3 Grenzwerte, Stetigkeit und Beispiele reeller Funktionen

(1)

3 Grenzwerte, Stetigkeit und Beispiele reeller Funktionen

3.1 Grundlegende Eigenschaften

In den nächsten Kapiteln beschäftigen wir uns mit Funktionen f : D

f

→ W

f

, bei denen sowohl der Definitions- als auch der Wertebereich Teilmengen der reellen Zahlen sind (D

f

, W

f

⊂

R).

Diese Funktionen nennen wir kurz reelle Funktionen.

Bereits in Abschnitt 1.5 hatten wir uns mit dem Funktionsbegriff auseinandergesetzt. Alle dort bereits erarbeiteten Begriffe gelten natürlich auch für reelle Funktionen.

Allerdings kann man bei reellen Funktionen auch viel speziellere Eigenschaften untersuchen. Erste Beiträge liefert dieser Abschnitt.

Reelle Funktionen TU Bergakademie Freiberg 151

Maximaler Definitionsbereich

Eine erste Konvention treffen wir bezüglich der Notation:

Ist zu einer reellen Funktion f lediglich die Bildungsvorschrift x 7→ f (x) angegeben, so wählen wir den Definitionsbereich D

f

⊂

R

so groß wie möglich.

Die so gewählte Menge D

f

heißt maximaler Definitionsbereich von f.

Man identifiziere die maximalen Definitionsbereiche zu f(x) = √

⁴

x − 1, g(x) = x

⁷

und h(x) = 2x − 3 sin x (x

²

− 1)(x − 4) .

Monotonie

Da Funktionswerte reeller Funktionen vergleichbar sind, lässt sich für reelle Funktionen Monotonie definieren:

Definition 3.1 (monotone Funktion).

Eine reelle Funktion f : D

f

→

R

heißt auf einem Intervall I ⊂ D

f

(streng) monoton wachsend, wenn für alle x, y ∈ I mit x < y stets f (x) ≤ f(y) (bzw. f (x) < f(y)) gilt,

(streng) monoton fallend, wenn für alle x, y ∈ I mit x < y stets f (x) ≥ f(y) (bzw. f (x) > f(y)) gilt,

(streng) monoton, wenn sie (streng) monoton wachsend oder

fallend ist.

(2)

Graphische Darstellung

Die graphische Darstellung reeller Funktionen erfolgt in der x-y-Ebene (Graph(f) ist eine Teilmenge von

R²

).

Beispiele:

I = D

_f

f

I = D

g

f ist auf D

f

streng monoton wachsend und g auf D

g

monoton fallend (allerdings nicht streng).

Umkehrfunktion

Ist die reelle Funktion f : D

f

→ W

f

bijektiv, dann existiert die Umkehrfunktion (auch inverse Funktion) von f:

f

⁻¹

: W

f

→ D

f

, f

⁻¹

(y) = x : ⇔ y = f(x).

Offenbar gilt

(x, y) ∈

Graph(f)

⇔ (y, x) ∈

Graph(f⁻¹

),

weshalb der Graph von f

⁻¹

aus dem Graphen von f durch Spiegelung an der ersten Winkelhalbierenden y = x hervorgeht.

Beispiele:

Graphen von f : [0, ∞ ) → [0, ∞ ), f(x) = x

²

und h : (0, ∞ ) → (0, ∞ ), h(x) =

_x¹

sowie der entsprechenden Umkehrfunktionen:

0 1 2 3 4

f(x)=x²

g(x)=x^1/2

0 0.5 1 1.5 2

h(x)=1/x

Warum ist im Bild rechts nur ein Graph zu sehen?

(3)

Satz 3.2 (Monotonie und Umkehrfunktion).

Ist f : I →

R

streng monoton auf dem Intervall I , so ist f : I → f(I) bijektiv. Die Umkehrfunktion f

⁻¹

ist streng monoton wachsend (fallend), wenn f streng monoton wachsend (fallend) ist.

Nach Satz 3.2 besitzt f(x) = x

³

auf ganz

R

eine Umkehrfunktion.

Wie lautet diese? Zeichnen Sie die Graphen beider Funktionen.

Anmerkung: Die Umkehrfunktion in der Situation von Satz 3.2 ist sogar stetig (Stetigkeitsbegriff folgt demnächst).

Operationen mit Funktionen

Mit den gewohnten Rechenoperationen in

R

sind folgende

“punktweisen“ Konstruktionen möglich:

Definition 3.3.

Es seien f, g : D →

R

reelle Funktionen und α ∈

R.

Wir definieren neue Funktionen

αf : D →

R,

(αf )(x) := αf (x), f ± g : D →

R,

(f ± g)(x) := f(x) ± g(x), f g : D →

R,

(f g)(x) := f(x)g(x), f /g : D

1

→

R

, (f /g)(x) := f(x)/g(x) mit D

1

= {x ∈ D : g(x) 6= 0}.

Achtung: f

⁻¹

und

¹_f

sind nicht dasselbe.

Definition 3.4.

Sind f : D

f

→

R

und g : D

g

→

R

mit W

f

⊆ D

g

, dann definieren wir die Komposition oder Verkettung von f mit g durch

g ◦ f : D

f

→

R

, (g ◦ f)(x) := g(f(x)) („g nach f“).

Symbolische Skizze:

f g

g

◦

f

x

f(x) g(f(x))

W_f g(Wf)

Df

Dg W_g

(4)

Achtung: Im allgemeinen ist g ◦ f 6 = f ◦ g.

Beispiel:

Für f(x) = x

²

und g(x) = sin x ist

(f ◦ g)(x) = f(g(x)) = (sin x)

²

=: sin

²

x (Bild links), (g ◦ f)(x) = g(f(x)) = sin(x

²

) (Bild rechts).

Weiteres Beispiel

Der Übergang von x 7→ f(x) nach x 7→ f (x) + c bewirkt eine vertikale Verschiebung des Graphen um c. Der Übergang von x 7→ f(x) nach x 7→ f(x − c) bewirkt eine horizontale Verschiebung des Graphen um c.

−1 −0.5 0 0.5 1

−1

−0.5 0 0.5 1 1.5 2

y=f(x) y=f(x)+c

−1 −0.5 0 0.5 1 1.5

−1

−0.5 0 0.5 1

y=f(x) y=f(x−c)

Formulieren Sie die beiden neu entstandenen Funktionen als Kompositionen.

Beschränkte Funktionen Definition 3.5.

Eine reelle Funktion f : D

f

→

R

heißt nach oben (unten) beschränkt, wenn ihr Wertebereich W

f

⊂

R

nach oben (unten) beschränkt ist.

