Funkcja

Ten artykuł dotyczy pojęcia matematycznego. Zobacz też: inne znaczenia słowa „funkcja”.

Funkcja (łac. functio, -onis „odbywanie, wykonywanie, czynność”^[a]), odwzorowanie^[1][2], przekształcenie^[3], transformacja^[4] – pojęcie matematyczne używane w co najmniej dwóch zbliżonych znaczeniach:

• dla danych dwóch zbiorów ${\displaystyle X}$ i ${\displaystyle Y}$ funkcją nazywano każde przyporządkowanie^[b] elementom zbioru ${\displaystyle X}$ po jednym elemencie zbioru ${\displaystyle Y}$^[c][5];
• zazwyczaj wymaga się też, aby to przypisanie dotyczyło każdego elementu zbioru ${\displaystyle X}$^[6]. Wtedy obiekty spełniające tylko pierwszy warunek są znane jako funkcje częściowe.

Funkcje oznacza się na ogół literami ${\displaystyle f,g,h}$ itd. Jeśli funkcja ${\displaystyle f}$ przyporządkowuje elementom zbioru ${\displaystyle X}$ elementy zbioru ${\displaystyle Y,}$ to pisze się: ${\displaystyle f\colon X\to Y.}$ W kontekście każdej funkcji używa się kilku podstawowych pojęć:

• zbiór ${\displaystyle X}$ nazywa się dziedziną funkcji f, przy czym ten termin ma też inne znaczenie opisane w linkowanym artykule. Inna nazwa to zbiór argumentów^[2], ponieważ jego każdy element ${\displaystyle x}$ nazywa się argumentem tej funkcji^[2] lub zmienną niezależną;
• zbiór ${\displaystyle Y}$ to przeciwdziedzina tej funkcji ${\displaystyle f}$ lub jej zbiór wartości^[2], przy czym te terminy mają też inne znaczenie – por. linkowane artykuły. Każdy element ${\displaystyle y=f(x)}$ nazywa się wartością funkcji^[2] lub zmienną zależną^[7].

Funkcje to szczególne przypadki relacji binarnych. Relacja ${\displaystyle R}$ jest funkcją, jeśli spełnia dwa warunki, poniżej zapisane za pomocą kwantyfikatorów^[2]:

1. jednoznaczność^[8]: ${\displaystyle \forall x\in X,y_{1},y_{2}\in Y:[xRy_{1}\wedge xRy_{2}\Rightarrow (y_{1}=y_{2})],}$
2. ${\displaystyle \forall x\in X\ \exists y\in Y:xRy.}$

Przez to funkcje rozumiane szeroko są też znane jako relacje jednoznaczne^[9]. Teoria mnogości definiuje relacje za pomocą iloczynu kartezjańskiego zbiorów, czyli zbioru par uporządkowanych: ${\displaystyle R\subseteq X\times Y.}$

Termin funkcja pojawił się w matematyce w XVII wieku, po czym kolejni uczeni nadawali mu nowe znaczenia^[6]. Leonhard Euler w osiemnastym wieku był pierwszym matematykiem, który użył wpółczesnego oznaczenia funkcji^[10]. Euler używał dwóch definicji funkcji, pierwsze jako analityczne wyrażenie (formuła), zawierajaca stałe oraz zmienne. Druga definicja to zmienna zależna od innej zmiennej. Takie samo podejście można znaleźć w książkach Lagrange'a. Drugie podejście, z drobnymi zmianami, było używane przez późniejszych matematyków, takich jak Cauchy, Fourier, Drichlet, czy Reimann^[11].

Funkcje stały się jednym z podstawowych i najważniejszych pojęć całej nowożytnej matematyki^[6] i innych nauk ścisłych; funkcje:

• są głównym przedmiotem badań analizy;
• pozwoliły zdefiniować jedno z podstawowych pojęć kombinatoryki i teorii mnogości: moc zbioru^[12].
• pojawiają się w logice matematycznej w postaci funkcji zdaniowych (predykatów) i innych funktorów;
• stały się jednym z fundamentów informatyki, gdzie nazywa się tak odmianę procedury; powstałe całe metody programowania oparte na tym pojęciu jak programowanie funkcyjne;.

Opisano dziesiątki odmian funkcji; niezależnie od dziedziny i przeciwdziedziny można wyróżnić funkcje różnowartościowe (iniekcje), funkcje „na” (suriekcje) oraz przecięcie tych dwóch zbiorów – funkcje wzajemnie jednoznaczne (bijekcje). Inne typy definiuje się m.in. za pomocą konkretnej dziedziny lub przeciwdziedziny, co opisano w dalszych sekcjach. Zbiór wszystkich funkcji ze zbioru ${\displaystyle X}$ do zbioru ${\displaystyle Y}$ oznacza się ${\displaystyle Y^{X}}$^[2].

Formalna definicja

Funkcja ${\displaystyle f=(X,Y,W)}$ to trójka składająca się z poniższych elementów^{[13][14][15][16][17][18][19]}:

• dziedziny ${\displaystyle X}$ będącej dowolnym zbiorem,
• przeciwdziedziny ${\displaystyle Y}$ również będącej dowolnym zbiorem,
• wykresu ${\displaystyle W\subseteq X\times Y}$ będącym zbiorem par, takim że ${\displaystyle \forall x\in X,\exists !y\in Y:(x,y)\in W}$.

