Funktionen
Funktionen untersuchen: Eigenschaften und Transformationen
Der Funktionen-Steckbrief: Definitionsbereich, Symmetrie, Monotonie, Asymptoten.
Benötigte Grundlagen
Diese Themen kommen in diesem Kapitel vor und wurden vorher schon erklärt. Wenn dir eines davon unsicher vorkommt, frisch es kurz auf, sonst leg direkt los.
Einführung
Lineare, quadratische, -, Exponential- und Sinusfunktionen, dein Funktionen-Zoo ist ordentlich gewachsen! Zeit für den Rundgang mit System: Jede Funktion bekommt einen Steckbrief mit Definitionsbereich, Symmetrie, Monotonie und Grenzverhalten. Genau dieses Untersuchen wird in der Oberstufe zum täglichen Handwerk, hier legst du das Fundament.
Das kannst du nach diesem Kapitel
Definitionsbereich und Wertebereich einer Funktion angeben.
Symmetrie rechnerisch prüfen (-Test).
Monotonie und Verhalten an den Rändern (Asymptoten) beschreiben.
Transformationen (verschieben, strecken, spiegeln) auf alle Funktionstypen anwenden.
die Idee der Umkehrfunktion an einfachen Beispielen nutzen.
Der Funktionen-Steckbrief: immer dieselben sechs Fragen
Du hast inzwischen viele Funktionstypen kennengelernt, lineare, quadratische, -, Exponential- und trigonometrische Funktionen. Auf den ersten Blick hat jede ihre eigenen Regeln.
Tatsächlich untersucht man sie aber alle mit denselben Fragen. Dieser Abschnitt sammelt sie zu einem festen Fahrplan. Wenn dir in einer Klassenarbeit eine unbekannte Funktion begegnet, arbeitest du ihn einfach ab.
Frage 1: Welche darf ich einsetzen? (Definitionsbereich )
Die meisten Funktionen erlauben alle Zahlen. Es gibt aber zwei Verbote, die du aus den letzten Jahren kennst:
- Division durch null ist nicht definiert → bei muss sein.
- aus negativen Zahlen gibt es nicht → bei muss sein.
Suche also gezielt nach mit im und nach Wurzeln, sonst ist .
Frage 2: Welche kommen heraus? (Wertebereich )
Hier hilft die Bauart der Funktion: kann nie negativ werden, also . Der bleibt auf dem Einheitskreis gefangen, also . Bei einer entscheidet der Scheitel, ab wo die Werte liegen.
Frage 3: Wo schneidet der Graph die Achsen?
Zwei Punkte, die du längst berechnen kannst. Sie gehören trotzdem in jeden Steckbrief:
- Nullstellen: Setze und löse, je nach Funktionstyp mit dem passenden Werkzeug aus den letzten Kapiteln (, p-q-Formel, ).
- -Achsenabschnitt: Rechne einfach aus. Dort schneidet der Graph die -Achse.
Neu ist hier nichts; neu ist nur, dass beides jetzt eine feste Station des Fahrplans ist. Und denk daran: Eine Funktion kann auch keine Nullstelle haben, etwa wird nie null, weil der fest ist.
Frage 4: Ist der Graph symmetrisch? (der -Test)
Statt zu zeichnen, setzt du einfach ein und vergleichst mit :
Warum funktioniert das? bedeutet wörtlich: Links und rechts von der -Achse liegen dieselben Werte, der Graph ist gespiegelt. Bei ist der Wert links genau das Negative des Werts rechts, der Graph ist am Ursprung gedreht.
Das kennst du von den : gerade Exponenten waren achsensymmetrisch, ungerade punktsymmetrisch. Jetzt hast du den Test dafür.
Frage 5: Wo steigt und wo fällt er? (Monotonie)
Steigt der Graph auf einem Abschnitt durchgehend an, heißt er dort streng monoton steigend; fällt er, streng monoton fallend. Die Stellen, an denen er die Richtung wechselt, sind besonders interessant, bei der Parabel ist das der Scheitel. Ab Klasse 11 wirst du diese Stellen mit der Ableitung berechnen; hier liest du sie noch am Graphen ab.
