फलन और संबंध — समुच्चयों के बीच प्रतिचित्रण
फलन और संबंध
संबंध और फलन वह मूलभूत भाषा है जिसमें सम्पूर्ण गणित लिखा जाता है। Analysis, Algebra और Geometry की प्रत्येक संरचना अन्ततः समुच्चयों के बीच एक फलन है। इस पोस्ट में हम क्रमित युग्म, तुल्यता संबंध, फलन के प्रकार, संयोजन और प्रतिलोम सीखेंगे।
संबंध एवं तुल्यता संबंध (Relations and Equivalence Relations)
समुच्चय $A$ से $B$ में एक संबंध (Relation) $A\times B$ का कोई उपसमुच्चय $R$ है। हम $a\,R\,b$ लिखते हैं जब $(a,b)\in R$। $A$ पर संबंध, $A\times A$ का उपसमुच्चय है।
$A$ पर संबंध $\sim$ तुल्यता संबंध है यदि वह निम्न तीनों गुण संतुष्ट करे:
(i) स्वतुल्यता (Reflexive): $a\sim a$ सभी $a\in A$ के लिए।
(ii) सममिति (Symmetric): $a\sim b\Rightarrow b\sim a$।
(iii) संक्रामकता (Transitive): $a\sim b$ और $b\sim c\Rightarrow a\sim c$।
$a$ का तुल्यता वर्ग (Equivalence Class): $[a]={x\in A:x\sim a}$। सभी तुल्यता वर्गों का संग्रह भागफल समुच्चय (Quotient Set) $A/{\sim}$ है — यह $A$ का एक विभाजन (Partition) है।
एक फलन (Function) $f\colon A\to B$ वह संबंध है जिसमें $A$ के प्रत्येक अवयव का ठीक एक प्रतिबिम्ब $B$ में हो।
प्रान्त (Domain): $A$ | सहप्रान्त (Codomain): $B$ | परास (Range): $f(A)={f(a):a\in A}\subseteq B$
Range ⊆ Codomain; समानता तभी होती है जब $f$ आच्छादी (Surjective) हो।
📖 Reference: Apostol, T.M., Mathematical Analysis, 2nd ed., Ch. 1, §1.3–1.5. Also: Rudin, W., Principles of Mathematical Analysis, 3rd ed., Ch. 2, §2.1.
← Sets and Basic Notation — समुच्चय और कार्तीय गुणन संबंध तथा फलन की कच्ची सामग्री हैं।
← Logic and Proof Methods — Injective और Surjective के सभी Proofs में $\forall/\exists$ Quantifiers और Implication प्रयुक्त होते हैं।
सरल स्पष्टीकरण — तीन प्रकार के फलन
फलन $f\colon A\to B$ को एक “असाइनमेंट” की तरह सोचें — हर इनपुट को एक आउटपुट मिलता है। तीन गुण यह बताते हैं कि यह असाइनमेंट कितना “अच्छा” है:
🧵 एकैकी (Injective)
दो भिन्न इनपुट का एक ही आउटपुट नहीं।
$f(a_1)=f(a_2)\Rightarrow a_1=a_2$
हर छात्र की अलग सीट
🎯 आच्छादी (Surjective)
हर आउटपुट किसी न किसी इनपुट से मिलता है।
$f(A)=B$
हर सीट पर कोई न कोई बैठा है
↔️ द्विएकैकी (Bijective)
एकैकी AND आच्छादी दोनों।
पूर्ण एक-से-एक संगति।
ठीक एक छात्र, ठीक एक सीट
संयोजन (Composition): $f\colon A\to B$ और $g\colon B\to C$ हों, तो $(g\circ f)\colon A\to C$, जहाँ $(g\circ f)(a)=g(f(a))$। पहले $f$ लगाएँ, फिर $g$।
प्रतिलोम (Inverse): $f^{-1}\colon B\to A$ अस्तित्व में है जो $f^{-1}\circ f=\mathrm{id}_A$ और $f\circ f^{-1}=\mathrm{id}_B$ संतुष्ट करे — तभी और तब जब $f$ द्विएकैकी हो। जहाँ $\mathrm{id}_A$ समुच्चय $A$ पर परिभाषित इकाई फलन है, अर्थात, $\mathrm{id}_A(x) = x \forall x \in A$.
