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3 – Relações e Funções Página 35 RELAÇÕES E FUNÇÕES Emissão: 20/3/2010 Por: Luiz A. P. Monteiro Revisão: 23/3/2010 Por: Maria E. M. Gonçalves 3 3 – Relações e Funções Página 36 3 – Relações e Funções Página 37 3.1 Relações Quando se tem dois conjuntos é possível que exista alguma relação entre os elementos de cada conjunto, como por exemplo nos conjuntos abaixo: Pontos Turísticos Bairros do Rio Pão de Açúcar Urca Maracanã Tijuca Cristo Redentor Cosme Velho Arpoador Ipanema A relação “R” pode ser a “Localização” que associa elementos do conjunto “A” (Pontos Turísticos) aos elementos do conjunto “B” (Bairros do Rio), formando pares ordenados (a, b) onde a ∈ A e b ∈ B. É um par ordenado porque (a, b) ≠ (b, a) ou melhor: não existe um bairro do Rio com o nome “Pão de açúcar”, nem um ponto turístico de nome “Cosme Velho”. Assim, uma relação determina de modo único, o conjunto de todos os pares ordenados para os quais, a primeira coordenada está relacionada com a segunda através de alguma propriedade. Dessa maneira: Se conhecemos o relacionamento, conhecemos o conjunto relação e Se conhecemos o conjunto relação, conhecemos o relacionamento. Ou seja, uma relação pode ser vista como uma forma de simplificar (ou comprimir) o registro dos elementos de um conjunto. Assim, para se referenciar um determinado conjunto (de pares ordenados), não será preciso relacionar todos os seus elementos, basta citar o seu nome. Assim, R ⊂ A×B é uma relação se cada elemento de R é um par ordenado, isto é: se Z ∈ R então existem “a” e “b” tais que Z = (a, b). Uma relação de n argumentos sobre A1, A2, ..., An é um subconjunto de A,×××× A2 ×××× .. ×××× An (n ≥≥≥≥ 0) . 3.2 Exemplos de relações a) Relação binária – é uma relação R ⊆ A × B de dois argumentos: R = {(a, b) | a ∈ A, b ∈ B} Exemplo-1: Relação Aluno-Disciplina aRd = a está matriculado em d = {(a, d) | a ∈ Alunos, d ∈ Disciplinas} a b c d 4 3 2 1 R B A a b c 1 2 Alunos Disciplinas matricula ( x ; y) relacionamento Uma relação R de A com B, onde A e B são conjuntos não vazios, é um subconjunto R de A×B. 3 – Relações e Funções Página 38 Exemplo-2: Relação Funcionário-Dados de Funcionário {(a, b) | a ∈ códigoFuncionários, b ∈ Nomes} {(a, c) | a ∈ códigoFuncionários, c ∈ Endereços} {(a, d) | a ∈ códigoFuncionários, d ∈ Salários} b) Relação ternária- é a relação de 3 argumentos {(x, y, z) | x, y, z ∈ N e x < y < z} Exemplo: a paternidade (pai, mãe, filho) c) Relação unária - é a relação de 1 argumento. é simplesmente um subconjunto de A. d) Relação 0-ária- é relação de 0 argumento, só pode ser ∅ ou {( )}(esta última constituída da 0-upla). Exemplo: Se A={1,2} e B={3,4}, o produto cartesiano é AxB={(1,3),(1,4),(2,3),(2,4)} e neste caso, temos algumas relações em AxB: R1={(1,3),(1,4)} R2={(1,3)} R3={(2,3),(2,4)} 3.3 Projeções de R Associado a cada conjunto R de pares ordenados, existem dois conjuntos chamados de projeções de R sobre: • a Primeira coordenada � Domínio de R • a Segunda coordenada � Imagem de R Assim, seja uma relação R ⊆⊆⊆⊆ A ×××× B • Domínio de R é o conjunto {x | (x, y) ∈ R para algum y}. • Imagem de R é o conjunto {y | (x, y) ∈ R para algum x}. Quando A=B � o campo de R é a união do domínio com a imagem de R. • Relação inversa de R é R-1 = {(y, x) | (x, y) ∈ R}. Exemplo: Para a relação {(1, 2), (2, 4), (3, 6)} tem-se: Domínio ={1, 2, 3} Imagem = {2, 4, 6} (x, y) Domínio