Wyjaśnienie: Wykres ${\displaystyle W}$ to zbiór tylko takich par, że dla każdego elementu ${\displaystyle x}$ z ${\displaystyle X}$ istnieje dokładnie jeden ${\displaystyle y}$ z ${\displaystyle Y,}$ taki że para ${\displaystyle (x,y)}$ znajduje się w zbiorze ${\displaystyle W}$ (czyli owa para jest „punktem” z wykresu funkcji).

Alternatywne definicje

Definicja ${\displaystyle f=(X,Y,W)}$ nazywana jest również definicją Bourbakiego ^[14] ze względu na prostotę, pełność i ogólność spełnia wymogi współczesnej matematyki ^[20]. Zauważmy że dla teoriomnogościowej definicji trójki jako pewnego zbioru (co zwykle się przyjmuje), funkcja ${\displaystyle f}$ staje się zbiorem. W literaturze definicja może różnić się kolejnością elementów np. ${\displaystyle f=(W,X,Y)}$ albo ${\displaystyle f=(X,W,Y)}$ itp. . Używane są również inne definicje formalne:

• Jeżeli zakładamy że funkcja jest surjekcją lub jeśli jest wygodne nie ustalanie przeciwdziedziny, wówczas można skorzystać z definicji redukującej funkcję tylko do wykresu funkcji tj. ${\displaystyle f=W}$. Często w literaturze wspomina się, że taka zredukowana definicja (wykres) jest pewną relacją binarną. Należy zauważyć że między ogólną definicją a zredukowaną istnieją poważne różnice^[21]. Powyższa zredukowana definicja oraz pełna definicja Bourbakiego, są powszechnie używane w literaturze ^[20].

• Funkcję można zdefiniować nie jako trójkę, ale jako zbiór: ${\displaystyle f=\{X,Y,W\},}$ ale będzie zawężało to definicję – ponieważ będzie wymagało użycia dodatkowych założeń (np. przyjęcia aksjomatu wyboru w celu ustalenia, który element zbioru jest dziedziną w niektórych przypadkach).

• Funkcję można też zdefiniować jako parę ${\displaystyle f=(Y,W),}$ ale zrekonstruowanie dziedziny z wykresu może wymagać przyjęcia dodatkowych założeń np. aksjomatu wyboru.

Notacja

W notacji zwykle rozdziela się definicję wykresu od dziedziny i przeciwdzidedziny np. „Dana jest funkcja ${\displaystyle f\colon X\to Y}$ określona wzorem ${\displaystyle f(x)=...}$ „tu najpierw podano dziedzinę i przeciwdziedzinę, a następnie osobno zdefiniowano wykres poprzez formułę określającą jak wyznaczyć ${\displaystyle y}$ (czyli ${\displaystyle f(x)}$) dla danego ${\displaystyle x}$ by otrzymać parę ${\displaystyle (x,y).}$ Pełny zapis (którego się nie stosuje w praktyce) dla tego przykładu wyglądałby tak: ${\displaystyle f=(X,Y,\{(x,f(x)):x\in X\})}$ (gdzie za ${\displaystyle f(x)}$ należało by podstawić konkretną formułę).

Jeżeli pomija się podanie dziedziny i przeciwdziedziny dla danej funkcji to oznacza, że należy wywieść te informacje z wykresu lub kontekstu – co często ma miejsce (i uzasadnia oddzielenie definicji wykresu w notacji).

Przykład 1

Funkcje mające podobny wykres nie muszą być tożsame. Rozważmy taki przypadek czterech funkcji o podobnym lub identycznym wykresie (gdzie ${\displaystyle \mathbb {R} }$ to liczby rzeczywiste a ${\displaystyle \mathbb {R} ^{+}}$ to dodanie liczby rzeczywiste):

${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} ^{+},f(x)=x^{2},}$ więc z definicji: ${\displaystyle f=(\mathbb {R} ,\mathbb {R} ^{+},\{(x,x^{2}):x\in \mathbb {R} \}),}$

${\displaystyle g\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} \ ,g(x)=x^{2},}$ więc z definicji: ${\displaystyle g=(\mathbb {R} ,\mathbb {R} ,\{(x,x^{2}):x\in \mathbb {R} \}),}$

${\displaystyle h\colon \mathbb {R} ^{+}\to \mathbb {R} ^{+},h(x)=x^{2},}$ więc z definicji: ${\displaystyle h=(\mathbb {R} ^{+},\mathbb {R} ^{+},\{(x,x^{2}):x\in \mathbb {R} ^{+}\}),}$

${\displaystyle k\colon \mathbb {R} ^{+}\to \mathbb {R} \ ,k(x)=x^{2},}$ więc z definicji: ${\displaystyle k=(\mathbb {R} ^{+},\mathbb {R} ,\{(x,x^{2}):x\in \mathbb {R} ^{+}\}).}$

mamy: ${\displaystyle k\neq g\neq f\neq h\neq k\neq f\neq h\neq g}$ (bo każda jest inną trójką). Każda z funkcji ma inny charakter: ${\displaystyle f}$ to suriekcja, ${\displaystyle h}$ to bijekcja, k to iniekcja.

