4All

مفهوم تابع یا پردازه، در سراسر ریاضیات نوین و دیگر دانش‌ها و در همه? سطوح از ارزش بسزایی برخوردار است. این مفهوم در ابتدا در حساب دیفرانسیل و انتگرال که بیش‌تر به مطالعه توابع حقیقی و بررسی حد و مشتق و انتگرال آنها می‌پردازد شکوفا شد.

برای نمایش متن مقاله روی ادامه مطلب کلیک کنید.

 شاید آنچه را که واژه? تابع در ابتدا در پندار خواننده? کم و بیش آشنا با این مفهوم ایجاد کند، گزاره ای چون f(x)=x2+sinx و سایر گزاره‌های جبری باشد(به شرط تابع بودن) که بیش‌تر اعداد حقیقی و یا مختلط برای این مورد به‌کار برده می‌شود. ولی این مفهوم بسیار گسترده تر از این است و این تنها بخش کوچکی از مفهوم تابع است. در آغاز مفهوم تابع چندان فراگیر نبود ولی در ادامه? تلاش‌ها برای پیش‌نهادن(ارائه) تعریف و مفهومی کلی از تابع و گسترش نظریه مجموعه‌ها، پنداره‌ای(مفهومی) ساده و فراگیر از تابع ارائه شد. این کلیت به قدری است که مثلاً برای مطالعه حساب دیفرانسیل و انتگرال باید شرایطی اضافی را بر تابع(مانند پیوستگی و مشتق پذیری) اعمال کرد تا رده خاصی از توابع مورد نظر برای مطالعه حاصل شود. در بیشتر زمینه‌های ریاضی، اصطلاحات تبدیل و نگاشت نیز بیش‌تر با تابع هم معنی پنداشته می‌شوند. به هر روی شاید که در برخی زمینه‌ها ویژگی‌های دیگری داشته باشند. برای نمونه در هندسه، یک نگاشت گاهی یک تابع پیوسته تعریف می‌شود.
آشنایی با مفهوم 
دو گزاره(عبارت) (y2=x (1 و (2) y=x2 را در نظر بگیرید که در آن x متغیری از اعداد حقیقی است.
در گزاره (1) اگر متغیر x را در گزاره بگذاریم دو اندازه(مقدار) برای y بدست می‌آید که عبارت اند از ، اما در گزاره? دوم با گذاشتن مقدار x مقداری یگانه برای y یعنی x2 بدست می‌آید. برای نمونه در گزاره (1) اگر x=2 آنگاه ولی اگر در گزاره (2) بگذاریم x=2 تنها یک جواب y=4 را بدست می‌آوریم. اگر متغییر x را ورودی و y که مقدار بدست‌آمده از گذاشتن متغیر x در گزاره است را خروجی بنامیم و هر یک از گزاره‌ها را به عنوان هنجاری(قاعده‌ای) بگیریم که هر ورودی x را طبق قانونی ویژه به خروجی y تبدیل می‌کند، می‌توان تفاوت بین دو گزاره را اینگونه گفت که در گزاره (1) برای هر ورودی x، هنجار مربوطه دو خروجی y را می‌دهد، در صورتی که در (2) برای هر ورودی x هنجار مربوط به آن دقیقاً یک خروجی y می‌دهد. در هر مورد هنجار را می‌توان یک روش ویژه برای تناظر هر ورودی x به خروجی خودش دانست. رده ویژه‌ای از هنجارهای(قواعد) تناظر وجود دارند که به هر وروی خود یک و فقط یک خروجی نسبت می‌دهند. این گونه هنجارها از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند چرا که برای هر ورودی، خروجی آنها یکتا و صریحاً قابل محاسبه و بازگو(بیان) است. چنین هنجاری(قاعده‌ای) را در اصطلاح تابع می‌گوییم. پس بنابر آنچه تا اینجا بازگو شد یک تابع هنجاری(قاعده‌ای) است که هر متغیر دریافتی خود را فقط به یک خروجی نسبت می‌دهد.