Imagem Domínio Imagem Relação Inversa 3 – Relações e Funções Página 39 3.4 Propriedades da Relação 3.4.1 Relação Reflexiva Uma relação R é reflexiva se todo elemento de A está relacionado consigo mesmo, ou • Para todo x∈A: (x,x) ∈ R, ou, • Para todo x∈A: xRx. Exemplo: Se A={a,b,c}, então uma relação reflexiva em A é dada por: R = {(a,a),(b,b),(c,c)} 3.4.2 Relação Simétrica Uma relação R é simétrica se o fato que relaciona x com y, implicar necessariamente que y está relacionado com x, ou seja: • Quaisquer que sejam x∈A e y∈A tal que (x,y)∈R, segue que (y,x)∈R, • Ou, se xRy implica yRx para todo x e y no campo de R Exemplo: Se A={a,b,c}, então uma relação simétrica em A é dada por: R = {(a,a),(b,b),(a,b),(b,a)} 3.4.3 Relação Transitiva Uma relação R é transitiva, se para um x que esteja relacionado com y e um y que esteja relacionado com z, implicar que x deve estar relacionado com z, ou seja: • Quaisquer que sejam x∈A, y∈A e z∈A, se (x,y)∈R e (y,z)∈R então (x,z)∈R. • Ou se xRy e yRz implica xRz para todo x,y,z no campo de R. Exemplo: Se A={a,b,c}, então uma relação transitiva em A é dada por: R = {(a,a),(a,c),(c,b),(a,b)} 3.4.4 Anti-simétrica (ou Não-simétrica) Sejam x∈A e y∈A. Uma relação R é anti-simétrica • Se (x,y)∈R e (y,x)∈R implica que x=y ou. • Se x e y são elementos distintos do conjunto A então x não tem relação com y ou (exclusivo) y não tem relação com x, o que significa que o par de elementos distintos (x,y) do conjunto A poderá estar na relação desde que o par (y,x) não esteja. x está relacionado com y y está relacionado com x Relação Simétrica ∀ x, y, z ∈A | (x,y)∈R e (y,z)∈R ∃ (x, z)∈R ⊆ A×A Relação Transitiva Se (x,y) ∈ R ⊆ A×A (y, x) ∉ R ⊆ A×A Relação Anti-simétrica ∀ x ∈A ∃ (x, x)∈R ⊆ A×A Relação Reflexiva Nota: Toda relação reflexiva é também simétrica 3 – Relações e Funções Página 40 Exemplo: Se A={a,b,c}, então uma relação anti-simétrica em A é dada por: R = {(a,a),(b,b),(a,b),(a,c)} 3.5 Relação de equivalência Uma relação R é chamada relação de equivalência sobre um conjunto A não vazio se, e somente se, R é reflexiva, simétrica e transitiva. Exemplo: Se A={a,b,c}, então R em A×A é de equivalência para: R = {(a,a),(b,b),(c,c),(a,c),(c,a)} 3.6 Relação de Ordem Uma relação de ordem R sobre um conjunto A é uma relação R que possui as propriedades reflexiva, anti-simétrica e transitiva 3.7 Exemplos: A relação ≥ é uma relação de ordem(é reflexiva, anti-simétrica e transitiva). A ≥ B � inclui A = B � ≥ é reflexiva A ≥ B não implica que B ≥ A � ≥ é não-simétrica Se A ≥ B e B ≥ C então A ≥ C � ≥ é transitiva A relação irmão ⊆ pessoas2 é Não-reflexiva (x não é irmão dele mesmo) Simétrica (se x é irmão de y � y é irmão de x) Não-transitiva x é irmão de y y é irmão de z só implica que x é irmão de z quando x ≠ z A relação ancestral ⊆ pessoas2 é não-reflexiva, anti-simétrica e transitiva. Não-reflexiva (x não é ancestral dele mesmo) Anti-simétrica (se x é ancestral de y � y não é ancestral de x) Transitiva x é ancestral de y y é ancestral de z Implica que x é ancestral de z A relação gerente ⊆ funcionário2 é Não-reflexiva (x não é gerente dele mesmo) Não-simétrica (se x é gerente de y � y não é gerente de x) Transitiva x é gerente de y y é gerente de z x é gerente de z Nota: Uma relação de equivalência em um conjunto é um tipo de conceito matemático que está muito próximo de uma relação de igualdade 3 – Relações e Funções Página 41 3.8 Funções Existem