Przykład 2

Poniżej kilka nietypowych/granicznych przypadków – kolumna po stronie lewej trójka f; w środku to interpretacja f jako funkcji w świetle formalnej definicji zapisana w tradycyjnej notacji; ostatnia kolumna to wyjaśnienie (${\displaystyle X}$ i ${\displaystyle Y}$ to dowolne nie puste zbiory, ${\displaystyle W}$ to niepusty wykres)

zbiór	tradycyjna notacja	wyjaśnienie
${\displaystyle f=(\emptyset ,\emptyset ,\emptyset )}$	${\displaystyle f\colon \emptyset \to \emptyset ,}$ pusty wykres	dzedzina, przeciwdziedzina i wykres są zbiorami pustymi
${\displaystyle f=(X,\emptyset ,\emptyset )}$	to nie funkcja	jeżeli dziedzina jest niepusta, to i wykres nie może być pusty
${\displaystyle f=(\emptyset ,Y,\emptyset )}$	${\displaystyle f\colon \emptyset \to Y,}$ pusty wykres	dziedzina i wykres są zbiorami pustymi
${\displaystyle f=(\emptyset ,\emptyset ,W)}$	to nie funkcja	jeżeli wykres jest niepusty, to i dziedzina nie może być pusta
${\displaystyle f=(\emptyset ,Y,W)}$	to nie funkcja	jeżeli wykres jest niepusty, to i dziedzina nie może być pusta
${\displaystyle f=(X,\emptyset ,W)}$	to nie funkcja	przeciwdziedzina nie może być zbiorem pustym, bo z definicji funkcji wynika, że dla każdego elementu niepustej dziedziny X musi istnieć dokładnie jeden element przeciwdziedziny.
${\displaystyle f=(X,Y,\emptyset )}$	to nie funkcja	jeżeli dziedzina jest niepusta, to i wykres nie może być pusty
${\displaystyle f=(X,X,W)}$	${\displaystyle f\colon X\to X,f(x)=y,y\in X}$	dziedzina jest równa przeciwdziedzinie
${\displaystyle f=(X,Y,X)}$	to nie funkcja (przy założeniu ZF)	wykres musiałby być tym samym co dziedzina ${\displaystyle W=X}$ (co jest niemożliwe jeśli przyjmujemy aksjomatykę ZF, co zwykle ma miejsce)
${\displaystyle f=(X,Y,Y)}$	to nie funkcja (przy założeniu ZF)	wykres musiałby być tym samym co przeciwdziedzina ${\displaystyle W=Y}$ (co jest niemożliwe jeśli przyjmujemy aksjomatykę ZF, co zwykle ma miejsce)

Obraz i przeciwobraz

• Zbiór ${\displaystyle f(A)=\{y=f(x)\colon x\in A\}}$ jest obrazem podzbioru ${\displaystyle A}$ zbioru ${\displaystyle X}$ w przekształceniu ${\displaystyle f}$^[5],
• dla każdego elementu ${\displaystyle b\in f(X)}$ przeciwobrazem elementu ${\displaystyle b}$ (dokładniej pełnym przeciwobrazem) nazywamy zbiór ${\displaystyle f^{-1}(b)=\{a\in X\colon f(a)=b\};}$ jeśli ${\displaystyle b\notin f(X),}$ to ${\displaystyle f^{-1}(b)=\varnothing }$^[5],
• przeciwobrazem podzbioru ${\displaystyle B\subset Y}$ nazywamy zbiór ${\displaystyle f^{-1}(B)=\{a\in X\colon f(a)\in B\};}$ jeżeli ${\displaystyle B\cap f(X)=\varnothing ,}$ to ${\displaystyle f^{-1}(B)=\varnothing }$^[22].

Wykres funkcji

 Osobny artykuł: wykres funkcji.

Wykresem funkcji ${\displaystyle f\colon X\to Y}$ nazywa się zbiór ${\displaystyle W_{f}=\{(x,y)\in X\times Y:y=f(x)\}.}$ Z definicji funkcji wynika, że dla każdego ${\displaystyle x_{0}\in X}$ istnieje dokładnie jeden taki ${\displaystyle y_{0}\in Y,}$ że ${\displaystyle (x_{0},y_{0})\in W_{f}.}$ Jeśli ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ jest funkcją ciągłą, to jej wykres jest krzywą w układzie współrzędnych na płaszczyźnie.

Jeżeli zakładamy, że funkcja jest suriekcją, to wykres funkcji jednoznacznie ją określa. Jeśli ${\displaystyle (x_{0},y_{0})\in W_{f},}$ to ${\displaystyle y_{0}=f(x_{0}),}$ przy czym ${\displaystyle y_{0}}$ jest jedynym takim elementem.

Definicję relacyjną zaproponował Giuseppe Peano^[2][23]; utożsamia ona funkcję z jej wykresem. Jest użyteczna w tworzeniu systemów aksjomatycznych pewnych teorii, bowiem funkcja jest wtedy pojęciem pochodnym względem aksjomatyki teorii mnogości^{[potrzebny przypis]}.

