问题

若 f∘f∘f=f,则 f∘f 是恒等映射吗?

回答
这个问题很有意思,它触及了函数复合和恒等映射的一些核心概念。我们来一步步拆解分析一下。

首先,我们要明确题目中的几个关键点:

f ∘ f ∘ f = f:这是我们的已知条件。它表示将函数 f 进行三次连续复合后,其结果等于函数 f 本身。换句话说,对于定义域中的任意一个元素 x,都有 f(f(f(x))) = f(x)。
f ∘ f:这是我们要判断的对象。它表示函数 f 进行两次连续复合,即 (f ∘ f)(x) = f(f(x))。
恒等映射 (Identity Mapping):一个映射(函数)是恒等映射,如果它将定义域中的每个元素都映射到它本身。如果我们假设这个恒等映射作用在集合 A 上,我们通常记作 id_A,那么对于 A 中的任意元素 x,都有 id_A(x) = x。

现在,我们的目标是判断在 f ∘ f ∘ f = f 这个条件下,f ∘ f 是否一定是一个恒等映射。

为了检验 f ∘ f 是否是恒等映射,我们需要验证对于定义域中的任意一个元素 x,是否都有 (f ∘ f)(x) = x。也就是说,我们是否能够从 f(f(f(x))) = f(x) 推导出 f(f(x)) = x。

让我们从已知条件 f(f(f(x))) = f(x) 开始。

让我们尝试用一个例子来直观地感受一下。

假设我们的函数 f 的定义域和值域都是某个集合 S。

如果 f 是一个恒等映射,那么 f(x) = x 对于所有 x ∈ S 都成立。
在这种情况下,f ∘ f ∘ f 就变成了 f(f(f(x))) = f(f(x)) = f(x) = x。
而 f ∘ f 就变成了 f(f(x)) = f(x) = x。
所以,如果 f 本身是恒等映射,那么 f ∘ f 显然也是恒等映射。但这只是一个特殊情况,我们不能仅凭此就下结论。

现在我们来看看更一般的情况。

我们有 f(f(f(x))) = f(x)。

我们想知道的是 f(f(x)) 是否等于 x。

让我们思考一下 f(f(f(x))) = f(x) 这个式子可以为我们提供什么信息。

这个式子告诉我们,将 x 先经过两次 f 的复合,再经过一次 f 的作用,其结果和直接将 x 经过一次 f 的作用是相同的。

关键在于,f(x) 的值“穿过”了 f ∘ f 这个操作,但结果仍然是 f(x)。

让我们换个角度来思考。设 y = f(x)。那么,根据我们的已知条件,f(f(y)) = y。

这里的关键是,我们不能保证 y = f(x) 能够取到定义域中的所有值。换句话说,f 的值域可能只是定义域的一个子集。

让我们聚焦于 f ∘ f 这个映射本身。我们想知道 (f ∘ f)(x) = x 是否一定成立。

已知:f(f(f(x))) = f(x)

让我们考虑将 f 作用在等式的两边:
f(f(f(f(x)))) = f(f(x))

这并没有直接帮助我们证明 f(f(x)) = x。

思考一个反例是检验一个数学命题是否为真的有力工具。

我们需要找一个函数 f,它满足 f ∘ f ∘ f = f,但 f ∘ f 不是恒等映射。

考虑一个集合 S = {1, 2, 3}。我们定义函数 f: S → S 如下:
f(1) = 2
f(2) = 1
f(3) = 3

现在我们来计算 f ∘ f ∘ f 和 f ∘ f。

计算 f ∘ f ∘ f:
f(f(f(1))) = f(f(2)) = f(1) = 2
f(f(f(2))) = f(f(1)) = f(2) = 1
f(f(f(3))) = f(f(3)) = f(3) = 3

所以,f(f(f(1))) = 2,而 f(1) = 2。
f(f(f(2))) = 1,而 f(2) = 1。
f(f(f(3))) = 3,而 f(3) = 3。
因此,f ∘ f ∘ f = f 成立。

