Introdução a Algebra Abstrata, Notas de estudo de Matemática

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Jaime Evaristo

Mestre em Matemática

Professor Adjunto

Instituto de Computação

Universidade Federal de Alagoas

Eduardo Perdigão

Doutor em Matemática

Professor Aposentado

Instituto de Matemática

Universidade Federal de Alagoas

Introdução à Álgebra

Abstrata

Segunda Edição

Formato Digital/Versão 02.

Maceió, fevereiro de 2012

• Prefácio (da primeira edição)...............................................................................................................
• Prefácio (da atual edição).....................................................................................................................
• 1. Conjuntos e Funções.........................................................................................................................
  • 1.1 Entes primitivos
  • 1.2 Conjuntos
  • 1.3 Igualdade....................................................................................................................................
  • 1.4 Subconjuntos..............................................................................................................................
  • 1.5 Uma representação de conjuntos...............................................................................................
  • 1.6 As expressões “se … então” e “se e somente se”......................................................................
  • 1.7 Igualdade de conjuntos..............................................................................................................
  • 1.8 Par ordenado e produto cartesiano...........................................................................................
  • 1.9 Relações binárias.....................................................................................................................
  • 1.10 Funções..................................................................................................................................
  • 1.11 O Conjunto Vazio...................................................................................................................
  • 1.12 Operações
  • 1.13 Operações com predicados (operações lógicas)....................................................................
  • 1.14 Demonstração por redução ao absurdo (prova por contradição)...........................................
  • 1.15 Operações com conjuntos......................................................................................................
  • 1.16 Uma operação com funções...................................................................................................
  • 1.17 Funções inversíveis................................................................................................................
  • 1.18 Exercícios...............................................................................................................................
• 2. Os números naturais.......................................................................................................................
  • 2.1 Axiomas, teorias axiomáticas, objetos construídos axiomaticamente.....................................
  • 2.2 O conjunto dos números naturais.............................................................................................
  • 2.3 Operações no conjunto dos números naturais..........................................................................
  • 2.4 Equações no conjunto dos números naturais...........................................................................
  • 2.5 Uma relação de ordem no conjunto dos números naturais......................................................
  • 2.6 Conjuntos finitos......................................................................................................................
  • 2.7 Exercícios.................................................................................................................................
• 3. Os números inteiros........................................................................................................................
  • 3.1 Introdução................................................................................................................................
  • 3.2 Anéis........................................................................................................................................
  • 3.3 Elementos inversíveis..............................................................................................................
  • 3.4 Igualdade de anéis: anéis isomorfos
  • 3.5 Domínios de integridade..........................................................................................................
  • 3.6 Anéis ordenados.......................................................................................................................
  • 3.7 Domínios bem ordenados........................................................................................................
  • 3.8 O conjunto dos números inteiros.............................................................................................
  • 3.9 Inversibilidade no domínio dos inteiros...................................................................................
  • 3.10 Sequências estritamente decrescentes de inteiros
  • 3.11 Os naturais e os inteiros.........................................................................................................
  • 3.12 Exercícios...............................................................................................................................
• 4. Algoritmos......................................................................................................................................
  • 4.1 Introdução................................................................................................................................
  • 4.2 Exemplos.................................................................................................................................
  • 4.3 Exercícios.................................................................................................................................
• 5. Representação dos números inteiros: sistemas de numeração........................................................
  • 5.1 Introdução................................................................................................................................
  • 5.2 A relação b divide a..................................................................................................................
  • 5.3 Divisão euclidiana....................................................................................................................
  • 5.4 Sistemas de numeração............................................................................................................
  • 5.5 Somas e produtos de inteiros...................................................................................................
  • 5.6 Aplicações à computação.........................................................................................................
    • 5.6.1 Representação de caracteres em computadores...............................................................
    • 5.6.2 Representação de inteiros em computadores
    • 5.6.3 Divisão por dois em computadores..................................................................................
    • 5.6.4 Um algoritmo rápido para potências................................................................................
  • 5.7 Exercícios.................................................................................................................................
• 6. Teorema Fundamental da Aritmética: números primos..................................................................
  • 6.1 Introdução................................................................................................................................
  • 6.2 Máximo divisor comum...........................................................................................................
  • 6.3 Inteiros primos entre si............................................................................................................
  • 6.4 Equações diofantinas...............................................................................................................
  • 6.5 Números primos.......................................................................................................................
  • 6.6 Fórmulas geradoras de primos.................................................................................................
  • 6.7 A Conjectura de Goldbach.......................................................................................................
  • 6.8 O Último Teorema de Fermat..................................................................................................
  • 6.9 Exercícios.................................................................................................................................
• 7. Os inteiros módulo n......................................................................................................................
  • 7.1 Introdução................................................................................................................................
  • 7.2 A relação congruência módulo n
  • 7.3 Uma aplicação: critérios de divisibilidade...............................................................................
  • 7.4 Duas mágicas matemáticas......................................................................................................
  • 7.5 Outra aplicação: a prova dos nove...........................................................................................
  • 7.6 Potências módulo n..................................................................................................................
  • 7.7 Os inteiros módulo n................................................................................................................
  • 7.8 Congruências Lineares.............................................................................................................
  • 7.9 A função Φ de Euler.................................................................................................................
  • 7.10 Uma aplicação: criptografia RSA..........................................................................................
    • 7.10.1 Introdução......................................................................................................................
    • 7.10.2 O sistema de criptografia RSA
  • 7.11 Exercícios.............................................................................................................................
• 8. Os números inteiros: construção por definição............................................................................
• 9. Os números racionais...................................................................................................................
  • 9.1 Introdução..............................................................................................................................
  • 9.2 O corpo de frações de um domínio de integridade................................................................
  • 9.3 Os números racionais.............................................................................................................
  • 9.4 "Números" não racionais.......................................................................................................
  • 9.5 Divisão euclidiana Parte II.....................................................................................................
  • 9.6 O algoritmo de Euclides - parte II..........................................................................................
  • 9.7 Exercícios...............................................................................................................................
• 10. Os números reais.........................................................................................................................
  • 10.1 Introdução............................................................................................................................
  • 10.2 Sequência de números racionais..........................................................................................
  • 10.3 Os números reais..................................................................................................................
• Bibliografia.......................................................................................................................................
• Índice remissivo................................................................................................................................

