Umkehrfunktion

In der Mathematik bezeichnet die Umkehrfunktion oder inverse Funktion einer bijektiven Funktion die Funktion, die jedem Element der Zielmenge sein eindeutig bestimmtes Urbildelement zuweist.

Die Umkehrfunktion

Eine Funktion ordnet jedem ein eindeutig bestimmtes Element zu, das mit bezeichnet wird. Gilt für die Beziehung , so sagt man auch, dass ein Urbildelement von unter ist. Im Allgemeinen kann ein Element von kein, ein oder mehrere Urbildelemente unter besitzen. Falls jedes Element von genau ein Urbildelement unter besitzt (man spricht dann von dem Urbildelement), nennt man invertierbar. In diesem Fall kann man eine Funktion definieren, die jedem Element von ihr eindeutig definiertes Urbildelement unter zuordnet. Diese Funktion wird dann als die Umkehrfunktion von bezeichnet.

Man kann leicht nachweisen, dass eine Funktion genau dann invertierbar ist, wenn sie bijektiv (also gleichzeitig injektiv und surjektiv) ist. Tatsächlich besagt die Injektivität nichts anderes, als dass jedes Element von höchstens ein Urbildelement unter besitzt. Die Surjektivität besagt gerade, dass jedes Element von mindestens ein Urbildelement unter besitzt.

Der Begriff der Umkehrfunktion gehört formal zum mathematischen Teilgebiet der Mengenlehre, wird aber in vielen Teilgebieten der Mathematik verwendet.

Definition

Seien und nicht-leere Mengen. Neben der Definition aus der Einleitung gibt es weitere Möglichkeiten, die Begriffe der Invertierbarkeit einer Funktion und der Umkehrfunktion einer invertierbaren Funktion formal einzuführen:

• Man sucht nach einer Funktion , sodass für alle und für alle . Es stellt sich heraus, dass es höchstens ein solches geben kann. Existiert dies, so nennt man invertierbar und das eindeutig bestimmte die Umkehrfunktion von .
• Unter Verwendung der Komposition von Funktionen kann die vorherige Bedingung auch etwas eleganter formuliert werden, indem man für fordert: und . Dabei ist die identische Abbildung auf der Menge .
• Man führt zunächst die weiter unten erklärten Begriffe von Linksinversen und Rechtsinversen ein. Dann nennt man eine Funktion invertierbar, wenn sie sowohl eine Linksinverse als auch eine Rechtsinverse besitzt. Es zeigt sich, dass in diesem Fall Linksinverse und Rechtsinverse übereinstimmen müssen (womit auch folgt, dass es in diesem Fall davon nicht mehrere gibt). Diese eindeutig bestimmte Links- und Rechtsinverse ist dann die Umkehrfunktion.
• Man bezieht sich bei der Definition darauf, dass eine Funktion von nach immer auch eine Relation von nach ist. Daher besitzt sie auf jeden Fall eine Umkehrrelation. Man nennt invertierbar, wenn diese Umkehrrelation eine Funktion von nach ist. In diesem Fall wird die Umkehrrelation auch als Umkehrfunktion bezeichnet.

Es stellt sich heraus, dass alle vorgestellten Invertierbarkeitsbegriffe äquivalent zum Begriff der Bijektivität sind. Auch führen alle Definitionen der Umkehrfunktion zum gleichen Ergebnis.

Notation

Wenn eine bijektive Funktion ist, dann bezeichnet die Umkehrfunktion. Dabei ist die hochgestellte nicht mit einer negativen Potenz bezüglich der Multiplikation zu verwechseln. Es handelt sich vielmehr um die Umkehrung bezüglich der Komposition von Funktionen. Die alternative Schreibweise (f quer), kann leicht mit der komplexen Konjugation verwechselt werden. Sie wird daher in der mathematischen Literatur nur selten verwendet.