Eine Funktion heißt beschränkt, wenn sie sowohl nach oben als auch nach unten beschränkt ist.

Für beschränkte Funktionen existiert also eine Konstante c > 0, so dass

| f(x) | ≤ c für alle x ∈ D

f

.

Sind die Funktionen f

1

(x) = x

²

, f

2

(x) = (x − 2)

³

, f

3

(x) =

¹_x

und

f

4

(x) = sin(2x) (nach oben/unten) beschränkt?

(5)

Gerade und ungerade Funktionen Definition 3.6.

Eine reelle Funktion f : D

f

→

R, für die mit jedem

x ∈ D

f

auch

− x ∈ D

f

gilt, heißt

gerade, wenn f(x) = f( − x) für alle x ∈ D

f

, ungerade, wenn f(x) = −f(−x) für alle x ∈ D

f

. Graphisch äußern sich die Eigenschaften als

Spiegelsymmetrie bzgl. der y-Achse (gerade Funktionen), Punktsymmetrie am Ursprung (ungerade Funktionen).

Beispiele:

f (x) = | x | ist gerade (Bild links), g(x) = sin x ist ungerade (Bild rechts).

Sind die folgenden Funktionen gerade/ungerade?

f

1

(x) = cos x, f

2

(x) = x

⁵

, f

3

(x) = x

³

+ 1, f

4

(x) = x

²

− 1.

Periodische Funktionen Definition 3.7.

Eine reelle Funktion f : D

f

→ W

f

heißt periodisch, wenn es eine Zahl a > 0 gibt (“Periode“), so dass mit jedem x ∈ D

f

auch x + a ∈ D

f

gilt, und

f(x + a) = f(x) für x ∈ D

f

. (1) Aus (1) folgt sofort, dass auch f(x + na) = f(x) für alle

x ∈ D

f

, n ∈

N, gilt. Mit

a ist also gleichzeitig auch na Periode.

Im Falle der Existenz gibt man daher häufig die kleinste Periode a > 0

an, um das Verhalten der Funktion f möglichst gut zu beschreiben

(“primitive Periode“).

(6)

Graphische Darstellung:

Funktion mit primitiver Periode P

Bild: Oleg Alexandrov, Wikimedia Commons

Sind folgende Funktionen periodisch? Wenn ja, geben Sie eine Periode, wenn möglich die primitive Periode, an.

f

1

(x) = cos(2x), f

2

(x) = |x|, f

3

(x) = sin x + cos x, f

4

(x) = 42.

3.2 Grenzwerte reeller Funktionen Betrachten wir folgende drei Funktionen:

f1(x) =x², f2(x) = sin(¹_x) (x6= 0), f3(x) =¹_x(x6= 0).

Die Funktionen zeigen bei Annäherung der x-Werte an den Nullpunkt völlig verschiedenes Verhalten. Wir wollen ein mathematisches Instrument entwickeln, dies näher zu beschreiben.

Vorbereitend erarbeiten wir den Begriff des „Häufungspunkts “.

Häufungspunkte Definition 3.8.

Eine Zahl ξ ∈

R

heißt Häufungspunkt der Menge M ⊂

R, wenn es

eine Folge (x

n

) mit Gliedern aus M gibt mit

x

n

→ ξ für n → ∞ und x

n

6 = ξ für alle n ∈

N

. Einem Häufungspunkt kann man sich also innerhalb der Menge M beliebig weit nähern, ohne ihn selbst zu erreichen.

Ein Häufungspunkt kann selbst zur Menge gehören, muss es aber nicht.

M ξ ₁

ξ ₂

(7)

Beispiele

Die für uns relevanten Beispiele für M sind vor allem Intervalle.

Die Menge der Häufungspunkte des offenen Intervalls (a, b) ist zum Beispiel das abgeschlossene Intervall [a, b] (vgl. Skizze S. 168)

Man bestimme die Häufungspunkte der Mengen M

1

= ( −∞ , 42), M

2

= [a, b) und M

3

= {

n¹

| n ∈

N} ⊂R.

Isolierte Punkte Definition 3.9.

Eine Zahl x ∈ M heißt isolierter Punkt der Menge M ⊂

R, wenn es

ein ε > 0 gibt, so dass (x − ε, x + ε) ∩ M = { x } gilt.

x ₁ M x ₂

Isolierte Punkte gehören also selbst zur Menge, haben aber zum Rest derselben einen positiven Abstand. Jeder Punkt y ∈ M (!) ist entweder Häufungspunkt oder isolierter Punkt von M.

Man bestimme, falls vorhanden, die isolierten Punkte der Mengen M

1

= (a, b), M

2

= {

¹_n

| n ∈

N} ⊂R,N

⊂

R

und

Q

⊂

R.

Grenzwertbegriff

Nun können wir das Verhalten einer Funktion bei Annäherung an einen Häufungspunkt des Definitionsbereichs näher beschreiben.

Definition 3.10 (Grenzwert einer Funktion).

Sei f : D

f

→

R

eine reelle Funktion und ξ ∈

R

Häufungspunkt des Definitionsbereichs D

f

.

Die Zahl a heißt Grenzwert von f für x gegen ξ, wenn für alle Folgen (x

n

) ⊂ D

f

mit

x

n

→ ξ für n → ∞ und x

n

6 = ξ für alle n ∈

N

(2) gilt:

f (x

n

) → a für n → ∞ . Schreibweise: lim

x→ξ

f(x) = a oder f(x) →a für x → ξ.

(8)

Skizze zur Definition:

f

ξ a

f(ξ)

(xn) (f(xn))

a = lim x→ξ f (x)

Ergänzung:

Definition 3.10 lässt sich problemlos auf die Fälle x → ± ∞ und a = ±∞

erweitern. In letzterem Fall sprechen wir von bestimmter Divergenz.

Beispiele

x

lim

→2

x

²

= 4, denn für jede Folge (x

n

) mit x

n

→ 2 gilt x

²_n

→4.

x

lim

→0 1

x²

= + ∞, denn für alle Folgen (x

n

) mit x

n

→ 0 und x

n

6 = 0 (n ∈

N

) gilt x

²_n

> 0 und x

²_n

→ 0, d. h.

_x¹2

n

→ ∞.

x→0

lim sin(

¹_x

), existiert nicht. Beispielsweise gelten für x

n

=

_(n+¹1 2)π

die Beziehungen x

n

→ 0 und sin(

_x¹_n

) = sin (n +

¹₂

)π

= ( − 1)

ⁿ

.

Achtung: Das heißt nicht, dass keine konvergenten Folgen von Funktionswerten im Kontext von Definition 3.10 existieren.