Prefácio (da primeira edição)

Quem atua em processos de ensino/aprendizagem de matemática, fatalmente, já teve de ouvir a pergunta: por que se estuda Matemática? Além do fato dela permitir o exercício de algumas ações práticas do cidadão (como o gerenciamento de suas finanças, por exemplo) e a compreensão de alguns fenômenos relativos à sociedade (como a evolução de uma população, por exemplo), a Matemática fornece uma poderosa ferramenta simbólica que serve de suporte ao pensamento humano, explicitando intensidades, relações entre grandezas e relações lógicas, sendo, por este motivo e por excelência, a linguagem da Ciência. Além disto, o ato de estudar Matemática desenvolve o raciocínio do estudante e isto permite que ele seja capaz de compreender com mais facilidade os conceitos de outros ramos do conhecimento humano e as inter-relações entre estes conceitos. A Álgebra Abstrata, estabelecendo os seus fundamentos, é onde a linguagem matemática é definida e onde a compreensão dos conceitos, pelos seus níveis de abstração, requer o desenvolvimento de raciocínios que ajudarão na aprendizagem de outras ciências. O escopo deste livro é servir de livro-texto para uma disciplina inicial de Álgebra Abstrata e foi concebido de tal forma que não exige nenhum conhecimento anterior, podendo também ser lido por estudantes ou profissionais de outras áreas que pretendam ter uma ideia do que é Matemática. Para que o seu conteúdo seja autossuficiente, o livro contém a construção de todos os conjuntos numéricos, com exceção do Conjunto dos Números Complexos. Além disto, e considerando a sua importância nas aplicações, o livro apresenta um estudo detalhado dos números inteiros, discutindo suas propriedades, números primos, fatoração, etc. O livro também apresenta uma aplicação muito importante da álgebra abstrata à informática e uma amostra (naturalmente, num exemplo bem simples) de como se pode fazer pesquisa em Matemática, apresentando definições de conjuntos e de funções que não constam da literatura. Uma parte importante do livro são seus 121 exercícios propostos. Alguns têm o objetivo de fixar a aprendizagem; outros são acréscimos à teoria exposta. O estudante deve tentar exaustivamente solucionar todos eles, não procurando ver a solução que se apresenta ao menor sinal de dificuldade (as soluções de todas as questões estão disponíveis em www.ccen.ufal.br/jaime). O esforço que se realiza ao se tentar resolver um problema de matemática, bem sucedido ou não, é muito importante para o processo da aprendizagem. Os autores agradecem a Elizamar Batista dos Santos e a Alcineu Bazilio Rodrigues Júnior pela colaboração na digitação do livro e, antecipadamente, a todo leitor, estudante ou professor, que enviar qualquer crítica ou sugestão para jaime@ccen.ufal.br ou para perdigao@mat.ufal.br. Os autores também agradecem ao Professor Antônio Carlos Marques da Silva que emitiu parecer sobre o material do livro para apreciação do Conselho Editorial da EDUFAL e ao Professor Eraldo Ferraz, Diretor da citada editora pelo empenho em publicar esta obra. Maceió, julho de 2002 Jaime Evaristo Eduardo Perdigão

1. Conjuntos e Funções

1.1 Entes primitivos

Segundo o Dicionário Aurélio, definir é enunciar os atributos essenciais e específicos de (uma coisa), de modo que a torne inconfundível com outra. Para que o objetivo de uma definição seja atingido, devem ser observados dois aspectos: uma definição só pode conter termos que foram definidos previamente e uma definição de um objeto não pode conter um termo cuja definição contenha referência ao próprio objeto. Exemplos claros de “definições” que pecam em relação ao segundo aspecto levantado são: um ponto é a interseção de duas retas e uma reta é um conjunto de pontos alinhados. Com estas “definições”, para se entender o que é um ponto seria necessário saber o que é uma reta e para compreender o que é uma reta é indispensável se saber o que é um ponto e o que são pontos alinhados. Em alguns livros de Matemática do ensino médio encontra-se a seguinte "definição" de conjunto: conjunto é uma coleção de objetos. O problema agora é que esta "definição" dá margem à seguinte pergunta: e o que é uma coleção de objetos? A resposta não poderia ser conjunto pois cairíamos no outro problema. Algumas ciências, como a Matemática e a Física, necessitam considerar entes, relações ou grandezas que não são definidos, ditas então entes primitivos , grandezas primitivas ou relações estabelecidas primitivamente. Por exemplo, ponto , reta e plano são entes primitivos da Geometria Euclidiana enquanto que o tempo , a distância e a massa são grandezas primitivas da Mecânica Newtoniana. Estabelecidos os entes primitivos de uma ciência, pode-se então se definir novos objetos, e a partir destes, definir-se novos outros objetos, e assim por diante. Por exemplo, a partir das grandezas físicas da Mecânica pode-se definir velocidade como o quociente entre a distância percorrida e o tempo gasto para percorrê-la implicando no fato de que velocidade não é uma grandeza primitiva. A partir da grandeza física não primitiva velocidade e da grandeza primitiva tempo pode-se definir aceleração como sendo a variação da velocidade na unidade de tempo.

1.2 Conjuntos

Em Matemática, conjunto é um ente primitivo e portanto não é definido. Entendemos conjunto como uma coleção de objetos, no sentido coloquial do termo. Os objetos que compõem a coleção que está sendo considerada um conjunto são chamados elementos do referido conjunto. De um modo geral, conjuntos são representados por letras maiúsculas e seus elementos por letras minúsculas. Se A designa um conjunto e a é um dos elementos, dizemos que a pertence a A , isto sendo simbolizado por a ∈ A. Estabelecemos então, também de forma primitiva , a relação de pertinência entre um conjunto e seus elementos. Naturalmente, se um objeto não está na coleção que se está considerando como um conjunto dizemos que tal objeto não pertence ao tal conjunto, sendo utilizado o símbolo ∉ para negar a relação de pertinência. Introduzido o conceito primitivo de conjunto podemos apresentar um exemplo de um objeto da Matemática que é definido a partir dos entes primitivos ponto , reta , plano e conjunto e da grandeza primitiva distância : dados um plano α, um ponto p pertencente a α e um número real r , a circunferência de centro p , de raio r e contida no plano α é o conjunto dos pontos do plano α situados a uma distância r do ponto p.

