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Funktionen

Linus Haertel·09.05.2023

Funktionen sind eins der wichtigsten Themen in der Mathematik. Sie kommen aber nicht nur im Schulunterricht vor, sondern werden auch nahezu überall in der Realität genutzt und werden dir mit Sicherheit auch außerhalb der Schule noch häufig über den Weg laufen. Gerade deshalb ist es super wichtig zu verstehen, was Funktionen überhaupt sind und wie man mit ihnen umgeht.

In diesem Artikel werden wir dich in die große Welt der Funktionen hineinführen und dir ganz ausführlich zeigen, was du dir unter einer Funktion vorstellen kannst.

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Funktionen - Was ist das überhaupt?

Lass uns direkt mit der Definition einer Funktion starten. Diese mag im ersten Moment vielleicht mehr verwirren als erklären, aber keine Sorge wir werden sie Schritt für Schritt erklären.

Eine Funktion ff ordnet jedem Element xx seiner Definitionsmenge DD genau ein Element yy seiner Wertemenge WW zu. Wir schreiben: f:DW; xyf:D\rightarrow W;\ x \mapsto y

Okay, wir kennen jetzt also die Definition. Nun lass sie uns verstehen und veranschaulichen.😉 Dazu konstruieren wir an Hand eines Beispiels eine eigene Funktion.

Funktionen - Ein Beispiel

Um eine Funktion bauen zu können brauchen wir zunächst zwei Mengen: die Definitionsmenge\textbf{Definitionsmenge} und die Wertemenge\textbf{Wertemenge}. Eine Menge kann vieles sein, zum Beispiel eine Zahlenmenge, die Menge der Schüler einer Klasse oder die Menge der Fußballvereine in der 1. Bundesliga. Ganz allgemein wird als Menge eine Sammlung von Objekten bezeichnet. In unserem Beispiel wählen wir als Definitionsmenge D={6,8,10,12,14,16,18}\textbf{Definitionsmenge} \ D=\lbrace 6, 8,10,12,14, 16, 18 \rbrace, die Menge der Uhrzeiten zwischen 6 und 18 Uhr im Zweistundenabstand:

Definitionsmenge

Die Sammlung aller dieser Uhrzeiten ist unsere Definitionsmenge. Jede einzelne Uhrzeit ist ein Element\textbf{Element} aus der Definitionsmenge. Um diese Beziehung deutlich zu machen, schreibt man häufig xDx \in D. Das Zeichen \in kann mit “ist Element aus” übersetzt werden.

Um eine Funktion aufstellen zu können, benötigen wir noch eine zweite Menge: die Wertemenge\textbf{Wertemenge}. In unserem Beispiel wählen wir als Wertemenge W={1,2,3,4}W= \lbrace 1,2,3,4 \rbrace die Menge der Mitarbeiteranzahlen im Mathekönig-Büro:

Wertemenge

Die Sammlung der Mitarbeiteranzahlen ist unsere Wertemenge. Jede einzelne Mitarbeiteranzahl ist ein Element\textbf{Element} aus der Wertemenge. Um diese Beziehung zu verdeutlichen, schreibt man yWy \in W.

Wir haben nun also die zwei Mengen, die wir benötigen um eine Funktion auf zu stellen. Eine Funktion ist nun eine Vorschrift, die jedem Element xx aus der Definitionsmenge, genau ein Element yy aus der Wertemenge zuordnet. Wir wollen also jeder Uhrzeit eine eindeutige Anzahl von Mitarbeitern im Mathekönig-Büro zuordnen. Mathematisch kann man dies mit dem Zuordnungspfeil\textbf{Zuordnungspfeil}\mapsto” darstellen: UhrzeitMitarbeiteranzahl\textit{Uhrzeit} \mapsto \textit{Mitarbeiteranzahl}.
Ganz wichtig dabei ist, dass die Zuordnung wirklich eindeutig\textbf{eindeutig} ist. Warum werden wir später sehen. 😀

In unserem Beispiel haben wir aus internen Auswertungen folgende Informationen gesammelt:

Uhrzeit Mitarbeiter im Mathekönig-Büro
6:001
8:003
10:004
12:002
14:003
16:001
18:000

Diese Informationen sind genau, was wir brauchen! Wir wissen nun genau, wie viele Mitarbeiter zu der jeweiligen Uhrzeit im Büro waren. Nun können wir alles miteinander Verknüpfen:

Definitionsmenge, Wertemenge und Funktion

Und fertig sind wir! Unsere Funktion wurde im Prinzip bereits durch die Wertetabelle vollständig dargestellt. Aber wir haben sie nun noch einmal visuell aufbereitet. Der Nutzen unserer Funktion ist klar: Wissen wir wie spät es ist, sagt uns unsere Funktion durch die eindeutige Zuordnung direkt, wie viele Mitarbeiter momentan im Mathekönig-Büro sind. Dies kann man wie folgt notieren:

f(6)=1f(8)=3f(10)=4f(12)=2f(14)=3f(16)=1f(18)=0 \begin{aligned} f(6) = 1\\ f(8) =3\\ f(10) = 4\\ f(12) = 2 \\ f(14) = 3\\ f(16) = 1\\ f(18) = 0 \end{aligned}

Andersherum ist es nicht ganz so leicht. Versuchen wir mit den gleichen Informationen aus der Wertetabelle die Beziehung von Mitarbeiteranzahl zu Uhrzeit zu veranschaulichen, also MitarbeiteranzahlUhrzeit\textit{Mitarbeiteranzahl} \mapsto \textit{Uhrzeit}, wird klar warum eine eindeutige Zuordnung für eine Funktion notwendig ist:

Keine Funktion

Wir tauschen nun quasi Definitions- und Wertemenge. Da wir jeder Mitarbeiteranzahl eine Uhrzeit zuweisen wollen, ist die Sammlung der Mitarbeiteranzahlen unsere neue Definitionsmenge und die Sammlung der Uhrzeiten unsere Wertemenge. Aus der Wertetabelle wird jedoch klar, dass wir eben nicht jeder Mitarbeiteranzahl eine eindeutige Uhrzeit zuordnen können. Sind beispielsweise gerade 3 Mitarbeiter im Mathekönig-Büro, so kann es entweder 8 Uhr oder 14 Uhr sein. Man weiß es nicht! Genauso reicht die Information, dass nur ein Mitarbeiter im Büro ist nicht aus um die Uhrzeit zu bestimmen. Es könnte 6 Uhr oder 16 Uhr sein. Die Zuordnung ist also bei weitem nicht so aussagekräftig. Daher ist dies keine\underline{\textrm{keine}} Funktion, sondern lediglich eine Zuordnung.

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