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1.8. Abbildungen | Arbeitsgruppe Geometrie und Topologie

1.8. Abbildungen

Der erste Teil der Vorlesung soll mit einigen allgemeine Bemerkungen zu Abbildungen abgeschlossen werden. Der Begriff der Abbildung war bereits ganz zu Anfang definiert worden:

Definition. Seien $M$ und $N$ Mengen. Eine Abbildung von $M$ nach $N$ ist eine Vorschrift, die jedem Element von $M$ eindeutig ein Element von $N$ zuordnet.

Man bezeichnet $M$ als den Argument- oder Definitionsbereich und $N$ als den Bild- oder Wertebereich, aber es werden auch andere Begriffe wie Quelle und Ziel verwandt. Ist $f$ eine solche Abbildung, so schreibt man $$
f:M\to N.
$$ Ist $m$ ein Element von $M$, so bezeichnet man das eindeutig zugeordnete Element von $N$ mit $f(m)$. Will man die Vorschrift spezifizieren, so schreibt man auch $$f:m \mapsto f(m).$$

  • Eine Abbildung $f:M\to \mathbb K$ mit Werten in einem Körper heißt $\mathbb K$-wertige Funktion.
  • Eine Abbildung $g:\mathbb N\to M$ mit den natürlichen Zahlen als Definitionsbereich heißt Folge.

Funktionen $f,g:M\to \mathbb K$ lassen sich addieren und multiplizieren. Die Funktion \begin{aligned}f\ast g:M&\to \mathbb K\\m&\mapsto f(m)\ast g(m)\end{aligned} benutzt die Verknüpfung $\ast\in \{+,\cdot \}$ im Wertebereich. Die Funktion $$\frac1f:m\mapsto \frac1{f(m)}$$ besitzt die Teilmenge $\{m\in M\mid f(m)\not=0\}$ als natürlichen Definitionsbereich.

Obwohl nicht explizit geächtet, wird die Schreibweise $f^{-1}$ an dieser Stelle nicht empfohlen, da hier leicht Verwechslungen auftreten. Ist $f:M\to N$ nämlich eine bijektive Abbildung, so bezeichnet man mit $f^{-1}$ meist die inverse Abbildung \begin{aligned}N&\to M\\n=f(m)&\mapsto m\end{aligned} die einem Element $n\in N$ das eindeutig bestimmte Element $m\in M$ zuordnet, das durch $f$ auf $n$ abgebildet wird. Um Verwechslungen zu vermeiden, benutzt man im Falle von bijektiven Funktionen den Term Umkehrfunktion.

Die Angabe des Definitions- und Wertebereichs ist für Abbildungen wesentlich. Die Zuordnung $z\mapsto \frac{1}{z}$ liefert zum Beispiel eine Funktion, aber nur wenn wir $z=0$ als Argument ausschließen. Wir bekommen dann eine Funktion $$
\mathbb C\setminus \{0\}\to \mathbb C,
$$ und wenn wir ganz pingelig sein wollen, liefert dieselbe Vorschrift $z \mapsto \frac{1}{z}$ auch eine Funktion$$
\mathbb C\setminus \{0\}\to \mathbb C\setminus \{0\}.
$$ Es erweist sich als vorteilhaft, diese Funktionen als verschieden anzusehen, auch wenn sie durch die gleiche Vorschrift beschrieben werden.

Beispiele.

  • Die Quadratfunktion \begin{aligned}\mathbb R&\to\mathbb R\\r&\mapsto r^2\end{aligned} ist weder injektiv noch surjektiv. Als Funktion $$\mathbb R\to \mathbb R_{\ge0}=\{r\in\mathbb R\mid r\ge0\}$$ ist die Quadratfunktion surjektiv.
  • Die Quadratfunktion \begin{aligned}\mathbb C&\to\mathbb C\\z&\mapsto z^2\end{aligned} ist nicht injektiv, nach Satz (1.7.4) jedoch surjektiv. Jedes Element $w\in \mathbb C\setminus \{0\}$ besitzt genau zwei Urbilder.
  • Die $n$-ten Potenzfunktionen \begin{aligned}\mathbb R_{\ge0}&\to\mathbb R_{\ge0}\\r&\mapsto r^n\end{aligned} sind für $n\in\mathbb N$ nach Satz (1.6.15) bijektiv. Die Umkehrfunktionen sind die Wurzelfunktionen \begin{aligned}\sqrt[n]{\phantom{xy}}:\mathbb R_{\ge0}&\to\mathbb R_{\ge0}\\r&\mapsto \sqrt[n]{r}.\end{aligned}
  • Die Quadratfunktion \begin{aligned}\{w\in\mathbb C\mid \Im(w)\gt 0\}&\to\mathbb C\setminus \mathbb R_{\ge0}\\z&\mapsto z^2\end{aligned} ist bijektiv. Die Umkehrfunktion wird Zweig der komplexen Wurzelfunktion genannt.