Allerdings besteht auch bei der Notation eine Doppeldeutigkeit. Diese Notation wird nämlich auch für die Urbildfunktion verwendet, die für jede Funktion (also auch nicht bijektive) existiert. Die Urbildfunktion ist eine Funktion von der Potenzmenge in die Potenzmenge . Es ist üblich, in der Notation der Urbildfunktion bei einelementigen Mengen die Mengenklammern wegzulassen. Für wird also statt auch einfach geschrieben. Identifiziert man nun in dieser notationellen Weise die einelementige Menge mit dem einen enthaltenen Element, dann ist die Umkehrfunktion eine Spezialisierung der Urbildfunktion, und frontale Widersprüche können nicht auftreten. Denn für bijektive ist das eine und einzige Element der Urbildmenge .

Wegen der genannten Verwechslungsmöglichkeit findet sich gelegentlich in der Literatur für die Umkehrfunktion (das ist die -te Iteration) die Schreibweise

für die Iteration

für die Potenz

und für die Ableitung

Dann ist beispielsweise

und

Einfache Beispiele

• Sei die Menge der 26 Buchstaben des lateinischen Alphabets und sei . Die Funktion , die jedem Buchstaben die entsprechende Nummer im Alphabet zuordnet, ist bijektiv, und ist gegeben durch „der n-te Buchstabe im Alphabet“.

• Sei die reelle Funktion mit . Diese ist bijektiv und die Umkehrfunktion ist gegeben durch

• Allgemeiner: Sind und die Funktion gegeben durch . Dann ist genau dann bijektiv, wenn . In diesem Fall gilt .

Eigenschaften

• Die Umkehrfunktion ist selber bijektiv. Ihre Umkehrfunktion ist die ursprüngliche Funktion, d. h.

• Ist eine bijektive Funktion, dann gilt für die Umkehrfunktion:

Oder etwas eleganter:

• Sind und zwei Funktionen mit der Eigenschaft

dann kann aus jeder der drei folgenden Eigenschaften bereits geschlossen werden, dass beide Funktionen bijektiv und ihre gegenseitigen Umkehrfunktionen sind:

• Sind die Funktionen und bijektiv, dann gilt dies auch für die Komposition . Die Umkehrfunktion von ist dann .

• Eine Funktion kann ihre eigene Umkehrfunktion sein. Dies gilt genau dann, wenn . In diesem Fall nennt man eine Involution. Die einfachsten involutorischen Abbildungen sind die identischen Abbildungen.

• Ist eine bijektive Funktion, wobei und Teilmengen von sind, dann entsteht der Graph der Umkehrfunktion, indem man den Graph von an der Geraden spiegelt.

• Ist differenzierbar, und , dann gilt die folgende Umkehrregel:

Diese Aussage wird in der mehrdimensionalen Analysis zum Satz von der Umkehrabbildung verallgemeinert.

Umkehrfunktion für nicht bijektive Funktionen

In vielen Fällen besteht der Wunsch nach einer Umkehrfunktion für eine nicht bijektive Funktion. Hierzu kann man die folgenden Hilfsmittel heranziehen:

• Ist die Funktion nicht surjektiv, so kann man die Zielmenge verkleinern, indem man hierfür gerade das Bild der Funktion wählt. Die so erhaltene Funktion ist surjektiv und stimmt in ihren Wertepaaren mit der ursprünglichen Funktion überein. Dieser Ansatz ist immer möglich. Es kann allerdings sein, dass es schwierig ist, das Bild der betrachteten Funktion genau zu bestimmen. Außerdem kann beim Übergang auf diese Teilmenge eine wichtige Eigenschaft der ursprünglich betrachteten Zielmenge verloren gehen (in der Analysis etwa die Vollständigkeit).

• In manchen Fällen erweist es sich auch als fruchtbar, die gewünschte Surjektivität dadurch zu erreichen, dass man bei der betrachteten Funktion den Definitionsbereich erweitert. Oft geht das auch mit einer Erweiterung der Zielmenge einher. Ob dieser Weg gangbar und sinnvoll ist, muss aber jeweils individuell entschieden werden.

