\section{Bild und Urbild} Definition $5.1$ Seien $A$ und $B$ beliebige Mengen. Eine Abbildung $f$ von $A$ nach $B$ ist eine Vorschrift, die jedem Element $x \in A$ genau ein Element $y=f(x) \in B$ zuordnet. Man nennt $A$ den Definitionsbereich und $B$ den Wertebereich der Abbildung $f$. Für Abbildungen sind folgende Schreibweisen üblich: $f: A \rightarrow B$ gelesen als "die Abbildung $f$ von $A$ nach $B$ ". $f: A \rightarrow B, x \mapsto f(x)$ gelesen als ", die Abbildung $f$ von $A$ nach $B$, wobei jedem $x \in A$ der Wert $f(x) \in B$ zugeordnet wird". \& $f: x \mapsto f(x)$, wenn der Definitionsbereich und Wertebereich klar sind. Beispiel 56 An der Vorlesung Analysis für Ingenieure nimmt eine Gruppe von drei befreundeten Studenten teil, die der Einfachheit halber mit $s_{1}, s_{2}$ und $s_{3}$ bezeichnet werden sollen. Es werden zur Vorlesung drei verschiedene Tutorien $t_{1}, t_{2}$ und $t_{3}$ angeboten, wobei jedem Studenten freigestellt bleibt, welches Tutorium er besucht. Sei $S:=\left\{s_{1}, s_{2}, s_{3}\right\}$ die Menge der drei befreundeten Studenten und $T:=\left\{t_{1}, t_{2}, t_{3}\right\}$ die Menge der angebotenen Tutorien. Betrachten Sie jetzt die folgenden drei verschiedenen Zuordnungen aus der Menge $S$ in die Menge $T$ und entscheiden Sie, bei welcher Zuordnung es sich um eine Abbildung handelt . (a) $(b)$ Abbildung 5.1 Geometrische Veranschaulichung einer Abbildung . - Bei der Zuordnung ( $a$ ) handelt es sich nicht um eine Abbildung, weil dem Element $s_{2} \in S$ kein Element aus der Menge $T$ zugeordnet ist. - Bei der Zuordnung ( $b$ ) handelt es sich nicht um eine Abbildung, weil dem Element $s_{3} \in S$ zwei Elemente $t_{1}, t_{3} \in T$ zugeordnet sind. - Bei der Zuordnung ( $c$ ) handelt es sich um eine Abbildung, weil jedem Element der Menge $S$ genau ein Element der Menge $T$ zugeordnet ist. -87- \newpage -88- Bemerkung: Eine Abbildung heißt auch Funktion, wenn es sich bei dem Definitions- und Wertebereich um Zahlenmengen handelt . Beispiel 57 Betrachten Sie die folgenden Graphen in $G \subset \mathbb{R} \times \mathbb{R}$ und entscheiden Sie, bei welchen Graphen es sich um eine Funktion $f: \mathbb{R} \supset A \rightarrow B \subset \mathbb{R}$ handelt . Geometrisch gesehen stellt der Graph genau dann eine Funktion dar, wenn jede zur y - Achse gezogene parallele Gerade den Graphen in höchstens einem Punkt schneidet. Denn dann gibt es zu jedem $x \in A$ genau ein $y \in B$. - Bei dem Graphen ( a) handelt es sich nicht um eine Funktion, weil es parallele Geraden zur y - Achse gibt, die den Graphen in zwei Punkten schneiden . - Bei dem Graphen ( $b$ ) handelt es sich um eine Funktion, weil es keine parallele Gerade zur y - Achse gibt, die den Graphen in mehr als einem Punkt schneidet. - Bei dem Graphen ( $c$ ) handelt es sich nicht um eine Funktion, weil es eine parallele Gerade zur $y$ - Achse gibt, die den Graphen in zwei Punkten schneiden. Beispiel 58 - Bei der Abbildung $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto 2 x$ handelt es sich um eine Funktion, weil jedem $x \in \mathbb{R}$ genau ein Wert $y:=f(x)=2 x \in \mathbb{R}$ zugeordnet wird. - Bei der Abbildung $a: \mathbb{N} \rightarrow \mathbb{R}, n \mapsto \frac{n}{n^{2}+n+1}$ handelt es sich um eine Funktion, weil jedem $n \in \mathbb{N}$ genau ein Wert $a_{n}:=a(n)=\frac{n}{n^{2}+n+1} \in \mathbb{R}$ zugeordnet wird. - Bei $g: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto \pm x$ handelt es sich nicht um eine Funktion, weil zu jedem $x \in \mathbb{R} \backslash\{0\}$ zwei Werte $y:=g(x)=\pm x \in \mathbb{R}$ zugeordnet sind. - Bei der Abbildung $h: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto 1$ handelt es sich um eine Funktion, weil zu jedem $x \in \mathbb{R}$ genau ein Wert $y:=h(x)=1 \in \mathbb{R}$ zugeordnet wird. - Bei $k:\{1\} \rightarrow \mathbb{R}$ handelt es sich nicht um eine Funktion, weil für $x=1$ unendlich viele Werte $y:=k(1) \in \mathbb{R}$ zugeordnet sind. Betrachten Sei jetzt die Funktion $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto \sin x$. Der Wertebereich dieser Funktion ist die Menge der reellen Zahlen $\mathbb{R}$, obwohl diese Funktion tatsächlich nur Werte aus dem Intervall $y \in[-1,1] \subset \mathbb{R}$ annehmen kann. Für diesen Sachverhalt schreibt man kurz $f(\mathbb{R})=[-1,1]$ und nennt dieses das Bild der Funktion $f$. Das Bild einer Funktion muss also nicht notwendiger Weise der gesamte Wertebereich sein! -88- \newpage -89- Definition $5.2$ Seien $A$ und $B$ beliebige Mengen und $f: A \rightarrow B$ eine Abbildung. Dann heißt $f(A):=\{f(x) \mid x \in A\} \subseteq B$ der tatsächlich angenommenen Werte das Bild von $f$. Beispiel 59 - Die Funktion $f: \mathbb{R} \backslash\{0\} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto \frac{1}{x^{2}}$ hat das Bild $f(\mathbb{R} \backslash\{0\})=\mathbb{R}^{+} \subset \mathbb{R}$. - Die Funktion $g: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto \cos x+2$ hat das Bild $g(\mathbb{R})=[1,3] \subset \mathbb{R}$. - Die Funktion $h: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto 3$ hat das Bild $h(\mathbb{R})=\{3\} \subset \mathbb{R}$. Definition $5.3$ Sei $f: A \rightarrow B$ eine beliebige Abbildung und $Y \subset B$. Dann heißt die Menge $$ f^{-1}(Y):=\{x \in A \mid f(x) \in Y\} $$ Urbildmenge beziehungsweise das Urbild von $Y$. Beispiel 60 Gegeben sei die Funktion $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}_{0}^{+}, x \mapsto \frac{1}{8} x^{2}$. Bestimmen Sie das Urbild von $f$ für die Teilmenge $Y=\left[\frac{1}{2}, 2\right] \subset \mathbb{R}_{0}^{+}$des Wertebereichs. Lösung: Aus der grafischen Darstellung der Parabel lässt sich wegen $f(\pm 2)=\frac{1}{2}$ und $f(\pm 4)=2$ die Urbildmenge sofort ablesen. Sie lautet $$ f^{-1}(Y):=\left\{x \in \mathbb{R} \mid f(x) \in\left[\frac{1}{2}, 2\right]\right\}=[-4,-2] \cup[2,4] . $$ -89- \newpage -90- $5.2$ Inverse Abbildung Betrachten Sie jetzt die Funktion $f:[-2,2] \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto x^{2}$. Dann ist offensichtlich $f([-2,2])=[0,4]$ das Bild von $f .