Funkcje liczbowe

Ważną klasą funkcji są funkcje

${\displaystyle f\colon X\to \mathbb {C} }$ (zbiór ${\displaystyle \mathbb {C} }$ jest zbiorem liczb zespolonych)

nazywane funkcjami o wartościach liczbowych^[24].

W zbiorze funkcji liczbowych określonych na ustalonym zbiorze ${\displaystyle X}$ można zdefiniować działania arytmetyczne:

• Dla ${\displaystyle f,g\colon X\to Y}$ funkcja ${\displaystyle f+g}$ przyjmuje dla każdego ${\displaystyle x\in X}$ wartość ${\displaystyle f(x)+g(x).}$
• Dla ${\displaystyle f,g\colon X\to Y}$ funkcja ${\displaystyle f-g}$ przyjmuje dla każdego ${\displaystyle x\in X}$ wartość ${\displaystyle f(x)-g(x).}$
• Dla ${\displaystyle f,g\colon X\to Y}$ funkcja ${\displaystyle f\cdot g}$ przyjmuje dla każdego ${\displaystyle x\in X}$ wartość ${\displaystyle f(x)\cdot g(x).}$
• Dla ${\displaystyle f,g\colon X\to Y}$ i ${\displaystyle \forall _{x\in X}g(x)\neq 0}$ funkcja ${\displaystyle f/g}$ przyjmuje dla każdego ${\displaystyle x\in X}$ wartość ${\displaystyle f(x)/g(x).}$
• Dla ${\displaystyle f\colon X\to Y}$ i ${\displaystyle \lambda \in \mathbb {C} }$ funkcja ${\displaystyle \lambda \cdot f}$ przyjmuje dla każdego ${\displaystyle x\in X}$ wartość ${\displaystyle \lambda \cdot f(x).}$

Funkcja ${\displaystyle f}$ jest ograniczona, jeśli istnieje taka liczba rzeczywista dodatnia ${\displaystyle M,}$ że dla każdego ${\displaystyle x\in X}$ spełniona jest nierówność ${\displaystyle |f(x)|<M.}$

Jeśli funkcja liczbowa ${\displaystyle f}$ przyjmuje jedynie wartości rzeczywiste

${\displaystyle f\colon X\to \mathbb {R} ,}$

to nazywa się ją funkcją o wartościach rzeczywistych^[24].

Dla funkcji o wartościach rzeczywistych wyniki powyżej zdefiniowanych czterech działań arytmetycznych są funkcjami o wartościach rzeczywistych. Wyjątkiem jest mnożenie przez stałą, która powinna być rzeczywista, aby w wyniku mnożenia funkcji o wartościach rzeczywistych przez tę stałą uzyskać funkcję o wartościach rzeczywistych.

Funkcjami liczbowymi nazywamy:

${\displaystyle f\colon X\to \mathbb {C} ,}$ gdzie ${\displaystyle X\subset \mathbb {C} }$ (jest to funkcja zespolona)

${\displaystyle f\colon X\to \mathbb {R} ,}$ gdzie ${\displaystyle X\subset \mathbb {R} }$ (jest to funkcja rzeczywista)^[25]

Można także mówić o funkcjach liczbowych wielu zmiennych (rzeczywistych lub zespolonych):

${\displaystyle f\colon X\to \mathbb {C} ,}$ gdzie ${\displaystyle X\subset \mathbb {C} ^{n}=\underbrace {\mathbb {C} \times \ldots \times \mathbb {C} } _{n},}$

${\displaystyle f\colon X\to \mathbb {R} ,}$ gdzie ${\displaystyle X\subset \mathbb {R} ^{n}=\underbrace {\mathbb {R} \times \ldots \times \mathbb {R} } _{n},}$

których dziedzina jest podzbiorem iloczynu kartezjańskiego zbioru liczb rzeczywistych lub zbioru liczb zespolonych, które zapisuje się:

${\displaystyle y=f(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}),}$ gdzie ${\displaystyle x_{1},\dots ,x_{n}}$ są współrzędnymi punktu w ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ lub odpowiednio w ${\displaystyle \mathbb {C} ^{n}.}$

Rodzaje funkcji liczbowych

 Zobacz też: funkcje elementarne, funkcje specjalne, przebieg zmienności funkcji i granica funkcji.

• funkcja rosnąca;
• funkcja malejąca;
• funkcja nierosnąca;
• funkcja niemalejąca;
• funkcja monotoniczna – funkcja rosnąca lub funkcja malejąca, lub funkcja nierosnąca, lub funkcja niemalejąca;
• funkcje ograniczone – funkcja, której zbiór wartości jest ograniczony;
• funkcja parzysta – wykres funkcji parzystej jest symetryczny względem osi rzędnych;
• funkcja nieparzysta – wykres funkcji nieparzystej jest symetryczny względem początku układu współrzędnych;
• funkcja okresowa;
• funkcja ciągła;
• funkcja różniczkowalna – funkcja, dla której istnieje pochodna w każdym punkcie jej dziedziny.

Sposoby określania funkcji

Jeżeli dziedzina ${\displaystyle X}$ jest skończona, wystarczy wymienić wszystkie pary (argument, wartość). Można to zrobić za pomocą grafu (przykład obok).