Frage 6: Was passiert ganz außen? (Randverhalten)
Wohin läuft die Kurve für sehr große und sehr kleine ? Nähert sie sich dabei einer Geraden an, ohne sie zu erreichen, heißt diese Gerade Asymptote, bei sind das beide Achsen, bei der die -Achse.
Das Bild unten zeigt die beiden Symmetriearten im Vergleich.
Symmetrie
Der -Test wird sichtbar: (grün) ist achsensymmetrisch zur y-Achse (), (blau) punktsymmetrisch zum Ursprung ().
Der Transformations-Baukasten, eine Regel für alle Funktionen
Bei der hast du gelernt, wie , und den Graphen verschieben und strecken. Jetzt kommt die gute Nachricht: Diese Regeln gelten für jede Funktion, für genauso wie für oder . Du musst sie also nur einmal verstehen.
Der Grund dafür ist einfach: Die Regeln hängen nicht davon ab, welche Funktion in der Mitte steht. Sie beschreiben nur, was vor oder nach ihr passiert.
Die entscheidende Unterscheidung: außen oder innen
Änderungen außen (nach der Funktion) wirken auf das Ergebnis, also in -Richtung, und zwar genau so, wie man es erwartet:
- → verschiebt um nach oben (bei ).
- → streckt in -Richtung; bei wird an der -Achse gespiegelt.
Änderungen innen (am , bevor die Funktion rechnet) wirken in -Richtung, und dort umgekehrt zur Erwartung:
- → verschiebt um nach rechts (obwohl da ein Minus steht).
- → staucht in -Richtung bei (obwohl man Streckung erwartet).
Warum innen alles umgekehrt wirkt
Das ist derselbe Gedanke wie bei der Parabel, und er lohnt sich, weil er die Verwirrung ein für alle Mal auflöst.
Damit denselben Wert liefert wie an der Stelle , muss der Klammerinhalt null sein, also . Der Punkt, der vorher bei lag, liegt jetzt bei . Er ist nach rechts gewandert. Jedes muss um größer sein, um dasselbe zu bewirken.
Genauso bei : Der Klammerinhalt erreicht den Wert schon bei . Alles passiert früher, die Kurve wird zusammengedrückt.
Der Baukasten auf einen Blick
| Neue Funktion | wirkt | Wirkung |
|---|---|---|
| außen | nach oben/unten schieben | |
| außen | strecken () / stauchen; spiegeln | |
| innen | nach rechts schieben () | |
| innen | stauchen () / strecken |
Die Merkregel in einem Satz: Außen wirkt normal, innen wirkt umgekehrt.
Die Umkehrfunktion: den Pfeil umdrehen
Eine Funktion ordnet jedem ein zu. Die Umkehrfunktion dreht diesen Pfeil um: Sie ordnet dem das zugehörige zu.
Das brauchst du ständig, immer dann, wenn das Ergebnis bekannt ist und der Ausgangswert gesucht wird. Genau das war schon in den letzten Kapiteln der Fall:
| Funktion | Umkehrfunktion | Rückfrage |
|---|---|---|
| Quadrieren | „Welche Zahl war es?" | |
| „Welcher Exponent war es?" | ||
| „Welcher war es?" |
Wie man sie berechnet
Zwei Schritte, immer gleich, am Beispiel :
1. Nach auflösen (das ist Gleichungsumstellen wie in Klasse 7):
2. und vertauschen, weil man die unabhängige üblicherweise nennt:
Probe: Setze ein Ergebnis der ersten Funktion in die zweite ein. , und ✓ Die Umkehrfunktion führt zurück zum Ausgangswert.
Warum die Spiegelung an funktioniert
Im Bild unten siehst du: Der Graph von entsteht durch Spiegelung an der .
Das ist kein Zufall, sondern genau der zweite Schritt oben: und vertauschen bedeutet geometrisch, dass aus dem Punkt der Punkt wird, und das ist die Spiegelung an dieser Geraden.
Wann eine Funktion umkehrbar ist
Nicht jede Funktion lässt sich umkehren. Bei liefern und beide den Wert , die Rückfrage „welche Zahl war es?" hat zwei Antworten, und eine Funktion darf nur eine liefern.