$ Zu dem jedem $y \in] 0,4]$ existieren zwei Werte $x=\pm \sqrt{y}$ aus dem Definitionsbereich $[-2,2]$. Dagegen hat die Funktion $g:[-2,2] \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto x^{3}$ das Bild $g([-2,2])=[-8,8]$ und zu jedem $y \in[-8,8]$ existiert genau ein Wert $x=\sqrt[3]{y}$ aus dem Definitionsbereich $[-2,2]$. Das legt die folgende Definition nahe. Definition $5.4$ Sei $f: A \rightarrow B$ eine Abbildung. Die Abbildung heißt injektiv, wenn für alle $x_{1}, x_{2} \in A$ mit $x_{1} \neq x_{2}$ auch $f\left(x_{1}\right) \neq f\left(x_{2}\right)$ gilt. \ Verschiedene Argumente liefern also verschiedene Funktionswerte. $\infty_{\text {Aus }} f\left(x_{1}\right)=f\left(x_{2}\right)$ folgt immer $x_{1}=x_{2}$. Beispiel 61 - Die Funktion $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto x^{2}$ ist nicht injektiv, weil zum Beispiel für die beiden Werte $x_{1}=-1, x_{2}=1$ aus dem Definitionsbereich $f(-1)=f(1)=1$ gilt . - Die Funktion $g: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto \cos x$ ist nicht injektiv, weil zum Beispiel für alle Werte $x_{k}=2 k \pi, k \in \mathbb{Z}$ aus dem Definitionsbereich $f\left(x_{k}\right)=\cos (2 k \pi)=1$ gilt . - Die Funktion $h: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto x$ ist injektiv, weil aus $f\left(x_{1}\right)=f\left(x_{2}\right)$ immer $x_{1}=x_{2}$ für alle Werte $x_{1}, x_{2} \in \mathbb{R}$ folgt . Beispiel 62 Betrachten Sie die folgenden Graphen der Funktionen in $G \subset \mathbb{R} \times \mathbb{R}$ und entscheiden Sie, bei welcher Funktion es sich um eine injektive Funktion $f: A \subset \mathbb{R} \rightarrow B \subset \mathbb{R}$ handelt. Eine Funktion ist genau dann injektiv, wenn jede zur $x$ - Achse gezogene parallele Gerade den Graphen in höchstens einem Punkt schneidet . - Bei dem Graphen ( $a$ ) handelt es sich um eine injektive Funktion, weil jede parallele Gerade zur $x$ - Achse den Graphen in höchstens einem Punkt schneidet. - Bei dem Graphen ( $b$ ) handelt es sich nicht um eine injektive Funktion, weil es parallele Geraden zur $x$ - Achse gibt, die den Graphen in mehr als einem Punkt schneiden. -90- \newpage -91- - Bei dem Graphen ( $c$ ) handelt es sich um eine injektive Funktion, weil jede parallele Gerade zur $x$ - Achse den Graphen in höchstens einem Punkt schneidet. Häufig kommen Abbildungen $f: A \rightarrow B$ vor, bei denen das Bild $f(A)$ oft nur eine echte Teilmenge des Wertebereichs $B$ ist. Die Funktion $f:[-2,2] \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto x^{2}$ beispielsweise hat das Bild $f([-2,2])=[0,4] \subset \mathbb{R}$. Das hießt, nicht zu jedem $y \in \mathbb{R}$ gibt es ein $x \in[-2,2]$ ! Sie werden zum Beispiel zu $y=10$ kein $x \in[-2,2]$ finden. Definition $5.5$ Sei $f: A \rightarrow B$ eine Abbildung. Die Abbildung heißt surjektiv, wenn $f(A)=B$ gilt. 4. Das Bild der Abbildung $f$ ist also der gesamte Wertebereich. Das heißt: Zu jedem $y \in B$ gibt es mindestens ein $x \in A$. Beispiel 63 - Die Funktion $f:[-2,2] \rightarrow[0,4], x \mapsto x^{2}$ ist surjektiv, weil zu jedem $y \in[0,4]$ mindestens ein $x \in[-2,2]$ existiert. - Die Funktion $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto \sin x$ ist nicht surjektiv, weil zum Beispiel zu $y=2$ kein $x \in \mathbb{R}$ existiert. - Die Funktion $f: \mathbb{R}^{+} \rightarrow[0, \infty), x \mapsto \frac{1}{\sqrt{x}}$ ist nicht surjektiv, weil zu $y=0$ kein $x \in \mathbb{R}^{+}$existiert. Von besonderer Bedeutung sind Abbildungen, die sowohl injektiv als auch surjektiv sind. Daher auch die folgende Definition $5.6$ Eine Abbildung $f: A \rightarrow B$ die injektiv und surjektiv ist, heißt bijektive Abbildung. Betrachten Sie zum Beispiel die Funktion $f: \mathbb{R} \backslash\{0\} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto \frac{1}{x}$. Aus $f\left(x_{1}\right)=f\left(x_{2}\right)$ folgt sofort $x_{1}=x_{2}$, womit $f$ injektiv ist. Die Funktion $f$ ist aber nicht surjektiv, weil zu $y=0$ kein $x \in \mathbb{R} \backslash\{0\}$ existiert. Also ist $f$ auch nicht bijektiv. Es stellt sich jetzt die entscheidende Frage, wann eine Abbildung $f: A \rightarrow B$ umkehrbar ist. Oder anders formuliert: Wann gibt es eine Umkehrabbildung $f^{-1}: B \rightarrow A$ derart, dass $f^{-1}(y)=x$ gilt ? Beispiel 64 Gegeben sei die Funktion $f:[-2,2] \rightarrow[0,4], x \mapsto x^{2}$. Dann wird $x=2$ auf $y=4$ abgebildet. Umgekehrt existiert zu $y=4$ kein eindeutiger Wert $x \in[-2,2]$. Das heißt: $f^{-1}:[0,4] \rightarrow[-2,2]$ ist nach der Definition $5.1$ keine Abbildung mehr, weil jedem $y \in] 0,4]$ zwei Werte aus $[-2,2]$ zugeordnet werden. -91- \newpage -92- Definition $5.7$ Sei $f: A \rightarrow B$ eine injektive Abbildung. Dann gibt es $z u$ jedem $y \in f(A) \subseteq B$ genau ein $x \in A$ mit $y=f(x)$ und man kann auf dem Bild $f(A)$ eine Umkehrabbildung oder auch Inverse $f^{-1}: B \supseteq f(A) \rightarrow A$ definieren, die durch $$ f^{-1}(y)=x \text { oder äquivalent dazu } f(x)=y $$ charakterisiert ist. Beispiel 65 Gegeben sei die Funktion $f:[0,2] \rightarrow[0,4], x \mapsto x^{2}$. Diese Funktion ist injektiv und wegen $f([0,2])=[0,4]$ sogar surjektiv . Daher existiert zu dieser Abbildung die Inverse beziehungsweise Umkehrabbildung $f^{-1}:[0,4] \rightarrow[0,2], y \mapsto \sqrt{y}$. Bemerkung: Rechnerisch erhält man die Inverse, unter der Voraussetzung dass diese existiert, indem man einfach die Gleichung $y=f(x)$ nach $x$ auflöst. Beispiel 66 Gegeben sei die Funktion $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto 2 x+5$. Diese Funktion ist bijektiv und daher existiert die inverse Funktion $f^{-1}$. Auflösen der Gleichung $y=f(x)=2 x+5$ nach der Variable $x$ ergibt $x=\frac{y-5}{2}$ und daher ist die Inverse $f^{-1}(y): \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, y \mapsto \frac{y-5}{2}$. 5.3 Komposition von Abbildungen In diesem Abschnitt geht es um die Hintereinanderschaltung von mehreren Abbildungen Seien $f: A \rightarrow B$ und $g: B \rightarrow C$ zwei beliebige Abbildungen. Man kann dann zuerst die Abbildung $f$ von $A$ nach $B$ und danach die Abbildung $g$ von $B$ nach $C$ ausführen. Abbildung $5.2$ Hintereinanderschaltung von zwei Abbildungen. Definition $5.8$ Seien $f: A \rightarrow B$ und $g: B \rightarrow C$ zwei beliebige Abbildungen Dann heißt die Abbildung $g \circ f: A \rightarrow C, x \mapsto g(f(x))$ die Komposition oder auch Hintereinanderschaltung von $f$ und $g$. Gelesen wird das als "g Kringel $f "$. -92- \newpage -93- Beispiel 67 Es seien die Abbildungen $f: A \rightarrow B$ und $g: B \rightarrow C$ durch das folgende Diagramm definiert. Berechnen Sie mithilfe der Definition die Komposition $g \circ f: A \rightarrow C$. Lösung: Mit Definition $5.8$ erhält man die Bilder $$ \begin{aligned} &(g \circ f)(a)=g(f(a))=g(y)=3, \quad(g \circ f)(b)=g(f(b))=g(z)=1 \text { und } \\ &(g \circ f)(c)=g(f(c))=g(y)=3 . \end{aligned} $$ Beispiel 68 Gegeben seien die Funktionen $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto e^{x}$ und $g: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto \cos x$. Berechnen Sie die beiden Kompositionen $(g \circ f)(x)$ und $(f \circ g)(x)$. Lösung: Nach Definition $5.8$ gilt $$ \begin{aligned} &(g \circ f)(x)=g(f(x))=g\left(e^{x}\right)=\cos \left(e^{x}\right) \quad \text { und } \\ &(f \circ g)(x)=f(g(x))=f(\cos x)=e^{\cos x} \end{aligned} $$ 5.4 Betrags - und Signumfunktion Definition $5.9$ Die Funktionen $$ |\cdot|: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto|x|:= \begin{cases}x & \text { für } x>0 \\ 0 & \text { für } x=0 \\ -x & \text { für } x<0 .\end{cases} $$ $\operatorname{sign}: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto \operatorname{sign}(x):= \begin{cases}1 & \text { für } x>0, \\ 0 & \text { für } x=0, \\ -1 & \text { für } x<0 .\end{cases}$ heißen Betragsfunktion beziehungsweise Signumfunktion und werden gelesen als "Betrag von $x$ " beziehungsweise "Signum von $x$ ". -93- \newpage -94- Die Signumfunktion wird oft auch als Vorzeichenfunktion bezeichnet. In der folgenden Abbildung sind die Graphen der Betrags- und Signumfunktion dargestellt. Abbildung 5.3 Betrags- und Signumfunktion. 5.5 Übungsaufgaben Aufgabe 116 Skizzieren Sie für den jeweils größtmöglichen Definitionsbereich die Bilder der Funktionen $f(x),[f(x)]^{2}, f\left(x^{2}\right), \frac{1}{f(x)}$ und $f\left(\frac{1}{x}\right)$ für: a) $f(x)=\frac{1}{x}$ b) $f(x)=\sin x$ Aufgabe 117 Durch welche der folgenden Zuordnungsvorschriften sind Funktionen $y=f(x)$ mit $f$ : $D \rightarrow \mathbb{R}$ definiert? Fertigen Sie jeweils eine Skizze an! a) $y^{2}=x, D=\mathbb{R}^{+}$. b) $\arctan y=e^{-|x|}, D=\mathbb{R}$. c) $y=\left\{\begin{array}{ll}2 & \text { für } x \neq 0 \\ x & \text { für } x^{2}=x\end{array} \quad, D=\mathbb{R}\right.$. d) $y=\left\{\begin{array}{ll}e^{-\frac{1}{x^{2}}} & \text { für } \quad x>0 \\ 0 & \text { für } \quad x \leq 0\end{array} \quad, D=\mathbb{R}\right.$. g) $|y|=\frac{\ln x}{x^{2}+1}, D=[1, \infty[$. Aufgabe 118 Es seien $a, b \in \mathbb{R}$ und $b>0$. Geben Sie für die Funktion $$ f: D \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto \frac{1}{\sqrt{b-|a-2 x|}} $$ den größtmöglichen Definitionsbereich $D$ in Intervallschreibweise an. -94- \newpage -95- Aufgabe 119 Bestimmen Sie den maximalen Definitionsbereich $D \subset \mathbb{R}$ der folgenden Funktionen, und untersuchen Sie sie auf Injektivität, Surjektivität und Bijektivität. $$ f: D \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto x^{2} . \quad g: D \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto \frac{1}{\sqrt{4-x}}-7 . $$ Aufgabe 120 Untersuchen Sie für die jeweils angegebene Wahl des Definitionsbereichs $D$ und Wertebereichs $W$ der Funktion $$ f: D \rightarrow W \quad \text { mit } \quad f(x)=x^{2}-2 x+1 $$ auf Injektivität und Surjektivität und kreuzen Sie die jeweils richtige Antwort an . \begin{tabular}{|c|c|c|c||c|c|} \hline$D$ & $W$ & \multicolumn{2}{|c||}{ injektiv } & \multicolumn{2}{c|}{ surjektiv } \\ & & ja & nein & ja & nein \\ \hline \hline $\mathbb{R}$ & $\mathbb{R}$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ \\ \hline$\{x \in \mathbb{R} \mid x<0\}$ & $\{y \in \mathbb{R} \mid y>0\}$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ \\ \hline$[-1,1]$ & {$[0,4]$} & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ \\ \hline$\{x \in \mathbb{R} \mid x \geq 0\}$ & $\{y \in \mathbb{R} \mid y \geq 0\}$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ \\ \hline \end{tabular} Aufgabe 121 Entscheiden Sie über Injektivität, Surjektivität beziehungsweise Bijektivität der Funktion $$ g: A \rightarrow B \quad \text { mit } \quad x \mapsto \exp \left(-x^{2}\right), $$ wenn folgende Mengen $A$ und $B$ vorgegeben sind. Kreuzen Sie die jeweils richtige Antwort in der Tabelle an. Bestimmen Sie weiterhin die Umkehrfunktion für die bijektive Abbildung $g: A \rightarrow B$. \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|} \hline$A$ & $B$ & injektiv & surjektiv & bijektiv \\ \hline$[1, \infty[$ & $\mathbb{R}$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ \\ \hline$\left.]-\infty,-\frac{1}{\sqrt{2}}\right]$ & ] $\left.0, \frac{1}{\sqrt{e}}\right]$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ \\ \hline$]-\infty, \frac{1}{2}[$ & ] $0,1]$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ & $\bigcirc$ \\ \hline \end{tabular} Aufgabe 122 Ist die Abbildung $f$ injektiv und/oder surjektiv? $$ f: \mathbb{Z} \rightarrow\{q \in \mathbb{Q} \mid 0 \leq q \leq 1\} \quad \text { mit } \quad f(a)=\frac{|a|}{2 a^{2}+2} . $$ -95- \newpage -96- Aufgabe 123 a) Betrachten Sie die Funktion $f: A \subset \mathbb{R} \rightarrow B \subset \mathbb{R}$ mit $f(x):=\sin (x)$. Wie kann man die Mengen $A$ und $B$ wählen, so dass die Funktion $f(x)$ i) injektiv, ii) surjektiv, oder iii) bijektiv ist? b) Beweisen Sie, dass die Funktion $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}$ mit $f(x):=x+2$ bijektiv ist. Aufgabe 124 a) Bestimmen Sie den maximalen Definitionsbereich $D \subset \mathbb{R}$ der folgenden Funktion und untersuchen Sie sie auf Injektivität, Surjektivität und Bijektivität. $$ f: D \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto \frac{\pi}{2} \sin (x) $$ b) Welche Teilmenge $A \subset \mathbb{R}$ kann man maximal als Definitions- und Wertebereich wählen, damit $f: A \rightarrow A, \quad x \mapsto \frac{\pi}{2} \sin (x)$ eine bijektive Funktion ist? Aufgabe 125 Sind die folgenden Zuordnungen injektive, surjektive oder gar keine Funktionen? Begründen Sie Ihre Antworten anhand einer Skizze! a) $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}^{+}, \quad f(x)=\left\{\begin{array}{lll}x+1 & \text { für } & x \geq 1, \\ 2 & \text { für } & x<1 .