Funkcja – intuicyjnie: sposób przyporządkowania każdemu elementowi danego zbioru X dokładnie jednego elementu pewnego zbioru Y.
Ściśle funkcja jest definiowana jako
relacja
pomiędzy elementami zbioru X (dziedziny) i elementami zbioru Y (przeciwdziedziny), o tej własności, że każdy element zbioru X jest w relacji z dokładnie jednym elementem zbioru Y.
Przykłady i najważniejsze powiązane pojęcia
Załóżmy, że między dwoma
liczbami całkowitymi
i
zachodzi związek
. Ta zależność pozwala jednoznacznie wyznaczyć
mając dany
, np. dla
mamy
, dla
mamy
. Jest to zatem funkcja.
Każda funkcja przyporządkowuje argumentom (tutaj oznaczanym
) odpowiadające im wartości (tutaj oznaczane y). Oznaczając funkcję literą
, wartość dla argumentu x zapisuje się
(czyt. "f od x")[1]. Tak więc dla argumentu
wartością funkcji
jest
, czyli
.
Dziedziną
funkcji nazywa się zbiór wszystkich argumentów, a zbiorem wartości (obrazem) zbiór wszystkich wartości przyjmowanych przez funkcję; w tym przykładzie dziedziną jest zbiór liczb całkowitych, a zbiorem wartości zbiór liczb parzystych. Często wymaga się podania przeciwdziedziny, która zawiera zbiór wartości, lecz nie musi być mu równa[2]. Jeżeli w podanym tu przykładzie za przeciwdziedzinę obierzemy zbiór liczb całkowitych, to liczby nieparzyste nie będą w zbiorze wartości.
Zdanie "f jest funkcją o dziedzinie
i przeciwdziedzinie
" zapisuje się
, zbiór wszystkich funkcji
zapisuje się
.
Funkcje nie muszą odnosić się do liczb. Przykłady:
- przyporządkowanie każdemu
ciału fizycznemu
jego
środka ciężkości
,
- przyporządkowanie każdemu mieszkańcowi miasta jego pierwszego imienia,
-
symetria
względem pewnej prostej,
- symetria względem pewnego punktu.
Nazwa
W matematyce określenia: funkcja, przekształcenie, odwzorowanie, transformacja, operator, działanie, itd. są zwykle synonimami. Jednakże w różnych dyscyplinach matematycznych preferowane jest używanie niektórych z nich, znaczenie niektórych zostało zaś zawężone. Użycie konkretnej nazwy podyktowane jest dzisiaj przede wszystkim względami historycznymi.
Choć w
analizie matematycznej
rozpatruje się przede wszystkim funkcje, to w
geometrii
,
algebrze liniowej
mówi się o przekształceniach (
przekształceniach liniowych
), w
algebrze uniwersalnej
rozważa się z kolei
działania
, zaś w
analizie funkcjonalnej
bada się własności operatorów, czy
funkcjonałów
.
Sposoby określenia funkcji
Funkcja przedstawiona jako graf. Każdemu argumentowi ze zbioru

przyporządkowano dokładnie jeden element ze zbioru

. Dwóm różnym elementom w

może odpowiadać ten sam element

. Nie każdy element zbioru

musi być wartością funkcji.
Jeżeli dziedzina
jest skończona, wystarczy wymienić wszystkie pary (argument, wartość). Można to zrobić za pomocą
grafu
(przykład obok).
Najczęściej funkcje definiuje się wzorem lub ogólniej –
algorytmem
[3], tj. metodą pozwalającą znaleźć
dla danego
. Możliwe jest użycie
rekursji
, rozwinięcia w
szereg potęgowy
itp.
Czasem można określić funkcję opisem słownym, który bywa niekiedy wygodniejszy, np. "każdej liczbie całkowitej dodatniej
przyporządkowujemy
-tą liczbę pierwszą".
W matematyce stosowanej funkcje często określa się za pomocą tabeli lub wykresu. Nie pozwala to na ogół ustalić dokładnej zależności, lecz przy pewnych założeniach możliwa jest ich
interpolacja
(przybliżanie),
całkowanie numeryczne
itp.
Pojęcia
Złożenie. Iteracja
Dwie funkcje
f i
g. Ich złożenie przyjmuje wartości:

@

@

#

!!
Mając dwie funkcje
i
, można utworzyć
funkcję złożoną
, określoną wzorem
.
Wielokrotne złożenie funkcji
nosi nazwę iteracji. Ściśle: n-tą iteracją funkcji f nazywa się funkcję
![f^n = \begin{matrix}\underbrace{f \circ f \circ \cdots \circ f}\\{n}\\[-4ex]\end{matrix}.](http://upload.wikimedia.org/math/3/d/a/3da5cb82a4852663ee612c234f5cc8a5.png)
Funkcja różnowartościowa
Funkcję
nazywa się funkcją różnowartościową (iniekcją), gdy dla każdych dwóch różnych argumentów przyjmuje różne wartości. Symbolicznie:

Przykładem funkcji różnowartościowej jest funkcja określona wzorem
.
Funkcja "na"
Funkcję
nazywa się funkcją "na" (suriekcją), jeżeli jej przeciwdziedzina Y jest równocześnie jej zbiorem wartości. Oznacza to, że dla każdego
istnieje co najmniej jedno
takie, że f(x) = y.
Funkcja wzajemnie jednoznaczna
Funkcję będącą jednocześnie różnowartościową i "na" nazywa się funkcją wzajemnie jednoznaczną (bijekcją). Innymi słowy, bijekcja przyporządkowuje każdemu
dokładnie jedno
(i na odwrót). Bijekcja
może istnieć tylko wtedy, gdy zbiory X i Y mają tyle samo elementów (są równej
mocy
). Bijekcję
nazywa się permutacją.
Funkcja odwrotna
Dla każdej funkcji wzajemnie jednoznacznej można określić funkcję
taką, że
, którą nazywa się wówczas funkcją odwrotną.
Punkt stały
Jeżeli dla pewnego
zachodzi f(x) = x, wtedy x nazywa się punktem stałym funkcji f. Przykładowo, jeżeli Sl jest
symetrią względem prostej
l, to dla punktów P leżących na l zachodzi Sl(P) = P.
Niezmiennik
Jeżeli funkcja nie zmienia pewnej cechy obiektów, to tę cechę nazywa się niezmiennikiem funkcji. Przykładowo, niezmiennikiem funkcji
jest
wartość bezwzględna
liczby rzeczywistej. Istotnie: | f(x) | = | − x | = | x | . Niezmiennikiem funkcji f(x) = 2x jest
znak liczby
: wartość funkcji dla liczby dodatniej jest liczbą dodatnią, dla zera jest równa zeru, dla liczby ujemnej jest liczbą ujemną.
Obraz
Obrazem zbioru
poprzez funkcję
nazywa się podzbiór elementów
, dla których istnieje
że f(x) = y. Symbolicznie:

Przykładowo, obrazem zbioru liczb dodatnich poprzez funkcję f(x) = − x jest zbiór liczb ujemnych. Obrazem dziedziny funkcji poprzez tę funkcję jest jej zbiór wartości nazywany również obrazem funkcji.
Przeciwobraz
Przeciwobrazem zbioru
nazywa się zbiór argumentów
, którym są przyporządkowane elementy zbioru B:
.
Zawężenie i przedłużenie
Mając daną funkcję
można określić jej zawężenie, nazywane też obcięciem, do zbioru
. Jest to funkcja
taka, że
dla każdego
.
Jeżeli
jest funkcją, a
jest jej zawężeniem do zbioru
, to dla dowolnego zbioru
mamy
.
Z drugiej strony, dla
, można przedłużyć funkcję
zachowawszy często pewną regułę, otrzymując w ten sposób funkcję
. Można np. wymagać, by przedłużenie g funkcji f było
ciągłe
,
różniczkowalne
lub
okresowe
.
Wykres
Wykresem funkcji f na zbiorze
nazywa się zbiór
par uporządkowanych
dla wszystkich
tzn. zbiór
.
Wykres funkcji Wf(A) nie jest tym samym co jej obraz f(A) – pierwszy z nich jest zbiorem par uporządkowanych elementów dziedziny i przeciwdziedziny (argumentów i ich obrazów), drugi zaś wyłącznie podzbiorem przeciwdziedziny.
Funkcje w analizie matematycznej
Funkcją rzeczywistą zmiennej rzeczywistej nazywa się każdą funkcję
gdzie
. Podobnie definiuje się funkcję zespoloną zmiennej zespolonej. Funkcje te są rozważane głównie w działach
analizy matematycznej
: analizie rzeczywistej i
analizie zespolonej
.
Na takich funkcjach można wykonywać działania, o ile tylko x należy zarówno do dziedziny f jak i dziedziny g:
Matematycznym modelem zbioru funkcji z określonymi działaniami jest
przestrzeń funkcyjna
.
Rodzaje
Niektóre szczególne rodzaje funkcji:
Zobacz też:
funkcje elementarne
,
funkcje specjalne
,
badanie przebiegu zmienności funkcji
,
granica funkcji
.
Definicja
Intuicyjna definicja funkcji jako przyporządkowania jest używana również dzisiaj, np. w podręcznikach wprowadzających do analizy matematycznej. Jest ona wystarczająca dla dużej liczby zastosowań, lecz używa pojęcia „przyporządkowania”, którego sens trudno oddać formalnie. Poniżej podano definicję, nie zawierającą takiej nieścisłości.
Funkcją f ze zbioru X w zbiór Y nazywa się
podzbiór
iloczynu kartezjańskiego
(
relację dwuargumentową
) spełniający warunki


czyli
- każdy element zbioru X musi być w relacji z dokładnie jednym elementem zbioru Y.
Zbiór X nazywa się dziedziną, a zbiór Y – przeciwdziedziną funkcji f. Zbiór W nazywa się wykresem funkcji f.
Jeżeli
to element y dla którego
nazywa się wartością funkcji dla elementu (w punkcie) x, co zapisuje się f(x) = y. Z definicji wynika, że y jest wyznaczone jednoznacznie. Dla
symbol f(x) jest nieokreślony.
Przy określaniu funkcji należy podać przeciwdziedzinę, ponieważ nie wyznacza jej zbiór W. Jednak często (np. w
teorii mnogości
) funkcje i ich wykresy są utożsamiane; wówczas podanie przeciwdziedziny nie jest wymagane. Niekiedy funkcję definiuje się jako
trójkę uporządkowaną
; przy takiej definicji, funkcje o różnych przeciwdziedzinach uważa się za różne.
Funkcje jako struktury
Funkcje odgrywają ważną rolę w matematyce jako środki pomocnicze do tworzenia innych struktur (układów).
- Przykład
- Zapiszmy liczby 4,5,6,7 w tabeli


- Taką tabelę można przedstawić w postaci funkcji, która przyporządkowuje każdemu miejscu w tabeli jedną z liczb. Poszczególne miejsca będą reprezentowane jako
pary
(i,j) oznaczające numer wiersza i kolumny:

- Ogólnie każdą taką tabelę można zapisać w postaci funkcji

- wtedy będą znajdować się w niej liczby a11, a12, a21 i a22.
W taki sposób definiuje się obiekty takie jak
ciągi
i
macierze
. Należy pamiętać o różnicach w nomenklaturze: mimo że ciągi i macierze są funkcjami, to mówi się o "wyrazach" i "wskaźnikach", a nie "wartościach" i "argumentach" ciągu, "elementach", a nie "wartościach" macierzy.
Równania funkcyjne
Równanie funkcyjne to równanie, w którym niewiadomą jest funkcja. Przykładami mogą być
równania różniczkowe
i
równania całkowe
.
Uogólnienia
Funkcje wielu zmiennych
Jeżeli dziedziną funkcji jest zbiór par uporządkowanych (x,y), to można mówić o funkcji dwóch zmiennych. Przykładowo, jeżeli każdej parze (x,y) liczb całkowitych przyporządkujemy ich iloczyn xy, można mówić o funkcji
- f((x,y)) = xy,
definiującej
działanie
mnożenia w tym zbiorze; zwykle jednak stosuje się notację
- f(x,y) = xy.
W geometrii przykładem funkcji dwóch zmiennych jest
odległość
. W analogiczny sposób definiuje się funkcje większej liczby zmiennych.
Funkcje wielowartościowe
Z definicji funkcja przypisuje każdemu elementowi dziedziny dokładnie jeden element przeciwdziedziny. Wprowadzono jednak również tzw. funkcje wielowartościowe lub multifunkcje, które danemu elementowi dziedziny przypisują więcej niż jeden element przeciwdziedziny. Należą do nich przykładowo rozważane w
analizie zespolonej
funkcje lnx, arcsinx, x1 / n (w gruncie rzeczy zależą one wszystkie od funkcji
argumentu
argx).
Chcąc rozważać jednocześnie wszystkie możliwe wartości takich funkcji wprowadza się tzw. funkcje wielowartościowe lub wielolistne[] (multifunkcje), dla odróżnienia klasyczne funkcje nazywa się czasami funkcjami jednowartościowymi lub jednolistnymi[]. Każda funkcja wielowartościowa ze zbioru X w Y może być przedstawiona jako funkcja jednowartościowa ze zbioru X w
zbiór potęgowy
.
Funkcje wielowartościowe pojawiają się też w innych kontekstach, np. za funkcję wielowartościową można uważać także operator
całkowania
,
,
którego wartościami są rodziny
funkcji pierwotnych
.
Funkcje częściowe
Dystrybucje
Morfizmy
Na funkcję można patrzeć jako na przekształcenie

jednego obiektu w drugi. Ten punkt widzenia uogólnia
teoria kategorii
przez pojęcie morfizmu.
Przykładowo, obiekty a i b mogą być zbiorami, a f funkcją
; a i b mogą być zbiorami uporządkowanymi, a f funkcją monotoniczną; a i b strukturami algebraicznymi, a f homomorfizmem; a i b formułami, a f wyprowadzeniem (dowodem) b z a; a i b liczbami naturalnymi, a f macierzą
. We wszystkich przypadkach dla każdego obiektu mamy morfizm identycznościowy (np. identyczność, dowód pusty, macierz jednostkowa) i składanie morfizmów (składanie funkcji, składanie dowodów, mnożenie macierzy). Za pomocą właśności morfizmów możemy określić wiele pojęć bez odwoływania się do "wnętrza" obiektów, np. możemy zdefiniować
produkt
, który w zależności od kategorii może być iloczynem kartezjańskim zbiorów, iloczynem grup, koniunkcją formuł itd.
Rys historyczny
Poszukiwaniem wzajemnych zależności między różnymi wielkościami zajmowali się już
starożytni Grecy
, jednak pierwszą ogólną
definicję
funkcji podał dopiero w
1718
r. matematyk
szwajcarski
Jan Bernoulli
.
Pełną definicję funkcji (jako przyporządkowania) pierwszy sformułował matematyk
niemiecki
Peter Gustav Lejeune Dirichlet
w
1837
r. Dzisiaj pojęcie funkcji jest jednym z najważniejszych pojęć matematyki.
Przypisy
- ↑ Przy często używanych funkcjach nawias jest pomijany: sinx lub lnx. W niektórych wypadkach symbol funkcji pisze się po argumencie, np. n! (czyt. "n
silnia
").
- ↑ W niektórych źródłach, wyraz "przeciwdziedzina" uważa się za synonim słowa "zbiór wartości", w innych zaś nie. Dlatego w matematyce wyższej nie używa się pojęcia "zbioru wartości", a "obrazu" (objaśnione poniżej).
- ↑ Taki algorytm musi być
deterministyczny
, tj. wyjścia dla takich samych wejść powinny być równe.
Zobacz też