值定理密切相关。在非空的闭有界区间上,紧性还保证函数能够取得其像的最小值和最大值;因此,这个像是一个闭有界区间,也可能只包含一个点。这就将像的概念与极值定理联系起来。(math.toronto.edu)
参考来源
- Basic Analysis Ijirka.org
- Introduction (CS 2800, Fall 2016)cs.cornell.edu
- Geneseo Math 239 01 Functions Introtildesites.geneseo.edu
- AATA Sets and Equivalence Relationsmath.dartmouth.edu
- Interactions of images and pre-images with unions and intersections in nLabncatlab.org
- 03 Lecture Notes, Spring 2025math.mit.edu
- MAT246: Outline of Point Set Topologymath.toronto.edu