• Ist die Funktion nicht injektiv, so kann man auf ihrem Definitionsbereich eine geeignete Äquivalenzrelation definieren, sodass man die Funktion auf die Menge der entsprechenden Äquivalenzklassen übertragen kann. Diese Funktion ist dann automatisch injektiv. Dieser Ansatz ist allerdings anspruchsvoll und führt zu einem oft unerwünschten Wechsel in der Natur der Argumente der betrachteten Funktion.

• In der Praxis kann man die Injektivität der Funktion oft auch dadurch erreichen, dass man sich auf eine geeignete Teilmenge des Definitionsbereichs der Funktion einschränkt, die zu jedem Element des Bilds nur ein einziges Urbildelement enthält. Diese Einschränkung ist allerdings unter Umständen willkürlich. Man muss daher darauf achten, dass man diese Einschränkung an allen Stellen konsistent in gleicher Weise vornimmt.

Beispiele

• Man betrachte die Nachfolger-Funktion auf der Menge der natürlichen Zahlen ohne die Null. Diese Funktion ist injektiv. Sie ist aber nicht surjektiv, da die Zahl 1 nicht als Funktionswert vorkommt. Man kann nun die Zahl 1 aus der Zielmenge entfernen. Dann wird die Funktion surjektiv und die Vorgänger-Funktion ist ihre Umkehrfunktion. Allerdings ist es unschön, dass bei der Funktion nun Definitionsbereich und Zielmenge nicht mehr übereinstimmen.

• Die Exponentialfunktion betrachtet als Funktion von nach ist injektiv, aber nicht surjektiv. Ihr Bild ist gerade die Menge der positiven reellen Zahlen. Schränkt man die Zielmenge darauf ein, so erhält man eine bijektive Funktion, deren Umkehrfunktion die Logarithmusfunktion ist. Eine natürliche Erweiterung des Zahlbereichs, wie im vorherigen Beispiel diskutiert, bietet sich hier nicht an. Daher muss man akzeptieren, dass bei den betrachteten Funktionen nun Definitionsbereich und Zielmenge nicht mehr übereinstimmen.

• Die Quadratfunktion ist, betrachtet als Funktion von nach , weder injektiv noch surjektiv. Die Surjektivität erreicht man dadurch, dass man als Zielmenge die Bildmenge der nichtnegativen reellen Zahlen wählt. Um die Injektivität zu erreichen, kann man den Definitionsbereich einschränken. Am naheliegendsten ist es, hier ebenfalls zu wählen. Die so erhaltene eingeschränkte Quadratfunktion ist bijektiv. Ihre Umkehrfunktion ist die Quadratwurzelfunktion.

Umkehrung der Kosinus- und Sinusfunktion

• Die trigonometrischen Funktionen Sinus (sin), Kosinus (cos) und Tangens (tan) sind nicht bijektiv. Man schränkt sie jeweils auf geeignete Teilmengen des Definitionsbereichs und der Zielmenge ein und erhält bijektive Funktionen, deren Umkehrfunktionen die Arkusfunktionen: Arkussinus (arcsin), Arkuskosinus (arccos) und Arkustangens (arctan) sind.

• Ein entsprechendes Vorgehen für die Hyperbelfunktionen Sinus hyperbolicus (sinh), Cosinus hyperbolicus (cosh) und Tangens hyperbolicus (tanh) führt zu den Areafunktionen: Areasinus hyperbolicus (arsinh), Areakosinus hyperbolicus (arcosh) und Areatangens hyperbolicus (artanh).

Berechnung

Die effektive Bestimmung der Umkehrfunktion ist oft schwierig. Asymmetrische Verschlüsselungsverfahren beruhen darauf, dass die Bestimmung der Umkehrfunktion einer Verschlüsselungsfunktion effektiv nur möglich ist, wenn man einen geheimen Schlüssel kennt. Dabei ist die Berechnungsvorschrift für die Verschlüsselungsfunktion selbst öffentlich bekannt.