现在我们来计算 f ∘ f:
(f ∘ f)(1) = f(f(1)) = f(2) = 1
(f ∘ f)(2) = f(f(2)) = f(1) = 2
(f ∘ f)(3) = f(f(3)) = f(3) = 3

在这个例子中,f ∘ f 恰好是恒等映射!这说明这个例子并没有帮我们找到反例,但它展示了一种可能性。

我们再尝试一个稍微复杂点的例子,或者调整一下函数定义。

关键在于,我们希望 f(f(x)) ≠ x 对于某些 x 成立,但 f(f(f(x))) = f(x) 仍然成立。

考虑一个集合 S,以及函数 f: S → S。
令 S 包含两个不相交的子集 A 和 B,并且 f 在 A 和 B 上的行为不同。

假设 S = {a, b, c}
定义 f: S → S 如下:
f(a) = b
f(b) = a
f(c) = c

我们来验证:
f ∘ f ∘ f:
f(f(f(a))) = f(f(b)) = f(a) = b
f(f(f(b))) = f(f(a)) = f(b) = a
f(f(f(c))) = f(f(c)) = f(c) = c

所以,f(f(f(a))) = b = f(a),f(f(f(b))) = a = f(b),f(f(f(c))) = c = f(c)。
f ∘ f ∘ f = f 成立。

现在看 f ∘ f:
(f ∘ f)(a) = f(f(a)) = f(b) = a
(f ∘ f)(b) = f(f(b)) = f(a) = b
(f ∘ f)(c) = f(f(c)) = f(c) = c

这个例子还是得到了 f ∘ f 是恒等映射。这说明我们选择的例子还不够“尖锐”,未能突破恒等映射的限制。

我们需要找到一个函数 f,使得 f ∘ f 不是恒等映射。

这意味着,存在某个 x,使得 f(f(x)) ≠ x。

让我们回到已知条件:f(f(f(x))) = f(x)。

令 g = f ∘ f。那么已知条件可以写成 f(g(x)) = f(x)。

我们想知道 g(x) = x 是否一定成立。

如果 g 是恒等映射,那么 g(x) = x,所以 f(x) = f(x),这当然是成立的。
但是,如果 f(g(x)) = f(x) 这个条件,是否强制要求 g(x) 必须等于 x?

不一定。

举个例子:考虑函数 f(x) = |x|,作用在实数集 R 上。
f ∘ f(x) = | |x| | = |x|。
f ∘ f ∘ f(x) = | | |x| | | = |x|。
所以,f(x) = |x| 满足 f ∘ f ∘ f = f。
但是,f ∘ f(x) = |x|。
而恒等映射是 id(x) = x。
显然,对于 x < 0,|x| ≠ x。所以 f ∘ f 不是恒等映射。

现在我们来看一下,f(g(x)) = f(x) 是否能让我们推导出 g(x) = x。

假设存在一个 x,使得 f(x) = y。那么 f(g(x)) = y。
我们想知道的是 g(x) 是否一定等于 x。

如果 f 是单射(一对一)的,那么情况会不同。
如果 f 是单射的,并且 f(g(x)) = f(x),由于 f 是单射的,我们可以直接从等式两边“消去”f,得到 g(x) = x。
所以,如果 f 是单射的,并且 f ∘ f ∘ f = f,那么 f ∘ f 就是恒等映射。

但是,题目并没有说 f 是单射的。

这就是为什么我们可以找到反例。

让我们再回头看那个实数集上的函数 f(x) = |x|。
定义域 R,值域 [0, ∞)。
f(f(x)) = | |x| | = |x|。
f(f(f(x))) = | | |x| | | = |x|。
所以 f ∘ f ∘ f = f 成立。