1.3 Igualdade

Na linguagem coloquial, dois objetos são ditos iguais quando são do mesmo tipo e têm a

mesma aparência. Não tem sentido se dizer que uma cadeira é igual a um sofá; se é dito que duas cadeiras são iguais elas são praticamente indistinguíveis a uma simples espiada. Em Matemática, o conceito de igualdade é considerado primitivo, entendendo-se que quando ficar estabelecido que dois objetos matemáticos são iguais eles passam a ser considerados o mesmo objeto. A igualdade de dois objetos é representada pelo símbolo = e se dois objetos não são iguais (e, portanto, não podem ser considerados o mesmo objeto) dizemos que eles são diferentes , indicando este fato pelo símbolo ≠. Vamos admitir primitivamente que as seguintes afirmações são verdadeiras:

1. Todo objeto é igual a ele mesmo: a = a , qualquer que seja o objeto a.
2. Se um objeto é igual a outro, este é igual àquele: se a = b , então b = a ;
3. Dois objetos iguais a um terceiro objeto são iguais entre si: se a = b e b = c , então a = c.

Como igualdade em Matemática é um conceito primitivo, toda vez que se introduz (primitivamente ou por definição) um ente matemático é necessário se estabelecer quando dois representantes desse ente serão considerados iguais. Por exemplo, introduzido o ente matemático conjunto, devemos estabelecer quando dois conjuntos serão ditos iguais. Isto será feito na seção 1.7.

1.4 Subconjuntos

Sejam A e B dois conjuntos. Por definição, dizemos que o conjunto A é subconjunto do conjunto B se todo elemento de A é também elemento de B. Quando isto acontece, escrevemos A ⊂ B , que é lido A é subconjunto de B ou A está contido em B. Neste caso, também podemos escrever B ⊃ A , que é lido B contém A. A negação de A ⊂ B é indicada por A ⊄ B e, evidentemente, é verdadeira se A possuir pelo menos um elemento que não pertença a B. As seguintes afirmações são claramente verdadeiras:

1. A ⊂ A , qualquer que seja o conjunto A.
2. Se A ⊂ B e B ⊂ C então A ⊂ C , quaisquer que sejam os conjuntos A , B e C. A afirmação 1 é justificada pelo fato óbvio de que todo elemento do conjunto A é elemento do conjunto A. A afirmação 2 se justifica com o seguinte argumento: de A ⊂ B segue que todo elemento de A é elemento de B ; porém, como B ⊂ C , temos que todo elemento de B é elemento de C. Logo, todo elemento do conjunto A é elemento do conjunto C , mostrando que A ⊂ C. Qualquer argumento que justifica a veracidade de uma assertiva matemática é chamado demonstração ou prova daquela afirmação. Observe que se A e B são dois conjuntos tais que A ⊂ B , pode ocorrer que se tenha A = B. Quando dois conjuntos A e B são tais que A ⊂ B e A ≠ B, dizemos que A é subconjunto próprio de B.

1.5 Uma representação de conjuntos

Uma das formas de se representar um conjunto é exibir os seus elementos entre chaves {}. Por exemplo, A = { a , b , c } é o conjunto das três primeiras letras do alfabeto latino. O conjunto das letras do alfabeto pode ser indicado por A = { a , b , c , ..., z }, onde as reticências são utilizadas para simplificação e substituem as letras de d a y. O uso de reticências para subentender alguns (às vezes muitos) elementos de um conjunto só é possível se os elementos do conjunto obedecerem a uma ordenação (no sentido usual do termo) previamente conhecida. Quando isto não acontece, as únicas alternativas são explicitar todos os elementos do conjunto ou definir o conjunto por uma expressão da língua que se está utilizando. Um exemplo de um desses conjuntos é o conjunto dos caracteres da língua portuguesa, que possui letras maiúsculas e minúsculas, dígitos, letras acentuadas, caracteres

serem iguais ) é suficiente que A seja subconjunto de B e que B seja subconjunto de A. Assim podemos definir igualdade de conjuntos A e B por: A = B se e somente se A ⊂ B e B ⊂ A. Esta definição mostra que na representação de um conjunto pela exibição dos seus elementos a ordem (no sentido usual do termo) com que os elementos são exibidos não é utilizada para discriminar um conjunto. Assim os conjuntos A = { a , b , c } e B = { b , c , a } são iguais. A repetição da exibição de um elemento também não implica a diferenciação de um conjunto: os conjuntos A = { a , b , c } e B = { a , b , a , c , b } também são iguais.

1.8 Par ordenado e produto cartesiano

Teremos necessidade de trabalhar com pares de elementos de dois conjuntos dados, considerados numa ordem preestabelecida. Daí necessitarmos da seguinte definição. Sejam A e B dois conjuntos e a e b elementos de A e de B , respectivamente. O par ordenado a b , indicado por ( a, b ), é o conjunto {{ a }, { a , b }}. Naturalmente, os conjuntos A e B podem ser iguais, definindo-se então par ordenado de dois elementos de um mesmo conjunto. Nesse caso, podemos ter par do tipo ( a , a ). Evidentemente, ( a , a ) = {{ a }}. Sobre pares ordenados é verdadeira a seguinte afirmação. Sejam A e B dois conjuntos e a , a ’ ∈ A e b , b ’ ∈ B. Temos que ( a , b ) = ( a ’, b ’) se e somente se a = a ’ e b = b ’.

