MathLabs

第4問

非負整数全体からそれ自身への関数 ff で、すべての非負整数 nn に対して f(f(n))=n+1987f(f(n)) = n + 1987 を満たすものが存在しないことを証明せよ。
ステップ 3/5: B を二つの像集合の差として同定する
ざっくり言うと

単射性により、一つの元が欠けた入力の像であると同時に、すでに像に入る入力の像になることはない。

B=f(N0)∖f(f(N0))B=f(\mathbb N_0)\setminus f(f(\mathbb N_0))
詳しい解説

明らかに B⊆f(N0)B\subseteq f(\mathbb N_0) である。b=f(a)b=f(a)(a∈Aa\in A) が f(f(N0))f(f(\mathbb N_0)) にも属すると、ある tt に対して b=f(f(t))b=f(f(t)) となり、ff の単射性から a=f(t)a=f(t) が得られ、a∈Aa\in A に反する。逆に、b=f(t)b=f(t) が f(f(N0))f(f(\mathbb N_0)) に属さないなら、tt は f(N0)f(\mathbb N_0) に属せず、従って t∈At\in A で b∈Bb\in B である。ゆえに B=f(N0)∖f(f(N0))B=f(\mathbb N_0)\setminus f(f(\mathbb N_0)) である。