\end{array}\right.$ b) $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, \quad f(x)=-x^{5}$. d) $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, \quad f(x)=\arctan (x) .$ Aufgabe 126 a) Gegeben seien die Funktionen $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto 1+x^{2} \quad$ und $\quad h: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto 1+(\sin x \cdot \cos x)^{2} .$ Gibt es eine Funktion $g$ mit $h=f \circ g$ ? Falls ja, geben Sie eine solche an. b) Gegeben seien die Funktionen $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto 1+x^{2} \quad$ und $\quad h: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto 1+x^{3} .$ Gibt es eine Funktion $g$ mit $h=g \circ f$ ? Falls ja, geben Sie eine solche an. Aufgabe 127 Welche der folgenden Zuordnungsvorschriften definieren eine Funktion $y=f(x)$ mit $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}$ ? Welche Funktionen sind injektiv ? Berechnen Sie falls möglich die Inverse. a) $y=\left\{\begin{array}{lll}-1 & \text { für } & x \leq-\frac{\pi}{2}, \\ \sin x & \text { für } & x>-\frac{\pi}{2} .\end{array}\right.$ b) $y=\left\{\begin{array}{lll}-x^{2} & \text { für } & x \geq 0, \\ x & \text { für } & x>0 .\end{array}\right.$ C) $\cos y=x$ -96- \newpage -97- Aufgabe 128 Sei $H$ die Menge aller lebenden Menschen, sowie $W$ die Menge aller lebenden Menschen weiblichen Geschlechts und $M:=H \backslash W$ die Menge aller lebenden Menschen männlichen Geschlechts. Betrachten Sie die folgenden Abbildungen : $m: H \rightarrow W$ mit $m(x)$ ist die leibliche Mutter von $x$. $f: H \rightarrow M$ mit $f(x)$ ist der leiblicher Vater von $x .$ a) Beschreiben Sie in Worten die zusammengesetzten Abbildungen (Kompositionen ) $m^{2}:=m \circ m, \quad g:=f \circ m, \quad h:=m \circ f, \quad$ gilt $g=h ?$ b) Welche der Abbildungen $m, f, m^{2}, g, h$ sind injektiv, surjektiv oder bijektiv? c) Welche Menge wird durch $m^{-1}(W)$ beschrieben ? Aufgabe 129 Es seien $X, Y$ Mengen $f: X \rightarrow Y$ eine Funktion und $A \subseteq X$. Begründen Sie: a) Ist $f$ injektiv, so ist $f^{-1}(f(A))=A$. b) Im Allgemeinen gilt $f^{-1}(f(A))=A$ nicht. Aufgabe 130 a) Gegeben sei die Funktion $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, f(x)=3+4 x$. Berechnen Sie, falls möglich, die Umkehrabbildung $f^{-1}$ mit passendem Definitions- und Wertebereich und das Urbild $f^{-1}([-5,5])$. b) Gegeben sei die Funktion $f:\left[0, \infty\left[\rightarrow \mathbb{R}, f(x)=2 x^{2}-3\right.\right.$. Berechnen Sie, falls möglich, die Umkehrabbildung $f^{-1}$ mit passendem Definitions- und Wertebereich und das Urbild $f^{-1}([1,5])$. Aufgabe 131 a) Für welche $y \in \mathbb{R}$ ist die Gleichung $x^{2}+2 x=y$ lösbar? Für welche $y$ ist sie eindeutig lösbar? b) Sei $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, f(x)=x^{2}+2 x$. Bestimmen Sie $f(\mathbb{R})$. Ist $f$ injektiv ? c) Hat $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, f(x):=7 x+5$ eine Umkehrfunktion? Falls ja, welche? d) Welche