Lektion 4.5

Funktionen

15 min Lesezeit

Funktionen sind überall in der Mathematik. Sie ordnen jedem Element einer Menge genau ein Element einer anderen Menge zu.

In der Schule hast du Funktionen wie f(x)=x2f(x) = x^2 kennengelernt. Aber was genau ist eine Funktion?

Mengentheoretisch ist eine Funktion eine spezielle Relation!

Definition

Funktion

Eine Funktion f:A→Bf: A \to B ist eine Relation f⊆A×Bf \subseteq A \times B mit zwei Eigenschaften:

1. Jedes Element aus AA hat ein Bild (Totalität)
2. Jedes Element aus AA hat genau ein Bild (Eindeutigkeit)

Wir schreiben f(a)=bf(a) = b für das eindeutige bb mit (a,b)∈f(a, b) \in f.

AA heißt Definitionsbereich, BB heißt Zielbereich.

f:A→B,a↦f(a)f: A \to B, \quad a \mapsto f(a)
Definition

Injektivität

Eine Funktion f:A→Bf: A \to B heißt injektiv, wenn verschiedene Elemente verschiedene Bilder haben:

Wenn f(a1)=f(a2)f(a_1) = f(a_2), dann a1=a2a_1 = a_2.

Injektiv bedeutet: Kein Bild wird doppelt getroffen.

Beispiel: f(x)=2xf(x) = 2x ist injektiv.
Gegenbeispiel: f(x)=x2f(x) = x^2 ist nicht injektiv (f(−1)=f(1)=1f(-1) = f(1) = 1).

injektiv: f(a1)=f(a2)⇒a1=a2\text{injektiv: } f(a_1) = f(a_2) \Rightarrow a_1 = a_2
Definition

Surjektivität

Eine Funktion f:A→Bf: A \to B heißt surjektiv, wenn jedes Element des Zielbereichs getroffen wird:

Für jedes b∈Bb \in B gibt es ein a∈Aa \in A mit f(a)=bf(a) = b.

Surjektiv bedeutet: Jedes mögliche Bild wird auch erreicht.

Beispiel: f:R→R,f(x)=x3f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}, f(x) = x^3 ist surjektiv.
Gegenbeispiel: f:R→R,f(x)=x2f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}, f(x) = x^2 ist nicht surjektiv (negative Zahlen werden nicht getroffen).

surjektiv: ∀b∈B:∃a∈A:f(a)=b\text{surjektiv: } \forall b \in B: \exists a \in A: f(a) = b
Definition

Bijektivität

Eine Funktion f:A→Bf: A \to B heißt bijektiv, wenn sie sowohl injektiv als auch surjektiv ist.

Bijektiv bedeutet: Jedes Element des Zielbereichs hat genau ein Urbild.

Eine bijektive Funktion hat eine Umkehrfunktion f−1:B→Af^{-1}: B \to A.

Beispiel: f:R→R,f(x)=2x+1f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}, f(x) = 2x + 1 ist bijektiv.

bijektiv⇔injektiv und surjektiv\text{bijektiv} \Leftrightarrow \text{injektiv und surjektiv}
Graph der Funktion f(x) = x²

Auf der waagerechten Achse steht die Eingabe x, auf der senkrechten das Bild f(x). Die Funktion ist nicht injektiv: Die Eingaben −2 und 2 haben dasselbe Bild 4.

Zusammenfassung

  • Eine Funktion ordnet jedem Element genau ein Bild zu

  • Injektiv: Verschiedene Elemente haben verschiedene Bilder

  • Surjektiv: Jedes Element des Zielbereichs wird getroffen

  • Bijektiv = injektiv + surjektiv (hat Umkehrfunktion)

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Die Funktion f:R→R0+,f(x)=x2f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}_0^+, f(x) = x^2 ist...