relacionamentos onde a mudança em uma quantidade provoca a mudança em uma outra quantidade, por exemplo: • Queda da temperatura com a altitude, • Crescimento populacional ao longo dos anos, • Variações nos preços das ações ao longo do ano, • Variação do volume da esfera com o seu raio Motivados pela necessidade de examinar o comportamento dessas variações no relacionamento entre quantidades diferentes, os matemáticos criaram um tipo especial de relacionamento conhecido pelo nome de função Essas variações são o resultado de operações que transformam algo em outra coisa, por exemplo: o ato de apertar um interruptor para acender uma luz é uma função, porque transforma uma lâmpada apagada em uma lâmpada acesa. Na matemática uma função pode transformar um número em outro número, por exemplo, “dobrar” é um tipo de função porque transforma o número 4 em 8 e o número 10 em 20. Uma função f de X em Y é uma relação em X×Y, que associa a cada variável x em X, um único y em Y(não pode associar mais de um y). Assim, uma função de um conjunto X para um conjunto Y é um mapeamento dos elementos de X para os elementos de Y. f: X → Y Uma notação mais usual para dizer que (x, y) ∈ f é: f(x) = y. Características de uma função: • O domínio X da relação. • O contradomínio Y da relação. • Todo elemento de X deve ter um elemento correspondente em Y. • Cada elemento de X só poderá ter no máximo um correspondente no contradomínio Y. Uma função pode ser vista geometricamente como uma linha no plano, contida em AxB, que só pode ser "cortada" uma única vez por uma reta vertical, qualquer que seja esta reta. X Y f X Y f Um mesmo x dando duas imagens y X Y f Um x dando uma única imagem y O matemático suíço Leonhard Euler (1707- 1783) foi quem desenvolveu a idéia de função, sendo o responsável também pela adoção do símbolo f(x) representativo de uma função de x. Curiosidade: Euler também foi responsável pela fórmula que engloba todos os principais números da Matemática: 0, 1, i, pi, e. e ipi + 1 = 0 Leonhard Euler (1707–1783) 3 – Relações e Funções Página 42 A função f é uma “relação binária'' tal que: se (x, y) ∈ f e (x, z) ∈ f implica y = z. 3.9 Função Parcial e função Total X = domínio da função f Imagem de f = {elementos y de Y para os quais existe um x em X tal que f(x) = y} Seja A ⊂ X e o conjunto de todos os elementos y ∈ Y para os quais existe um x ∈ A tal que f(x) = y � f(A) é chamado de imagem de A sob f A imagem não precisa ser igual a Y Se x pertence ao domínio de f, diz-se que f(x) é definido, caso contrário é indefinido. Uma função f é parcial de X para Y, escreve-se f : X → Y, se o domínio de f é um subconjunto A de X e a imagem de f é subconjunto f(A) de Y. Caso o domínio A de f seja X a função é total. Assim, uma função f: X → Y é uma função total quando f(x) é definido para todo x ∈ X 3.10 Função injetora e função sobrejetora Seja f : A → B uma função total: a) f é injetora • Se f(x) = z e f(y) = z � x = y • Ou se quaisquer que sejam x, y pertencentes ao domínio da função, se x é diferente de y implica que f(x) é diferente de f(y) • Se x ≠ y �f(x) ≠ f(y) X Y f A f(A) f injetora Se x,y ∈ A e x ≠ y f(x) ≠ f(y) f injetora ∀ y ∈ B ∃ x ∈A | y = f(x) Não é função (c não tem imagem) a b c 1 2 Não é função (a tem duas imagens) a b c 1 2 3 3 – Relações e Funções Página 43 • Ou se quaisquer dois elementos distintos de A, sempre possuem imagens distintas em B Exemplo: f(x)= a x+b é