Für x

n

=

_nπ¹

gelten z. B. x

n

→ 0 und sin(

_x¹_n

) = sin nπ = 0 → 0.

Es reicht jedoch ein Gegenbeispiel, um die Konvergenz von f für

x → 0 auszuschließen.

(9)

Weitere Beispiele

Existieren folgende Grenzwerte? Wenn ja, bestimmen Sie sie.

x

lim

→−1

(x

³

+ 2x

²

+ 1),

x

lim

→2 1 x²−4

, lim

x→0 1 x²−4

,

x→0

lim

1 x

,

x

lim

→−1 x²−1

x+1

.

Man skizziere die entsprechenden Funktionsgraphen.

Einseitige Grenzwerte

Lässt man in Definition 3.10 in (2) nur Folgen mit x

n

> ξ (bzw.

x

n

< ξ) zu, so entsteht ein rechtsseitiger (linksseitiger) Grenzwert.

Schreibweise: Für den rechtsseitigen Grenzwert:

x→ξ+

lim f(x) = a oder f(x) → a für x → ξ + . bzw. für den linksseitigen Grenzwert:

x

lim

→ξ−

f(x) = a oder f(x) → a für x → ξ − .

Dabei ist vorauszusetzen, dass ξ Häufungspunkt von D

f

∩ (ξ, ∞ ) (bzw.

D

f

∩ ( −∞ , ξ)) ist. Man muss sich dem Punkt ξ also von rechts (links) aus D

f

heraus nähern können.

Einseitige Grenzwerte sind damit gerade die Grenzwerte der auf D

f

∩ (ξ, ∞ ) bzw. D

f

∩ ( −∞ , ξ) eingeschränkten Funktion f.

f

ξ a

a= lim x→ξ+f(x)

b f

ξ

b= lim x→ξ−f(x)

Bei der Untersuchung auf einseitige Grenzwerte lässt man folglich jeweils

den im grau schraffierten Teil liegenden Teil der Funktion unbeachtet.

(10)

Beispiele

x

lim

→0+

1

x

= + ∞, denn für jede Folge (x

n

) mit x

n

→ 0 mit x

n

> 0 (n ∈

N

) gilt

_x¹_n

→ + ∞,

x

lim

→0− 1

x

= −∞, denn für jede Folge (x

n

) mit x

n

→ 0 mit x

n

< 0 (n ∈

N

) gilt

_x¹_n

→ − ∞,

x→2+

lim x

²

= lim

x→2−

x

²

= lim

x→2

x

²

= 4.

Weitere Beispiele

Existieren die folgenden einseitigen Grenzwerte? Wenn ja, wie lauten sie?

x

lim

→0+

√1 x

,

x

lim

→0+

| x |, lim

x→0−

| x |,

x→0+

lim

sgn(x),

lim

x→0−sgn(x).

Dabei bezeichnet

sgn

:

R

→

R

die Signum- oder Vorzeichenfunktion:

sgn(x) :=





−1, für x < 0;

0, für x = 0;

1, für x > 0.

Skizzieren Sie wieder die Funktionsgraphen.

Zwischen dem Grenzwert und seinen einseitigen Versionen gilt folgende Beziehung:

Satz 3.11.

Sei f : D

f

→

R

und ξ ein Häufungspunkt sowohl von D

f

∩ (ξ, ∞) als auch von D

f

∩ (−∞, ξ). Dann gilt:

Der Grenzwert lim

x→ξ

f (x) existiert genau dann, wenn die beiden Grenzwerte lim

x→ξ+

f(x) und lim

x→ξ−

f (x) existieren

und

übereinstimmen.

Existiert lim

x→0

|x|, und was ergibt sich ggf. für ein Wert? Verwenden Sie

Satz 3.11 und die Ergebnisse aus dem Beispiel von S. 179.

(11)

Rechnen mit Grenzwerten

Da Grenzwerte von Funktionen auf Grenzwerte von Folgen

zurückführen, übertragen sich die Grenzwertsätze aus Abschnitt 2.2.

Satz 3.12 (Grenzwertsätze für reelle Funktionen).

Unter Voraussetzung der Existenz der betreffenden Grenzwerte gelten jeweils für x → ξ die Regeln:

lim(cf)(x) = c lim f(x) für alle c ∈

R,

lim(f ± g)(x) = lim f (x) ± lim g(x), lim(f · g)(x) = (lim f(x)) · (lim g(x)) lim(

^f_g

)(x) =

^lim_limg(x)^f(x)

, falls lim g(x) 6 = 0, f ≤ g ⇒ lim f(x) ≤ lim g(x).

Hierbei ist auch ξ = ±∞ erlaubt. Für einseitige Grenzwerte gelten die Regeln analog.

Mit den auf Seite 116 getroffenen Definitionen (∞ + ∞ = ∞,

∞ · ∞ = ∞ etc.) gelten die Aussagen von Satz 3.12 auch für den Fall bestimmter Divergenz.

Wie schon bei den Folgen muss aber darauf geachtet werden, dass keine unbestimmten Ausdrücke wie „

^∞_∞

“ auftreten.

Bestimmen Sie (falls existent) folgende Grenzwerte:

x

lim

→2

(x

³

+ x),

x

lim

→∞

(2x +

¹_x

),

x

lim

→−1

(cos(πx) +

^x_x+1²⁻¹

),

x

lim

→0

(x sin

¹_x

),

Den Grenzwert für den Kosinusterm behandeln wir im Abschnitt Stetigkeit. Entnehmen Sie ihn vorerst der graphischen Darstellung.

Sprungstellen Definition 3.13.

Existieren zu einer reellen Funktion die beiden Grenzwerte lim

x→ξ+

f(x) und lim

x→ξ−

f (x), und sind sie endlich aber verschieden, so nennt man ξ eine Sprungstelle von f.

f

ξ

(12)

Ein bemerkenswertes Ergebnis gilt nun für monotone Funktionen:

Satz 3.14.

Seien I = (a, b) ein Intervall, f : I →R monoton auf I und ξ ∈ I . Dann existieren lim

x→ξ−

f(x) und lim

x→ξ+

f(x) und es gelten

−∞ < lim

x→ξ−

f (x) ≤ f(ξ) ≤ lim

x→ξ+

f(x) < ∞, wenn f monoton wachsend ist, und

∞ > lim

x→ξ−

f(x) ≥ f(ξ) ≥ lim

x→ξ+

f(x) > −∞ , wenn f monoton fallend ist.

Unendlichkeitsstellen

Gilt für eine reelle Funktion f mindestens eine der Beziehungen

x→ξ+

lim f(x) = ±∞ oder lim

x→ξ−

f(x) ± ∞, so nennt man ξ eine Unendlichkeitsstelle von f.