Eine andere Möglichkeit, das Problem der Nichtdefiniertheit der Funktion $z\mapsto\frac{1}{z}$ aufzulösen, besteht darin, die komplexen Zahlen um ein Element $\infty$ zu erweitern, also $\mathbb C^+=\mathbb C\cup\{\infty\}$ zu setzen. Dann beschreibt die Vorschrift $z\mapsto\frac{1}{z}$ eine Abbildung \begin{aligned}\mathbb C^+&\to \mathbb C^+\\
z&\mapsto
\begin{cases}
\frac{1}{z},&\text{falls}\; z\notin \{0,\infty\}\\
0 &\text{falls}\; z=\infty\\
\infty &\text{falls}\; z=0.
\end{cases}\end{aligned} Entgegen dem ersten Anschein hat diese Konstruktion nichts Esoterisches an sich. Tatsächlich kann man $\mathbb C^+$ geometrisch als eine Kugeloberfläche interpretieren. Wenn man das so macht, ist die obige Abbildung nichts anderes als eine halbe Drehung dieser Riemannschen Zahlenkugel um eine Achse, die durch $1$ und $-1$ geht.

Zum Abschluss dieses etwas trockenen Kapitels ein kurzer Abstecher über die Mächtigkeit von Mengen.

Definition. Es seien $M$ und $N$ zwei Mengen.

  • Sie heißen gleich mächtig, wenn es eine bijektive Abbildung $f\colon M\to N$ gibt. Man schreibt $|M|=|N|$.
  • Die Menge $M$ heißt höchstens so mächtig wie $N$, wenn es eine Injektion $f\colon M\to N$ gibt, im Zeichen $|M|\le|N|$.
  • Man nennt $M$ abzählbar, wenn $M$ wenn $|M|\le |\mathbb N|$ gilt. Ansonsten heißt $M$ überabzählbar.

Lemma 1.8.1. Es seien $M\not=\emptyset$ und $N$ zwei Mengen. Die folgenden Aussagen sind äquivalent:

  1. Es gibt eine injektive Abbildung $f:M\to N$.
  2. Es gibt eine surjektive Abbildung $g\colon N\to M$.

Beweis. Es sind zwei Richtungen zu zeigen.

  1. $\implies$ 2. Sei $f:M\to N$ injektiv und $A:= f(X)\subset N$ das Bild von $f$. Dann ist $f:M\to A$ bijektiv und besitzt eine Umkehrfunktion $h:A\to M$. Wir wählen $m_0\in M$ beliebig und setzen \[g(n):=\begin{cases}h(n)&\text{ falls } n\in A\\m_0&\text{ sonst.}\end{cases}\] Die derart definierte Abbildung $g:N\to M$ ist surjektiv, da zu gegebenem $m\in M$ das Bild $f(m)$ in $A$ und folglich gilt $g((f(m))=h(f(m))=m$.
  2. $\implies$ 1. Es sei $g\colon N\to M$ surjektiv. Für jedes $m\in M$ ist das Urbild $B_m:=\{n\in N\mid g(n)=m\}$ nicht leer. Wir wählen aus jeder Teilmenge $B_m$ ein Element $b_m$ aus und definieren $f\colon M\to N$ durch $f(m):=b_m$. Diese Abbildung ist injektiv. Sei nämlich $m\in M$ gegeben, so ist $f(m)=b_m\in B_m$ und es gilt $g(f(m))=m$. Hätten wir also $f(m)=f(m')$, so folgte $m=g(f(m))=g(f(m'))=m'$.

qed

Bemerkung. Wie schon in den Übungen angemerkt, benötigt man in einer logisch fundierten Mengenlehre ein besonderes Axiom, das Auswahlaxiom, um den obigen Wahlvorgang zu rechtfertigen.