Funkcje liczbowe można definiować za pomocą wzorów. Jest to sposób analityczny. W tym celu wykorzystuje się pewien zasób funkcji (wielomiany, funkcje elementarne itp.), działania algebraiczne, złożenie funkcji i operację przejścia do granicy (w tym operacje analizy matematycznej, takie jak różniczkowanie, całkowanie i sumowanie szeregów)^[25].

Klasa funkcji, które można przedstawić za pomocą szeregu (potęgowego, trygonometrycznego itp.) jest bardzo szeroka. Każdą funkcję elementarną można przedstawić za pomocą szeregu potęgowego zwanego szeregiem Taylora.

Przedstawić analitycznie funkcję można w sposób jawny, tzn. jako ${\displaystyle y=f(x)}$ lub jako tak zwaną funkcję uwikłaną, tzn. za pomocą równania ${\displaystyle F(x,y)=0}$^[25].

Czasem funkcja jest dana kilkoma wzorami, na przykład:

${\displaystyle f(x)={\begin{cases}3^{x},&{\text{gdy }}x>0\\0,&{\text{gdy }}x=0\\2x-1&{\text{gdy }}x<0\end{cases}}.}$

Do określenia funkcji można też stosować metodę opisową. Na przykład funkcja Dirichleta jest funkcją, która dla argumentów wymiernych przyjmuje wartość 1, a dla argumentów niewymiernych 0.

Funkcja może na ogół być określona na wiele sposobów. Na przykład funkcję sgn (x) można określić w taki sposób:

${\displaystyle \operatorname {sgn}(x)={\begin{cases}1,&{\text{gdy }}x>0\\0,&{\text{gdy }}x=0\\-1&{\text{gdy }}x<0\end{cases}},}$

albo w taki:

${\displaystyle \operatorname {sgn}(x)={\begin{cases}{\frac {x}{|x|}},&{\text{gdy }}x\neq 0\\0,&{\text{gdy }}x=0\end{cases}}.}$

Dla funkcji rzeczywistych o wartościach rzeczywistych stosowano tabelaryczny sposób określania funkcji. Obecnie w dobie kalkulatorów i arkuszy kalkulacyjnych tabele wartości funkcji logarytmicznych i trygonometrycznych i innych nie są już niezbędne, ale bywają wykorzystywane^[26].

Ważnym sposobem przedstawiania i badania funkcji jest jej wykres, który dla funkcji ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ w przypadku funkcji ciągłej jest krzywą na płaszczyźnie^[26].

Przykłady funkcji liczbowych określonych za pomocą wzoru

• ${\displaystyle y=ax+b}$ – funkcja liniowa
• ${\displaystyle y=ax^{2}+bx+c}$ – funkcja kwadratowa
• ${\displaystyle y=a_{0}+a_{1}x+\ldots +a_{n}x^{n}}$ – funkcja wielomianowa
• ${\displaystyle y=1+{\sqrt {\ln {\sin {2\pi x}}}}}$
• ${\displaystyle P_{n}(x)={\frac {1}{2^{n}n!}}{\frac {d^{n}(x^{2}-1)^{n}}{dx^{n}}}}$
• ${\displaystyle I(\alpha ,\beta )=\int _{0}^{+\infty }e^{-\alpha x}{\frac {\sin \beta x}{x}}dx}$
• ${\displaystyle \sigma (z)=\textstyle \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{z}}}}$
• ${\displaystyle y-f(x)=0}$ – funkcja jawna zapisana jako uwikłana
• ${\displaystyle x^{2}+y^{2}-1=0}$ – funkcja uwikłana (równanie okręgu)

Funkcja jako związek między zmiennymi

Zamiast mówić o funkcji jako o relacji między zbiorami, można też mówić o zależności (związku) między dwiema zmiennymi ${\displaystyle x}$ i ${\displaystyle y,}$ gdzie pierwsza z nich przyjmuje wartości ze zbioru ${\displaystyle X,}$ a druga przyjmuje wartości ze zbioru ${\displaystyle Y;}$ wtedy ${\displaystyle x}$ nazywa się zmienną niezależną, a ${\displaystyle y}$ – zmienną zależną^[27][28]. Taka interpretacja funkcji jest często używana w analizie matematycznej i zastosowaniach matematyki w innych naukach. W tym wypadku niezależność zmiennej ${\displaystyle x}$ oznacza, że może się ona zmieniać w dowolny sposób, a zależność zmiennej ${\displaystyle y}$ oznacza, że jej zmiany są zależne od zmian zmiennej ${\displaystyle x.}$ Na przykład droga ${\displaystyle s}$ w ruchu jednostajnym o prędkości ${\displaystyle v}$ jest zależna od czasu ${\displaystyle t}$ ruchu i wyraża się wzorem:

${\displaystyle s=v\cdot t.}$

W praktyce często się zdarza, że zbiór ${\displaystyle X}$ jest opisywany przez kilka zmiennych niezależnych ${\displaystyle x_{1},\dots ,x_{n}.}$ Mówimy wtedy, że zmienna ${\displaystyle y}$ jest funkcją zmiennych ${\displaystyle x_{1},\dots ,x_{n}.}$ Na przykład siła ${\displaystyle F}$ działająca na ciało jest zależna od masy ${\displaystyle m}$ ciała i jego przyspieszenia ${\displaystyle a{:}}$