Vor allem bei rationalen Funktionen f(x) =

^p(x)_q(x)

, wobei p und q Polynome sind, spricht man auch von Polstellen.

f(x) =¹_x(links) g(x) =_x¹2 (rechts)

Achtung: Der Sprachgebrauch in der Literatur ist, was Unendlichkeits- und Polstellen betrifft, nicht einheitlich.

3.3 Stetigkeit

In vielen naturwissenschaftlichen Modellen führen kleine Änderungen an den Daten (z. B. durch Rundungs-/Messfehler) auch nur zu kleinen Änderungen in den Ergebnissen nach Anwendung des Modells.

Mathematisch wird dieser Zusammenhang durch das Konzept der Stetigkeit erfasst.

Dieses geht auf Augustin Louis Cauchy (1789-1857) und Bernard

Bolzano (1781-1848) zurück und wurde später von Karl Weierstraß

(1815-1897) präzisiert (v.l.n.r.).

(13)

Definition 3.15 (Stetigkeit).

Eine reelle Funktion f : D

f

→

R

heißt stetig an der Stelle ξ ∈ D

f

, wenn für alle Folgen (x

n

) ⊂ D

f

mit x

n

→ ξ die Folge der zugehörigen Funktionswerte konvergiert mit f(x

n

) → f(ξ).

f heißt stetig in M ⊆ D

f

, wenn f an jeder Stelle ξ ∈ M stetig ist.

Als Abgrenzung zum Grenzwertbegriff (Def. 3.10) beachte man, dass hier ξ ∈ D

f

gelten muss, und auch Folgenglieder mit x

n

= ξ zugelassen sind.

Beispiel

Die Funktion f(x) = x

²

ist stetig an der Stelle ξ = 2, denn für jede Folge (x

n

) mit x

n

→ 2 gilt: f(x

n

) = x

²_n

→ 4 = f (2).

Die Funktion f(x) = x

²

ist sogar stetig auf ganz

R, denn für

beliebiges (festes) ξ ∈

R

und jede Folge (x

n

) mit x

n

→ ξ gilt:

f (x

n

) = x

²_n

→ ξ

²

= f(ξ).

Ein sorgfältiger Vergleich der Definitionen 3.15 und 3.10 liefert folgenden Zusammenhang zwischen Stetigkeit und Grenzwert:

Satz 3.16.

Sei f : D

f

→

R

eine reelle Funktion und ξ ∈ D

f

ein Häufungspunkt

^∗

von D

f

. Dann gilt:

f ist stetig in ξ ⇔ lim

x→ξ

f(x) = f(ξ). (3) Der Grenzwert von f für x → ξ muss also mit dem Funktionswert an der Stelle ξ übereinstimmen.

∗Anmerkung:

In isolierten Punkten des Definitionsbereichs sind Funktionen dagegenimmerstetig.

Für die Praxis ist dies jedoch belanglos.

In der Praxis verwendet man zum Testen auf Stetigkeit statt (3) auch häufig die Beziehung

x

lim

→ξ−

f(x) = f(ξ) = lim

x→ξ+

f(x) die durch Kombination von (3) mit Satz 3.11 entsteht.

Man untersuche die Funktion f(x) = | x | auf Stetigkeit im Punkt ξ = 0. Was lässt sich über die Stetigkeit von f auf

R

sagen?

Für welche Wahl des Parameters α ∈

R

ist die folgende Funktion stetig?

f(x) =

1 + αx, für x < 0;

x

²

+ α

²

, für x ≥ 0.

(14)

ε-δ-“Definition“

Häufig wird die Stetigkeit auch über eine zu Definition 3.15 äquivalente Aussage eingeführt:

Satz 3.17 (ε-δ-Version der Stetigkeit).

Eine reelle Funktion f : D

f

→

R

ist genau dann stetig in ξ ∈ D

f

, wenn zu jedem ε > 0 ein δ > 0 existiert, so dass

x ∈ D

f

und | x − ξ | < δ ⇒ | f(x) − f(ξ) | < ε.

Für konkrete Rechnungen sind Definition 3.15 oder Satz 3.16 häufig bequemer (überzeugen Sie sich am Beispiel von S. 187 selbst).

Allerdings vermittelt uns Satz 3.17 die bessere Vorstellung, was Stetigkeit bedeutet.

Graphische und sprachliche Interpretation

f(ξ) f(ξ) +ε f(ξ)−ε

ξ ξ+δ ξ−δ

f

(Hinreichend) kleine Änderungen an den Argumenten führen zu (beliebig) kleinen Änderungen an den Funktionswerten.

Die Funktionswerte lassen sich durch hinreichend feines “Justieren“

der Argumente beliebig fein “einstellen“.

Eine weitere anschauliche Interpretation

Der Graph einer auf einem Intervall stetigen Funktion bildet eine zusammenhängende Kurve. (Achtung: Zusammenhang mathematisch zu definieren ist gar nicht so einfach!)

Daher wird manchmal salopp geschrieben, dass man Funktionsgraphen stetiger Funktionen zeichnen kann, “ohne den Stift abzusetzen“.

Dies ist unmathematisch, unsauber (es gibt zusammenhängende Kurven, die man nicht zeichnen kann, vgl. Bild rechts), und erfasst auch nicht das gesamte Wesen der Stetigkeit.

Trotzdem liefert es uns eine relativ gute Vorstellung.

f(x) = sinx.

g(x) =

xsin(¹_x), x6= 0;

0, x= 0.

(15)

Stetigkeit als Alltagserfahrung

Lösen Sie sich einen kleinen Moment vom abstrakt-mathematischen Kontext. Welche Vorgänge/Abhängigkeiten von Messgrößen assoziieren Sie mit stetigen Funktionen und welche nicht?

Höhe über dem Meeresspiegel beim Gehen vom Hörsaal Winklerstraße zum Freiberger Obermarkt,

Höhe über dem Meeresspiegel beim Gehen über den Rand des Grand Canyons mit verbundenen Augen,

Lautstärke beim Einschalten einer Stereoanlage, abhängig von der Voreinstellung des Lautstärkereglers,

Geschmack von Pasta in Abhängigkeit von Kochdauer, Meeresspiegelhöhe und/oder verwendeter Menge Salz.

Gehen Sie in allen Fällen von stufenlosen Bewertungen der Messungen aus (z. B. stufenlose Notenbewertung des Geschmacks)

Eigenschaften stetiger Funktionen

Der folgende Satz ergibt sich durch Kombination der Grenzwertsätze für Funktionen (Satz 3.12) mit Definition 3.15.

Satz 3.18.

Sind f, g stetig in ξ, dann sind auch f + g, f − g, f · g stetig in ξ.

