4. Függvények fogalma, megadási módjai, tulajdonságai

4.1. Függvények

Legyenek 'A' és 'B' tetszőleges halmazok, ρ⊆AΧB az 'A' és 'B' halmazok közötti reláció. Ekkor a

A ρ relációt hozzárendelésnek nevezzük, ha értelmezési tartománya a teljes A halmaz, azaz Dom(ρ)=A teljesül.

A ρ relációt függvénynek vagy leképezésnek nevezzük, ha
(1) értelmezési tartománya a teljes A halmaz, vagyis ρ hozzárendelés, és
(2) az értelmezési tartomány minden eleméhez az értékkészlet pontosan egy eleme tartozik, vagyis az értelmezési tartomány minden a∈A elemére |{b∈B | ρ(a,b)}|=1 teljesül.

Ha a ρ reláció függvény, akkor megadására a továbbiakban az
f : A→B
jelölést (vagy ha nem okoz félreértést, egyszerűen az f(x) jelölést) fogjuk használni a következő értelemben:

Ha adott az értékkészlet egy b∈B képeleme, akkor az értelmezési tartománynak azokat az a∈A elemeit, amelyekre f(a)=b teljesül, az
    Ab = {a∈A | f(a)=b}
halmazzal adhatjuk meg. Ha a 'b' értéket az 'a' elem egy tulajdonságának tekintjük, akkor azt mondhatjuk, hogy az Ab⊆A halmaz elemei egy adott b∈B tulajdonsággal rendelkeznek. Az információkeresés terminológiáját átvéve az Ab halmazt a 'b' elem forráshalmazának, a halmaz elemeit pedig a 'b' elem forrásainak nevezhetjük.


Például tekintsük a valós számok között (pontosabban a valós számokból képzett ℝΧℝ halmazon) a
    ρ={(x,y) | x∈ℝ, y∈ℝ, x=y}
relációt. Mivel az '=' reláció szimmetrikus és tranzitív, (x,y1)∈ρ és (x,y2)∈ρ ⇒ (y1,x)∈ρ és (x,y2)∈ρ ⇒ (y1,y2)∈ρ ⇒ y1=y2 következik. Tehát a ρ reláció függvény, amit a szokásos módon
    f(x)=y ⇋ ρ(x,y)
vagy egyszerűen
    y=x
formában adhatunk meg. Az f(x)=y valós függvényt lineáris függvénynek nevezzük.


Egy másik példaként emlékezzünk vissza a természetes számok között értelmezett
    σ = {(a,b) | a∈ℕ, b∈ℕ, a|b} ⊆ ℕΧ
oszthatósági relációra. Könnyen ellenőrizhető, hogy sem σ, sem σ−1 nem függvény (pl. egyrészt 2|4 és 2|6, másrészt 3|12 és 4|12 teljesül). Azonban a σ oszthatósági reláció segítségével értelmezhetjük a
    p:ℕΧℕ→{0,1}
logikai függvényt a következőképpen:

p(x,y) { 1 ha x∣y, vagyis (x,y)∈σ
0 ha x∤y, vagyis (x,y)∉σ

A definíció alapján tetszőleges x,y∈ℕ valós számokra σ(x,y) pontosan akkor teljesül, ha p(x,y)=1 teljesül.

Jegyezzük meg, hogy azon (x,y) számpárok halmaza, amelyekre p(x,y)=1, éppen a σ relációt adja meg, azaz
    Ip(x,y)={(x,y)∈ℕΧℕ | p(x,y)=1} = σ
teljesül.

Általánosan is igaz, hogy minden (kétváltozós) relációhoz hozzárendelhetünk egy logikai függvényt, amely pontosan azokra az elempárokra igaz, amelyek relációban vannak egymással.


Harmadik példaként állítsuk elő a 2 hatványaiból álló (1,2,4,8,16,...) végtelen számsorozatot a pozitív természetes számok ℕ+ halmazán értelmezett
    s:ℕ+→ℝ
függvény segítségével, amelyre
    s(n)=2n−1 (n∈ℕ+)
teljesül.

Jegyezzük meg, hogy egy s(n) számsorozatot többnyire az sn ún. "általános elem" segítségével szokás megadni. A példában szereplő sorozatot ennek megfelelően
    sn=2n−1 (n=1,2,...)
módon adhatjuk meg.

Az s(n) számsorozat általános tagját megadhatjuk a megelőző elem segítségével is (ún. rekurzív módon). Ekkor a sorozat első elemét is meg kell adnunk:
    s1=1
    sn=2*sn−1 (n=2,3,...)

Az első pár elem kiszámításával ellenőrizhetjük, hogy a sorozat kétféle megadása ugyanazokat a sorozatelemeket szolgáltatja. (Ha ezt általánosan szeretnénk bizonyítani, azt például teljes indukciós bizonyítással tehetjük meg.)