संयोजन का प्रतिलोम: $(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}$ (क्रम उलट जाता है)।
हल किए गए उदाहरण (Solved Examples)
एकैकी: माना $f(x_1)=f(x_2)$, अर्थात् $2x_1+1=2x_2+1$। तब $x_1=x_2$। $\checkmark$
आच्छादी: किसी भी $y\in\mathbb{R}$ के लिए $x=\dfrac{y-1}{2}\in\mathbb{R}$ लें। तब $f(x)=y$। $\checkmark$
निष्कर्ष: $f$ द्विएकैकी है और $f^{-1}(y)=\dfrac{y-1}{2}$। $\blacksquare$
स्वतुल्यता: $3\mid(a-a)=0$। $\checkmark$
सममिति: $3\mid(a-b)\Rightarrow a-b=3k\Rightarrow b-a=3(-k)\Rightarrow 3\mid(b-a)$। $\checkmark$
संक्रामकता: $3\mid(a-b)$ और $3\mid(b-c)\Rightarrow a-c=3(k+m)\Rightarrow 3\mid(a-c)$। $\checkmark$
तुल्यता वर्ग ($\mathbb{Z}$ का विभाजन):
$[0]=\{\ldots,-3,0,3,6,\ldots\}$, $[1]=\{\ldots,-2,1,4,7,\ldots\}$, $[2]=\{\ldots,-1,2,5,8,\ldots\}$। $\blacksquare$
संयोजन: $(g\circ f)(x)=e^{x+1}$, $g\circ f\colon\mathbb{R}\to(0,\infty)$।
एकैकी: $e^{x_1+1}=e^{x_2+1}\Rightarrow x_1=x_2$। $\checkmark$
आच्छादी: $y>0$ के लिए $x=\ln y-1$; $(g\circ f)(x)=y$। $\checkmark$
प्रतिलोम: $(g\circ f)^{-1}(y)=\ln y-1$।
सत्यापन: $f^{-1}(y)=y-1$, $g^{-1}(y)=\ln y$। $(f^{-1}\circ g^{-1})(y)=\ln y-1$। $\checkmark$ $\blacksquare$
माना $f\colon A\to B$ और $g\colon B\to C$।
भाग (i): $g\circ f$ एकैकी $\Rightarrow f$ एकैकी।
माना $f(a_1)=f(a_2)$। तब $g(f(a_1))=g(f(a_2))$, अर्थात् $(g\circ f)(a_1)=(g\circ f)(a_2)$। चूँकि $g\circ f$ एकैकी है, $a_1=a_2$। अतः $f$ एकैकी है। $\blacksquare$
भाग (ii): $g\circ f$ आच्छादी $\Rightarrow g$ आच्छादी।
कोई $c\in C$ लें। $g\circ f$ आच्छादी होने से $\exists\,a\in A$ ऐसा कि $(g\circ f)(a)=c$, अर्थात् $g(f(a))=c$। $b=f(a)\in B$ रखने पर $g(b)=c$। अतः $g$ आच्छादी है। $\blacksquare$
टिप्पणी — विलोम असत्य हैं: $g\circ f$ एकैकी $\not\Rightarrow g$ एकैकी। $g\circ f$ आच्छादी $\not\Rightarrow f$ आच्छादी। प्रतिउदाहरण: $A=\{1\}$, $B=\{1,2\}$, $C=\{1\}$, $f(1)=1$, $g(1)=g(2)=1$।
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📊 A — मुख्य परिभाषाएँ
- एकैकी: $f(a_1)=f(a_2)\Rightarrow a_1=a_2$
- आच्छादी: $f(A)=B$
- द्विएकैकी: एकैकी AND आच्छादी
- $(g\circ f)(a)=g(f(a))$
- $(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}$
- तुल्यता संबंध: Reflexive+Symmetric+Transitive
⚙️ B — शर्तें एवं विशेष स्थितियाँ
- Range ⊆ Codomain; समान ↔ Surjective
- $f^{-1}$ (फलन) के लिए Bijectivity चाहिए
- $f^{-1}(S)$ (समुच्चय का पूर्वप्रतिबिम्ब) सदा परिभाषित
- $g\circ f$ एकैकी $\Rightarrow f$ एकैकी (पर $g$ नहीं)
- $g\circ f$ आच्छादी $\Rightarrow g$ आच्छादी (पर $f$ नहीं)
- तुल्यता वर्ग: समान या असंयुक्त (Disjoint)
🎯 C — परीक्षा युक्तियाँ
- 🔵 CSIR NET: एकैकी नहीं: $a_1\neq a_2$ दिखाएँ जहाँ $f(a_1)=f(a_2)$
- 🟢 GATE: उदाहरण 4 के दोनों भाग + दोनों प्रतिउदाहरण जानें
- 🟠 IIT JAM: Range ≠ Codomain — MCQ जाल
- 🔴 B.Sc. Raj.: तुल्यता सम्बन्ध के तीनों गुण स्पष्टतः सत्यापित करें