Gilt g(ξ) 6 = 0, dann ist auch f /g stetig in ξ.

Ist f stetig in ξ und ist g stetig in f(ξ), so ist g ◦ f stetig in ξ.

Beispiel:

Die Funktionen f

1

(x) = x

²

, f

2

(x) = | x | und f

3

(x) = 42 sind auf

R

stetig.

Daher sind beispielsweise auch g

1

(x) = 42 · |x| · x

²

, g

2

(x) =

₄₂¹

|x| + x

²

und g

3

(x) = x

⁶

stetig auf

R.

Stetigkeit der Umkehrfunktion und Zwischenwertsatz Satz 3.19.

Sei f : I →

R

eine stetige Funktion auf dem Intervall I, so ist f(I) ebenfalls ein Intervall. Ist f zudem streng monoton, so existiert die Umkehrfunktion f

⁻¹

: f(I ) → I und ist ebenfalls stetig.

Da das Bild eines Intervalls unter einer stetigen Funktion nach Satz 3.19 wieder ein Intervall ist, folgt:

Satz 3.20 (Zwischenwertsatz).

Ist f : [a, b] →R stetig, dann gibt es zu jedem w, das zwischen f(a) und f(b) liegt, ein z ∈ [a, b] mit f (z) = w.

Anders ausgedrückt: Eine stetige Funktion f : [a, b] →

R

nimmt jeden

Wert zwischen f(a) und f (b) an.

(16)

Ein Spezialfall von Satz 3.20 ist:

Folgerung 3.21 (Nullstellensatz).

Ist f : [a, b] →R stetig, und gilt f(a) > 0 und f(b) < 0 (bzw.

f(a) < 0 und f(b) > 0), so hat f mindestens eine Nullstelle in (a, b).

Visualisierungen

f

a b

f(a) f(b)

w

z

f

a f(a) b f(b)

Zwischenwertsatz Nullstellensatz

Exkurs: Intervallhalbierungsverfahren

Sei f : [a, b] →

R

stetig mit f(a)f(b) < 0 (verschiedenes Vorzeichen).

Nach dem Nullstellensatz gibt es in (a, b) eine Nullstelle z von f.

Algorithmus:

Setze a

1

= a und b

1

= b.

Für n = 1, 2, . . . h = (a

n

+ b

n

)/2.

Ist f(h) = 0, so haben wir eine Nullstelle von f gefunden.

Ist f(h)f(a

n

) > 0, setze a

n+1

= h, b

n+1

= b

n

. Ist f(h)f(a

n

) < 0, setze a

n+1

= a

n

, b

n+1

= h.

Die entstehenden Folgen (a

n

) und (b

n

) konvergieren gegen einen gemeinsamen Grenzwert z, der eine Nullstelle von f ist.

Überlegen Sie sich, warum das so ist.

Beispiel

Gesucht ist eine Lösung der Gleichung − x = e

^x

, d. h. eine Nullstelle von f(x) = x + e

^x

. Eine Lösung durch Umstellen von f(x) = 0 nach x ist für diese Funktion unmöglich.

Wir verwenden das Intervallhalbierungsverfahren. Da f(0) = 1 und f( − 1) = − 0.6321 . . . ist, können wir mit a = − 1 und b = 0 starten.

Natürlich wird man das Verfahren auf einem Rechner implementieren.

Ergebnisse:

n an bn bn−an

1 −1 0 1

2 −1 −0.5 ¹₂= 0.5

... ... ... ...

11 −0.56738281. . . −0.56640625 ₂¹10 ≈9.77·10⁻⁴

... ... ... ...

21 −0.56714344. . . −0.56714248. . . ₂¹20 ≈9.54·10⁻⁷

(17)

Extremalwerte stetiger Funktionen Satz 3.22.

Ist f : [a, b] →R stetig, dann gibt es

ein x

max

∈ [a, b] mit f(x

max

) ≥ f(x) für alle x ∈ [a, b]

ein x

min

∈ [a, b] mit f(x

min

) ≤ f(x) für alle x ∈ [a, b].

Anders ausgedrückt: Jede auf [a, b] stetige Funktion nimmt auf [a, b]

Maximum und Minimum an.

Vorsicht: Die Aussage wird falsch, wenn der Definitionsbereich von f nicht abgeschlossen oder unbeschränkt ist.

An welchen Stellen nimmt die Funktion f : [−2, 4] →

R, f

(x) = x

²

Maximum und Minimum an? Wie ändert sich die Situation, wenn man f stattdessen auf ( − 2, 4), ( − 2, 4] oder [ − 2, 4) betrachtet?

Unstetigkeitsstellen

Eine Stelle ξ ∈ D

f

, an der eine Funktion f : D

f

→

R

nicht stetig ist, heißt Unstetigkeitsstelle von f.

Handelt es sich dagegen bei ξ um eine Definitionslücke, kann man lediglich über stetige Fortsetzbarkeit von f entscheiden.

Beispiel:

f :

R

\ { 0 } →

R

, f (x) =

¹_x

, ist auf dem ganzen Definitionsbereich stetig, aber in 0 nicht stetig fortsetzbar.

f :

R

→

R

, f(x) =

₁

x

, (x 6= 0);

42, (x = 0). ist dagegen unstetig in 0 und sonst stetig.

Achtung: In der Literatur werden die Begriffe “unstetig“ und “nicht stetig fortsetzbar“ manchmal unschön vermengt.

Typische Vertreter von Unstetigkeitsstellen

Sprungstellen: u. a. Vorkommen bei Ein- und Ausschaltvorgängen oder Modellierung von Materialparametern an Materialgrenzen, Unendlichkeitsstellen/Pole: u. a. Vorkommen bei der Beschreibung von Kräften und deren Potentialen, bspw. bei Gravitations- und Coulomb-Kraft (F (r) = c

1

r

⁻²

, V (r) = c

2

r

⁻¹

).

(Dies sind jedoch keineswegs die einzigen Arten von Unstetigkeiten.)

Regel: Tritt in einem mathematischen Modell eine Unstetigkeit (oder

fehlende stetige Fortsetzbarkeit) auf, sollte sich auch der Anwender

immer Gedanken über eventuelle Auswirkungen machen.

(18)

3.4 Elementare Funktionen

Wir stellen mit diesem Abschnitt ein Standardrepertoire von Funktionen zur Verfügung, die in Mathematik und Naturwissenschaften häufig benötigt werden.

Bei all diesen Beispielen handelt es sich um stetige Funktionen.