De fato, se a = a ’ e b = b ’ temos { a } = { a ’} e { a , b } = { a ’, b ’} o que implica {{ a }, { a , b }} = {{ a ’}, { a ’, b ’}}. Suponhamos agora que ( a , b ) = ( a ’, b ’). Se a = b, temos que os conjuntos A = {{ a }}e A ’ = {{ a ’}, { a ’, b ’}} são iguais o que só acontece se a' = b' = a. Se a ≠ b , temos { a ’} ≠ { a , b } e a igualdade dos conjuntos A = {{ a }, { a , b }} e A ’ = {{ a ’}, { a ’, b ’}} implica { a } = { a ’} e { a , b } = { a ’, b ’} o que acarreta a = a ’ e b = b ’. A veracidade desta afirmação, além de justificar a denominação par ordenado , permite que se distinga os elementos que compõem o par ( a , b ): a é a primeira componente e b é a segunda componente. Uma afirmação verdadeira sobre um ente matemático é chamada de propriedade daquele ente. Assim, a afirmação “( a , b ) = ( a ’, b ’) se e somente se a = a ’ e b = b ’“ é uma propriedade dos pares ordenados. De um modo geral, fatos matemáticos verdadeiros são chamados propriedades. O produto cartesiano de dois conjuntos A e B , indicado por A x B , é o conjunto dos pares ordenados com primeiras componentes no conjunto A e segundas componentes no conjunto B. Por exemplo, se A = { a , c , d } e B = {e, f }, o produto cartesiano de A por B é o conjunto A x B = {( a , e ), ( a , f ), ( c , e ), ( c , f ), ( d , e ), ( d , f )} e o produto cartesiano de B por A é o conjunto B x A = {( e , a ), (e, c ), ( e , d ), ( f , a ), ( f , c ), ( f , d )}, exemplo que já mostra que, de um modo geral, A x B ≠ B x A. É comum se utilizar a notação A^2 para representar o produto cartesiano A x A. Assim, no exemplo acima temos B^2 = {( e , e ), ( e , f ), ( f , f ), ( f , e )} e A^2 = {( a , a ), ( a , c ), ( a , d ), ( c , a ), ( c , c ), ( c , d ), ( d , a ), ( d , c ), ( d , d )}.

1.9 Relações binárias

Em muitas situações, é necessário e útil relacionar (no sentido usual do termo) elementos de um ou de dois conjuntos. Esta relação pode ser estabelecida através dos pares ordenados que se pretende relacionar. Se A e B são dois conjuntos, qualquer subconjunto do produto cartesiano A x B é chamado de uma relação binária entre A e B. Ou seja, uma relação binária entre dois conjuntos A e B é um conjunto de pares ordenados com primeiras componentes em A e segundas componentes em

B. Quando os conjuntos A e B são iguais uma relação entre A e B é dita simplesmente uma relação em A. Por exemplo, se A é o conjunto das vogais e B é o conjunto das consoantes os conjuntos R = {( a , b ), ( e , f ), ( i , j ), ( o , p ), ( u , v )}, S = {( a , x ), ( e , g ), ( i , b )} e T = {( e , m ), ( i , z )} são relações binárias entre A e B (ou de A em B ). Normalmente, há interesse apenas em relações binárias em que as componentes dos pares guardem entre si alguma relação, no sentido usual do termo. Em outros termos, estamos interessados em relações em que haja uma regra para obtenção dos pares da relação, regra esta que permita que se defina se um dado par está ou não na relação. Nos exemplos acima, a relação R satisfaz a esta condição pois cada segunda componente é a consoante que sucede a vogal primeira componente. As componentes dos pares das outras relações dos exemplos não guardam nenhuma relação entre si e, portanto, não são relevantes. Utilizando uma barra vertical significando tal que , pode-se representar uma relação entre dois conjuntos por R = {( x , y ) ∈ A x B | ... }, onde em … é colocada a regra que estabelece a relação entre x e y. Muitas vezes, associa-se um símbolo a uma relação definida num conjunto A. Neste caso, se o símbolo da relação é #, a indicação de que um par ( a , b ) pertence à relação é feita por a # b. Observe que em R = {( x , y ) ∈ A x B | … } o símbolo x está sendo usado para representar todos os elementos do conjunto A e que y está sendo utilizado para representar todos os elementos do conjunto B. Neste caso dizemos que os símbolos x e y são indeterminadas ou variáveis dos conjuntos referidos. Uma relação definida num conjunto A pode ser adjetivada de acordo com algumas propriedades que ela satisfizer. Dizemos que uma relação R num conjunto A é:

• reflexiva se ( x, x ) ∈ R qualquer que seja x ∈ A.
• simétrica se ( x , y ) ∈ R implicar ( y , x ) ∈ R , quaisquer que sejam x , y ∈ A.
• antissimétrica se não acontece ( x , y ) ∈ R e ( y , x ) ∈ R com x ≠ y , quaisquer que sejam x , y ∈ A.
• transitiva se ( x , y ) ∈ R e ( y , z ) ∈ R acarretar ( x , z ) ∈ R , quaisquer que sejam x , y , z ∈ A.
• total se quaisquer que sejam x , y ∈ A , ( x , y ) ∈ R e/ou ( y , x ) ∈ R , onde o "e/ou" indica que podem ocorrer as duas pertinências ou apenas uma delas.

As definições anteriores estabelecem quando o adjetivo respectivo pode ser aplicado a uma relação binária. Como fizemos com a definição de subconjunto, é interessante observar as condições mínimas que negam as definições anteriores e, portanto, tal adjetivo não pode ser associado à relação. Com o desenvolvimento de um raciocínio simples, temos que uma relação R num conjunto A

• não é reflexiva se existe x ∈ A tal que ( x, x ) ∉ R.
• não é simétrica se existem x , y ∈ A tais que ( x , y ) ∈ R e ( y , x ) ∉ R.
• não é antissimétrica se existem x , y ∈ A , com x ≠ y , tais que ( x , y ) ∈ R e ( y , x ) ∈ R.
• não é transitiva se existem x , y , z ∈ A tais que ( x , y ) ∈ R e ( y , z ) ∈ R e ( x , z ) ∉ R.
• não é total se existem x , y ∈ A tais que ( x , y ) ∉ R e ( y , x ) ∉ R. Por exemplo, se A é o conjunto das vogais, a relação R = {( a , a ), ( e , e ), ( i , i ), ( o , o ), ( u , u ), ( a , e ), ( a , i ), ( a , u ), ( e , a ), ( e , i ), ( e , u ), ( u , i )}