Reelle Funktionen sind oft durch eine Berechnungsvorschrift definiert, die durch einen arithmetischen Term (mit einer Variablen ) beschrieben werden kann. Bei der Suche nach der Umkehrfunktion versucht man nun die Funktionsgleichung durch Äquivalenzumformung in die Form (für einen passenden Term ) zu bringen, also äquivalent nach aufzulösen. Gelingt dies, so ist die durch die Berechnungsvorschrift definierte Funktion als bijektiv erwiesen und ist eine Berechnungsvorschrift für die Umkehrfunktion. Man beachte, dass bei den Schritten der Äquivalenzumformung die Mengen, aus denen und gewählt werden sollen, genau zu beachten sind. Sie bilden dann Definitionsbereich und Zielmenge der betrachteten Funktion.

Beispiele:

• Sei mit . Die folgenden Gleichungen sind äquivalent:

• Sei mit . Die folgenden Gleichungen sind äquivalent (man beachte, dass gilt):
• :

Umkehrfunktionen und Morphismen

In der höheren Mathematik werden oft Mengen betrachtet, die noch mit zusätzlicher mathematischer Struktur versehen sind. Ein einfaches Beispiel hierfür ist die Menge der natürlichen Zahlen, auf der es unter anderem die durch die Kleiner-Relation definierte Ordnungsstruktur gibt.

Betrachtet man nun Funktionen zwischen zwei Mengen, die den gleichen Typ von Struktur tragen (also etwa zwei geordnete Mengen), so interessiert man sich besonders für Funktionen zwischen diesen Mengen, die mit den entsprechenden Strukturen „verträglich“ sind. Diese Verträglichkeit muss dabei gesondert definiert werden. Die Definition ist aber in den meisten Fällen naheliegend.

Funktionen, die diese Verträglichkeit erfüllen, werden auch Morphismen genannt. Bei geordneten Mengen sind die Morphismen etwa die monotonen Funktionen.

Ist ein Morphismus bijektiv, so stellt sich die Frage, ob die Umkehrfunktion ebenfalls ein Morphismus ist.

In vielen Teilgebieten der Mathematik ist dies automatisch der Fall. So sind etwa die Umkehrfunktionen bijektiver Homomorphismen automatisch ebenfalls Homomorphismen.

In anderen Teilgebieten ist dies nicht der Fall. Bei den geordneten Mengen kommt es zum Beispiel darauf an, ob man sich auf Totalordnungen beschränkt (dann sind Umkehrfunktionen von monotonen Funktionen wieder monoton) oder ob man auch Halbordnungen zulässt (dann ist dies nicht immer der Fall).

Ein bijektiver Morphismus, dessen Umkehrfunktion ebenfalls ein Morphismus ist, wird auch Isomorphismus genannt.

Umkehrfunktionen von linearen Abbildungen

Ein besonders wichtiges Beispiel für den Morphismusbegriff ist der Begriff der linearen Abbildung (des Vektorraumhomomorphismus). Eine bijektive lineare Abbildung ist immer ein Isomorphismus. Oft stellt sich die Frage, wie deren Umkehrfunktion effektiv bestimmt werden kann.

Damit überhaupt ein solcher Isomorphismus existieren kann, müssen die beiden beteiligten Vektorräume dieselbe Dimension haben. Ist diese endlich, so lässt sich jede lineare Abbildung zwischen den Räumen durch eine quadratische Matrix (mit entsprechender Spaltenzahl) darstellen. Die lineare Abbildung ist dann genau dann bijektiv, wenn diese Matrix eine Inverse besitzt. Diese Inverse beschreibt dann die Umkehrfunktion.

Im mathematischen Teilgebiet der Funktionalanalysis betrachtet man vor allem unendlichdimensionale Vektorräume, die neben der Vektorraumstruktur noch eine zusätzliche topologische Struktur tragen. Als Morphismen lässt man hier nur solche linearen Abbildungen gelten, die auch mit den topologischen Strukturen verträglich, das heißt stetig, sind. Im Allgemeinen ist die Umkehrfunktion einer bijektiven stetigen linearen Abbildung zwischen zwei topologischen Vektorräumen nicht zwangsläufig stetig. Sind aber beide beteiligten Räume Banachräume, so folgt aus dem Satz über die offene Abbildung, dass dies der Fall sein muss.