3.4.1 Polynome Eine Funktion der Form

x 7→ f(x) = a

0

+ a

1

x + a

2

x

²

+ · · · + a

n−1

x

ⁿ⁻¹

+ a

n

x

ⁿ

, a

0

, a

1

, . . . , a

_n−1

, a

n

∈

R,

a

n

6 = 0, heißt ganzrational oder Polynom. Die Zahlen a

i

heißen Koeffizienten von f , die Zahl n heißt Grad von f.

Lineare Funktionen Polynome vom Grad 1,

f(x) = a

0

+ a

1

x,

heißen (affin) lineare Funktionen. Der Graph von f ist eine Gerade durch (0, a

0

) mit Anstieg a

1

.

In Vorbereitung auf die Differentialrechnung bemerken wir:

Zu gegebenem Punkt (x

0

, f(x

0

)) und Anstieg a

1

erhält man die lineare Funktion

f (x) = f(x

0

) + a

1

(x − x

0

).

Durch zwei verschiedene gegebene Punkte (x

0

, f (x

0

)) und (x

1

, f (x

1

)) “führt“ die lineare Funktion

f(x) = f(x

0

) + f(x

1

) − f(x

0

)

x

1

− x

0

(x − x

0

).

Quadratische Funktionen Polynome vom Grad 2,

f(x) = a

0

+ a

1

x + a

2

x

²

= a

2

x + a

1

2a

2

+

a

0

− a

²₁

4a

2

, heißen quadratische Funktionen.

Sie besitzen als Graph eine Parabel mit Scheitel (x

0

, y

0

), x

0

= − a

1

2a

2

, y

0

= a

0

− a

²₁

4a

2

,

die für a

2

> 0 nach oben und für a

2

< 0 nach unten offen ist.

Lineare und quadratische Funktionen wurden intensiv in Vorkurs und

Schule behandelt. Schließen Sie evtl. Lücken selbständig.

(19)

Nullstellen

Nach dem Fundamentalsatz der Algebra (Sätze 1.26/29) existiert zu einem Polynom vom Grad n eine Faktorisierung

f(x) = a

n

Yk j=1

(x − λ

j

)

^µ^j Ym j=1

x

²

+ p

j

x + q

j

νj

, (4)

wobei

Pk

j=1

µ

j

+ 2

Pm

j=1

ν

j

= n. Die quadratischen Faktoren besitzen keine reellen Nullstellen, und die Ausdrücke in den Klammern sind paarweise verschieden.

Die Zahlen λ

j

sind gerade die Nullstellen von f. Die Zahl µ

j

heißt Vielfachheit der Nullstelle λ

j

.

Jedes Polynom von ungeradem Grad besitzt somit mindestens eine Nullstelle. Ein Polynom vom Grad n besitzt höchstens n Nullstellen.

Verhalten im Unendlichen

Ist der Grad von f größer als 0, so gilt

x

lim

→∞

f (x) =

∞, falls a

n

> 0,

−∞, falls a

n

< 0 sowie

x→−∞

lim f(x) =









∞ , falls n gerade und a

n

> 0 oder falls n ungerade und a

n

< 0,

−∞, falls n ungerade und a

n

> 0 oder falls n gerade und a

n

< 0.

3.4.2 Rationale Funktionen

Eine Funktion der Form

f(x) = a

0

+ a

1

x + · · · + a

m

x

^m

b

0

+ b

1

x + · · · + b

n

x

ⁿ

= p

m

(x)

q

n

(x) (5)

(mit a

m

6 = 0, b

n

6 = 0) heißt (gebrochen) rationale Funktion.

p

m

(x) = a

0

+ a

1

x + · · · + a

m

x

^m

heißt Zählerpolynom von f, q

n

(x) = b

0

+ b

1

x + · · · + b

n

x

ⁿ

heißt Nennerpolynom von f.

Rationale Funktionen sind bis auf die Nullstellen des Nennerpolynoms q

n

(Pole, Lücken) überall definiert.

(20)

Null- und Polstellen

Wir setzen im weiteren voraus, dass Zählerpolynom p und Nennerpolynom q keine gemeinsamen Nullstellen haben

^∗

. Die Nullstellen von f stimmen dann mit den Nullstellen des Zählerpolynoms p überein.

Ist x

0

∈ D

f

eine Nullstelle (mit Vielfachheit k) des Nennerpolynoms q, so heißt x

0

Pol (k-ter Ordnung) von f. Es gilt

x→

lim

x0

| f(x) | = ∞.

Dabei hat f bei x

0

einen Vorzeichenwechsel, wenn k ungerade ist, keinen Vorzeichenwechsel, wenn k gerade ist.

∗)Andernfalls kann man die betreffenden Linearfaktoren kürzen und “füllt“ ggf.

die Definitionslücke “auf“. Betrachte z. B.f(x) =^x_x²₋⁻₁¹=^(x−1)(x+1)_x₋₁ =x+ 1.

Interpretieren Sie das folgende Schaubild der Funktion f(x) = 5x

²

− 37x + 54

x

³

− 6x

²

+ 9x = 5(x − 2)(x − 27/5) x(x − 3)

²

im Hinblick auf die gewonnenen Erkenntnisse über Null- und Polstellen.

−8 −4 0 4 8

−8

−4 0 4 8

Verhalten im Unendlichen

Seien m der Grad des Zählerpolynoms p und n der Grad des Nennerpolynoms q. Dann gilt mit a

m

, b

n

aus (5):

x→−∞

lim f(x) = lim

x→∞

f(x) =

0, falls m < n, a

m

/b

n

, falls m = n.

Falls m ≥ n, so gibt es Polynome s und t mit grad(s) = m − n und grad(t) < n, so dass

f(x) = p(x)

q(x) = s(x) + t(x)

q(x) . (6)

Insbesondere gilt für m > n, dass

x→−∞

lim |f(x) − s(x)| = lim

x→∞

|f (x) − s(x)| = 0.

Man sagt, s ist Asymptote von f für | x | → ∞; die Graphen von f und s

kommen sich im Unendlichen beliebig nahe.

(21)

Interpretieren Sie das folgende Schaubild (blau) der Funktion f(x) = x

³

− x

²

+ 5

5x − 5 = 1

5 x

²

+ 1 x − 1

im Hinblick auf die Asymptotik im Unendlichen und an den Polen.

Exkurs: Polynomdivision/Euklidscher Algorithmus

Die Polynome s und t in (6) können mit dem Euklidschen Algorithmus berechnet werden. Diesen lernt man am besten am Beispiel:

(3x

⁴

+ 7x

³

+ x

²

+ 5x + 1) : (x

²

+ 1) = 3x

²

+ 7x − 2 3x

⁴

+ 3x

²

7x

³

− 2x

²

+ 5x + 1

7x

³

+ 7x

− 2x

²

− 2x + 1

− 2x

²

− 2

− 2x + 3 Ergebnis:

3x

⁴

+ 7x

³

+ x

²

+ 5x + 1

x

²

+ 1 = (3x

²

+ 7x − 2) + − 2x + 3 x

²

+ 1 . Allerdings sind in modernen Zeiten auch Computeralgebrasysteme (CAS) für solche Zwecke zuverlässige und empfehlenswerte Helfer.