${\displaystyle F=m\cdot a.}$

Przykłady funkcji

W matematyce

Definicję funkcji spełniają na przykład:

• działania arytmetyczne: dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie. Można je traktować jako funkcje liczbowe dwóch lub większej liczby zmiennych.
• Jednoargumentowe działania na liczbach: zaokrąglanie, podłoga i sufit oraz część ułamkowa, wartość bezwzględna, liczba przeciwna (przykład funkcji liniowej), liczba odwrotna (przykład funkcji wymiernej),
• średnie: arytmetyczna, geometryczna i inne. To funkcje dwóch lub dowolnej liczby zmiennych. Można je traktować jako funkcje na ciągach lub multizbiorach liczb.
• inne funkcje statystyczne, np. mediana, moda, minimum i maksimum,
• funkcje teorioliczbowe: największy wspólny dzielnik i najmniejsza wspólna wielokrotność dwóch lub więcej liczb całkowitych,
• przekształcenia geometryczne: odbicie względem prostej lub punktu i inne symetrie, obrót względem punktu lub osi, jednokładność, dylatacja, inwersja i wiele innych,
• odległość między punktami (w ogólności metryka), długość wektora (w ogólności norma),
• Średnica zbioru – funkcja ze zbioru potęgowego dowolnej przestrzeni metrycznej,
• długość linii (łamanej lub ogólnie krzywej), w szczególności obwód dla krzywych zamkniętych,
• pole powierzchni, objętość, prawdopodobieństwo i inne przykłady miary.
• działania na zdaniach lub formułach: negacja, implikacja, alternatywa, alternatywa rozłączna, koniunkcja, dysjunkcja, równoważność,
• same formuły zdaniowe: przyporządkowanie termom zdania,
• wartość logiczna,
• działania na zbiorach,
• działania na ciągach skończonych, jak permutacja (np. inwersja) oraz konkatenacja,
• układ współrzędnych to funkcja z przestrzeni geometrycznej (zwłaszcza rozmaitości) w przestrzeń kartezjańską.

W fizyce

 Zobacz też: zmienne zależna i niezależna.

Wszystkie wielkości fizyczne rozpatruje się jako funkcje innych zmiennych:

• Jednostki fizyczne są często funkcjami liniowymi innych jednostek, np. temperatura w skali Fahrenehita jest liniową funkcją tej Celsjusza.
• Czasami jednostki są logarytmicznymi funkcjami innych jednostek, np. poziom natężenia dźwięku, wysokość dźwięku, jasność absolutna,
• W statyce: przyporządkowanie każdemu ciału fizycznemu jego masy oraz środka masy. Zgodnie z prawem Hooke’a siła nacisku lub naciągu jest proporcjonalna do odkształcenia ciała (dla odpowiednio małych wartości tych parametrów). To funkcje liniowe siebie nawzajem. Ich zależność opisują współczynnik sprężystości, moduł Younga i inne. Tarcie jest liniową funkcją siły nacisku.
• W kinematyce: ruch ciał fizycznych opisywany jest przez wektor położenia lub przemieszczenia ${\displaystyle {\vec {r}}}$ oraz skalary odległości lub drogi s. Wszystkie są funkcjami czasu. Ta pierwsza to tzw. trajektoria lub linia świata. Na ich podstawie są oparte inne funkcje czasu: prędkość i przyspieszenie.
• W dynamice: pęd jest funkcją dwóch zmiennych: masy i prędkości, przy czym obydwie mogą być funkcjami czasu. Siła okazuje się pochodną pędu po czasie (II zasada dynamiki). Praca jest funkcją siły i przesunięcia ciała, a energia może być zależna od różnych wielkości. Energia kinetyczna ruchu ciała jest zależna od masy ciała i jego prędkości; energia potencjalna grawitacji jest (w przypadku grawitacji ziemskiej) zależna od masy ciała i jego odległości h od powierzchni Ziemi; przyrost energii cieplnej cieczy jest funkcją masy cieczy i przyrostu jej temperatury T
• W bardziej zaawansowanej mechanice definiuje się też inne wielkości dynamiczne: lagranżjan, działanie i hamiltonian, które też są funkcjami mas, położeń i prędkości.
• Liczne pola fizyczne: funkcje z przestrzeni lub czasoprzestrzeni w zbiór skalarów, wektorów, tensorów itp.
• prąd jest funkcją napięcia – w prostych wypadkach opisywaną przez prawo Ohma.
• W termodynamice: objętość ciał oraz ich gęstość jest funkcją temperatury – rozszerzalność cieplna
• W mechanice kwantowej wektor stanu bywa funkcją, a konkretniej zespolonym polem skalarnym – tzw. funkcja falowa.
• Tensory: formy wieloliniowe, czyli funkcje wielu wektorów i kowektorów. Są używane w statyce (wytrzymałość materiałów), w optyce (dwójłomność) oraz w ogólnej teorii względności Einsteina.

W innych dziedzinach

Funkcja może wyrażać własność pewnego obiektu, dlatego obejmuje bardzo wiele pojęć z nauk empirycznych. Jako funkcję można też traktować każdą relację równoważności zachodzącą między dokładnie dwoma obiektami – jest to tzw. inwolucja.