सामान्य त्रुटियाँ (Common Mistakes)
❌ इन भूलों से बचें
गलत: "$f(x)=x^2$ की Range $\mathbb{R}$ है।" | सही: Range $=[0,\infty)\subsetneq\mathbb{R}$। Codomain $\mathbb{R}$ है; दोनों बराबर तभी जब $f$ आच्छादी हो।
गलत: Non-bijective $f$ के लिए $f^{-1}$ लिखना। | सही: प्रतिलोम फलन $f^{-1}$ तभी अस्तित्व में है जब $f$ द्विएकैकी हो।
गलत: $(g\circ f)^{-1}=g^{-1}\circ f^{-1}$। | सही: $(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}$ — क्रम उलट जाता है।
गलत: केवल Reflexive और Symmetric जाँचना। | सही: तीनों गुण अनिवार्य। Transitive के बिना यह केवल Symmetric Relation है, Equivalence नहीं।
वास्तविक अनुप्रयोग (Real-World Applications)
Cryptographic Hash Functions
Hash $h\colon\{0,1\}^*\to\{0,1\}^{256}$ को computationally Injective (Collision-Resistant) बनाया जाता है, पर जानबूझकर Invertible नहीं।
Database: Functional Dependencies
Functional Dependency $A\to B$ का अर्थ है $A$ पर Projection एक फलन है — प्रत्येक $A$-मान से अद्वितीय $B$-मान निर्धारित होता है।
Type Theory (CS)
Types के बीच फलन, Category Theory में Morphisms हैं। Bijections, Type Isomorphisms हैं — हानिरहित, प्रतिवर्त्य Data Conversions।
मॉड्यूलर अंकगणित
$\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}$, $n$ से सर्वांगसमता के अन्तर्गत $\mathbb{Z}$ का Quotient Set है — घड़ी का अंकगणित, Check Digits और Public-Key Cryptography की नींव।
सारांश सारणी एवं मुख्य परिणाम
| अवधारणा | कथन / सूत्र | शर्त | Reference |
|---|---|---|---|
| तुल्यता संबंध | Reflexive + Symmetric + Transitive | $A\times A$ पर | Apostol §1.3 |
| एकैकी (Injective) | $f(a_1)=f(a_2)\Rightarrow a_1=a_2$ | $f\colon A\to B$ | Apostol §1.4 |
| आच्छादी (Surjective) | $f(A)=B$ | $f\colon A\to B$ | Apostol §1.4 |
| द्विएकैकी (Bijective) | एकैकी AND आच्छादी | $f\colon A\to B$ | Apostol §1.4 |
| $f^{-1}$ अस्तित्व | $f^{-1}$ है ↔ $f$ द्विएकैकी है | $f\colon A\to B$ | Rudin §2.1 |
| संयोजन का प्रतिलोम | $(g\circ f)^{-1}=f^{-1}\circ g^{-1}$ | $f,g$ द्विएकैकी | मानक |
केंद्रीय तुल्यता:
\(f\colon A\to B \text{ द्विएकैकी} \;\Longleftrightarrow\; f^{-1}\colon B\to A \text{ अस्तित्व में है} \;\Longleftrightarrow\; \lvert A\rvert=\lvert B\rvert \text{ (परिमित समुच्चयों के लिए)}\)
$A$ पर प्रत्येक तुल्यता संबंध, $A$ को असंयुक्त तुल्यता वर्गों में विभाजित करता है।
सम्बंधित पोस्ट एवं आगे का अध्ययन
← पूर्वापेक्षा: Sets and Basic Notation — समुच्चय और कार्तीय गुणन, संबंध तथा फलन की कच्ची सामग्री हैं।
← पूर्वापेक्षा: Logic and Proof Methods — $\forall/\exists$ Quantifiers और Implication, Injective/Surjective के सभी Proofs में प्रयुक्त।
→ अगला विषय: Countability and Cardinality — अनंत समुच्चयों के बीच Bijections, Cardinalities की तुलना का उपकरण।
📖 अतिरिक्त पाठन: Apostol, Ch. 1, §§1.3–1.6; Rudin, Ch. 2, §§2.1–2.5; Bartle & Sherbert, Ch. 1.
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