é reflexiva , não é simétrica (( a , u ) ∈ R e ( u , a ) ∉ R ), não é antissimétrica (( a , e ) ∈ R , ( e , a ) ∈ R e a ≠ e ), é transitiva e não é total (( a , o ) ∉ R e ( o , a ) ∉ R ). Outro exemplo: seja A é o conjunto das vogais e consideremos a relação {( x , y ) ∈ A x A |y = x}. Como cada vogal só é igual a ela mesma, os pares desta relação são ( a , a ), ( e , e ), ( i , i ), ( o , o ) e ( u ,

necessário e suficiente que para todos os elementos k e j do domínio de f existam f ( k ) e f ( j ) e se f ( k ) ≠ f ( j ), se tenha k ≠ j. Como foi dito anteriormente, ao se estudar um novo objeto matemático devemos estabelecer quando dois destes objetos serão considerados iguais. Para funções temos a seguinte definição. Duas funções f e g são iguais quando possuem os mesmos domínio e contradomínio e para todo objeto x do domínio se tem f ( x ) = g ( x ). Isto significa que duas funções iguais são, na verdade, a mesma função. Dois exemplos de funções que serão utilizadas em exemplos e demonstrações futuras são apresentadas a seguir.

1. Seja A um conjunto. A função de A em A definida por I ( x ) = x é chamada função identidade do conjunto A e é simbolizada por IA.
2. Sejam A e B dois conjuntos, f uma função de A em B e C um subconjunto de A. A função g : C → B definida por g ( x ) = f ( x ) é chamada de restrição de f ao subconjunto C e é indicada por

f / C. Por exemplo, se A é o conjunto das letras do alfabeto, g é a função de A em A que associa a cada letra a letra que a sucede no alfabeto (considerando a como a letra sucessora de z ) e V é o conjunto das vogais, a função g restrita ao conjunto V é a função g/V = {( a , b ), ( e , f ), ( i , j ), ( o , m ), ( u , r )}.

1.11 O Conjunto Vazio

Vimos acima que um conjunto pode ser representado pela exibição de seus elementos entre chaves. O conceito de função e a utilização da barra vertical significando tal que permite uma outra forma de representar um conjunto. Esta nova forma de representar conjuntos permitirá a definição de um conjunto muito especial. Para tal, necessitamos de alguns novos conceitos. O conjunto {V, F} (V significando verdadeiro e F, falso ) é chamado conjunto de Boole. Um predicado ou uma sentença aberta num conjunto A é uma função de A no conjunto de Boole. Como as imagens dos objetos podem ser apenas V ou F, um predicado pode ser definido estabelecendo-se quando a imagem de um objeto será V e quando ela será F. Por exemplo, se A é o conjunto das letras do alfabeto, pode-se definir um predicado em A por p ( x ) = V se e somente se x é uma vogal. Neste caso, temos, por exemplo, p ( a ) = V e p ( b ) = F. Vale a pena observar que na definição do predicado, o símbolo x não está representando especificamente a letra x e sim uma indeterminada do conjunto. Para a letra x , temos p ( x ) = F. Observe que, em outros termos, um predicado num conjunto A é uma propriedade que é verdadeira para alguns elementos de A e falsa para outros. Além disso, para todo elemento do conjunto A a tal propriedade é verdadeira ou falsa (apenas uma das condições), não havendo uma terceira possibilidade. Esta observação permite que um predicado seja definido explicitando apenas a tal propriedade a qual ele se refere. Assim, o predicado p(x) = V se e somente se x é uma vogal pode ser referido apenas por x é uma vogal. Vamos estabelecer também que uma definição de um predicado prescinde da expressão se e somente se. O predicado p(x) = V se e somente se x é uma vogal pode ser definido apenas por p(x) = V se x é uma vogal. Uma outra forma de representar um conjunto é a seguinte. Se A é um conjunto e p é um predicado em A , { x ∈ A | p } representa o subconjunto dos elementos de A para os quais p ( x ) = V. Por exemplo, se A é o conjunto das letras do alfabeto, o conjunto das vogais pode ser representado por B = { x ∈ A | x é uma vogal}. Um predicado p num conjunto A é uma contradição se p ( x ) = F para todo elemento x ∈ A e é uma tautologia se p ( x ) = V qualquer que seja x ∈ A. Por exemplo, se A é um conjunto qualquer, o predicado em A dado por x ≠ x é uma contradição e o predicado em A dado por x ∈ A é uma tautologia. Uma contradição e uma tautologia serão representadas por γ e τ, respectivamente. O conceito de contradição permite a definição de um conjunto, aparentemente estranho, mas de importância fundamental para a matemática. Se A é um conjunto qualquer e γ é uma contradição

em A o conjunto { x ∈ A |γ} não possui elementos e é chamado conjunto vazio , sendo simbolizado por ∅. Por exemplo, se A é um conjunto qualquer o conjunto { x ∈ A | x ≠ x } é o conjunto vazio. Um conjunto diferente do conjunto vazio é dito não vazio. Na seção 1.14 provaremos que o conjunto vazio é subconjunto de qualquer conjunto: ∅ ⊂ A , qualquer que seja o conjunto A.