Astronomia:

• położenie ciał niebieskich na niebie (współrzędne astronomiczne) jest funkcją czasu oraz współrzędnych geograficznych,
• okres obiegu planety wokół Słońca jest malejącą funkcją promienia jej orbity, zgodnie z III prawem Keplera,
• jasność obserwowana gwiazdy jest funkcją jej jasności absolutnej i odległości od obserwatora,
• krzywa rotacji galaktyki – prędkość gwiazdy względem galaktyki jest funkcją odległości od jej środka,
• przesunięcie ku czerwieni widm odległych galaktyk jest funkcją ich odległości od Ziemi – zgodnie z prawem Hubble’a,
• Diagram HR opisuje moc promieniowania i temperaturę gwiazdy w funkcji czasu.

Chemia:

• Przykładowo liczba atomowa, blok, grupa i okres w UOP albo liczba elektronów walencyjnych to funkcje na zbiorze pierwiastków chemicznych. Ta pierwsza jest różnowartościowa, a pozostałe – nie.
• liczba masowa i liczba neutronowa to funkcje na zbiorze nuklidów (wszystkie izotopy wszystkich pierwiastków),
• masa cząsteczkowa – funkcja na zbiorze molekuł albo związków,
• jądro lustrzane – bijekcja w zbiorze nuklidów,
• odbicie lustrzane – bijekcja w zbiorze cząsteczek chiralnych,
• własności makroskopowe subtancji jak temperatura wrzenia, temperatura topnienia itp.,
• skala pH jest logarytmiczną funkcją altywności jonów hydroniowych.

Biologia:

• Przykładem nieliczbowej funkcji jest kod genetyczny. Zgodnie z zasadą szufladkową Dirichleta nie może być funkcją różnowartościową, czyli innymi słowy jest zdegenerowany.
• mutacje genowe – zmiana sekwencji nukleotydów, np. substytucja, delecja, insercja,
• komplementarny nukleotyd lub cała nić DNA,
• krzywa wzrostu i inne parametry populacji.

Medycyna i fizjologia:

• BMI – funkcja dwóch zmiennych: wzrostu i wagi
• EKG i EEG – funkcje napięcia między elektrodami od czasu,

Geografia fizyczna, geodezja i inne nauki o Ziemi:

• wysokość bezwzględna, temperatura, ciśnienie atmosferyczne, a dla zbiorków wodnych zasolenie – funkcje współrzędnych geograficznych. To przykłady funkcji wielu zmiennych – konkretniej pól skalarnych.
• Temperatura i ciśnienie są też funkcją współrzędnych geograficznych i wysokości bezwzględnej,
• średnia temperatura atmosfery ziemskiej jest od XX w. funkcją rosnącą – globalne ocieplenie.

Geografia społeczna, demografia i socjologia:

• piramida wieku danemu wiekowi lub przedziałowi wieku przyporządkowuje odsetek osób w tym wieku. Dla społeczeństw młodych jest to funkcja malejąca. Niże i echa niżów demograficznych to lokalne minima tej funkcji.
• opinia publiczna, np. procentowe poparcie dla danej opcji politycznej albo decyzji jest funkcją czasu, a także wieku, płci i regionu.

Ekonomia:

• funkcje podaży i popytu,
• cena, np. kurs walutowy,
• rozmaite parametry gospodarki: PKB, inflacja, dług publiczny, HDI itd. Można je traktować jako funkcje na zbiorze państw, a dla danego państwa: funkcje od czasu.
• Liczne krzywe ekonomiczne, np. Laffera i Phillipsa

Psychologia:

• wyniki testów IQ są rosnącą funkcją czasu – efekt Flynna,
• funkcja komfortu psychicznego obserwatora od podobieństwa androida do człowieka ma lokalne minimum – to tzw. dolina niesamowitości,
• wiele wyników testów psychometrycznych w populacji, np. IQ i EQ jest opisanych funkcją rozkładu normalnego.

Pojęcia

Złożenie. Iteracja

 Osobny artykuł: złożenie funkcji.

Mając dwie funkcje ${\displaystyle f\colon X\to Y}$ i ${\displaystyle g\colon Y\to Z,}$ można utworzyć funkcję złożoną ${\displaystyle (g\circ f)\colon X\to Z}$ określoną wzorem ${\displaystyle (g\circ f)(x)=g{\Big (}f(x){\Big )}.}$

Wielokrotne złożenie funkcji ${\displaystyle f\colon X\to X}$ nosi nazwę iteracji. Ściśle: ${\displaystyle n}$-tą iteracją funkcji ${\displaystyle f}$ nazywa się funkcję

${\displaystyle f^{n}={\begin{matrix}\underbrace {f\circ f\circ \ldots \circ f} \\{n}\\[-4ex]\end{matrix}}.}$

Funkcja odwrotna

 Osobny artykuł: funkcja odwrotna.

Dla każdej funkcji wzajemnie jednoznacznej można określić funkcję ${\displaystyle f^{-1}\colon Y\to X}$ taką, że ${\displaystyle (f\circ f^{-1})(x)=x,}$ którą nazywa się wówczas funkcją odwrotną.

Zawężenie i przedłużenie

 Osobny artykuł: Restrykcja funkcji.