Verallgemeinerungen

Für allgemeinere Anwendungen ist der oben eingeführte Begriff der Umkehrfunktion als Inverses einer Bijektion zu eng. Entsprechend existieren Verallgemeinerungen für solche Gegebenheiten, von denen zwei nachfolgend vorgestellt werden.

Linksinverse

Für eine Funktion heißt eine Funktion Linksinverse (oder Retraktion), wenn

Das heißt, die Funktion erfüllt

Das Verhalten von auf dem Bild von ist also festgelegt. Für Elemente aus , die nicht Resultat von sind, kann dagegen beliebige Werte annehmen. Eine Funktion hat Linksinverse genau dann, wenn sie injektiv (linkseindeutig) ist.

Eine injektive Funktion kann mehrere Linksinverse haben. Dies ist genau dann der Fall, wenn die Funktion nicht surjektiv ist und der Definitionsbereich mehr als ein Element besitzt.

Linksinverse treten oft als „Inverse“ von Einbettungen auf.

Sei zum Beispiel die Menge der Vereine, die in der Saison 2018/19 mit einer Mannschaft in der ersten Fußball-Bundesliga der Männer vertreten sind. sei die Menge der Kommunen in Deutschland. Die Funktion ordne einem Verein die Kommune zu, in der sein Stadion steht. Da in der betrachteten Saison keine zwei Bundesliga-Mannschaften aus derselben Stadt kommen, ist diese Funktion injektiv. Da es auch Kommunen ohne Bundesliga-Stadion gibt, ist sie nicht surjektiv. Es gibt also mehrere Linksinverse zu . Eine einfach zu bildende Linksinverse ist die Funktion, die jeder Kommune, die ein Bundesliga-Stadion besitzt, den zugehörigen Verein und allen anderen Kommunen den FC Bayern München zuordnet. Ein in der Praxis sinnvolleres Beispiel wäre die Funktion, die jeder Kommune den Bundesliga-Verein mit dem am nächsten gelegenen Stadion zuordnet. Allerdings wäre es auch deutlich aufwändiger diese Funktion zu ermitteln, zumal erst einmal geklärt werden müsste, welcher Abstandsbegriff der Definition zu Grunde liegt (Luftlinie, kürzeste Entfernung mit dem PKW, …).

Als numerisches Beispiel sei die Einbettung von in . Dann bietet sich jede Rundungsfunktion (auf 0 Stellen nach dem Komma), also zum Beispiel die Gaußklammer, als Linksinverse an. Aber auch die Funktion auf , die jeder ganzen Zahl sich selbst und allen anderen Zahlen die 0 zuordnet, ist eine Linksinverse.

Rechtsinverse

Eine Rechtsinverse (Koretraktion) von (oder, bei Faserbündeln, ein Schnitt von ) ist eine Funktion , sodass

Das heißt, die Funktion erfüllt

kann also jedes Urbildelement von unter sein.

Hat eine Funktion eine Rechtsinverse, so muss sie surjektiv (rechtstotal) sein.

Umgekehrt scheint es offensichtlich, dass aus der Surjektivität von die Existenz einer Rechtsinversen folgt. Zu jedem kann man ja ein oder sogar mehrere Urbildelemente unter in finden. Ist die Funktion allerdings „hochgradig nicht-injektiv“, so muss hierzu für eine unüberschaubare Menge von Elementen der Zielmenge eine Entscheidung getroffen werden, welches der Urbildelemente man denn jeweils wirklich nimmt. Eine solche simultane Entscheidung kann nicht immer konstruktiv getroffen werden. Das Auswahlaxiom (in geeigneter Formulierung) besagt gerade, dass eine Rechtsinverse trotzdem für alle surjektiven Funktionen existiert.

In vielen Fällen kann allerdings die Auflösung der Uneindeutigkeit durch eine globale Festlegung erfolgen. Dies ist etwa bei der Definition der Quadratwurzel der Fall, wo man die Uneindeutigkeit immer zu Gunsten der positiven Lösung auflöst. In solchen Fällen wird das Auswahlaxiom nicht benötigt.

