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Relationen und Funktionen: Kartesisches Produkt, Definitionsmenge, Wertemenge, Graphen

Ein geordnetes Paar (a, b) hat eine erste und eine zweite Stelle, also gilt (1, 2) ≠ (2, 1). Das kartesische Produkt A × B ist die Menge aller geordneten Paare (a, b) mit a ∈ A und b ∈ B, und es gilt n(A × B) = n(A) × n(B). Eine Relation von A nach B ist eine beliebige Teilmenge von A × B; ihre Definitionsmenge besteht aus den ersten Elementen, ihre Wertemenge aus den zweiten Elementen, und B heißt Zielmenge. Eine Funktion ist eine besondere Relation, bei der jedes Element von A genau ein Bild hat. Wir lernen konstante, identische, Polynom-, rationale, Betrags-, Signum-, Exponential-, Logarithmus- und Gaußklammer-Funktionen mit ihren Graphen kennen und addieren, subtrahieren, multiplizieren und dividieren Funktionen Punkt für Punkt.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Die blaue Menge A = {1, 2, 3} steht links, die rote Menge B = {4, 5, 6} rechts. Von jedem Element aus A geht ein Pfeil zu jedem Element aus B. Diese 9 Pfeile sind A × B.
  2. Wir behalten nur drei Pfeile: 1→4, 1→5, 3→5. Diese kleinere Menge von Paaren ist eine Relation. Ihre Definitionsmenge ist {1, 3}, ihre Wertemenge ist {4, 5}.
  3. Jetzt schickt jedes Element von A genau einen Pfeil: 1→4, 2→4, 3→5. Diese Relation ist eine Funktion. Zwei Pfeile dürfen im selben Punkt landen, das ist erlaubt.
  4. Wir wechseln zu einem Graphen. Eine grüne senkrechte Linie wandert über den Betragsgraphen y = |x|. Sie schneidet ihn immer genau einmal, also ist es eine Funktion.
  5. Blau f(x) = x und rot g(x) = x². An jeder Stelle x addiert die orange Kurve ihre Höhen: (f + g)(x) = x + x².
  6. Freies Spiel: Wähle einen Funktionstyp und schiebe x, um f(x) abzulesen.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum ist A × B nicht dasselbe wie B × A?

A × B enthält Paare, deren erster Eintrag aus A kommt, zum Beispiel (1, 4). B × A enthält (4, 1). Das sind verschiedene Paare, also verschiedene Mengen (nur die Anzahlen sind gleich).

Was ist der Unterschied zwischen Wertemenge und Zielmenge?

Die Zielmenge ist die ganze Menge B = {4, 5, 6}. Die Wertemenge enthält nur die Punkte, die einen Pfeil bekommen. In Schritt 2 erreicht kein Pfeil die 6, also ist die Wertemenge {4, 5}.

Zwei Eingaben gehen zur selben Ausgabe. Ist es trotzdem eine Funktion?

Ja. In Schritt 3 gehen sowohl 1 als auch 2 zur 4. Die Regel ist nur: Keine Eingabe hat zwei Pfeile.

Wie prüfe ich am Graphen, ob es eine Funktion ist?

Schiebe eine senkrechte Linie darüber, wie in Schritt 4. Schneidet sie den Graphen irgendwann zweimal, ist es keine Funktion.

Warum ist f/g an manchen Stellen nicht definiert?

Wir dürfen nicht durch null teilen. Bei x = 0 ist g(x) = x² = 0, also ist (f/g)(0) nicht definiert. Probiere die ÷-Taste in Schritt 5.

Warum ist [−1.5] = −2 und nicht −1?

[x] ist die größte ganze Zahl, die kleiner oder gleich x ist. −1 ist größer als −1.5, also ist es nicht erlaubt. Schiebe x im freien Spiel auf −1.5.

Geordnete Paare und kartesisches Produkt

Ein geordnetes Paar (a, b) hat eine erste und eine zweite Stelle. (a, b) = (c, d) gilt nur, wenn a = c und b = d. Also ist (2, 3) ≠ (3, 2).

Das kartesische Produkt A × B = {(a, b) : a ∈ A, b ∈ B}. In Schritt 1 der 3D-Szene ist jeder Pfeil ein Paar.

Relation, Definitionsmenge, Zielmenge, Wertemenge

Eine Relation R von A nach B ist eine beliebige Teilmenge von A × B. Wir schreiben (a, b) ∈ R oder a R b. Sie wird durch eine Regel festgelegt, zum Beispiel „b = a + 3“.

Ist n(A) = p und n(B) = q, dann hat A × B genau pq Paare, und es gibt 2^(pq) Relationen von A nach B.

Eine Funktion ist eine besondere Relation

Eine Relation f von A nach B ist eine Funktion, wenn jedes Element von A genau ein Bild in B hat. Wir schreiben f : A → B und y = f(x).

Schritt 2 zeigt eine Relation, die das nicht erfüllt (1 hat zwei Pfeile, 2 hat keinen). Schritt 3 zeigt eine Funktion.

