1. Funktionen und Abbildungen

Dies ist der Einstieg in die Differentialrechnung für Funktionen .

1.1 Zahlbereiche

Zur Erinnerung/Wiederholung die verschachtelten Zahlbereiche, die im Folgenden ständig gebraucht werden:

Es gilt die Inklusionskette .


1.2 Abbildungen / Funktionen

Definition: Abbildung

Eine Abbildung / Funktion aus in ist eindeutig definiert durch:

  1. Angabe einer Menge , dem Definitionsbereich von
  2. eine eindeutige Vorschrift, die jedem Element genau ein zuordnet

Schreibweisen:

Symbol

“wird zugeordnet”

Sprechweisen

  • : Argument von (unabhängige Variable)
  • : abhängige Variable
  • : Funktionswert von an der Stelle , auch Bild von an der Stelle genannt

Bezeichnungen

Graph einer Funktion

Wertebereich

Nullstelle

Ein Argument mit .

Wichtige Unterscheidung

Der Definitionsbereich ist, wo man einsetzen darf; der Wertebereich ist, was tatsächlich als Ergebnis herauskommt. ist oft eine echte Teilmenge von , selbst wenn ist (siehe Beispiel 5 unten, Betragsfunktion).


1.3 Beispiele

Beispiel 1: Identische Abbildung

y=x

Beispiel 2: Gebrochen-rationale Funktion mit Definitionsbereichs-Einschränkung

Der maximale Definitionsbereich (dort, wo der Nenner nicht null wird):

Schränkt man den Definitionsbereich künstlich ein (Annahme ):

y=\frac{x}{x^{2}-1}
 
y=\frac{x}{x^{2}-1}|x\geq3|red

Lerneffekt

Dieses Beispiel zeigt: Derselbe Funktionsterm kann je nach gewähltem Definitionsbereich einen völlig anderen Wertebereich liefern. und zusammen legen fest — nicht allein.

Beispiel 3: Floor-Funktion (Abrundungsfunktion)

Beispiele:

Fallstrick bei negativen Zahlen

, nicht ! “Abrunden” heißt immer “zur nächstkleineren ganzen Zahl”, nicht “Nachkommastellen abschneiden” — bei negativen Zahlen ist das ein Unterschied.

y=\operatorname{floor}(x)

Beispiel 4: Ceiling-Funktion (Aufrundungsfunktion)

y=\operatorname{ceil}(x)

Beispiel 5: Betragsfunktion


1.4 Arithmetische Operationen für Funktionen

Sind Funktionen mit demselben Definitionsbereich , lassen sich daraus neue Funktionen konstruieren:

Summe / Differenz

jeweils für alle .

Produkt

Quotient

für alle .

Definitionsbereich beachten

Beim Quotienten muss der Definitionsbereich auf eingeschränkt werden — überall dort, wo eine Nullstelle hat, ist der Quotient nicht definiert (vgl. Beispiel 2 oben).

Vielfache

Für :

Nullfunktion

Regeln:


1.5 Spezielle Funktionsklassen

Polynomabbildungen

Definition: Polynomfunktion

Eine Abbildung mit heißt Polynomfunktion vom Grad n, falls . Die Werte heißen Koeffizienten des Polynoms .

Spezialfälle:

  1. Nullpolynom: für alle (alle Koeffizienten sind 0), Grad (Konvention)
  2. Konstantes Polynom: für ein , Grad
  3. (Affin) lineares Polynom: mit , Grad

Satz (ohne Beweis, folgt später)

Ein Polynom vom Grad über hat höchstens Nullstellen.

Exponentialfunktionen

Definition: Allgemeine Exponentialfunktion

Eine Abbildung mit heißt allgemeine Exponentialfunktion.

Satz (Basiswechsel)

Sind reelle Zahlen, so gilt für alle :

Praktische Konsequenz

Jede Exponentialfunktion lässt sich auf die Basis zurückführen. Tatsächlich definiert man in der Analysis zuerst und (über Potenzreihen bzw. als Umkehrfunktion), und dann erst: Das ist der Grund, warum in der Analysis und die “fundamentalen” Funktionen sind, aus denen alle anderen Exponential- und Logarithmusfunktionen abgeleitet werden.

Weitere Funktionsklassen

  • Rationale Funktionen: , wobei Polynome sind (vgl. Beispiel 2 oben, ).
  • Logarithmusfunktionen:
  • Trigonometrische Funktionen: , , ,

Diese Funktionsklassen bilden den “Werkzeugkasten”, mit dem später in der Differential- und Integralrechnung gearbeitet wird.