Die Funktion ist offenbar genau dann Rechtsinverse von , wenn Linksinverse von ist. Hieraus folgt unmittelbar, dass Rechtsinverse immer injektiv und Linksinverse immer surjektiv sind.

Eine surjektive Funktion hat genau dann mehrere Rechtsinverse, wenn sie nicht injektiv ist.

Rechtsinverse treten oft als Funktionen auf, die Repräsentanten einer Menge bestimmen.

Sei beispielsweise eine Funktion, die jeder Art ihre Gattung zuweist. Als Rechtsinverse wählt man dann eine Funktion, die für jede Gattung eine typische Art benennt. Politische Vertretung liefert viele Beispiele. Hier könnte etwa die Staatsangehörigkeit eines Menschen sein, das Staatsoberhaupt eines Staates.

Die Hilbert-Kurve bildet das Einheitsintervall stetig (daher die Bezeichnung Kurve) auf das Einheitsquadrat ab. In der praktischen Anwendung wird aber häufig der Hilbert-Index benötigt, nämlich eine Linearisierung zweidimensionaler Daten (eine Umkehrung der Hilbert-Kurve). Dazu nimmt man eine der Rechtsinversen der Hilbert-Kurve, von denen es mehrere gibt – denn die Hilbert-Kurve kann als stetige Abbildung zwischen zwei Räumen unterschiedlicher Dimension nach dem Satz von der Invarianz der Dimension nicht bijektiv sein.

Links- und Rechtsinverse von Morphismen

Tragen die Mengen und eine zusätzliche mathematische Struktur und ist eine injektive bzw. surjektive Funktion, die mit diesen Strukturen verträglich ist, so stellt sich die Frage, ob es möglich ist, die Links- bzw. Rechtsinverse so zu wählen, dass sie ebenfalls mit den Strukturen verträglich ist. Für viele in der Mathematik untersuchte Strukturen ist dies nicht der Fall. Ist allerdings eine injektive bzw. surjektive lineare Abbildung, so kann man die Links- bzw. Rechtsinverse ebenfalls als lineare Abbildung wählen.

Verschiedenes

• Von besonderem Interesse sind oft Funktionen, bei denen Definitionsbereich und Zielmenge übereinstimmen. Für eine Menge bildet die Menge der Funktionen von in sich mit der Komposition als Verknüpfung ein Monoid. Die Begriffe der Invertierbarkeit sowie des Links- und Rechtsinversen, die hier eingeführt wurden, stimmen dann mit den entsprechenden Begriffen aus der Algebra überein.

• Im allgemeinen Kontext wird der Begriff der Invertierbarkeit von Funktionen oft weggelassen, da er mit dem Begriff der Bijektivität übereinstimmt.

• Bei den obigen Überlegungen wurde vorausgesetzt, dass und nicht-leer sind. Ist leer, so gibt es überhaupt nur dann eine Funktion von nach , wenn ebenfalls leer ist.

• Bei der Einführung des Funktionsbegriffs in der Mathematik gibt es verschiedene Vorgehensweisen. Der in diesem Artikel verwendete Begriff der Surjektivität setzt voraus, dass die Zielmenge ein Teil der Identität der Funktion ist. Legt man einen anderen Funktionsbegriff zu Grunde, so muss man einige der Ausführungen entsprechend anpassen.

• Die meisten der Aussagen in diesem Artikel gelten auch für Funktionen zwischen Klassen.

Siehe auch

• Retraktion und Koretraktion, Links- bzw. Rechtsinverse in Kategorien

Weblinks

Wiktionary: Umkehrfunktion – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

1. Helmut Sieber und Leopold Huber: Mathematische Begriffe und Formeln für Sekundarstufe I und II der Gymnasien. Ernst Klett Verlag.
2. Wolfgang Zeuge: Nützliche und schöne Geometrie. 3.3 Die Umkehrfunktionen. Springer Spektrum, Berlin 2021, ISBN 978-3-662-63831-6, S. 46.