شکل(1) نمونه‌ای از یک تناظر که تابع نیست

شکل(2) نمونه‌ای از یک تابع
برای نمونه تناظر شکل(1) نمایش دهنده یک تابع نمی‌باشد چراکه عضو 3 به دو عضو متناظر شده است. اما شکل(2) نشان دهنده یک تابع است هر چند که دو عضو گوناگون به یک عضو نسبت داده شده‌اند. حال تلاش می‌کنیم تعریفی ریزبینانه و قابل پذیرش از دیدگاه ریاضی برای این مفهوم پیدا کنیم. در این راه درآغاز نمادگذاری ویژه‌ای را می‌شناسانیم.
برای نمایش بهتر، تابع که خود یک هنجار(قاعده) برای تناظر است را با f نشان می‌دهیم و ورودی یا شناسه این تابع (هنجار) را با x نشان می‌دهیم که ممکن است عدد هم نباشد. یگانه مقدار خروجی که هنجار f به ورودی x نسبت می‌دهد را بجای y این‌بار با (f(x نشان می‌دهیم و آن را مقدار تابع f در x یا تصویر x تحت تابع f می‌گوییم. همچنین از این پس به هنجاری(قاعده‌ای) که هر x را به (y=f(x نسبت می‌دهد ضابطه تابع می‌گوییم. برای نمونه گزاره f(x) = x? نشان دهنده ضابطه یک تابع است، که در آن f شناسه x را دریافت می‌کند و آن را به x? نسبت می‌دهد. در این صورت برای ورودی ? مقدار f(3)=9 به دست می‌آید. نکته قابل توجه این است که نباید تابع را با ضابطه آن اشتباه کرد. به عنوان مثال در مثال فوق f معرف خود تابع و گزاره (f(x معرف ضابطه تابع است. همانطور که در ابتدا بیان شد، در یک تابع لزومی ندارد که حتماً بر روی اعداد علمیاتی انجام گیرد. به عنوان مثال تناظری که بین هر فرد و شماره شناسنامه آن وجود دارد نیز نمونه‌ای از توابع است. در ادامه نمونه های بیشتری را از این نوع توابع در ریاضیات خواهید دید. تا کنون مفهومی جالب توجه به نام تابع پیدا کردیم و به توصیف اجمالی آن پرداختیم. حال با در دست داشتن این مفهوم باید سعی در تعریف دقیق و قابل قبول آن از نظر ریاضی بکنیم. تابع را به عنوان یک هنجار تناظر تعریف کردیم که به هر عضو ورودی خود یک عضو یگانه را متناظر می‌کند. حال می‌توان همه عناصری را که به عنوان ورودی تابع قرار می‌گیرند در یک مجموعه قرار داد. در اختیار داشتن چنین مجموعه‌ای مفید است و باعث می‌شود متغیرهایی که به عنوان ورودی تابع در نظر گرفته می‌شوند را تعیین کنیم و عناصر اضافه را حذف کنیم. چنین مجموعه‌ای را دامنه تابع می‌گوییم. دامنه تابع f را با domf نشان می‌دهیم. به همین صورت می‌توان مجموعه همه خروجی‌های تابع که تصویر عناصر دامنه هستند را هم در نظر گرفت که به آن برد تابع گفته می‌شود و آن را با ranf یا Imf نشان می‌دهیم. (در خصوص این مفاهیم در ادامه دقیق‌تر بحث خواهد شد.) حال تابع را می‌توان به عنوان هنجاری خاص برای تناظر بین اعضای دو مجموعه دامنه و برد تعریف کرد. به بیان دقیق تر، اگر A و B دو مجموعه باشند، یک تابع از مجموعه A به مجموعه B را می‌توان هنجاری تعریف کرد که به هر عضو مجموعه A چون a یک و فقط یک عضو از مجموعه B را چون (f(a