Satz von Schröder-Bernstein 1.8.2. Gilt $|M|\le |N|$ und $|N|\le |M|$, so gilt auch $|M|= |N|$.

Beweis. Seien $f\colon M\to N$ und $g\colon N\to M$ injektive Abbildungen, die es ja nach der Voraussetzung des Satzes geben muss. Zum Beweis des Satzes müssen wir aus $f$ und $g$ eine Bijektion $h\colon M\to N$ basteln. Dazu sehen wir uns die Lebensgeschichte eines Elementes an, auf das immer wieder eine der Abbildungen $f$ oder $g$ angewandt wird: Jedes Element $m\in M$ und $n\in N$ tritt in genau einer Sequenz der Form$$
\ldots n_{-2}\stackrel{g}{\longmapsto}
m_{-1}\stackrel{f}{\longmapsto}n_{-1}\stackrel{g}
{\longmapsto}m_0\stackrel{f}{\longmapsto}n_0\stackrel{g}
{\longmapsto}m_1\stackrel{f}{\longmapsto}n_1\stackrel{g}
{\longmapsto}m_2\stackrel{f}{\longmapsto}\ldots
$$ als ein $n_k$ oder $m_k$ auf. So eine Sequenz kann in beiden Richtungen unendlich lang sein, kann sich nach endlich vielen Schritten im Kreis schließen oder aber einen Anfang besitzen. Wir definieren $h$ durch $h(m)=f(m)$, falls $m$ in einer Sequenz auftaucht, die mit einem Element aus $M$ startet. Ansonsten setzen wir $h(m)=g^{-1}(m)$.
Die so definierte Abbildung ist bijektiv. Die Umkehrabbildung bildet $n\in N$ ab auf $f^{-1}(n)$, falls die Sequenz, in der $n$ lebt, ihren Startpunkt in $M$ besitzt und bildet ansonsten auf $g(n)$ ab.
qed

Satz 1.8.3. Für eine unendliche Menge $M$ gilt $|\mathbb N|\le |M|$.

Beweis. Wir müssen eine injektive Abbildung $f\colon \mathbb N\to M$ konstruieren. Ist $A\subset M$ eine beliebige endliche Menge. Da $M$ unendlich ist, können wir aus $M\setminus A$ ein Element $m_A$ auswählen. Wir definieren $f\colon\mathbb N\to M$ rekursiv und setzen $f(1):=m_\emptyset$. Seien $f(k)$ für $k\le n$ definiert, so setzen wir $f(n+1):= m_{\{f(1),\ldots,f(n)\}}$.
Nach Konstruktion gilt also \[f(n+1)\notin \{f(1),\ldots,f(n)\}\] für alle $N\in \mathbb N$. Folglich ist $f$ injektiv.
qed

Korollar 1.8.4. Für eine nicht-leere Menge $M$ sind äquivalent:

  1. $M$ ist abzählbar.
  2. Es gibt eine Injektion $f\colon M\to \mathbb N$.
  3. Es gibt eine Surjektion $g\colon
    \mathbb N\to M$.

Beweis. Die Äquivalenz von 2. und 3. wurde bereits in 1.8.1. gezeigt.

  1. $\implies$ 2. gilt nach Definition der Abzählbarkeit.
  2. $\implies$ 1. Sei $f\colon M\to \mathbb N$ injektiv. Falls die Menge $M$ endlich ist, ist sie bijektiv zu einer Teilmenge $\{1,\ldots,n\} $ von $\mathbb N$. Falls $M$ unendlich ist, gilt $|\mathbb N|\le |M|$ nach Satz 1.8.3. Nach dem Satz von Schröder-Bernstein folgt, dass $\mathbb N$ und $M$ gleich mächtig sind.

qed

Satz 1.8.5. Das Produkt $\mathbb N\times \mathbb N$ ist abzählbar.