现在我们来计算 f ∘ f:
f ∘ f(x) = |x|。

恒等映射是 id(x) = x。
我们想知道 f ∘ f 是否是恒等映射,即是否 |x| = x 对于所有 x∈R 都成立。
显然不是。例如,当 x = 2 时,|x| = |2| = 2,而 x = 2。所以 |x| ≠ x。
因此,f ∘ f 不是恒等映射。

结论是:若 f∘f∘f=f,则 f∘f 不一定是 恒等映射。

详细说明一下为什么 f(f(f(x))) = f(x) 不足以保证 f(f(x)) = x:

已知条件 f(f(f(x))) = f(x) 实际上是在告诉我们,将 x 经过 f 复合两次后得到的结果 f(f(x)),它的像(值)通过 f 作用后,又回到了 f(x) 本身。

可以这样理解:
令 y = f(x)。那么已知条件可以重写为:
f(f(y)) = y,其中 y 是 f 的值域中的元素。

这里的关键在于,f 的值域可能小于定义域。也就是说,不是定义域中的所有元素都能被 f 取到。

考虑一个抽象的例子。
假设 f 的定义域是 D,值域是 Im(f)。
f ∘ f ∘ f = f 的意思是:对于所有 x ∈ D,f(f(f(x))) = f(x)。
令 z = f(f(x))。那么 f(z) = f(x)。

我们需要证明的是,对于所有 x ∈ D,f(f(x)) = x。
即,我们需要证明 z = x。

但是,f(z) = f(x) 这个等式本身并不能保证 z = x。
只有当 f 是单射时,我们才能从 f(z) = f(x) 推导出 z = x。

为什么 f(x) = |x| 这个例子是有效的?

定义域:实数集 R。
f(x) = |x|。
f ∘ f(x) = | |x| | = |x|。
f ∘ f ∘ f(x) = | | |x| | | = |x|。

所以,f ∘ f ∘ f = f 成立。

检查 f ∘ f 是否是恒等映射:
f ∘ f(x) = |x|。
恒等映射是 id(x) = x。

我们需要检查 |x| = x 是否对所有 x ∈ R 都成立。
显然不成立。例如,取 x = 1。
f ∘ f(1) = |1| = 1。
而恒等映射 id(1) = 1。
因为 1 ≠ 1,所以 f ∘ f 不是恒等映射。

这个反例清晰地说明了问题所在:

1. f 不是单射的。 例如,f(2) = |2| = 2,f(2) = |2| = 2。f(2) = f(2) 但 2 ≠ 2。由于 f 不是单射的,从 f(f(f(x))) = f(x) 推导不出 f(f(x)) = x。
2. 值域的限制。 尽管 f(f(f(x))) = f(x) 成立,但 f(f(x)) 的结果 (|x|) 并不总是等于原始的 x。例如,对于 x = 2,f(f(2)) = |2| = 2,而原始的 x 是 2。

总结一下:

题目给出的条件 f ∘ f ∘ f = f 表明,在 f 经过两次复合后,再经过一次 f 的作用,结果与只经过一次 f 的作用相同。但是,这个条件并没有要求 f 必须是双射(单射且满射)。

如果 f 是单射的,那么 f ∘ f 确实是恒等映射。因为从 f(f(f(x))) = f(x) 可以推导出 f(f(x)) = x。

但如果 f 不是单射的,那么情况就不同了。存在像 f(x) = |x| 这样的函数,它满足 f ∘ f ∘ f = f,但 f ∘ f 并不是恒等映射。f ∘ f 的值域是 [0, ∞),而恒等映射的域是 R,显然 f ∘ f 并不等于恒等映射。

因此,答案是 否定的。f ∘ f 不一定是 恒等映射。

网友意见

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在 可逆的时候显然是对的,等式两边同时作用 即可证明。在 不可逆的时候反例很好构造:考虑 ,定义 满足 ,那么显然有 (左右两边的映射都将所有元素映为 ),而 。

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