Funktion: mengentheoretische Auffassung

Übersicht

Die Untersuchung der kulturhistorischen Entstehung und Entwicklung des Funktionsbegriffs zeigt, wie sich aus ersten Ansätzen bei babylonischen Tabellen, bei der Erfindung von Notentexten, bei der Untersuchung und Darstellung zeitabhängiger Größen, bei freihändig gezeichneten „Kurven“, bei „analytischen Ausdrücken“ (als Termen) und bei graphischen und tabellarischen Darstellungen empirisch gewonnener Daten im 19. Jh. ein „termfreier“ Funktionsbegriff als „eindeutige Zuordnung“ entwickelt hat, der schließlich Anfang des 20. Jhs. auf der Grundlage der zuvor durch Georg Cantor begründeten Mengenlehre unter Bezug auf „geordnete Paare“ seine formal strenge und saubere Fassung als spezielle Relation erhalten hat. [1]

Grundlegende Definitionen

Unter Bezug auf den mit „binäre Relation“ bezeichneten Begriff lässt sich „Funktion“ knapp und elegant definieren, wobei hier statt „binäre Relation“ kurz „Relation“ gesagt wird: [2]

Definition Anmerkungen
Funktion“ ist eine Kurzbezeichnung für „rechtseindeutige Relation“.

• „Abbildung“ ist meist ein Synonym für „Funktion“, z. T. bevorzugt in Geometrie und Linearer Algebra verwendet.
• „Operator“ und „Funktional“ bezeichnen jeweils Funktionen in speziellen Kontexten.

Die Schreib- bzw. Sprechweisen „  ist eine Funktion“ und „  ist eine rechtseindeutige Relation“ sind also gemäß dieser Definition gleichbedeutend. Ihr liegt Folgendes zugrunde:

 
Pfeildiagramme von zwei Relationen:
links: die Relation ist nicht rechtseindeutig;
rechts: die Relation ist rechtseindeutig, sie zeigt eine
Funktion“ als rechtseindeutige Relation.
Nur die Relation rechts ist auch linkseindeutig.
vorausgehende Definitionen Erläuterungen
Voraussetzung: Es sei   eine (binäre) Relation,  . Dann gilt:   ist also eine Menge von geordneten Paaren, z. B.  
mit der nicht leeren „Ausgangsmenge“   und der nicht leeren „Zielmenge“  .

(Man kann ggf. auch „leere Relationen“ und damit auch „leere Funktionen“ betrachten.)

(1)   ist genau dann rechtseindeutig, wenn für alle   gilt:
aus   folgt stets  .
Jedem Element aus der Ausgangsmenge   wird höchstens ein Element aus der Zielmenge   zugeordnet.

Das heißt: Die Zuordnung verläuft von links nach rechts eindeutig.

(2)   ist genau dann linkseindeutig, wenn für alle   gilt:
aus   folgt stets  .
Jedes Element aus der Zielmenge   ist höchstens einem Element aus der Ausgangsmenge   zugeordnet.

Das heißt: Die inverse Zuordnung verläuft von rechts nach links eindeutig.

(3)   ist genau dann injektiv, wenn   sowohl rechtseindeutig als auch linkseindeutig ist. Die Zuordnung verläuft in beiden Richtungen eindeutig.

Gleichbedeutend mit „injektiv“ ist „eineindeutig“.

Weitergehende Definitionen und Bezeichnungen

übliche Bezeichnungen bzw. symbolische Darstellungen Erläuterungen
  sei eine (nicht leere) Funktion und   mit nicht leeren Mengen   und  . (generelle Voraussetzung für das Folgende)
Es sei   und  . Falls von   ein (und damit genau ein) Zuordnungspfeil nach   verläuft, dann wird notiert:   gelesen: „dem   wird das   zugeordnet“

oder: „das   wird dem   zugeordnet“
oder: „aus   wird  “,
aber nicht: „  wird zugeordnet  “ (weil dann nicht klar ist, wer wem zugeordnet wird).

Es sei   und  . Falls   bezüglich der Funktion   gilt, dann ist:     heißt dann Funktionswert von „  bezüglich  , gelesen: „f von x“.

  muss nicht als Term darstellbar sein. [3]

  es gibt ein   mit   Definitionsmenge von  , auch „Definitionsbereich“; es ist  .

  ist Argument von  .

  es gibt ein   mit   Wertemenge von  , auch „Wertebereich“, es ist  .
Falls  , dann wird notiert:   gelesen: „  ist eine Funktion von   in  “.

Die Zuordnungspfeile   und   sind streng zu unterscheiden, denn z. B. gilt:
  bedeutet: Dem Element   wird eines der beiden Elemente   oder   zugeordnet.
  bedeutet: Der Menge   wird die Menge   zugeordnet.