der Funktionen sind injektiv ? Bestimmen Sie, falls möglich, die Umkehrfunktion inklusive ihres maximalen Definitionsbereichs. $$ \begin{array}{rlrl} g:[-1,5[ & \rightarrow \mathbb{R} & h:[3,8] & \rightarrow \mathbb{R} \\ x & \mapsto x^{2} & & \mapsto(x-3)^{2} \end{array} $$ -97- \newpage -98- Aufgabe 132 Sei $f: D \rightarrow W$ gegeben durch: a) $x \mapsto \sqrt{x}$ b) $x \mapsto \sqrt{5-x^{2}}$ c) $x \mapsto \frac{x^{2}+1}{(x-1)(x-5)(x+2)}$ Bestimmen Sie den maximalen Definitionsbereich $D \subset \mathbb{R}$ und minimalen Wertebereich $W \subset \mathbb{R}$ der jeweiligen Abbildung. Welche der Abbildungen sind injektiv? Geben Sie falls möglich die Umkehrabbildung an . Aufgabe 133 Sind die folgenden Funktionen injektiv? Falls ja, bestimmen Sie die Umkehrfunktion einschließlich ihres maximalen Definitionsbereichs ! a) $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}$ b) $g: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}$ c) $h:[2, \infty[\rightarrow \mathbb{R}$ $x \mapsto x^{3}+5$ $x \mapsto-5 x^{2}-9$ $x \mapsto x^{2}+6 x+19$ d) $k:] 1, \infty[\rightarrow \mathbb{R}$ $$ x \mapsto \frac{1}{x}+\frac{1}{1-x} $$ Aufgabe 134 Beschreiben Sie die folgenden Mengen als Vereinigung von Intervallen. Skizzieren Sie sie auf dem Zahlenstrahl . a) $f^{-1}(] 0,1[)$ mit $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, x \mapsto x^{2}-4$. b) $f\left(\left[-\frac{\pi}{2}, 0\right]\right) \cap\left\{x \in \mathbb{R} \mid x^{2}-\frac{1}{4} \geq 0\right\}$ mit $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto \cos x$. c) $f^{-1}(] 1,2[) \cap f([1,2])$ mit $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto 3 x-3$. Aufgabe 135 Bestimmen Sie folgende Urbilder der Funktion $f: D \rightarrow \mathbb{R}$. Beachten Sie dabei, dass $f^{-1}$ im Allgemeinen keine Funktion ist. a) $f^{-1}([-9,0])$ mit $f(x)=3 x^{2}-12$ und $D=\mathbb{R}$. b) $f^{-1}([0,1])$ mit $f(x)=\tan x$, einmal mit $\left.D=\right]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}[$ und dann mit $D=]-\frac{\pi}{2}, \frac{3 \pi}{2}\left[\backslash\left\{\frac{\pi}{2}\right\}\right.$. c) $f^{-1}([2,5])$ mit $f(x)=x^{2}+1$ und $D=\mathbb{R}$. d) $f^{-1}(\{1\})$ mit $f(x)=\sin x$ und $D=\mathbb{R}$. Aufgabe 136 Ordnen Sie jeder der fünf Mengen $\left.\left.\mathbb{R}, \mathbb{N}_{0},\right]-1,0\right],\{\}$,$\quad und \mathbb{R} \backslash \mathbb{Z}=\{x \in \mathbb{R} \mid x$ ist keine ganze Zahl $\}$ genau eine der Variablen $A, B, C, D$ und $E$ zu, so dass gilt: $A \backslash\left(B \cup f^{-1}(C \cap D)\right)=E \quad$ mit $\quad f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, \quad x \mapsto \sin (\pi x) .$ -98- \newpage -99- Aufgabe 137 Beschreiben Sie die folgenden Mengen als Vereinigung und/oder Durchschnitt von Intervallen. Skizzieren Sie sie auf dem Zahlenstrahl. a) $\left.\left.f^{-1}([-1,1] \backslash\{0\}) \cap\right] 0,2 \pi\right]$ mit $f(x):=\sin x$. b) $f^{-1}(] 2,5[)$ mit $f(x):=|x|$. c) $f([-2,2]) \cup] 0,10]$ mit $f(x):=x^{2}$. d) $f^{-1}(] 0, \infty[)$ mit $f: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, f(x):=x^{2}-x$. -99- \newpage -100-