1.12 Operações

Desde a nossa tenra idade, deparamo-nos com o aprender a realizar operações : somar, subtrair, multiplicar, etc. Nesta seção, o conceito de operações será formalizado. Por definição, uma operação num conjunto A é uma função do produto cartesiano A x A no próprio conjunto A. Por exemplo, no conjunto das vogais podemos definir a operação f dada pela tabela a seguir, na qual o elemento da linha i e da coluna j fornece a imagem do par ( i , j ),

a e i o u a e i o u a e i o u a e i o u a e i o u a e i o u a e i o u Os autores, humildemente, concordam com o leitor que este exemplo não é muito esclarecedor. Nas seções seguintes teremos exemplos mais consistentes de operação. Nestes exemplos, fixaremos símbolos específicos para operação e, ao invés de utilizarmos a notação usual de função f ( x , y ), usaremos x # y quando o símbolo da operação é #. O símbolo associado à operação é chamado operador , as componentes do par objeto ( a , b ) são chamados de operandos e a imagem a # b é o resultado e receberá uma denominação específica para cada operação. Naturalmente, podem ser realizadas aplicações sucessivas de uma operação. Neste caso, usa- se parênteses para indicar quais resultados “parciais” devem ser obtidos. Utilizando o operador + para a operação do exemplo anterior e chamando o resultado da operação de soma , ( a + e ) + o indica que deve-se determinar a soma de a com e e, em seguida, determinar a soma desta soma com o. Assim, temos ( a + e ) + o = i + o = e. Uma representação de aplicações sucessivas de uma ou mais operações é chamada de expressão. Como as relações binárias, as operações também podem ser adjetivadas de acordo com propriedades que ela satisfizer. Seja A um conjunto e # uma operação em A. Dizemos que a operação #

• é comutativa se a # b = b # a , quaisquer que sejam a , b ∈ A.
• é associativa se a # ( b # c ) = ( a # b ) # c , quaisquer que sejam a , b , c ∈ A.
• possui um elemento neutro e se existe um elemento e ∈Α tal que a # e = e # a = a , qualquer que seja a ∈ A.

Quando a operação está denotada na forma de função f ( a , b ), forma de representação chamada notação prefixa , as classificações acima são assim referenciadas:

Uma operação f definida num conjunto A

• é comutativa se f ( a , b ) = f ( b , a ), quaisquer que sejam a , b ∈ A.
• é associativa se f ( a , f ( b , c )) = f ( f ( a , b ), c ), quaisquer que sejam a , b , c ∈ A.
• possui um elemento neutro e se existe um elemento e ∈Α tal que f ( a , e ) = f ( e , a ) = a , qualquer que seja a ∈ A.

A , por um lado (( p ∧ q ) ∧ r )( x ) = V se ( p ∧ q )( x ) = r ( x ) = V o que só acontece se p ( x ) = q ( x ) = r ( x ) = V e por outro lado ( p ∧ ( q ∧ r ))( x ) = V se p ( x ) = ( q ∧ r )( x ) = V o que só acontece também se p ( x ) = q ( x ) = r ( x ) = V. Claramente, uma tautologia τ é o elemento neutro da conjunção.

• Disjunção (operador: ∨, denominação: ou ) ( p ∨ q )( x ) = F se p ( x ) = q ( x ) = F. Isto é, a disjunção de dois predicados p e q é verdadeira se e somente se um dos predicados for verdadeiro ou se ambos forem verdadeiros. Observe agora que a denominação ou para o operador ∨ não corresponde exatamente ao uso da conjunção ou na linguagem comum: se o/a chefe da família anuncia “nas férias viajaremos para Maceió ou Natal”, ele está afirmando que a família viajará para apenas uma das duas cidades. Dizemos que o ou da Matemática é inclusivo , enquanto que o ou da linguagem coloquial é exclusivo. Embora os dicionários não apresentem esta possibilidade, é relativamente comum se usar e/ou na linguagem coloquial quando se pretende se expressar um “ou inclusivo”. Às vezes, a Matemática ao utilizar um vocábulo modifica (quase sempre, ligeiramente) o seu significado. Surge então a linguagem matemática , muito útil para o mundo científico. Daqui para frente, a conjunção ou utilizada em afirmações matemáticas terá sempre o sentido inclusivo. Dessa forma, o conceito de totalidade de uma relação, discutido na seção 1.9, pode ser escrito: uma relação binária num conjunto A é total se quaisquer que sejam x , y ∈ A , com x ≠ y , ( x , y ) ∈ R ou ( y , x ) ∈ R. Como a conjunção, a disjunção é claramente comutativa e associativa e seu elemento neutro é uma contradição γ. O exercício 1.5 pedirá para ser demonstrado que a conjunção é distributiva em relação à disjunção e que esta é distributiva em relação àquela.
• Implicação (operador ⇒ , denominação: implica ) ( p ⇒ q )( x ) = F se p ( x ) = V e q ( x ) = F. O predicado p ⇒ q também pode ser lido se p, então q e quando p e q são verdadeiros tem a conotação dada na seção 1.6. Observe que p ⇒ q só é falso se p é verdadeiro e q é falso. Assim, ao contrário da linguagem comum, na qual implicar é utilizado numa relação de causa e efeito, em Matemática uma mentira implica uma verdade e implica também outra mentira. O exemplo a seguir mostra que o significado matemático do se então , embora inusitado, tem sentido também no nosso dia a dia. Imagine a seguinte situação: (1) uma jovem adolescente está se preparando, com afinco, para fazer o vestibular para um curso superior; (2) para incentivá-la na reta final, o pai da adolescente, a dois meses do certame, adquire um automóvel e anuncia para ela: se você for aprovada, então este automóvel será seu. Após a divulgação do resultado do vestibular, se a filha foi aprovada ( p verdade) e recebeu o carro ( q verdade), a afirmação do pai se tornou verdadeira ( p ⇒ q verdade); se a filha foi aprovada ( p verdade) e não recebeu o carro ( q falso), a afirmação do pai se tornou falsa ( p ⇒ q falso); se a filha não foi aprovada ( p falso) e não recebeu o carro ( q falso), o pai não descumpriu a promessa ( p ⇒ q verdade); finalmente, se a filha não foi aprovada ( p falso) e recebeu o carro ( q verdade), a afirmação do pai também não se tornou falsa e, portanto p ⇒ q é verdadeiro (nesse caso, o pai pode ter entendido que a filha, mesmo não tendo sido aprovada, merecia o prêmio – foi a primeira dos não aprovados, por exemplo). Como p ⇒ q só é falso se p é verdadeiro e q é falso, a demonstração de uma assertiva do tipo “se p, então q ” pode ser feita supondo-se que p é verdade e provando que, a partir daí, q também o é. Normalmente, o predicado p é chamado hipótese (que é o que se supõe ser verdadeiro) e o predicado q é chamado tese (que é o que se quer provar que é verdadeiro).