injetora, pois sempre que tomamos dois valores diferentes para x, obtemos dois valores diferentes para f(x). b) f é sobrejetora • Se para todo y em B existe x em A tal que y=f(x). • Se todo elemento de B é a imagem de pelo menos um elemento de A. • Se B é a imagem f de A. Ou seja f(A)=B • Se a imagem da função deve ser exatamente igual a B que é o contradomínio da função Exemplo: f(x)= a x+b é sobrejetora, pois todo elemento de R é imagem de um elemento de R pela função c) f é bijetora • Se é injetora e sobrejetora. Exemplo: f(x)= a x+b é bijetora, pois é injetora e bijetora. 3.11 Exemplos a b c 1 2 3 Não é função (a tem duas imagens) a b c 1 2 3 Não injetora (existe 2 que é imagem de b e c) Não sobrejetora (existe 3 que não é imagem de ninguém) 1 2 3 4 a b c É injetora (cada imagem é só de um elemento do domínio) Não sobrejetora (existe 4 que não é imagem de ninguém) Função Total Y X = A f(A) = B f Função Sobrejetora X = A Y = B f a b c d 1 2 3 Não injetora (existe 2 que é imagem de b e c) É sobrejetora (para cada imagem existe um elemento do domínio) 3 – Relações e Funções Página 44 • f : N → N, tal que f(x)=2x é injetora, mas não é sobrejetora (f(1) =2 � falta o 1 na imagem). • f(x) = x² não é injetora, pois f(a) = f(-a). • Na função x3 todos os números reais são imagem de um outro número real qualquer. Portanto a função é sobrejetora • g: Z → N, tal que g(x)=|x| é sobrejetora, mas não é injetora.(Z é o conjunto dos números inteiros, e g é a função valor absoluto). 3.12 Transformação de Inclusão ou Imersão ou Injeção Se X ⊂ Y, para cada x ∈ X, a função f(x) = x é denominada Transformação de Inclusão ou Imersão ou Injeção de X em Y A Transformação de Inclusão de X sobre X também é denominada de Transformação Identidade sobre X 3.13 Restrição e Extensão de função Se f é uma função de X para Y e se A ⊂ X, então há um caminho natural para construir uma função g de A para Y: Define-se para todo a ∈ A, g(a) = f(a) • g(a) = Restrição de f a A • f(a) = Extensão de g para X É usual escrever-se: g = f|A 3.14 Projeção Considere dois conjuntos: X e Y Defina f de X × Y sobre X: Se f(x, y) = x � Projeção de X × Y sobre X Se g(x, y) = y � g é projeção de X × Y sobre Y 3.15 Função de n argumentos Uma função de n argumentos é uma função da forma f : A,×××× A2 ×××× .. ×××× An → B É mais usual escrever f(a1, a2, …, an) do que f((a1, a2, …, an)) Y f X X Y g A f(A) f 3 – Relações e Funções Página 45 3.16 Composição de Funções Sejam as funções f : A → B e g : B → C. y = f(x) e z = g(y) � z = g(f(x)) A composição g o f é a função (g o f) : A → C tal que (f o g)(x) = g(f(x)) Para que a composição ocorra o Contra Domínio de f deve ser igual ao Domínio de g. 3.17 Função Inversa A maioria das funções matemáticas é classificada como função de mão dupla porque é fácil fazê-las e desfazê-las. Por exemplo, “dobrar” é uma função de mão dupla (ou inversível) porque é fácil dobrar um número para gerar um novo número, enquanto é igualmente fácil desfazer a função para obter o número original a partir do número dobrado. Dada uma função f:X Y, denomina-se função inversa de f à função g:Y X tal que se f(x)=y, então g(y)=x, quaisquer que sejam x∈X e y∈Y. A função inversa de f é denotada por f-1. Condição para a função inversa existir: f tem que ser uma função bijetora, pois: • Todo elemento y∈Y tem que ter um correspondente x∈X (todo elemento de Y é a imagem de pelo menos um elemento de X) �f é