Umkehrfunktionen

Stell dir vor, du hast ein Geheimcode-System mit deinem besten Freund. Ihr ersetzt jeden Buchstaben durch den dritten Buchstaben danach im Alphabet. Aus “A” wird “D”, aus “B” wird “E”. So kannst du geheime Nachrichten verschlüsseln.

Aber was passiert, wenn du eine verschlüsselte Nachricht bekommst? Du brauchst den umgekehrten Prozess. Du musst jeden Buchstaben um drei Stellen zurückschieben. Aus “D” wird wieder “A”.

Genau das ist die Idee hinter Umkehrfunktionen. Sie machen das Gegenteil einer Funktion. Sie führen dich zurück zum Ausgangspunkt.

Was ist eine Umkehrfunktion?

Eine Funktion nimmt einen Eingabewert und verwandelt ihn in einen Ausgabewert. Die Umkehrfunktion macht genau das Gegenteil. Sie nimmt den Ausgabewert und liefert dir den ursprünglichen Eingabewert zurück.

Denke an das Geheimcode-Beispiel. Die Verschlüsselung ist deine Funktion. Die Entschlüsselung ist die Umkehrfunktion.

Mathematisch ausgedrückt: Wenn eine Funktion $f$ den Wert $x$ auf $y$ abbildet, dann bildet die Umkehrfunktion $f^{-1}$ den Wert $y$ zurück auf $x$.

DEFINITION

Die Umkehrfunktion $f^{-1}$ einer Funktion $f$ ist definiert durch:

$$f^{-1}(f(x)) = x \quad \text{und} \quad f(f^{-1}(y)) = y$$

Für jeden Punkt $(a, b)$ auf dem Graphen von $f$ liegt der Punkt $(b, a)$ auf dem Graphen von $f^{-1}$.

Das hochgestellte $-1$ bedeutet hier nicht “eins durch $f$”. Es ist ein Symbol für die Umkehrfunktion. Lies es als ”$f$ invers” oder ”$f$ umgekehrt”.

Wann existiert eine Umkehrfunktion?

Nicht jede Funktion hat eine Umkehrfunktion. Eine Funktion braucht eine besondere Eigenschaft: Sie muss umkehrbar eindeutig (bijektiv) sein.

Was bedeutet das? Jeder Ausgabewert darf nur von genau einem Eingabewert kommen. Wenn zwei verschiedene Eingaben zur gleichen Ausgabe führen, weiss die Umkehrfunktion nicht, welchen Wert sie zurückgeben soll.

Häufiger Fehler: Nicht jede Funktion hat eine Umkehrfunktion! Die Funktion $f(x) = x^2$ ist auf ganz $\mathbb{R}$ nicht umkehrbar. Denn $f(2) = 4$ und $f(-2) = 4$. Welchen Wert sollte $f^{-1}(4)$ liefern? Erst wenn du den Definitionsbereich einschränkst (z.B. auf $x \geq 0$), wird sie umkehrbar.

So bildest du eine Umkehrfunktion

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Schreibe die Funktionsgleichung $y = f(x)$ auf.
2. Vertausche $x$ und $y$ in der Gleichung.
3. Löse die neue Gleichung nach $y$ auf.
4. Das Ergebnis ist $f^{-1}(x)$.

Die Vorstellung dahinter

Stell dir den Graphen einer Funktion vor. Die Umkehrfunktion entsteht, wenn du jeden Punkt $(x, y)$ durch den Punkt $(y, x)$ ersetzt. Geometrisch bedeutet das: Du spiegelst den Graphen an der Winkelhalbierenden $y = x$.

Zeichne dir das auf. Der Graph von $f$ und der Graph von $f^{-1}$ sind Spiegelbilder. Die Gerade $y = x$ ist die Spiegelachse.

Beispiele

Beispiel 1: Eine lineare Funktion umkehren

Gegeben ist die Funktion $f(x) = 2x + 3$. Bestimme die Umkehrfunktion.

Schritt 1: Schreibe die Gleichung mit $y$.

$$y = 2x + 3$$

Schritt 2: Vertausche $x$ und $y$.

$$x = 2y + 3$$

Schritt 3: Löse nach $y$ auf.

$$x - 3 = 2y$$ $$y = \frac{x - 3}{2}$$

Ergebnis: Die Umkehrfunktion lautet $f^{-1}(x) = \frac{x - 3}{2}$.

Probe: Setze $f(1) = 2 \cdot 1 + 3 = 5$ ein. Dann ist $f^{-1}(5) = \frac{5-3}{2} = 1$. Es stimmt!

