1 逆関数と、その値の対応
定義 1.1 (逆関数).X、Yを空でない実数の部分集合とし、f:X→Yを全単射とする。§B2.7 定理 3.1によってただ一つ定まるfの逆写像f−1:Y→Xを、fの逆関数という。
逆関数の値がどのように定まるか、および逆関数の定義域と値域がもとの関数の何にあたるかを、はじめに確かめます。
定理 1.2 (値の対応と、定義域・値域の入れ替わり).f:X→Yを全単射とし、f−1:Y→Xをその逆関数とする。このとき次が成り立つ。
- Xの要素aとYの要素bについて、b=f(a)であることとa=f−1(b)であることは同値である。
- f−1の定義域はYであり、これはfの値域f(X)に等しい。
- f−1の値域は、fの定義域Xに等しい。
証明. 1 を示します。b=f(a)とすると、§B2.7 定理 3.1の条件f−1(f(x))=xをx=aに適用してf−1(b)=f−1(f(a))=aです。逆にa=f−1(b)とすると、条件f(f−1(y))=yをy=bに適用してf(a)=f(f−1(b))=bです。
2 を示します。f−1はYからXへの写像であるから、その定義域はYです。またfは全射であるから、Yのどの要素もfによる値としてあらわれ、f(X)=Yが成り立ちます。
3 を示します。§B2.7 定理 3.1によりf−1は全単射であり、とくにXへの全射であるから、f−1の値域は終域Xに等しくなります。▨
2 終域を固定した逆関数が定まる条件
さきの記事は、fが全単射であれば逆写像が定まることを示しました。ここでは逆の向きを示します。すなわち、§B2.7 定理 3.1が逆写像に課した二つの等式を満たす写像が存在することから、fが全単射であることを導きます。次の定理は、XとYが実数の部分集合であるかどうかによらず、写像について成り立ちます。
定理 2.1 (二つの等式を満たす写像が存在すれば全単射である).f:X→Yを写像とする。写像g:Y→Xが
g(f(x))=x(すべての x∈X),f(g(y))=y(すべての y∈Y)をともに満たすならば、fは全単射である。
証明. はじめにfが単射であることを示します。Xの要素x1、x2がf(x1)=f(x2)を満たすとします。両辺へgを施すとg(f(x1))=g(f(x2))であり、条件g(f(x))=xをx=x1とx=x2に適用してx1=x2となります。値が等しいことから入力が等しいことが従うので、これは§B2.7 定義 2.1の単射の条件の対偶にあたり、fは単射です。
次にfが全射であることを示します。Yの要素yを任意にとり、x=g(y)と置きます。gはYからXへの写像であるからxはXの要素であり、条件f(g(y))=yからf(x)=yです。したがって、Yのどの要素についても、それを値とするXの要素が存在します。
単射性と全射性が示されたので、fは全単射です。▨
この証明では、二つの条件をそれぞれ別の箇所で用いています。g(f(x))=xからは単射性が従い、f(g(y))=yからは全射性が従います。片方だけを仮定しても、もう一方は従いません。実際、§B2.7 注意 3.2は、fが単射であって全射でない場合にもg(f(x))=xを満たす写像gが存在することを述べています。
3 単射であるだけの写像は、終域を値域へ絞る
fが単射であって全射でないとき、注意 2.2により、終域をYのままにして逆関数を定めることはできません。値域に入らないYの要素に対して、対応させるべきXの要素が無いからです。この場合には、終域を値域f(X)に取り替えたうえで逆関数を定めます。
定理 3.1 (単射である写像は、終域を値域に取り替えると逆関数をもつ).f:X→Yを単射とし、f~:X→f(X)をfの終域を値域に取り替えた写像とする。このときf~は全単射であり、その逆写像f~−1:f(X)→Xがただ一つ定まる。このf~−1は、f(X)の要素yに対して、f(x)=yを満たすXの要素xを対応させる写像である。