Falls   und  , dann heißt   surjektiv. Man sagt dann: „  ist eine Funktion von   auf  
Falls   surjektiv und injektiv ist, dann heißt   bijektiv.   ist dann eine Bijektion.
Eine beliebige Bijektion einer Menge   auf sich selber ist eine Transformation von  . Automorphismen (z. B. in Algebra und Geometrie) sind stets strukturerhaltende Transformationen.
Eine beliebige Transformation einer endlichen Menge   ist eine Permutation . Umordnungen der Elemente einer endlichen Menge sind stets Permutationen.
 
  heißt Graph von   (oder einfach Funktionsgraph). Es gilt  .

• Ein „Operator“ ist ebenfalls eine Funktion, in der höheren Mathematik meist von einem Vektorraum in einen Vektorraum, im Mathematikunterricht z. B. beim Aspekt „Bruch als Operator“.

• Ein „Funktional“ ist ein Operator von einem „Funktionenraum“ in   oder   (z. B. „bestimmtes Integral“). [4]

Didaktische Vertiefung

Funktionsdefinition

  • Ein wesentlicher Aspekt beim Funktionsbegriff ist die eindeutige Zuordnung, die mit „rechtseindeutig“ erfasst werden kann, ohne schon   es gibt ein   mit   mit voraussetzen zu müssen.
  • Wenn die Ausgangsmenge mit dem Definitionsbereich übereinstimmt, wenn also   es gibt ein   mit   gilt, wird jedem Element der Ausgangsmenge genau ein Element der Zielmenge zugeordnet, so dass also   gilt. Es bietet sich für den Mathematikunterricht an, mit dieser engeren Sichtweise zu beginnen (und ggf. dabei zu bleiben).
  • Der Aspekt der eindeutigen Zuordnung liegt in zweispaltigen Tabellen automatisch vor, wenn sich in der „Eingangsspalte“ (links) kein Element wiederholt. Damit kann eine „Funktion“ alternativ von Anbeginn an auch mit einer solchen Tabelle identifiziert werden, dieses in Übereinstimmung mit der Auffassung der Numeriker und ganz in der kulturhistorischen Tradition der Mathematik von den Babyloniern bis Du Bois-Reymond (s. o.).
  • Die symbolische Darstellung „ “ ist eine Mitteilung über eine Funktion   (genauer: eine Aussageform) und bedeutet definitionsgemäß und ist auch so zu lesen: „  ist eine Funktion von   in  “. Damit ist es sprachlich nicht korrekt,   eine „Funktion“ zu nennen, sondern korrekt wäre z. B. entweder „die Funktion   von   in  “ oder „die Funktion   mit der Eigenschaft  “.
  • Es ist zu beachten, dass bei Funktionen der mit dem Symbol   bezeichnete „Funktionswert“ (ganz im Sinne der kulturhistorischen Tradition) nicht notwendig ein Term sein muss, so dass man hier besser nicht immer von einem „Funktionsterm“ sprechen sollte. Ganz anders ist die Situation bei Funktionenplottern, die nur die Darstellung termdefinierter Funktionen ermöglichen können.
  • Offensichtlich kann man nicht termdefinierbare Funktionen mit „überschaubar“ endlichem Definitionsbereich durch eine Tabelle „darstellen“ (also konkret erzeugen), und man kann sich dann sogar jede (auch nicht termdefinierte) Funktion mit endlichem Definitionsbereich als Tabelle zumindest „vorstellen“. Diese „Vorstellung“ von „Funktion als Tabelle“ gilt dann offenbar auch für jede termdefinierbare Funktion mit abzählbarem Definitionsbereich (genannt „Folge“), und wir können das gedanklich auch auf nicht termdefinierte Folgen fortsetzen, wie etwa folgendes Beispiel zeigt: Es sei   für alle natürlichen Zahlen   die  -te Dezimalstelle von  , also  ,  ,   ..., dann lässt sich dies mit einer (gedachten!) unendlichen Tabelle erfassen und so also auch „vorstellen.“
  • Nur dann, wenn   gilt und   für alle betrachteten   ein Term ist, kann man also „ “ eine Funktionsgleichung nennen.

Funktionsgraph

  • Die übliche o. g. Definition des Funktionsgraphen gemäß   resultiert aus dem Wunsch der Darstellung der Wertepaare   durch Punkte in einem Koordinatensystem, wobei diese Wertepaare   nicht notwendig numerischer Art sein müssen. Wenn nun aber eine Funktion formal streng als spezielle Relation definiert wird und eine Relation ja gerade eine Menge geordneter Paare ist, so erhalten wir  .
  • Konsequenz: Es gibt in formaler Hinsicht keinen Unterschied zwischen „Funktion“ und „Funktionsgraph“, wenn man beide so wie oben mengentheoretisch definiert. Das hat zur weiteren Konsequenz, dass der „Funktionsgraph“ bereits eine Funktion ist und man in der Tat beispielsweise eine „Parabel als quadratische Funktion“ auffassen kann. [5] Auch der von einem Funktionenplotter erzeugte Funktionsplot kann damit als eine „Funktion“ aufgefasst werden. [6]