Beispiel:

Beispiel 2: Eine Wurzelfunktion als Umkehrung

Gegeben ist $f(x) = x^2$ mit $x \geq 0$. Bestimme die Umkehrfunktion.

Schritt 1: $y = x^2$ (mit $x \geq 0$)

Schritt 2: Vertausche: $x = y^2$

Schritt 3: Löse nach $y$ auf. Da $y \geq 0$ sein muss:

$$y = \sqrt{x}$$

Ergebnis: Die Umkehrfunktion ist $f^{-1}(x) = \sqrt{x}$.

Die Quadratfunktion und die Wurzelfunktion sind also Umkehrfunktionen voneinander. Sie heben sich gegenseitig auf: $\sqrt{x^2} = x$ für $x \geq 0$.

Beispiel:

Beispiel 3: Textaufgabe – Temperaturumrechnung

Die Formel zur Umrechnung von Celsius in Fahrenheit lautet:

$$F(c) = \frac{9}{5} \cdot c + 32$$

Wie lautet die Formel, um Fahrenheit in Celsius umzurechnen?

Lösung: Wir suchen die Umkehrfunktion.

Schritt 1: $f = \frac{9}{5} \cdot c + 32$

Schritt 2: Vertausche die Variablen: $c = \frac{9}{5} \cdot f + 32$

Schritt 3: Löse nach $f$ auf:

$$c - 32 = \frac{9}{5} \cdot f$$$$f = \frac{5}{9} \cdot (c - 32)$$

Ergebnis: Die Umrechnungsformel von Fahrenheit nach Celsius ist:

$$C(f) = \frac{5}{9} \cdot (f - 32)$$

Beispiel: $77°F$ entsprechen $C(77) = \frac{5}{9} \cdot (77 - 32) = \frac{5}{9} \cdot 45 = 25°C$.

Der Graph der Umkehrfunktion

Die Graphen von $f$ und $f^{-1}$ sind immer spiegelsymmetrisch zur Geraden $y = x$. Das liegt daran, dass wir bei der Umkehrung die Koordinaten vertauschen.

Ein Punkt $(3, 7)$ auf dem Graphen von $f$ wird zu $(7, 3)$ auf dem Graphen von $f^{-1}$. Beide Punkte haben den gleichen Abstand zur Geraden $y = x$.

Achtung beim Definitionsbereich: Der Definitionsbereich von $f^{-1}$ entspricht dem Wertebereich von $f$. Und der Wertebereich von $f^{-1}$ entspricht dem Definitionsbereich von $f$. Diese Bereiche werden also vertauscht!

Zusammenfassung

Die Umkehrfunktion macht eine Funktion rückgängig. Um sie zu finden, vertauschst du $x$ und $y$ und löst nach $y$ auf. Der Graph der Umkehrfunktion entsteht durch Spiegelung an der Geraden $y = x$.

Wichtig: Nicht jede Funktion ist umkehrbar. Sie muss bijektiv sein. Manchmal hilft es, den Definitionsbereich einzuschränken.

Quiz

❓ Frage: Bestimme die Umkehrfunktion von $f(x) = 3x - 6$.

Lösung anzeigen

Lösung:

1. $y = 3x - 6$
2. Vertausche: $x = 3y - 6$
3. Löse auf: $x + 6 = 3y$, also $y = \frac{x + 6}{3}$

Die Umkehrfunktion ist $f^{-1}(x) = \frac{x + 6}{3}$.

❓ Frage: Liegt der Punkt $(5, 2)$ auf dem Graphen von $f$. Welcher Punkt liegt dann auf dem Graphen von $f^{-1}$?

Lösung anzeigen

Lösung: Der Punkt $(2, 5)$ liegt auf dem Graphen von $f^{-1}$.

Bei der Umkehrfunktion werden die Koordinaten vertauscht.

❓ Frage: Warum hat die Funktion $f(x) = x^2$ auf ganz $\mathbb{R}$ keine Umkehrfunktion?

Lösung anzeigen

Lösung: Die Funktion ist nicht umkehrbar eindeutig.

Verschiedene Eingaben führen zur gleichen Ausgabe. Zum Beispiel: $f(3) = 9$ und $f(-3) = 9$.

Die Umkehrfunktion wüsste nicht, ob sie $3$ oder $-3$ zurückgeben soll.

Erst mit der Einschränkung $x \geq 0$ oder $x \leq 0$ wird sie umkehrbar.