sobrejetora • Se x ≠ y �f(x) ≠ f(y) (quaisquer dois elementos distintos de X, sempre possuem imagens distintas em Y) � f é injetora Dada uma função f: X → Y, seja f-1 a inversa de f , ou seja a função de P(Y) para P(X), tal que Se B ⊂ Y então f-1(B) = {x ∈X | f(x) ∈B} f-1(B) consiste exatamente dos elementos de X que f transforma no B f-1(B) é chamado de Imagem Inversa de B sob f Observação: Em geral, f o g é diferente de g o f. Exemplo: Sejam as funções reais: f(u)=4u+2 g(x)=7x-4. As composições fog e gof são: (f o g)(x) = f(g(x)) = =f(7x-4) = 4(7x-4)+2 = =28x-14 (g o f)(u) = g(f(u)) = =g(4u+2) = 7(4u+2)-4 = =28u+10 X Y f f -1 (B) B f -1 Observação: Se g é a inversa de f e f é a inversa de g, valem as relações: g o f= f-1 o f = IX f o g = f o f-1= IY onde IX e IY são, respectivamente, as funções identidades nos conjuntos X e Y. Esta característica algébrica permite afirmar que os gráficos de f e de sua inversa g são simétricos em relação à função identidade (y=x). Exemplo: a inversa de y= a.x + b pode ser obtida expressando-se x como função de y: y – b = a.x logo: x = (y – b) / a A B g x f(x) f g(f(x)) C g o f 3 – Relações e Funções Página 46 3.18 Operações com Funções Sejam as funções f e g, então, as seguintes operações estão definidas: • (f+g)(x) = f(x) + g(x) • (f-g)(x) = f(x) - g(x) • (f.g)(x) = f(x) . g(x) • (f/g)(x) = f(x) / g(x), se g(x)≠0. 3.19 Aplicação de Funções sobre o conceito de Cardinalidade Cardinalidade é uma medida do tamanho dos conjuntos. Se o conjunto é finito a sua cardinalidade pode ser tomada como o número de elementos do conjunto. Dados dois conjuntos A e B então: • #A = #B se existe uma função bijetora f : A → B, . • #A ≤ #B se existir uma função injetora f : A → B, . #A < #B se #A ≤ #B e #A ≠ #B. Um conjunto A será dito que é menor que B se A ⊂ B. Por exemplo, o conjunto dos números naturais pares é considerado menor que N (embora tais conjuntos tenham a mesma cardinalidade). • Um conjunto que tenha a mesma cardinalidade de N é dito ser enumerável. • Um conjunto é contável se for finito ou enumerável. 3.20 Sucessor Para todo conjunto x define-se o Sucessor x+ de x como o conjunto obtido pelo acréscimo x aos elementos de x: x+ = x ∪ {x} 3.21 Definição dos Números naturais Definindo 0 = ∅, então todos os números naturais são iguais ao conjunto de seus predecessores 1 = 0+ = {0} 2 = 1+ = {0, 1} 3 = 2+ = {0, 1, 2} O sucessor de 7 é o 8 � 7 é um subconjunto de 8 ou 7 é um elemento de 8 3.22 Axioma da Infinitude Existe um conjunto que contém o “0” e o sucessor de cada um dos seus elementos. Ou seja: o axioma simplesmente diz que existe um conjunto sucessor A A é um conjunto sucessor se 0 ∈A e se x+ ∈ A sempre que x ∈ A 3 – Relações e Funções Página 47 Se ω = interseção de todos os conjuntos sucessores contidos em A então ω é um subconjunto de todo conjunto sucessor Se B é um conjunto sucessor arbitrário, então A ∩ B também o é. Mas A ∩ B ⊂ A, então A ∩ B é um conjunto que entra na definição de ω Logo ω ⊂ A ∩ B e consequentemente ω ⊂ B Um número natural é um elemento do conjunto sucessor mínimo ω 3.23 Exercícios Propostos 3.23.1 Verifique se a relação “é perpendicular a” aplicada às linhas de um plano atende as condições: (a) Reflexiva (b) Simétrica (c)Transitiva 3.23.2 Verificar se a relação “ser mais jovem do que” é uma relação de equivalência 3.23.3 Seja R a relação definida no conjunto dos números reais por (x,y)∈R se, e somente se, |x|=|y|. Verifique