Umkehrbar ist eine Funktion deshalb nur dort, wo sie streng monoton ist, also durchgehend steigt oder durchgehend fällt. Bei schränkt man deswegen auf ein, und genau deshalb ist nur für nichtnegative Zahlen definiert und liefert nur nichtnegative Werte. Diese Einschränkung aus Klasse 9 hat hier ihren tieferen Grund.
Umkehrfunktion
Die Umkehrfunktion macht die rückgängig (hier ). Ihr Graph ist die Spiegelung an der .
Prüfe dich: Warum hat f(x) = x hoch 2 auf ganz R keine Umkehrfunktion, f(x) = x hoch 3 aber schon, und was hat die Wurzel-Einschränkung aus Klasse 9 damit zu tun?
Versuch es erst aus dem Kopf, das Kriterium steht am Ende des Umkehrfunktions-Abschnitts.
Bei scheitert die Rückfrage. und ergeben beide , die Frage „welche Zahl war es?" hat zwei Antworten, und eine Funktion darf nur eine liefern. Am Graphen sieht man den Grund: Die fällt erst und steigt dann, sie ist nicht durchgehend monoton, und deshalb kommt fast jeder Wert zweimal vor.
Bei klappt es. Die Funktion ist auf ganz streng monoton steigend, auch links der Null: liegt unter . Jeder Wert kommt genau einmal vor, die Rückfrage hat immer genau eine Antwort. Die Umkehrfunktion ist die dritte , und sie funktioniert sogar für negative Zahlen: .
Und hier schließt sich der zu Klasse 9: Damit doch umkehrbar wird, schränkt man auf ein, den steigenden Ast der Parabel. Genau deshalb ist nur für nichtnegative Zahlen definiert und liefert nur nichtnegative Ergebnisse: Die Wurzel ist die Umkehrung des halben, monoton gemachten . Die Regel „, nicht " ist also keine Willkür der Lehrbücher, sondern der Preis dafür, dass die Wurzel eine Funktion sein darf.
Der Merksatz: Umkehrbar ist eine Funktion genau dort, wo sie streng monoton ist. Dann trifft jede Rückfrage genau eine Antwort.
Steckbrief der Hyperbel
Erstelle den vollständigen Steckbrief von .
- 1
Was ein Steckbrief verlangt. Wir gehen die Standardfragen des Fahrplans der Reihe nach durch: Definitionsbereich, Wertebereich, Achsenschnittpunkte, Symmetrie, Monotonie und Randverhalten. Bei jeder Frage lohnt sich ein Blick auf die Bauart der Funktion, hier ein mit im .
(Die Achsenschnittpunkte sind bei dieser Funktion schnell erledigt: Der Bruch wird nie null, der ist fest , es gibt also keine Nullstelle. Und existiert nicht, weil gar nicht eingesetzt werden darf: auch kein -Achsenabschnitt. Warum beides so ist, zeigt sich gleich noch einmal bei Wertebereich und Definitionsbereich.)
- 2
1. Definitionsbereich: Welche sind erlaubt?
Ein Bruch mit im Nenner ist das Warnsignal: Durch null darf man nicht teilen. Also ist verboten:
Gelesen: „alle außer null". Das ist der einzige verbotene Wert, jede andere Zahl, auch negative, darf eingesetzt werden.
- 3
2. Wertebereich: Welche kommen heraus?
Kann der Bruch jemals null werden? Dafür müsste der Zähler null sein. Der ist aber fest . Also wird nie erreicht:
Alle anderen Werte kommen vor: Für große wird winzig klein, für nahe null wird riesig.
- 4
3. Symmetrie: der -Test.
Setze ein und vergleiche mit :
Es kommt das Negative der Funktion heraus. Das ist die Bedingung für Punktsymmetrie zum Ursprung.
Was das anschaulich heißt: Dreht man den Graphen um um den Ursprung, liegt er wieder auf sich selbst. Der Ast links unten ist das gedrehte Gegenstück zum Ast rechts oben.
- 5
4. Monotonie: Wo steigt, wo fällt der Graph?
Setze ein paar Werte ein: , , . Je größer , desto kleiner , die Funktion fällt auf der rechten Seite.