• Equivalência (operador ⇔ , denominação: equivale ) ( p ⇔ q )( x ) = V se p ( x ) = q ( x ). O predicado p ⇔ q também é referenciado como p se e somente se q e tem a mesma conotação dada à expressão se e somente se discutida na seção 1.6. É fácil ver que uma equivalência pode ser obtida a partir de uma conjunção de implicações , reiterando o que foi dito na referida seção. Na verdade temos a seguinte igualdade: p ⇔ q = ( p ⇒ q ) ∧ ( q ⇒ p ). A demonstração de uma igualdade de predicados é bastante simples (embora, às vezes, tediosa). Como são funções, para que dois predicados r e s sejam iguais basta que eles tenham o mesmo domínio (no nosso caso, conjunto A ), o mesmo contradomínio (sempre {V, F}) e para cada x de A se tenha r (x) = s (x). Basta então mostrar a igualdade r (x) = s (x), para todo x ∈ A , o que pode ser feito através de uma tabela (chamada tabela verdade ) na qual se determina todos os possíveis valores de r (x) e s (x). Para mostrar que r = p ⇔ q e s = ( p ⇒ q ) ∧ ( q ⇒ p ) são iguais, temos

p q (^) p ⇒ q q ⇒ p p ⇔ q ( p ⇒ q ) ∧ ( q ⇒ p ) V V V V V V V F F V F F F V V F F F F F V V V V

Da igualdade p ⇔ q = ( p ⇒ q ) ∧ ( q ⇒ p ), segue que uma afirmação do tipo q se e somente se p pode ser demonstrada supondo que p é verdade e provando que, a partir daí, q também é e, reciprocamente, supondo que q é verdade e provando que, a partir daí, p também é.

1.14 Demonstração por redução ao absurdo (prova por

contradição )

Como foi dito na seção anterior, a demonstração de uma assertiva matemática do tipo “se p, então q ” pode ser feita supondo-se que p é verdade e provando que, a partir daí, q também o é. Nesta seção, apresentaremos duas outras maneiras de se demonstrar afirmações da forma “se p, então q ”, ambas chamadas demonstração por redução ao absurdo ou prova por contradição. Para isto, consideremos a seguinte definição. A negação de um predicado p é o predicado indicado por ~ p tal que (~ p )( x ) = F se p ( x ) = V. Como é fácil provar que (ver exercício 1.9) se p e q são predicados num conjunto A , tem-se ( p ⇒ q ) = ((~ q ) ⇒ (~ p )), uma outra forma de se provar uma afirmação matemática do tipo “se p, então q ” é supor que q é falso e concluir, a partir daí, que p também o é. Ou seja, para provar que “uma hipótese implica uma tese” pode-se demonstrar que a negação da tese implica a negação da hipótese. Por exemplo, para demonstrar que o conjunto vazio é subconjunto de qualquer conjunto (ver seção 1.11), suponhamos que exista um conjunto A tal que ∅ ⊄ A (negação da tese). Daí teríamos que existe um elemento do conjunto ∅ que não pertence ao conjunto A. Porém, a existência de um elemento de ∅ negaria a hipótese (∅ é vazio). Também é fácil provar (ver exercício 1.10) que ( p ⇒ q ) = (( p ∧ (~ q )) ⇒ γ), onde p e q são predicados num conjunto A e γ é uma contradição. Assim, também se pode provar uma afirmação da forma “se p , então q ”, provando-se que a veracidade da hipótese e a negação da tese implicam uma contradição. Isto demonstra que a veracidade da hipótese implica a veracidade da tese.

1.15 Operações com conjuntos

( g (^) ° f )( a ) = g ( f ( a )) = g ( e ) = i ; ( g ° f )( e ) = g ( f ( e )) = g ( i ) = o ; ( g ° f )( i ) = g ( f ( i )) = g ( o ) = o ; ( g ° f )( o ) = g ( f ( o )) = g ( u ) = a ; ( g ° f )( u ) = g ( f ( u )) = g ( a ) = i. Claramente, para todo x ∈ A , ( f (^) ° IA )( x ) = f ( IA ( x )) = f ( x ) e ( IA ° f )( x ) = IA ( f ( x )) = f ( x ), igualdades que mostram que IA ° f = f (^) ° IA = f. Isto prova que a função identidade é o elemento neutro da composição de funções. Observe que, se f , g , h ∈ ℑ( A ), ( f (^) ° ( g (^) ° h ))( x ) = f (( g (^) ° h )( x )) = f ( g ( h ( x ))) e

(( f (^) ° g ) (^) ° h )( x ) = ( f (^) ° g )( h ( x )) = f ( g ( h ( x ))),

o que mostra que a composição de funções é associativa. Observe também que o exemplo anterior mostra que a composição de funções não é comutativa. Se A e B são dois conjuntos representa-se por ℑ( A , B ) o conjunto das funções de A em B. Se C é um terceiro conjunto, a operação composição de funções pode ser “generalizada” para se associar a um par de funções ( g , f ) ∈ ℑ( A , B )x ℑ( B , C ) uma função de ℑ( A , C ). Se g é uma função de A em B e f é uma função de B em C , a composta das funções f e g é a função f (^) ° g de A em C definida por ( f (^) ° g )( x ) = f ( g ( x )). Observe que esta definição não atende plenamente o conceito de operação num conjunto dada na seção 1.9, o que justifica as aspas utilizadas na palavra generalizada acima. De fato, f e g são elementos de dois conjuntos distintos e f (^) ° g é elemento de um terceiro conjunto. Observe também que se A , B , C e D são conjuntos e f , g e h são funções dos conjuntos ℑ( A , B ), ℑ( B , C ) e ℑ( C , D ), respectivamente, temos ( f (^) ° g ) (^) ° h = f (^) ° ( g (^) ° h ), o que pode ser provado da mesma forma que se provou a associatividade da composição de funções.