4.2. Függvények tulajdonságai

Legyen f : A→B egy tetszőleges függvény. Értelmezzük az alábbi tulajdonságokat:

Tömören a függvények fenti tulajdonságait így írhatjuk le:
– injektivitás: ∀a∈A ∀a'∈A (a≠a' ⊃ f(a)≠f(a'))
– szürjektivitás: ∀b∈B ∃a∈A (f(a)=b)
– bijektivitás: ∀b∈B ∃!a∈A (f(a)=b)
A tulajdonságok teljesülése esetén a megadott logikai kifejezések igazak.

Például legyen az I osztály tanulóinak halmaza:
    I = {"Tercsi", "Fercsi", "Kata", "Klára", "Anett", "Peti", "Mari", "Pisti", "Zoli", "Zsuzsa"},
továbbá legyen
    B = {"A", "B", ..., "Z"}
a nagybetűk halmaza. Értelmezzük az f : I→B függvényt bármely x∈I tanuló esetén a következőképpen:

f(x) ⇋ "az 'x' tanuló nevének kezdőbetűje"

Az f(x) függvény tulajdonságai:

Válasszunk ki tanulókat az I osztályból, és legyen a kiválasztott tanulók halmaza
    I' = {"Tercsi", "Fercsi", "Kata", "Anett", "Zsuzsa"}.
Ekkor az előbb definiált f(x) függvény leszűkítése I'-re, azaz az
    f | I' : I'→B
függvény már injektív, mert minden x∈I' kiválasztott tanuló nevének kezdőbetűje különböző.

Jegyezzük meg, hogy az f(x) függvény létrehozza az értelmezési tartományának (azaz a Dom(f)=I halmaznak) egy osztályozását. Legyen például Ik={x∈I | f(x)=k} (k∈B) azoknak a tanulóknak a halmaza, akiknek a neve k='A' (k='B', ..., k='Z') betűvel kezdődik:

Ekkor Ik∩Ij=∅ (k, j∈B, k≠j) és IA∪IB∪...∪IZ=I teljesülése miatt
    Η={Ik | k∈B, Ik≠∅}⊆2I
az 'I' halmaz egy osztályozása. Jegyezzük meg, hogy ha k∈B helyett csak azokat a betűket vesszük figyelembe, amelyek az f(x) függvény értékkészletének elemei (azaz ha a Η halmazrendszer fenti megadásában k∈B helyett k∈Rng(f) szerepel), akkor
    Η={Ik | k∈Rng(f)}
pontosan az 'I' halmaz fenti osztályozását adja meg. (Jegyezzük meg, hogy az IA, IB, ..., IZ osztályok a nagybetűkből álló B halmaz egyes elemeinek a forráshalmazai.)



4.3. Inverz függvény, összetett függvény

Az f : A→B injektív függvény inverz függvénye alatt azt az
f−1 : Rng(f)⊆B→A
függvényt értjük, amelyre teljesül, hogy az értelmezési tartományának minden y∈Rng(f) elemére f−1(y)=x akkor és csak akkor teljesül, ha f(x)=y teljesül. (Ha az f : A→B függvény bijektív, akkor Rng(f)=B miatt inverz függvénye f−1 : B→A.)

Legyen f(x):A→B injektív függvény; ekkor
– ha az f(x):A→B függvény szerint az (x,f(x)=y) elempárok állnak egymással relációban (ahol x∈A és y∈B),
– akkor az f−1(x):Rng(f)⊆B→A inverz függvény szerint az (y,f−1(y)=x) elempárok lesznek egymással relációban.

Adott y=f(x) valós függvény esetében a következő kérdésre keressük a választ: mi az az y∈ℝ szám, amelyet az f(x) függvény az x∈ℝ érték mellett felvesz?
Az y=f(x) valós függvény x=f−1(y) inverz függvénye esetében pedig az alábbi kérdésre keressük a választ: melyik az az x∈ℝ szám, amelyre az f(x) függvény éppen az y∈ℝ értéket veszi fel?
Vegyük észre, hogy az inverz függvény meghatározása formálisan az f(x)=y egyenlet megoldását jelenti x-re. (A megoldással kapott x=f−1(y) függvényen még az x↔y és y↔x helyettesítést is végre kell hajtanunk, hogy az f−1(x) függvényt megkapjuk.)

Az inverz függvényt injektív függvények esetén értelmezzük, ezért az injektív függvényeket invertálható függvényeknek is nevezzük.

Legyen az f(x) függvény invertálható, és inverze az f−1(x) függvény. Ekkor az f−1(x) függvény is invertálható, és inverz függvénye az f(x) függvény.

Legyenek f : A→B és g : B→C tetszőleges függvények (valójában elegendő annyit megkövetelni, hogy g : Rng(f)⊆B→C teljesüljön). Ekkor azt a h : A→C függvényt, amelyre teljesül, hogy az értelmezési tartományának minden x∈A elemére
    h(x)=z akkor és csak akkor teljesül, ha
    az f(x)=y elemre g(y)=z teljesül,
a g(x) és f(x) függvények összetett függvényének (vagy közvetett függvényének, összetételének, kompozíciójának) nevezzük, és h(x)=(g∘f)(x), vagy egyszerűbben h(x)=g(f(x)) módon jelöljük.