Links dasselbe: , , . Auch hier werden die Werte kleiner.
Aber Achtung, eine typische Fehlaussage: Die Funktion fällt nicht auf ganz ! Zwischen den beiden Ästen springt sie von nach . Richtig formuliert: Sie fällt auf und auf , jeweils getrennt.
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5. Randverhalten: Was passiert außen und an der Lücke?
- Für wird der Bruch immer kleiner und nähert sich der -Achse an, ohne sie zu erreichen.
- Für nahe null wird der Bruch betragsmäßig riesig, der Graph schmiegt sich an die -Achse.
Beide Achsen sind also Asymptoten. Die Kurve heißt Hyperbel.
· punktsymmetrisch zum Ursprung · auf beiden Ästen fallend · beide Achsen als Asymptoten, der Graph ist eine Hyperbel.
Das Vorgehen ist bei jeder Funktion gleich: fünf Fragen abarbeiten und dabei immer zuerst auf die Bauart schauen (Bruch? ? ?), denn sie verrät die Besonderheiten.
Transformationskette
Beschreibe, wie der Graph von aus entsteht, und gib seine Asymptote an.
- 1
Zuerst: was ist die Ausgangsfunktion? ist eine . Ihr Graph steigt, verläuft komplett oberhalb der -Achse und nähert sich ihr für kleine an, die -Achse () ist ihre Asymptote.
Diese Eigenschaften sind der Ausgangspunkt; die beiden Änderungen wenden wir nacheinander darauf an.
- 2
Die beiden Änderungen erkennen. Vergleiche mit :
- ein Minuszeichen vor der ,
- ein dahinter.
Beide stehen außen (nicht im Exponenten), wirken also in -Richtung, und dort wie erwartet, ohne Umkehrung.
Wichtig zur Schreibweise: bedeutet , also „erst potenzieren, dann Vorzeichen umdrehen". Es bedeutet nicht , das wäre eine ganz andere (und für viele gar nicht definierte) Funktion.
- 3
Schritt 1: Das Minus spiegelt an der -Achse.
Jeder Funktionswert wechselt das Vorzeichen. Aus wird , aus wird .
Damit klappt der gesamte Graph nach unten: Er verläuft jetzt unterhalb der -Achse und fällt, statt zu steigen.
- 4
Schritt 2: Das verschiebt nach oben.
Zu jedem Wert kommen dazu, der ganze Graph wandert um nach oben.
Und das Entscheidende: Die Asymptote wandert mit. Nach der Spiegelung lag sie noch bei ; jetzt liegt sie bei
- 5
Das Ergebnis beschreiben. Setze ein paar Werte ein, um es zu prüfen:
Der Graph kommt für kleine von knapp unter herunter und stürzt für große immer schneller ab. Er ist streng monoton fallend.
Wertebereich: Weil immer positiv ist, ist immer negativ. Es wird also immer etwas von der abgezogen. Der Wert wird nie erreicht:
Der Graph entsteht durch Spiegelung an der -Achse und anschließendes Verschieben um nach oben. Asymptote: , streng fallend, .
Merke: Eine waagerechte Asymptote macht jede senkrechte Verschiebung mit. Sie liegt am Ende genau dort, wohin der konstante Summand sie schiebt.
Umkehrfunktion bestimmen
Bestimme die Umkehrfunktion von und prüfe dein Ergebnis an einem Beispiel.
- 1
Was soll herauskommen? Die Umkehrfunktion dreht die um: macht aus die Zahl , also muss aus wieder machen.
Das Verfahren dafür hat zwei Schritte: nach auflösen, dann und vertauschen.
- 2
Schritt 1: nach auflösen. Schreibe die Funktion als Gleichung und stelle sie um, genau wie beim Formelumstellen in Klasse 7:
Beachte die Reihenfolge: Erst wird die entfernt (Strichrechnung rückgängig), dann durch geteilt, die Rechenschritte werden rückwärts und in umgekehrter Reihenfolge aufgehoben.