1.17 Funções inversíveis

Seja # uma operação num conjunto A que possui um elemento neutro e. Dizemos que um elemento x de A tem simétrico se existe um elemento y ∈ A tal que x # y = y # x = e. Suponhamos que a operação # seja associativa e que y' e y'' sejam simétricos de x. Temos y' = y' # e ( e é elemento neutro) y' = y' # ( x # y'' ) ( y'' é simétrico de x e, portanto, x # y'' = e ) y' = ( y' # x ) # y'' ( # é associativa) y' = e # y ” ( y' é simétrico de x , e, portanto, y' # x = e ) y' = y ” ( e é elemento neutro) Assim, se um elemento x tem simétrico em relação a uma operação associativa, este simétrico é único. Para algumas operações, o simétrico do elemento x continua sendo chamado simétrico de x e é representado por -x. Para outras operações, o simétrico é dito inverso de x , caso em que é representado por x -1. Como vimos na seção anterior, a composição de funções definida em ℑ( A ) tem elemento neutro IA. Vamos discutir em que condições uma função f de ℑ (A) possui simétrico em relação à composição. Ou seja, vamos discutir as condições em que dada uma função f de ℑ (A) existe uma função g de ℑ (A) tal que f (^) ° g = g (^) ° f = IA. Como a composição de funções é associativa, quando esta função g existe ela é única e chamada inversa da função f, sendo representada por f -1. Nesse caso, dizemos que f é inversível.

Por exemplo, se A é o conjunto das vogais, a função f ∈ ℑ( A ), f = {( a , e ), ( e , i ), ( i , o ), ( o , u ), ( u , a )} é inversível e f -1^ = {( e , a ), ( i , e ), ( o , i ), ( u , o ), ( a , u )}. De fato,

( f (^) ° f -1 )( a ) = f ( f -1 ( a ))= f ( u ) = a , ( f (^) ° f -1 )( e ) = f ( f -1 ( e )) = f ( a ) = e , ( f (^) ° f -1 )( i ) = f ( f -1 ( i )) = f ( e ) = i , ( f (^) ° f -1 )( o ) = f ( f -1 ( o )) = f ( i ) = o , ( f (^) ° f -1 )( u ) = f ( f -1 ( u )) = f ( o ) = u ,

o que mostra que f (^) ° f -1^ = IA. Como também (o que é muito fácil verificar) f -1^ ° f = IA , temos que f é inversível. Por seu turno, a função g de ℑ( A ), g = {( a , u ), ( e , u ), ( i , u ), ( o , u ), ( u , u )} não é inversível pois para que ( g -1^ ° g )( a ) = a e ( g -1^ ° g )( e ) = e dever-se-ia ter g -1( u ) = a e g -1( u ) = e e g -1^ não seria uma função. O conceito de inversibilidade de função pode ser facilmente generalizado para as funções do conjunto ℑ( A , B ), dados dois conjuntos A e B. Dizemos que uma função f ∈ ℑ( A , B ) é inversível se existe uma função g ∈ ℑ( B , A ) tal que f (^) ° g = IB e g (^) ° f = IA. Neste caso, e como acima, diz-se que g é a função inversa de A e indica-se g por f -. Por exemplo, se A é o conjunto das vogais e B = { b , c , d , f , g }, a função f = {( a , b ), ( e , c ), ( i , d ), (o, f ), ( u , g )} é claramente inversível e f -1^ = {( b , a ), ( c , e ), ( d , i ), ( f , o), ( g , u )}. Observe que f ∈ ℑ( A , B ) é inversível, então f -1^ é única. De fato, se g 1 e g 2 são inversas de f temos g 1 = IA ° g 1 = ( g 2 ° f ) (^) ° g 1 = g 2 ° ( f (^) ° g 1 ) = g 2 ° IB = g 2 , onde utilizamos a observação do final da seção anterior e as igualdades f (^) ° g 1 = IB e g (^2) ° f = IA decorrentes da hipótese de que g 1 e g 2 eram inversas de f. Além de f –1^ ser única ela também é inversível pois, sendo f (^) ° f -1^ = IB e f -1^ ° f = IA , temos que ( f -1)-1^ = f. Nos exemplos apresentados, concluímos a inversibilidade ou não de uma função procurando a sua função inversa. Vamos mostrar uma forma de analisar a inversibilidade de uma função sem nos preocuparmos com a inversa (na maioria das vezes, além de precisarmos apenas saber se a função é inversível, a determinação da inversa de uma função não é tarefa simples). Para isso, necessitamos de algumas definições. Uma função f ∈ ℑ( A , B ) é dita injetiva (ou injetora ou uma injeção ) se x 1 ≠ x 2 implicar f ( x 1 ) ≠ f ( x 2 ). Em outros termos, numa função injetiva objetos diferentes têm sempre imagens diferentes. Ou ainda, numa função injetiva de ℑ( A , B ) não existe elemento de B que seja imagem de dois objetos distintos. Portanto, se f é injetiva e f ( x 1 ) = f (x 2 ), então x 1 = x 2 , o que é uma outra forma de se caracterizar a injetividade. Por exemplo, se A é o conjunto das vogais e B = { b , c , d , f , g }, a função f = {( a , b ), ( e , c ), ( i , d ), (o, f ), ( u , g )} é claramente injetiva enquanto que a função g = {( a , b ), ( e , b ) , ( i , d ), ( o , d ), ( u , g )} não o é, pois g ( a ) = g ( e ). Obviamente, se g é uma restrição de f ∈ ℑ( A , B ) a um subconjunto de A e f é injetora, então g também é injetora. Uma função f ∈ ℑ( A , B ) é dita sobrejetiva (ou sobrejetora ou sobre ou, ainda, uma sobrejeção ) se f ( A ) = B. Em outros termos, uma função é sobrejetiva se todo elemento do contradomínio é imagem de algum objeto. A função f do exemplo anterior é sobrejetiva enquanto que a função g não o é, pois c ∉ g ( A ). Uma função f ∈ ℑ( A , B ) é dita bijetiva (ou bijetora ou uma bijeção ) se ela é simultaneamente injetora e sobrejetora. Uma propriedade das funções bijetivas que será útil posteriormente é a seguinte: Sejam X e Y dois conjuntos, a um elemento de X e b um elemento de Y. Se existir uma função bijetiva f de X em Y , com b ≠ f ( a ), então existe uma função bijetiva g de X em Y tal que g ( a ) = b.