Fazit

Diese Betrachtungen führen zunächst zu einer „Weite“ des mit „Funktion“ bezeichneten Begriffs und leiten über zu den „vielen Gesichtern von Funktionen“. [7]
Aber: Zugleich ist anzumerken, dass die mengentheoretische Auffassung von „Funktion als rechtseindeutiger Relation“ auf höherem Niveau beweistechnisch sehr gute Möglichkeiten eröffnet und dass auch auf „elementarem“ Niveau (und damit im Mathematikunterricht) in „sauberer“ Sprech- und Schreibweise möglichst unterschieden werden sollte zwischen:

  • die Funktion  
  • der Funktionswert  
  • die graphische (visualisierende) Darstellung von   durch ein Schaubild von   (meist ungenau „Funktionsgraph“ genannt).

Dieser hier scheinbar immanent vorliegende Widerspruch gründet sich auf die kontextabhängigen „vielen Gesichter von Funktionen“, und er kann und sollte bei strengem Vorgehen durchaus vermieden werden. Bei der jedoch faktisch vorliegenden Vielfalt dessen, was Anwender jeweils unter „Funktion“ verstehen, ist es sinnvoll, flexibel mit diesen „Gesichtern“ umgehen zu können. Das betrifft beispielsweise auch die oft so genannten „Funktionen mehrerer Veränderlicher“, die im folgenden Abschnitt definiert werden.

Mehrstellige Funktionen

Definition:

Es sei   (also  ), ferner seien   nicht leere Mengen, und es sei  .
Dann ist   eine  -stellige Funktion.

  • Insbesondere ist dann   für   eine einstellige Funktion.
  • Mit     gilt also für den zugehörigen Funktionswert     (wobei     eine sinnvolle Abkürzung für     ist).
  • Mehrstellige Funktionen pflegt man heute wieder wie früher oft „Funktionen mehrerer Veränderlicher“ zu nennen (für   entsprechend „Funktion einer Veränderlichen“. Das ist streng genommen nicht korrekt, weil ja nicht die Funktion „Veränderliche“ hat; vielmehr sind die Funktionswerte im Falle termdefinierter Funktionen Funktionsterme, die aus den Variablen   aufgebaut sind: Es liegen dann also Funktionsterme in mehreren Veränderlichen (bzw. in mehreren Variablen) vor.
  • Mit      ist    , und damit ist jede  -stellige Funktion zugleich eine  -stellige Relation.

Literatur

  • Deiser, Oliver [2010]: Einführung in die Mengenlehre. Berlin / Heidelberg: Springer (3., korrigierte Auflage; 1. Auflage 2000; 2., korrigierte und erheblich erweiterte Auflage 2004).
  • Felgner, Ulrich [2002]: Der Begriff der Funktion. In: Felix Hausdorff – Gesammelte Werke Band II, Grundzüge der Mengenlehre. New York / Berlin / Heidelberg: Springer, S. 621–633.
  • Herget, Wilfried & Malitte, Elvira & Richter, Karin [2000]: Funktionen haben viele Gesichter – auch im Unterricht! In: Flade, Lothar & Herget, Wilfried (Hrsg.): Mathematik lehren und lernen nach TIMSS – Anregungen für die Sekundarschulen. Berlin: Verlag Volk und Wissen, 2000, 115–124.
  • Hischer, Horst [2012]: Grundlegende Begriffe der Mathematik: Entstehung und Entwicklung. Struktur – Funktion – Zahl. Wiesbaden: Springer Spektrum.
  • — [2016]: Mathematik – Medien – Bildung. Medialitätsbewusstsein als Bildungsziel: Theorie und Beispiele. Wiesbaden: Springer Spektrum.

Anmerkungen

  1. Vgl. hierzu die ausführlichen Betrachtungen in [Hischer 2012, Kapitel 4 und 5].
  2. Auch [Deiser 2010] definiert „Funktion“ als rechtseindeutige Relation.
  3. Vgl. die Anmerkungen zur kulturhistorischen Genese des Funktionsbegriffs bezüglich Fourier und Dirichlet.
  4. Das macht die frühere Bezeichnung „Funktionenfunktion“ für „Funktional“ plausibel.
  5. Vgl. die in der Übersicht erwähnte kulturhistorische Entstehung und Entwicklung des Funktionsbegriffs.
  6. Genauer: Sowohl die erwähnte „Parabel“ als auch die Funktionsplots sind eigentlich „Darstellungen“ einer Funktion, was die Frage aufwirft, worin der Unterschied zwischen einer Darstellung und dem dadurch Dargestellten besteht.
  7. Vgl. [Herget et. al. 2000].


Der Beitrag kann wie folgt zitiert werden:
Horst Hischer (2019): Funktion: mengentheoretische Auffassung. Version vom 11.11.2019. In: madipedia. URL: http://madipedia.de/index.php?title=Funktion:_mengentheoretische_Auffassung&oldid=31342.