Dla funkcji ${\displaystyle f\colon X\to Y}$ można określić jej zawężenie, nazywane też obcięciem lub ograniczeniem, do zbioru ${\displaystyle M\subseteq X.}$ Jest to funkcja ${\displaystyle f|_{M}\colon M\to Y}$ taka, że ${\displaystyle f|_{M}(x)=f(x)}$ dla każdego ${\displaystyle x\in M.}$ Nazywa się ją też funkcją częściową dla funkcji f^[29].

Jeżeli ${\displaystyle f\colon X\to Y}$ jest funkcją, a ${\displaystyle f|_{M}\colon M\to Y}$ jest jej zawężeniem do zbioru ${\displaystyle M\subset X,}$ to dla dowolnego zbioru ${\displaystyle B\subset Y}$ mamy ${\displaystyle \left(f|_{M}\right)^{-1}(B)=M\cap f^{-1}(B).}$

Z drugiej strony, dla ${\displaystyle M\subset X,}$ można przedłużyć funkcję ${\displaystyle f\colon M\to Y}$ zachowawszy często pewną regułę, otrzymując w ten sposób funkcję ${\displaystyle g\colon X\to Y.}$ Można np. wymagać, by przedłużenie ${\displaystyle g}$ funkcji ${\displaystyle f}$ było ciągłe, różniczkowalne lub okresowe.

Rys historyczny

Poszukiwaniem wzajemnych zależności między różnymi wielkościami zajmowali się już starożytni Grecy, którzy badali dość szeroki krąg zależności funkcyjnych. Pojęcie funkcji w postaci początkowej pojawiało się w średniowieczu, lecz dopiero w pracach matematyków XVII wieku, Fermata, Kartezjusza, Newtona i Leibniza, zaczęło być traktowane jako obiekt badań. Newton używał terminu fluenta^[d]. Terminu funkcja użył po raz pierwszy^[30] Leibniz w pracy Odwrotna metoda stycznych lub o funkcjach^[31]. Po raz drugi Leibniz użył tego terminu w dość wąskim znaczeniu w pracy opublikowanej w czasopiśmie „Acta Eruditorum” w 1692 roku i dwa lata później w „Journal des Sçavans”. Następnie w tym samym 1694 roku Johann Bernoulli w „Acta Eruditorum”, nie używając co prawda słowa funkcja, oznaczył mimochodem literą n „dowolną wielkość utworzoną z nieoznaczonych i stałych”^[e][32]. Po trzech latach, w tym samym piśmie, Bernoulli wielkości te oznaczał przez X i ${\displaystyle \xi ,}$ a w liście do Leibniza z 26 kwietnia 1698 roku stwierdził, że symbole te są lepsze, bo „od razu jest widoczne, od jakiej zmiennej jest funkcja”. Jeszcze w 1698 roku w korespondencji między oboma uczonymi funkcja była rozumiana jako wyrażenie analityczne i weszły do użytku terminy wielkość zmienna i wielkość stała.

Określenie funkcji jako wyrażenia analitycznego było po raz pierwszy sformułowane w druku w artykule Johanna Bernoulli opublikowanym w 1718 roku. Napisał on:

W tym samym artykule zaproponował on jako „charakterystykę” funkcji grecką literę ${\displaystyle \varphi ,}$ zapisując argument jeszcze bez nawiasów ${\displaystyle \varphi x.}$ Zarówno nawiasy, jak literę f wprowadził Leonhard Euler w 1734 roku.

Zobacz też

Zobacz hasło funkcja w Wikisłowniku

Zobacz podręcznik w Wikibooks: Matematyka dla liceum – Pojęcie funkcji

• rachunek lambda

Uwagi

Przypisy

Bibliografia

• Juszkiewicz: Historia matematyki od Starożytności do początku XIX wieku. T. 2. Warszawa: PWN, 1976.
• Andriej Kołmogorow, Sergei Fomin: Elementy teorii funkcji i analizy funkcjonalnej. Moskwa: Mir, 1989. (ros.).
• Kazimierz Kuratowski: Rachunek różniczkowy i całkowy. Funkcje jednej zmiennej. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1967.
• Kazimierz Kuratowski, Andrzej Mostowski: Teoria mnogości. Warszawa: PWN, 1966.
• Zenon Moszner: O teorii relacji. Warszawa: Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 1974.
• Iwan Winogradow: Encyklopedia matematyczna. T. 5. Moskwa: Encyklopedia Radziecka, 1985. (ros.).
• What is a function. W: Mirin Alison: PME-NA Mathematics Education Across Cultures. Meksyk: PME-NA, 2020, s. 1157. ISBN 978-1-7348057-0-3. (ang.).
• Hans Niels Jahnke: A history of analysis. Providence, RI: American Mathematical Society, 2003. ISBN 0-8218-2623-9. OCLC 51607350.

Literatura dodatkowa

• Helena Rasiowa: Wstęp do matematyki współczesnej. Warszawa: PWN, 1968. ISBN 83-01-13949-8.brak strony w książce

Linki zewnętrzne

• Eric W.E.W. Weisstein Eric W.E.W., Function, [w:] MathWorld, Wolfram Research  (ang.). [dostęp 2023-12-23].