se R é uma relação de equivalência 3.23.4 Seja R a relação definida no plano cartesiano por (a,b)R(c,d) se, e somente se, a²+b²=c²+d². Se (x,y) é um par ordenado tal que (x,y)R(3,4), então x²+y²=3²+4²=25 o que significa que devemos obter pontos (x,y) na circunferência com raio 5, centrada na origem (0,0). Verifique se R é uma relação de equivalência 3.23.5 Seja uma relação D sobre o conjunto N dos números naturais tal que (a,b)∈D se, e somente se, a|b (a divide b), isto é, se existe c∈N tal que b=ac. Verifique se D é uma relação de equivalência 3.23.6 Seja a função f:A B definida para os números Naturais inferiores a 6, por f(x)=2x . Determine o domínio de f, seu contradomínio e sua função inversa g:B A 3.23.7 Das cinco palavras seguintes, quatro estão ligadas por uma relação, ou seja, pertencem a uma mesma classe. Manifesto – Lei – Decreto – Constituição – Regulamento A palavra que Não pertence à mesma classe das demais é: (A) Regulamentp (B) Lei (C) Decreto (D) Constituição (E) Manifesto [Concurso de Auxiliar Fiscal Financeiro / TSE-SP / 2005] m n p 3 – Relações e Funções Página 48 3.23.8 Observe que, no esquema abaixo, há uma relação entre as duas primeiras palavras: Ausência – Presença :: Generosidade - ? A mesma relação deve existir entre a terceira palavra e a quarta, que está faltando. Essa quarta palavra é: (A) bondade (B) infinito (C) largueza (D) qualidade (E) mesquinhez [Concurso de Auxiliar Fiscal Financeiro / TSE-SP / 2005] 3.23.9 Os números no interior dos setores do círculo abaixo foram marcados sucessivamente, no sentido horário, obedecendo a uma lei de formação. Segundo essa lei, o número que deve substituir o ponto de interrogação é (A) 210 (B) 206 (C) 200 (D) 196 (E)188 [Concurso de Auxiliar Fiscal Financeiro / TSE-SP / 2005] 3.23.10 A sucessão seguinte de palavras obedece a uma ordem lógica. Escolha a alternativa que substitui “X” corretamente: RÃ, LUIS, MEIO, PARABELO, “X” (A) Calçado (B) Pente (C) Lógica (D) Sabipiruna (E) Soteropolitano [Concurso para assessor especializado IPEA / 2005] 3.23.11 Sejam A = {x , tais que x∈ Z e 3x}; B = {x, tais que x∈ Z e 12x } Mostre que B ⊆ A . 0 6 24 60 120 ? 3 – Relações e Funções Página 49 3.23.12 Uma relação R de A em A é dita Relação de Equivalência se R for reflexiva, simétrica e transitiva. Verifique se é de Equivalência a relação R de N em N e tal que xRy ⇔ x y (x divide y). Justifique sua resposta. 3.23.13 Seja R a relação " > " de A = { 2, 3, 4, 5 } em B = { 1, 2, 5 } : a) escreva R como um conjunto de pares ordenados. b) represente R graficamente . 3.23.14 Uma relação R de A em A é dita Relação de Equivalência se R for reflexiva, simétrica e transitiva. Verifique se é de Equivalência a relação R no conjunto A = {a, b, c, d, e}, onde: R = { (a,a) , (a,c) , (a,e) ,(b,b) , (b,d) , (b,e) , (c,c) , (c,e) , (d,d) , (d,e) , (e,e) }; 3.23.15 Seja R uma relação dos Ν nos Ν (naturais) onde xRy significa que x + y é ímpar. Verifique se a relação R é reflexiva e simétrica. Justifique suas respostas. 3.24 Para saber mais [1] Carnielli, Walter, Epstein, Richard L.- Computabilidade Funções Computáveis Lógica e os Fundamentos da Metemática - Editora UNESP; São Paulo; 2006 [2] Malkevitch, Joseph, Meyer, Walter – Graphs, Models. Finite Mathematics – Prentice-Hall Inc. ; New Jersey; 1994 [3] Triola, Mario F. –Mathematics and the Modern World – Cummings Publishing Company, Inc; Menlo Park, California;1993