Beweis. Wir definieren $g\colon \mathbb N\times \mathbb N\to \mathbb N, (n,m)\mapsto 2^n\cdot 3^m$. Die Abbildung $g$ ist injektiv, denn sei $2^n\cdot 3^m=2^{n'}\cdot 3^{m'}$, so können wir annehmen $n\le n'$. Dann gilt $3^m=2^{n'-n}\cdot 3^{m'}$. Die linke Seite ist ungerade, also auch die rechte. Somit folgt $n=n'$ und damit $3^m=3^{m'}$ und $m=m'$.
qed

Korollar 1.8.6. Sowohl $\mathbb Z$, wie auch $\mathbb Q$ sind abzählbar.

Beweis. Wir wählen eine Bijektion $\phi\colon\mathbb N\to \mathbb N\times\mathbb N$. Die Abbildung $\psi\colon\mathbb N\times\mathbb N\to \mathbb Z, (s,h)\mapsto h-s$ ist surjektiv, wie auch die Abbildung $\rho\colon\mathbb N\times \mathbb N\times \mathbb N\to \mathbb Q, (s,h,n)\mapsto \frac{h-s}n$. Somit sind auch die folgenden zusammengesetzten Abbildungen surjektiv: \[\psi\circ\phi \colon \mathbb N\to \mathbb N\times\mathbb N\to \mathbb Z\] und \[\rho\circ\left(\phi\times \mathrm{id}_{\mathbb N}\right)\circ\phi \colon \mathbb N\to \mathbb N\times\mathbb N\to \mathbb N\times\mathbb N\times \mathbb N\to \mathbb Q.\]qed

Satz 1.8.7. Die reellen Zahlen sind überabzählbar.

Beweis. Wir benutzen wir eine Eigenschaft der Dezimalbruchentwicklungen: Jede reelle Zahl $x$ mit $0
\lt x \le 1$ hat eine eindeutig bestimmte Dezimalbruchentwicklung $$
x=0,a_1a_2a_3\ldots, $$ für die gilt: Es gibt kein $n\in\mathbb N$ mit $a_i=0$ für alle $i>n$. Wäre $\mathbb R$ abzählbar, so wäre auch das Intervall $]0,1]=\{r\in\mathbb R\mid 0 \lt r \le 1\}$ als Teilmenge von $\mathbb R$ abzählbar und es gäbe eine bijektive Abbildung $f\colon\mathbb N \to ]0,1]$.
\begin{align*}
f(1)&=0,a_{11} a_{12} a_{13} \ldots\\
f(2)&=0, a_{21} a_{22} a_{23}\ldots\\
f(3)&=0, a_{31} a_{32} a_{33}\ldots\\
&\vdots
\end{align*} Das Element $0,{b}_{1}{b}_{2} {b}_{3}\ldots$ taucht nicht in der Liste auf, falls ${b}_{i} \neq a_{ii}$ für alle $i$ gewählt wird.
qed

Die folgende Aussage wurde nicht in der Vorlesung behandelt und wird im weiteren Verlauf der Vorlesung auch keine Rolle spielen.

Satz von Cantor 1.8.8. Die Potenzmenge $\mathfrak{P}(M)$, also die Menge der Teilmengen von $M$, besitzt eine echt größere Kardinalität als $M$. Es gilt also $|M|\lt|\mathfrak{P}(M)|$.

Beweis. Die Zuordnung $m\mapsto\{m\}$ liefert eine injektive Abbildung von der Menge $M$ in ihre Potenzmenge. Nehmen wir nun an, es gäbe eine Bijektion $f\colon M\to
\mathfrak{P}(M)$. Dann bezeichne $ A\subset M$ die Teilmenge $A=\{m\in M\mid m\notin f(m)\}$ der Elemente von $M$, die nicht in ihrem Bild unter $f$ enthalten sind. Wegen der Surjektivität von $f$ gäbe es ein Element $m_0$ in $M$ mit $f(m_0)=A$. Dieses Element $m_0$ wäre nun nach Definition genau dann Element von $A$, wenn gälte $m_0\notin f(m_0)=
A$. Diesen Widerspruch kann kein Element ertragen.
qed

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