نسبت می‌‌دهد. تابع f از مجموعه A به مجموعه B را با نشان می‌دهیم. اگر f تابعی از مجموعه A به مجموعه B باشد، A را دامنه f می‌گوییم. اما مجموعه B می‌تواند مجموعه ای بیش از برد تابع باشد. f به هر عضو A یک عضو یکتا از B را نسبت می‌دهد اما تضمینی وجود ندارد که هر عضو مجموعه B الزاماً تصویر یک عضو از A تحت f باشد. پس در حالت کلی برد تابع f زیرمجموعه‌ای از مجموعه B است. مجموعه B را که برد تابع زیرمجموعه‌ای از آن است را همدامنه تابع f می‌گوییم و آن را با codomf نشان می‌دهیم. طبق آنچه بیان شد، برد تابع زیرمجموعه‌ای از همدانه‌اش است. می‌توان دید که برد یک تابع یکتا است ولی همدامنه آن چنین نیست. به عنوان مثال تابع را با ضابطه f(x)=x2 در نظر بگیرید. دامنه این تابع مجموعه اعداد حقیقی است اما آیا برد آن نیز همان مجموعه اعداد حقیقی R است؟ پاسخ آشکارا منفی است چون اعداد حقیقی منفی، چون 1- تصویر هیچ عدد حقیقی تحت f نمی‌باشند. برد این تابع مجموعه اعداد حقیقی نامنفی است که زیرمجموعه‌ای از اعداد حقیقی است. به نظر می‌رسد بیشتر قسمت‌های تعریف اولیه‌ای که از تابع ارائه دادیم را دقیق نمودیم و آنها را بر پایه مجموعه ها تعریف کردیم. اما نکته‌ای که هنوز در تعریف فعلی ما از یک تابع از مجموعه A به مجموعه B، به عنوان: «هنجاری که به هر عضو مجموعه A یک و فقط یک عضو از مجموعه B را تناظر دهد.» آزار دهنده و نادقیق است عباراتی چون «هنجار» یا «تناظر» است که از نظر ریاضی نادقیق هستند. چگونه می‌توان این هنجار و بعد از آن تناظری که این هنجار معرف آن است را به طور دقیق فرمول بندی کرد.
فرض کنید f:A?B یک تابع باشد. در این صورت تابع f با انتخاب یک عضو a€A آن را طبق ضابطه خود به عضو یکتای f(a)€B متناظر می‌کند. می‌توان هر عضو a را به‌وسیله زوج مرتب ((a,f(a) به (f(a نسبت دهیم. به این ترتیب، ممکن است معنی دقیق تناظر را ندانیم ولی به نظر طبیعی می‌‌رسد که تناظری که تابع f بین اعضای A و B ایجاد می‌کند را به‌وسیله زوج های مرتب ((a,f(a) برای هر a€A تعریف کنیم. حال تابع f به عنوان هنجار این تناظر، چیزی بجر توصیف نحوه تناظر اعضای A به B نیست که به طور کامل به‌وسیله همه زوج‌های مرتب ((a,f(a) برای هر a€A مشخص می‌شود پس تابع f را می‌توان به عنوان مجموعه همه این زوجهای مرتب، یعنی مجموعه همه زوج‌های مرتبی که مولفه اول آنها عضو A بوده و مولفه دوم آنها تصویر مولفه اول تحت تابع f است، تعریف کرد. شرط تابع بودن تضمین می‌کند که هیچ دو زوج متمایزی در تابع f دارای مولفه اول یکسان نخواهند بود.همچنین از اینجا بنا به تعریف حاصل ضرب کارتی دو مجموعه A و B چون a€A و f(a)€B می‌توان نوشت a,f(a))€A×B). 