証明.§B2.7 定理 4.2により、fが単射であるからf~は全単射です。したがって§B2.7 定理 3.1により、逆写像f~−1がただ一つ定まります。f(X)の要素yについてx=f~−1(y)と置くと、§B2.7 定理 3.1の条件f~(f~−1(y))=yによりf~(x)=yであり、f~の定め方からf(x)=yです。fは単射であるから、f(x)=yを満たすXの要素はxのほかにありません。▨
例 3.2 (xの2乗をx≥0に制限した関数の逆関数).f:[0,∞)→Rをf(x)=x2で定める。§B2.7 例 4.3のとおり、fは単射であって全射ではない。値域は、0以上のすべての実数xについてx2≥0であること、および0以上の実数yに対してyが0以上で(y)2=yを満たすことから、f([0,∞))=[0,∞)である。
fは全射でないから、注意 2.2により、終域Rを変えないままでは逆関数は定まらない。そこで定理 3.1に従い、終域を値域に取り替えた写像h:[0,∞)→[0,∞)、h(x)=x2を考える。hは全単射であり、逆関数h−1:[0,∞)→[0,∞)がただ一つ定まる。0以上の実数yに対してh−1(y)はx2=yを満たす0以上の実数xであり、これはyである。すなわちh−1(y)=yである。
定理 1.2の 2 と 3 のとおり、h−1の定義域[0,∞)はhの値域であり、h−1の値域[0,∞)はhの定義域である。
4 グラフが直線y=xに関して対称であること
定理 4.1 (逆関数のグラフの対称性).X、Yを空でない実数の部分集合とし、f:X→Yを全単射とする。座標平面において、y=f(x)のグラフとy=f−1(x)のグラフは、直線y=xに関して対称である。
証明. はじめに、実数a、bについて、点(a,b)と点(b,a)が直線y=xに関して対称であることを確かめます。a=bのとき、二つの点は一致し、直線y=xの上にあります。a=bのとき、二点を結ぶ線分の中点は(2a+b,2a+b)であり、これは直線y=xの上にあります。また、二点を通る直線の傾きはb−aa−b=−1であり、直線y=xの傾き1との積が−1であるから、二つの直線は垂直に交わります。よって(a,b)と(b,a)は直線y=xに関して対称です。
次に、点(a,b)がy=f(x)のグラフ上にあることと、点(b,a)がy=f−1(x)のグラフ上にあることが同値であることを示します。前者は、aがXの要素であってb=f(a)が成り立つことです。定理 1.2の 1 により、これはbがYの要素であってa=f−1(b)が成り立つことと同値であり、後者にあたります。
したがって、y=f(x)のグラフの各点は、直線y=xに関する対称移動によってy=f−1(x)のグラフの点へ写り、その逆も成り立ちます。二つのグラフは直線y=xに関して対称です。▨
例 3.2のhとh−1について、この対称性を図に示します。
5 逆関数を求める
fが全単射であることが分かっているとき、逆関数の値f−1(y)は、y=f(x)をxについて解くことで得られます。定理 1.2の 1 により、y=f(x)を満たすxがf−1(y)そのものだからです。二つのグラフを同じ座標平面へ描くために変数の名前をそろえるときは、得られた式のyをxに書き換えてy=f−1(x)とします。
例 5.1 (逆関数と、その定義域・値域を求める).f:[0,∞)→[1,∞)をf(x)=x2+1で定める。
はじめにfが全単射であることを確かめる。0≤x1、0≤x2がx12+1=x22+1を満たすとするとx12=x22であり、§B2.7 例 4.3と同じ計算によりx1=x2であるから、fは単射である。また、1以上の実数yに対してx=y−1とおくと、y−1≥0であるからxは0以上の実数であり、f(x)=(y−1)+1=yである。よってfは全射であり、全単射である。
y=x2+1をxについて解くとx2=y−1であり、x≥0であるからx=y−1である。したがってf−1(y)=y−1である。f−1の定義域はfの値域[1,∞)であり、f−1の値域はfの定義域[0,∞)である。変数の名前をそろえると、逆関数のグラフはy=x−1である。