3.4.3 Wurzel- und Potenzfunktionen

Für alle n ∈

N

ist die Potenzfunktion f(x) = x

ⁿ

eine bijektive Abbildung von [0, ∞ ) auf [0, ∞ ). Ihre Umkehrfunktion

g : [0, ∞ ) → [0, ∞ ), x 7→ √

ⁿ

x = x

^1/n

, heißt n-te Wurzel von x.

Für n ∈

N

definieren wir

x

⁻ⁿ

:= 1

x

ⁿ

(x 6 = 0).

Allgemeiner erhalten wir Potenzfunktionen mit rationalem Exponenten über

g : [0, ∞ ) → [0, ∞ ), x 7→ √

ⁿ

x

^m

=: x

^m/n

(m ∈

Z

, n ∈

N

).

Wie man die Funktion x 7→ x

^r

für beliebiges reelles r erklärt, werden wir

im nächsten Abschnitt erfahren.

(22)

Graphische Darstellung

0 1 2 3 4

x³

x^2.5 x²

x^1/2 x^2/5 x^1/3

Dargestellt sind einige Potenzfunktionen mit den zugehörigen Umkehrungen (jeweils gleiche Farbe).

3.4.4 Exponential- und Logarithmusfunktionen Die Exponentialfunktion ist durch

f :

R

→

R

, x 7→

X∞ n=0

x

ⁿ

n!

definiert und wird mit f(x) = e

^x

oder f(x) = exp(x) bezeichnet.

Wichtigste Eigenschaften:

e

^x+y

= e

^x

e

^y

, (e

^x

)

^y

= e

^xy

für alle x, y ∈

R,

e

^x

> 0 für alle x ∈

R,

f (x) = e

^x

ist streng monoton wachsend auf

R,

x

lim

→∞

e

^x

= ∞ und lim

x→−∞

e

^x

= 0.

Die Exponentialfunktion spielt eine zentrale Rolle in Wachstums- modellen und bei der Lösung linearer Differentialgleichungen.

Die Umkehrfunktion der Exponentialfunktion ln : (0, ∞ ) →R , x 7→ ln(x),

heißt natürlicher Logarithmus oder Logarithmus zur Basis e.

Wichtigste Eigenschaften:

ln(e

^x

) = x (für x ∈

R)

und e

^ln(x)

= x (für x > 0), ln(x) ≥ 0 für x ≥ 1 und ln(x) < 0 für 0 < x < 1, ln(xy) = ln(x) + ln(y), ln(x

^y

) = y ln(x),

x 7→ ln(x) ist streng monoton wachsend auf

R,

x

lim

→∞

ln(x) = ∞, lim

x→0+

ln(x) = −∞.

Logarithmen werden häufig benutzt, wenn Beobachtungsgrößen über

viele Größenordnungen variieren. (Schalldruckpegel, pH-Wert,

Richter-Skala, Leuchtstärke, Sternhelligkeiten, . . . )

(23)

Beispiel: Hertzsprung-Russell-Diagramm

Dargestellt ist der Logarithmus der Leuchtkraft über dem B-V- Farbindex.

Unten: Farb- und Größenvergleich für Hauptreihensterne.

Bilder: Richard Powell und Kieff, Wikimedia Commons

Graphische Darstellung

von Exponentialfunktion (blau) und natürlichem Logarithmus (rot)

Potenzen mit reellem Exponenten Für a > 0 und b ∈

R

definieren wir nun

a

^r

:= e

^r^ln(a)

. (7)

Damit können wir die Potenzfunktion

f : (0, ∞ ) →

R

, x 7→ x

^r

:= e

^r^ln(x)

,

für beliebige reelle Exponenten r erklären. Desweiteren eröffnet sich die Möglichkeit, Funktionen vom Typ

f(x) = a

^x

(a > 0) zu definieren.

Machen Sie sich klar, dass Definition (7) für rationale r mit der bereits

bekannten übereinstimmt.

(24)

(Allgemeine) Exponentialfunktion Für a > 0, a 6= 1, ist

f :

R

→ (0, ∞ ), x 7→ a

^x

:= e

^x^ln(a)

,

die allgemeine Exponentialfunktion oder Exponentialfunktion zu Basis a.

Aus den Eigenschaften der Exponentialfunktion ergeben sich:

a

^x+y

= a

^x

a

^y

, (a

^x

)

^y

= a

^xy

, (ab)

^x

= a

^x

b

^x

, a

^x

> 0,

x 7→ a

^x

ist auf

R

streng monoton wachsend, falls a > 1, x 7→ a

^x

ist auf

R

streng monoton fallend, falls 0 < a < 1,

x→∞

lim a

^x

= ∞, lim

x→−∞

a

^x

= 0 (wenn a > 1),

x

lim

→∞

a

^x

= 0, lim

x→−∞

a

^x

= ∞ (wenn 0 < a < 1).

Logarithmen

Die Umkehrfunktion von f(x) = a

^x

heißt Logarithmus zur Basis

a:

log

_a

: (0, ∞ ) →

R

, x 7→ log

_a

(x),

Für a = 10 schreibt man oft lg(x), für a = e (siehe oben) ln(x) und für a = 2 auch ld(x).

Es gelten

log

_a

(x) = ln(x)/ ln(a) (x > 0),

log

_a

(xy) = log

_a

(x) + log

_a

(y), log

_a

(x

^y

) = y log

_a

(x), x 7→ log

_a

(x) ist streng monoton wachsend für a > 1,

x

lim

→∞

log

_a

(x) = ∞ für a > 1,

x

lim

→0+

log

_a

(x) = −∞ für a > 1.

Graphische Darstellung

−2 −1 0 1 2

−2

−1 0 1 2 4^x e^x 2^x

log₄(x) ln(x) log₂(x)

Dargestellt sind Exponentialfunktionen zu verschiedenen Basen mit den

zugehörigen Umkehrungen (jeweils gleiche Farbe).

(25)

3.4.5 Trigonometrische Funktionen und Arkusfunktionen

Bei der sauberen analytischen Definition der Sinus- und Kosinusfunktion geht der Mathematiker wie folgt vor:

Erweitere den Definitionsbereich der Exponentialfunktion auf komplexe Zahlen:

exp :

C→C

, exp(z) =

X∞ n=0

z

ⁿ

n!