- 3
Schritt 2: vertauschen. Jetzt steht allein, aber die unabhängige Variable heißt üblicherweise und nicht . Also benennen wir um:
Warum darf man einfach umbenennen? Weil der Name der Variablen keine mathematische Bedeutung hat. Wichtig ist nur die Zuordnungsvorschrift, und die bleibt dieselbe.
- 4
Schritt 3: Die Probe. Nimm einen beliebigen Wert, schicke ihn durch und das Ergebnis durch :
Wir sind wieder bei der Ausgangszahl. Die Umkehrfunktion ist richtig.
Diese Probe solltest du immer machen, sie dauert zehn Sekunden und deckt jeden Vorzeichen- oder Reihenfolgefehler auf.
- 5
Der Blick auf die Struktur. Vergleiche beide Vorschriften:
- : erst mal , dann plus
- : erst minus , dann geteilt durch
Jeder Rechenschritt ist durch seine Gegenoperation ersetzt, und die Reihenfolge ist umgedreht. Das ist wie beim Ausziehen von Kleidung: Zuerst kommt weg, was zuletzt angezogen wurde.
Geometrisch entspricht die Umkehrfunktion der Spiegelung an der Geraden (siehe Bild oben).
Das Rezept: nach auflösen → und vertauschen → mit einem Zahlenbeispiel prüfen. Merkhilfe für die Kontrolle: Die Rechenschritte werden rückwärts und in umgekehrter Reihenfolge aufgehoben.
Typischer Fehler
„: Definitionsbereich ist ganz , da steht doch nirgendwo ein Problem."
Der wird bei null: Division durch 0! , und bei steht eine senkrechte Asymptote. Bei jedem Bruch-Term gehört der Nenner-Check an den Anfang: „Für welches wird der Nenner 0?", genau diese Werte fliegen aus dem Definitionsbereich.
Übung 1
leichtGib den maximalen Definitionsbereich an: a) b) c)
Tipp anzeigen
≠ 0; Radikand ≥ 0.
Lösung anzeigen
a)
b)
c) (Polynome sind immer überall definiert)
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Bruch: Nenner darf nicht null werden
: verboten ist , also . .
- 2
b) Wurzel: Radikand nicht negativ
: nötig ist , also . .
- 3
c) Polynom: keine Einschränkung
enthält nur , Produkte und Summen, alles für jedes berechenbar: .
Übung 2
mittelPrüfe rechnerisch auf Symmetrie: a) b) c)
Tipp anzeigen
bilden und vergleichen.
Lösung anzeigen
a) → achsensymmetrisch
b) → punktsymmetrisch
c) , weder noch → keine dieser Symmetrien
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Der Test: f(−x) berechnen und vergleichen
Man ersetzt durch und vergleicht: Kommt heraus → achsensymmetrisch zur y-Achse; kommt heraus → punktsymmetrisch zum Ursprung.
- 2
a) und b) durchrechnen
a) → achsensymmetrisch. b) → punktsymmetrisch.
- 3
c) Gemischte Exponenten: keine der beiden
: Das ist weder noch → keine der beiden Symmetrien.
Übung 3
schwerGegeben ist . a) Beschreibe die Entstehung aus . b) Asymptote und Wertebereich? c) Berechne die Nullstelle.
Tipp anzeigen
c) .
Lösung anzeigen
a) In y-Richtung mit Faktor 3 strecken, dann um 6 nach unten schieben.
b) Asymptote: ; Wertebereich .
c) .
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Entstehung aus 2^x ablesen
: Der Faktor streckt den Graphen von in y-Richtung, das schiebt ihn um 6 nach unten.
- 2
b) Asymptote und Wertebereich
ist immer positiv, also und : Asymptote , Wertebereich .
- 3
c) Nullstelle berechnen
.
Zusammenfassung
Der Funktionen-Steckbrief systematisiert alles Gelernte: Definitionsbereich (! !), Symmetrie per -Test, Monotonie und Asymptoten an den Rändern. Der Transformations-Baukasten (schieben, strecken, spiegeln) funktioniert bei jeder Funktionsklasse gleich, und Umkehrfunktionen laufen das Rechenrezept rückwärts. Damit bist du bereit für die Analysis der Oberstufe!