Például tekintsük az alábbi függvényeket:

A g(x) függvény képletében az x↔3*x+4 helyettesítést végrehajtva a h(x)=g(f(x)) összetett függvényre
    h(x)=g(f(x))=(3*x+4)2=9*x2+24*x+16
adódik.
Legyen f(x) invertálható függvény. Ekkor
    (1) az f(x):A→B invertálható függvényre és ennek f−1(x):B→A inverz függvényére (f−1∘f)(x)=x teljesül;
    (2) mivel ebben az esetben az f−1(x) függvény is invertálható, és inverz függvénye f(x), ezért (f∘f−1)(x)=x szintén teljesül.

Például tekintsük az alábbi valós függvényeket és inverz függvényeiket:

f(x) Dom(f) Rng(f) f−1(x) Dom(f−1) Rng(f−1)
x x
2*x x/2
1/x {0} {0} 1/x {0} {0}
x2 [0,+∞) [0,+∞) x [0,+∞) [0,+∞)
(−∞,0] [0,+∞) −√x [0,+∞) (−∞,0]
ex (0,+∞) ln(x) (0,+∞)

Jegyezzük meg, hogy ha Descartes-féle koordináta-rendszerben ábrázoljuk a fenti valós függvényeket, az egyes függvények görbéjét az y=x egyenesre mint tengelyre tükrözve a megfelelő inverz függvény görbéjét kapjuk. (Speciálisan, ha a függvény görbéje szimmetrikus az y=x egyenesre, akkor inverz függvénye önmaga.)

Például f(x)=2*x esetében az y=2*x alakból x=y/2 adódik. Az y=f(x) függvény inverz függvénye tehát
    x=f−1(y)=y/2.
Ebből az y↔x helyettesítést elvégezve
    f−1(x)=x/2
adódik. Könnyen ellenőrizhető, hogy
   (f−1∘f)(x) = f−1(f(x)) = f−1(2*x) = (2*x)/2 = x
és
   (f∘f−1)(x) = f(f−1(x)) = f(x/2) = 2*(x/2) = x
teljesül.

Az inverz függvényt az (f∘f−1)(x)=x összefüggés alapján kiszámíthatjuk.

Például legyen f(x)=4x+3. Ekkor (f∘f−1)(x)=f(f−1(x))=x, tehát f(f−1(x))=4*f−1(x)+3=x miatt egyszerű átrendezéssel f−1(x)=(x−3)/4 adódik.


Néhány fontosabb valós függvény

Az f(x)=∣x∣ : ℝ → ℝ abszolút érték függvény görbéje:


Az f(x)=m*x+c (m,c ∈ ℝ) : ℝ → ℝ lineáris függvény görbéi, ha
f(x) = x, f(x) = 2*x−40 és g(x) = −3*x+60:


Az f(x)=x2 : ℝ → ℝ, ill. f(x)=−x2 : ℝ → ℝ hatványfüggvény (másodfokú függvény) görbéje:


Az f(x)=√x : [0,+∞) → ℝ és
g(x)=−√x : [0,+∞) → ℝ négyzetgyökfüggvények görbéi:


Az f(x)=x3 : ℝ → ℝ hatványfüggvény görbéje:


Az f(x)=4*x3−16*x2+2*x+20: ℝ → ℝ harmadfokú polinom görbéje:


Az f(x)=1/x : ℝ∖{0} → ℝ∖{0} függvény görbéje:


Az f(x)=ex : ℝ → ℝ és
g(x)=e−x : ℝ → ℝ exponenciális függvények görbéi (ahol e≈2,718281828 az ún. Euler-féle szám):


Az f(x)=ln(x)=loge(x) : (0,+∞) → ℝ természetes alapú logaritmusfüggvény görbéje (ahol e≈2,718281828 az ún. Euler-féle szám):


Az f(x)=sin(x) : ℝ → [−1,1] szinuszfüggvény görbéje:


Az f(x)=|sin(x)| : ℝ → [0,1] abszolút szinuszfüggvény görbéje:



4.4. Valós függvények tulajdonságai

Legyen f : A⊆ℝ→B⊆ℝ valós függvény. Értelmezzük az alábbi tulajdonságokat:

Figyeljük meg, hogy a valós függvények számos tulajdonságát értelmezhetjük
lokálisan, az értelmezési tartomány egy meghatározott A'⊆A részhalmazán, és
globálisan, a függvény teljes 'A' értelmezési tartományán.

Vizsgáljuk meg a fenti tulajdonságok teljesülését a korábban ábrázolt valós függvények esetében!

Gyakorló feladatok

(→ következő témakörök)



Boda István, 2023.