Definiere Sinus und Kosinus gemäß

sin :

R

→ [0, 1], sin(x) =

Im

(e

^ix

),

cos :

R

→ [0, 1], cos(x) =

Re

(e

^ix

). (8) Damit ergeben sich unmittelbar auch Reihendarstellungen zu Sinus und Kosinus, doch dazu später.

Zeigt man nun noch, dass e

^iϕ

für ϕ ∈

R

in der auf S. 71 beschriebenen Weise auf dem Einheitskreis liegt (kein leichtes Unterfangen!), so erhält man die gewohnte Darstellung am Einheitskreis.

1 1

cosϕ

sinϕ e^iϕ

0

ϕ ϕ

Für die meisten Zwecke ist diese Vorstellung ausreichend. Durch Skalieren erhält man die klassischen Winkelbeziehungen im rechtwinkligen Dreieck.

Eigenschaften von Sinus und Kosinus

sin(x + 2π) = sin(x), cos(x + 2π) = cos(x), d. h. Sinus und Kosinus sind 2π-periodisch, sin(−x) = − sin(x), cos(−x) = cos(x), d. h. der Sinus ist ungerade, der Kosinus gerade, sin(x) = cos(x − π/2) und cos(x) = sin(x + π/2), d. h. die Graphen sind um π/2 gegeneinander verschoben, sin

²

(x) + cos

²

(x) = 1 (Satz des Pythagoras),

sin(x) = 0 ⇔ x = kπ mit k ∈

Z

und cos(x) = 0 ⇔ x = (k + 0.5)π mit k ∈

Z,

sin(x) ist auf [ − π/2, π/2] streng monoton wachsend und cos(x) ist auf [0, π] streng monoton fallend.

Desweiteren gelten die in Abschnitt 1.6 (S. 77) kennengelernten

Additionstheoreme und Mehrfachwinkelformeln.

(26)

Markante Funktionswerte

Es ist empfehlenswert, sich wenigstens einige Funktionswerte für Sinus und Kosinus einzuprägen:

0/0

^◦ ^π₆

/30

^◦ ^π₄

/45

^◦ ^π₃

/60

^◦ ^π₂

/90

^◦

sin x 0

¹₂ ^√₂² ^√₂³

1 cos x 1

^√₂³ ^√₂² ¹₂

0 Aufgrund von Periodizität, Symmetrien usw. kann man daraus auf eine Reihe weiterer Werte schließen. Zum Beispiel ist

sin 2π 3 = sin π

3 =

√ 3 2 .

Achten Sie bei Verwendung des Taschenrechners auf korrekte Einstellungen des Winkelmaßes. Wir verwenden – sofern nicht anders gekennzeichnet – immer Radiant.

Graphische Darstellung

−1 0 1

−2π −π 0 π 2π

Sinus

Kosinus

Tangens und Kotangens

Der Tangens von x ist definiert durch f :

R

\

k +

¹₂

π : k ∈

Z

→

R

, x 7→ tan(x) := sin(x) cos(x) . Der Kotangens von x ist definiert durch

f :

R

\ { kπ : k ∈

Z} →R

, x 7→ cot(x) := cos(x) sin(x) . Im Gebrauch ist vor allem der Tangens.

Wichtige Eigenschaften:

tan und cot sind π-periodische Funktionen,

tan( − x) = − tan(x) und cot( − x) = − cot(x), d. h. beide Funktionen sind ungerade,

tan ist auf (−π/2, π/2) streng monoton wachsend und

cot ist auf (0, π) streng monoton fallend.

(27)

Graphische Darstellung

−4

−2 0 2 4

−2π −π 0 π 2π

Tangens Kotangens

−1 0 1

−1 0

1 cot(x)

cos(x) sin(x)

x tan(x)

Dargestellt sind die Graphen von Tangens und Kotangens sowie die graphische Interpretation am Einheitskreis.

Arkusfunktionen

Die Umkehrfunktionen der trigonometrischen Funktionen nennt man Arkusfunktionen.

Da die trigonometrischen Funktionen auf

R

nicht bijektiv sind, muss man Einschränkungen auf bestimmte Intervalle betrachten.

Man schränkt Kosinus und Kotangens auf [0, π] sowie Sinus und Tangens auf

−

^π₂

,

^π₂

ein, und erhält die Umkehrfunktionen

arcsin : [−1,1]→

−^π2,^π₂

, y= arcsin(x) :⇔ x= siny, y∈[−^π2,^π₂], arccos : [−1,1]→[0, π], y= arccos(x) :⇔ x= cosy, y∈[0, π], arctan : R→

−^π2,^π₂

, y= arctan(x) :⇔ x= tany, y∈[−^π2,^π₂], arccot: R→[0, π], y=arccot(x) :⇔ x= coty, y∈[0, π].

mit Namen Arkussinus, Arkuscosinus, Arkustangens und Arkuskotangens.

Graphische Darstellung

−1 0 1

−π/2 0 π/2 π

arcsin arccos

−4 −2 0 2 4

π

π/2

0

−π/2 arctan arccot

Graphen sämtlicher Arkusfunktionen.

(28)

3.4.6 Hyperbel- und Areafunktionen Die Funktionen

f :

R

→

R

, x 7→ sinh(x) := 1

2 e

^x

− e

^−x

, f :

R

→

R, x

7→ cosh(x) := 1

2 e

^x

+ e

⁻^x

, f :

R

→

R

, x 7→ tanh(x) := e

^x

− e

⁻^x

e

^x

+ e

⁻^x

= sinh(x) cosh(x) heißen Sinus hyperbolicus, Kosinus hyperbolicus und Tangens hyperbolicus.

Ihre Umkehrfunktionen heißen Areasinus, Areakosinus und Areatangens.

(cosh muss dafür auf [0, ∞ ) eingeschränkt werden.)

Graphische Darstellung

Bild: Wikimedia Commons, Geek3

Beachten Sie die sich aus den Definitionen ergebende Asymptotik.

Hyperbelfunktionen werden mitunter bei der Lösung von Differentialgleichungen benötigt.

U. a. kann ein durchhängendes Seil über den Kosinus hyperbolicus beschrieben werden.

Ziele erreicht?

Sie sollten nun (bzw. nach Abschluss der Übungen/Tutorien):

Begriffe wie Monotonie, Periodizität, gerade und ungerade Funktion sicher beherrschen und anwenden können,

den Grenzwertbegriff für Funktionen tiefgreifend verstanden haben und für viele Funktionen bereits Grenzwerte berechnen können, den Begriff der Stetigkeit (beide Versionen) und seine