Test mit der senkrechten Linie

Bei einer reellen Funktion im Graphen darf jede senkrechte Linie den Graphen höchstens einmal treffen (Schritt 4).

Typen reeller Funktionen und ihre Graphen

Im letzten Schritt der 3D-Szene kannst du jede Funktion wählen und x schieben.

Rechnen mit reellen Funktionen

Für f, g : X → R gilt:

Schritt 5 baut f + g, indem an jeder Stelle x die Höhen gestapelt werden. Das Rechenbeispiel dort öffnet sich Zeile für Zeile.

Probier es aus

Zu Hause: Schreibe die Namen von 4 Familienmitgliedern in eine Spalte und ihre Geburtsmonate in eine andere. Zeichne Pfeile. Ist „Person → Geburtsmonat“ eine Funktion? Ist „Monat → Person“ eine Funktion? (Tipp: Können zwei Personen im selben Monat Geburtstag haben? Kann ein Monat leer bleiben?)

In der 3D-Szene: Sage im freien Spiel [x] bei x = −1.5 voraus, bevor du schiebst. Dann prüfe nach.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Wenn (x + 1, y − 2) = (3, 1), bestimme x und y.

Geordnete Paare sind nur gleich, wenn die Stellen übereinstimmen: x + 1 = 3 → x = 2; y − 2 = 1 → y = 3.

2. A = {1, 2}, B = {a, b, c}. Schreibe A × B auf und bestimme n(A × B).

A × B = {(1, a), (1, b), (1, c), (2, a), (2, b), (2, c)}. n = 2 × 3 = 6.

3. A = {1, 2}. Schreibe A × A × A auf. Wie viele Tripel sind es?

{(1,1,1), (1,1,2), (1,2,1), (1,2,2), (2,1,1), (2,1,2), (2,2,1), (2,2,2)}: 2³ = 8 Tripel.

4. R = {(x, x + 3) : x ∈ {0, 1, 2, 3}}. Schreibe R in aufzählender Form und bestimme Definitions- und Wertemenge.

R = {(0, 3), (1, 4), (2, 5), (3, 6)}. Definitionsmenge = {0, 1, 2, 3}, Wertemenge = {3, 4, 5, 6}.

5. Was ist eine Funktion auf {1, 2, 3}? (i) {(1, 4), (2, 4), (3, 5)} (ii) {(1, 4), (1, 5), (3, 5)}

(i) Jede Eingabe hat genau ein Bild: Funktion. (ii) 1 hat zwei Bilder und 2 hat keins: keine Funktion (Schritte 2 und 3).

6. Bestimme Definitions- und Wertemenge von f(x) = 1/(x − 2).

Der Nenner darf nicht 0 sein, also x ≠ 2: Definitionsmenge = R − {2}. 1/(x − 2) kann jede reelle Zahl außer 0 sein: Wertemenge = R − {0}.

7. Bestimme [3.9], [−3.9], sgn(−7), |−4| + |2|.

[3.9] = 3. [−3.9] = −4 (die größte ganze Zahl, die nicht größer als −3.9 ist). sgn(−7) = −1. |−4| + |2| = 4 + 2 = 6.

8. f(x) = x und g(x) = x². Bestimme (f + g)(2), (f − g)(2), (fg)(2), (f/g)(2) und die Definitionsmenge von f/g.

(f + g)(2) = 2 + 4 = 6. (f − g)(2) = 2 − 4 = −2. (fg)(2) = 8. (f/g)(2) = 2/4 = 1/2. g(0) = 0, also ist die Definitionsmenge von f/g gleich R − {0} (Schritt 5).

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Wenn n(A) = 3 und n(B) = 4, dann ist n(A × B) gleich:
2. Die Wertemenge der Signumfunktion ist:
3. [−1.3] ist gleich:
4. Die Definitionsmenge von f(x) = log x ist:
5. Eine Relation ist eine Funktion, wenn jedes Element der Definitionsmenge:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen einer Relation und einer Funktion?

Jede Funktion ist eine Relation, aber eine Funktion muss jeder Eingabe genau eine Ausgabe geben. Eine Relation kann einer Eingabe viele Ausgaben geben oder keine.

Was ist die Signumfunktion?

sgn x = 1 für x > 0, 0 für x = 0 und −1 für x < 0. Sie sagt dir das Vorzeichen von x.

Was ist die Wertemenge der Gaußklammer-Funktion?

Die Menge aller ganzen Zahlen Z. Ihr Graph sieht aus wie Treppenstufen.

Wo das unterrichtet wird

Canada (Ontario)Grade 11A. Characteristics of Functions
Canada (Ontario)Grade 12D. Characteristics of Functions
ItalySecondaria di secondo grado – classe 1ªRelations and functions
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ItalySecondaria di secondo grado – classe 2ªRelations and functions
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PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIFunctions
RomaniaClasa a IX-aAlgebra: Functions
Spain4º ESOAlgebraic sense
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Ukraine10 класAlgebra: functions, polynomials, equations and inequalities (36 h)
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CBSE (India)Class 11Sets and Functions
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