限制 (數學)

Template:Sidebar 在数学中，映射的限制 $f$ 是一个新的映射，记作 $f{|}_A$ 或者 $f{\upharpoonright }_A$ ，它是通过为原来的映射 $f$ 选择一个更小的定义域 $A$ 来得到的。反过来，也称映射 $f$ 是映射 $f{|}_A$ 的扩张。

正式定义

设 $f:E\to F$ 是一个集合 $E$ 到集合 $F$ 的映射。如果 $A$ 是 $E$ 的子集，那么称满足$$\mathrm{\forall }x\in A,{f|}_A(x)=f(x)$$的映射 $${f|}_A:A\to F$$ 是映射 $f$ 在 $A$ 上的限制。不正式地说， ${f|}_A$ 是和 $f$ 相同的映射，但只定义在 $A$ 上。

如果将映射 $f$ 看作一种在笛卡尔积 $E\times F$ 上的关系 $(x,f(x))$ ，然后 $f$ 在 $A$ 上的限制可以用它的图像来表示：

$G({f|}_A)=\{(x,f(x))\in G(f):x\in A\}=G(f)\cap (A\times F),$

其中 $(x,f(x))$ 表示图像 $G$ 中的有序对。

扩张

映射 $F$ 称为另一映射的 $f$ 的扩张，当且仅当 $F{|}_{\mathrm{Dom}(f)}=f$ 。也就是说同时满足下面两个条件：

1. 属于 $f$ 之定义域的 $x$ 必然也在 $F$ 的定义域中，即 $\mathrm{Dom}(f)\subseteq \mathrm{Dom}(F)$ ；
2. $f$ 和 $F$ 在它们共同的定义域上的行为相同，即$\mathrm{\forall }x\in \mathrm{Dom}(f),f(x)=F(x)$ 。

具有特定性质的扩张

数学上经常需要将一个具有指定性质的映射的定义域扩大，并要求扩张后的结果仍具有该性质，但扩张后。如寻找一个线性映射 $f$ 的扩张映射 $F$ ，且 $F$ 仍是线性的，这时说 $F$ 是 $f$ 的一个Template:Visible anchor，或者说；寻找一个连续映射 $f$ 的扩张映射 $F$ ，且 $F$ 仍连续，则称为进行了Template:Visible anchor；诸如此类。

具有特定性质的扩张可能是唯一的，这时则不必给出扩张映射 $F$ 的详细定义，如稠密子集到豪斯多夫空间的映射的连续扩张。

例子

1. 非单射函数 $f:ℝ\to ℝ:x\mapsto x^2$ 在域${ℝ}_{+}=[0,\mathrm{\infty })$ 上的限制是$f:{ℝ}_{+}\to ℝ,x\mapsto x^2$ ，而这是一个单射。
2. 将Γ函数限制在正整数集上，并将变量平移 $1$ ，就得到阶乘函数： ${\mathrm{\Gamma }|}_{{\mathbb{Z}}^{+}}(n)=(n-1)!$ 。

限制的性质

• 映射 $f:X\to Y$ 在其整个定义域 $X$ 上的限制即是原函数，即 $f{|}_X=f$ 。
• 对一个映射在限制两次与限制一次效果相同，只要最终的定义域一样。也就是说，若 $A\subseteq B\subseteq \mathrm{Dom}(f)$ ，则 $\left(f{|}_B\right){|}_A=f{|}_A$ 。
• 集合 $X$ 上的恒等映射在集合 $A$ 上的限制即是 $A$ 到 $X$ 的包含映射。
• 连续函数的限制是连续的。

應用

反函數

定义域为 $ℝ$ 的函数 $x^2$ 没有反函数。若考虑 $x^2$ 到非负实数的限制，则它有一个反函数，称为平方根 $x$ 。

若某函數存在反函數，其映射必為單射。若映射 $f$ 非單射，可以限制其定義域以定義其一部分的反函數。如：

　　$f(x)=x^2$

因為 $x^2=(-x{)}^2$，故非單射。但若將定義域限制到 $x\ge 0$ 時該映射為單射，此時有反函數

　　$f^{-1}(y)=\sqrt{y}$

（若限制定義域至 $x\le 0$，輸出 $y$ 的負平方根的函數為反函數。）另外，若允許反函數為多值函数，則無需限制原函數的定義域。

粘接引理

點集拓撲學中的粘接引理聯繫了函數的連續性與限制函數的連續性。

設拓撲空間 $A$ 的子集 $X,Y$ 同時為開或閉，且滿足 $A=X\cup Y$，設 $B$ 為拓撲空間。若映射 $f:A\to B$ 到 $X$ 及 $Y$ 的限制都連續，則 $f$ 也是連續的。

基於此結論，粘接在拓撲空間中的開或閉集合上定義的兩個連續函數，可以得到一個新的連續函數。

層

Template:Main 層將函數的限制推廣到其他物件的限制。

層論中，拓撲空間$X$的每個開集$U$，有另一個範疇中的物件$F(U)$與之對應，其中要求$F$滿足某些性質。最重要的性質是，若一個開集包含另一個開集，則對應的兩個物件之間有限制態射，即若$V\subseteq U$，則有態射${\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}_{V,U}:F(U)\to F(V)$，且該些態射應仿照函數的限制，滿足下列條件：

1. 對$X$的每個開集$U$，限制態射${\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}_{U,U}:F(U)\to F(U)$為$F(U)$上的恆等態射。
2. 若有三個開集$W\subseteq V\subseteq U$，則複合${\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}_{W,V}\circ {\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}_{V,U}={\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}_{W,U}$。
3. （局部性）若$(U_i)$為某個開集$U$的開覆蓋，且$s,t\in F(U)$滿足：對所有$i$，$s{\upharpoonright }_{U_i}=t{\upharpoonright }_{U_i}$，則$s=t$。
4. （黏合) 若$(U_i)$為某個開集$U$的開覆蓋，且對每個$i$，給定截面$s_i\in F(U_i)$，使得對任意兩個$i,j$，都有$s_i,s_j$在定義域重疊部分重合（即$s_i{\upharpoonright }_{U_i\cap U_j}=s_j{\upharpoonright }_{U_i\cap U_j}$），則存在截面$s\in F(U)$使得對所有$i$，$s{\upharpoonright }_{U_i}=s_i$。

所謂拓撲空間$X$上的層，就是該些物件$F(U)$和態射${\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s}}_{V,U}$組成的整體$(F,\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{s})$。若僅滿足前兩項條件，則稱為預層。