پس تابع f را می‌توان به عنوان زیرمجموعه‌ای از ضرب دکارتی دو مجموعه A و B در نظر گرفت. به عبارت دقیق تر تابع f را می‌توان به عنوان رابطه‌ای دو تایی از A به مجموعه B در نظر گرفت. در این صورت در تابع f:A?B برای هر a€A گزاره a,b)€f) را به صورت (b=f(a نشان می‌دهیم. حال همه چیز برای ارائه تعریفی دقیق از تابع آماده است.
تعریف دقیق تابع
تعریف 
یک تابع از مجموعه X به مجموعه Y رابطه‌ای چون f از مجموعه X به مجموعه Y است که دارای شرایط زیر باشد: 
1. دامنه f مجموعه X باشد، یعنی domf=X. 
2. برای هر x?X عنصر یگانه y?Y موجود باشد که x,y)?f) یا به عبارتی هیچ دو زوج مرتب متمایزی متعلق به f دارای مولفه اول یکسان نباشند. شرط یگانگی را به طور صریح می‌توان یه این صورت فرمول بندی کرد که اگر x,y)?f) و x,z)?f) آنگاه y=z. 
رابطه‌ای را که دارای چنین شرایطی باشد، تابع خوش تعریف می‌گوییم.
برای هر x?X یگانه عضو y در Y که به ازای آن x,y)?f) را با (f(x نشان می‌دهیم. در مورد تابع این علامت گذاری، سایر علامت گذاری‌هایی را که در مورد روابط کلی تر استفاده می‌شوند چون x,y)?f) یا xfy را متروک ساخته است. از این پس اگر f یک تابع باشد، بجای x,y)?f) یا xfy می‌نویسیم (y=f(x. عضو y را مقدار تابع به ازای متغیر یا شناسه x، یا تصویر x تحت f می‌گوییم و نیز x را پیش نگاره y می‌گوییم. کلمات نگاشت، تبدیل، تناظر و یا عملگر نیز برخی از انبوه کلماتی هستند که ممکن است در منابع مختلف بجای تابع بکار بروند اما این عبارات عموماً در برخی حوزه‌ها، بر حالت‌های خاصی از توابع دلالت دارند. اگر f تابعی از مجموعه X به(در یا به توی) مجموعه Y باشد، این مطلب را به صورت سه تایی (f,X,Y) یا به طور معمول تر برای توابع با f:X?Y نشان می‌دهیم.
مشخص کردن تابع
برای مشخص کردن یک تابع باید دامنه و ضابطه آن را بشناسیم. منظور از ضابطه یک تابع f:X?Y، فرمول و یا دستوری است که برطبق آن برای هر x?X، مقدار تابع f در x یعنی (f(x تعیین می‌شود. ضابطه تابع را می‌توان به صورت یک گزاره جبری، مجموعه‌ای از زوج‌های مرتب یا یک رابطه بازگشتی مشخص کرد.به این ترتیب برای مشخص کردن یک تابع از مجموعه X به مجموعه Y می‌نویسیم f:X?Y و سپس ضابطه آن را ذکر می‌کنیم. البته گاهی در مواقعی که بیم ابهام نرود دامنه تابع را ذکر نمی‌کنند و به ذکر ضابطه تابع بسنده می‌کنند. مثلاً عرف بر این است که در حساب دیفرانسیل و انتگرال دامنه توابع در صورت ذکر نشدن اعداد حقیقی یا بازه‌ای از اعداد حقیقی باشد.
دامنه و برد تابع
یک تابع f از مجموعه X به توی مجموعه Y را به عنوان نوعی رابطه از مجموعه X به Y تعریف کردیم. مفاهیم دامنه و برد همانگونه که برای روابط در حالت کلی قابل تعریف‌اند، به طریق اولی برای تابع f نیز قابل تعریف خواهند بود. بنا به تعریف دامنه تابع f که با domf نموده می‌شود، همان مجموعه X است. برد تابع f نیز مجموعه همه عناصری از Y است که تصویر عضوی از X تحت f باشند. برد تابع f را با ranf یا Imf نشان می‌دهیم. بنابه تعریف داریم:

اما همانطور که در گذشته نیز اشاره شد و از تعریف فوق نیز قابل برداشت است، برد f در حالت کلی لزوماً برابر مجموعه Y نمی‌باشد بلکه زیرمجموعه‌ای از آن است. برای تمایز بین مجموعه Y و برد تابع f به مجموعه Y همدامنه تابع f می‌گویند و آن را با codomf نشان می‌دهیم و بنا بر آنچه گفته شد، برد تابع زیرمجموعه‌ای از همدامنه‌اش هست.به عنوان مثال فرض کنید {X={1,2,3 و {Y={a,b,c,d و تابع f:X?Y به صورت {(f={(1,a),(2,b),(3,c تعریف شده باشد. وضوحاً دامنه این تابع مجموعه X است(می‌توان برای تعیین آن مجموعه همه مولفه‌های اول زوج‌های مرتب f را در نظر گرفت) ولی برد آن بنابه تعریف مجموعه {a,b,c} است که آشکارا زیرمجموعه حقیقی Y است.(یعنی زیرمجموعه آن است ولی با آن برابر نمی‌باشد) در حقیقت برد تابع f مجموعه همه مولفه‌های دوم زوج مرتب‌های f است. مجموعه همه عناصری از Y که به ازای یکx?X داشته باشیم (y=f(x.
تساوی دو تابع
فرض کنید f:X?Y و g:Z?W دو تابع باشند. در این صورت تساوی دو تابع f و g را چگونه می‌توان تعریف کرد؟ وضوحاً تساوی f=g، تساوی بین دو مجموعه است و لذا f=g اگر و فقط اگر اعضای f و g یکسان باشند. این مطلب بسیار موجز است و می‌توان تفسیر زیبایی برای آن انجام داد. این مطلب در درجه اول ایجاب می‌کند که دامنه دو تابع f و g برابر باشند یعنی X=Z. چرا که برای هر x?X ،x اگر و فقط اگر x,f(x))?f) و چون f=g اگر و فقط اگر x,f(x))?g) و این اگر و فقط اگر x?Z پس X=Z. پس اولین شرط لازم برای تساوی دو تابع تساوی دامنه آنها است. حال دو تابع f:X?Y و g:X?Z باهم برابرند، یعنی f=g اگر و فقط اگر برای هر x?X داشته باشیم(f(x)=g(x. به عبارت دیگر اگر f=g در این صورت برای هر x?X دلخواه و از این پس ثابت، داریم x,f(x))?f) و چون f=g پس x,f(x))?g) و این یعنی (f(x)=g(x. بلعکس فرض می‌کنیم برای هر x?X داشته باشیم(f(x)=g(x در این صورت، برای هر (x,y)?f ،(x,y) اگر وفقط اگر (y=f(x و این اگر و فقط اگر (y=g(x پس x,y)?g) و این یعنی f=g. بنابر آنچه گفته شد دو تابع f,g باهم برابرند اگر وفقط اگر دامنه‌شان با هم برابر باشد و برای هر x از دامنه مشترکشان، (f(x)=g(x. به عنوان مثال دو تابع و g(x) = | x | با دامنه اعداد حقیقی باهم برابرند. چرا که اولاً دامنه هر دو آنها اعداد حقیقی R است و برای هر x?R داریم: 
تحدید و توسیع
فرض کنید f:X?Y یک تابع و A زیرمجموعه‌ای از X باشد. در این صورت یک روش برای ساختن تابعی چون g از مجموعه A به مجموعه Y این است که برای هر g(x)،x?A را مساوی (f(x تعریف کنیم. یعنی تابع g:A?Y با ضابطه (g(x)=f(x. بر خواننده است که خوش تعریفی این تابع را تحقیق کند. ممکن است راه دیگری نیز برای بیان این مطلب بیابیم و آن این است که دامنه تابع f را به زیرمجموعه A از X تقلیل دهیم. در این صورت تابعی خواهیم داشت که این بار نه بر روی همه اعضای X بلکه فقط بر روی عناصر زیرمجموعه خاصی از X یعنی A اثر می‌کند و لذا دامنه آن از X به A تغییر می‌یابد. چنین تابعی را که همان g است تحدید تابع f به مجموعه A می‌گوییم و آن را با f|A یا f|A نشان می‌دهیم. با این نمادگذاری داریم g=f|A. همچنین تابع f را توسیع تابع g به مجموعه X می‌گوییم. بنابراین مفاهیم تحدید و توسیع دو مفهوم متقابل به هم می‌باشند. تحدید یک تابع به زیرمجموعه‌ای از دامنه خود همواره یک تابع است اما توسیع دامنه یک تابع به یک مجموعه جدید که دامنه تابع قبل زیرمجموعه‌ای از آن است همواره تابع نمی‌باشد ولذا در مورد توسیع توابع احتیاط بیشتری لازم است. به طور کلی اگر f:A?Y یک تابع باشد توسیع تابع f به مجموعه X تابعی چون g با دامنه X است، به طوری که تحدید g به مجموعه A برابر تابع f باشد یعنی g|A=f. هچنین می‌توان همدامنه یک تابع را نیز تحدید کرد البته در این کار احتیاط لازم است، چراکه نباید اعضایی را که متعلق به برد تابع است را حذف نمود. اما اگر f:X?Y یک تابع باشد، با تحدید Y به (f(X که همان برد تابع f است می‌توان تابع (f:X?f(X را تشکیل داد که خواهید دید پوشا نیز هست.
تصویر و تصویر معکوس
اگر f:X?Y یک تابع و A زیرمجموعه‌ای از X باشد، ممکن است بخواهیم مجوعه‌ای را در نظر بگیریم که عناصر آن تصویر عناصر A تحت f می‌باشند. یعنی مجموعه‌ای که از تأثیر تابع f روی هر عضو مجموعه A حاصل می‌شود. چنین مجموعه‌ای را تصویر یا نگاره A تحت تابع f می‌گوییم و آن را با (f(A نشان می‌دهیم و به این صورت تعریف می‌کنیم:

بنابر این (y?f(A اگر وفقط اگر به ازای y= f(x)،x?A یا به بیان نمادین:

به عنوان مثال اگر {X={1,2,3,4,5 و {Y={a,b,c,d,e و f:X?Y به صورت:
{(f={(1,a),(2,b),(3,c),(4,d),(5,d 
تعریف شود و زیرمجموعه A از X به صورت {A={1,3,4 در نظر گرفته شود در این صورت:
{f(A)={f(1),f(3),f(4)}={a,c,d 
حال چون X نیز یک زیرمجموعه‌ای از خودش است می‌توان (f(X را نیز تشکیل داد، که در این صورت بنا به تعریف داریم:

که عبارت است از مجموعه همه عناصری از Y است که تصویر عضوی از X تحت f باشند که بنابه تعریف همان برد تابع f یعنی ranf است. به این ترتیب برد f را می‌توان تصویر X تحت تابع f تعریف کرد.
قضیه 
اگر f:X?Y یک تابع باشد آنگاه: 
1. 
2. 
3. اگر آنگاه 
قضایای فوق به سادگی از تعاریف قابل اثبات می‌باشند. همچنین فرض کنید خانواده‌ای از زیرمجوعه‌های X باشد. در این صورت:
1. 
2. 
حال فرض کنید f:X?Y یک تابع باشد و B زیرمجموعه‌ای از مجموعه Y باشد. ممکن است بخواهیم مجموعه همه اعضایی از X را تعیین کنیم که تصویر آنها تحت f عضوی از B باشد.(به شباهت این مطلب با تصویرها توجه کنید) چنین مجموعه ای را با (B) نشان می‌دهیم و آن را تصویر معکوس یا پیشنگاره B تحت تابع f می‌گوییم. و بنابه تعریف داریم:

پس:

به عنوان مثال اگر {X={1,2,3,4,5 و {Y={a,b,c,d,e و f:X?Y به صورت:
{(f={(1,a),(2,b),(3,c),(4,d),(5,d 
تعریف شود و زیرمجموعه B از Y به صورت {A={a,c,e در نظر گرفته شود در این صورت:
= {1,3} (B) مشاهده می‌کنید که برای عضو e از B عضوی از X وجود ندارد که تصویر آن تحت f برابر e باشد. در حقیقت می‌توان دید که تصویر معکوس B همواره ناتهی نیست، و تنها زمانی ناتهی است که اشتراک B با برد تابع f یعنی (f(X ناتهی باشد.همچنین وضوحاً Y نیز زیرمجموعه‌ای از خودش است، اگر (y) را بیابیم خواهیم داشت:

که وضوحاً از تعریف تابع این مجموعه برابر X است. پس همواره= x (y) .
قضیه 
اگر f:X?Y یک تابع باشد آنگاه: 
1. 
2. اگر آنگاه 
3. اگر B,C زیرمجموعه‌هایی از Y باشند آنگاه: 
f ? 1(C ? B) = f ? 1(C) ? f ? 1(B) 
همچنین فرض کنید خانواده ای زیرمجوعه‌های Y باشند. در این صورت:
1. 
2.

منبع :www.articles.ir