MA.3.A.3.gFunktionswerte aufgrund von Funktionsgraphen bestimmen; indirekt proportionale Beziehungen berechnen; Prozentangaben als proportionale Zuordnungen verstehen
Bevor du Funktionen verketten kannst, brauchst du ein solides Verständnis der Grundbegriffe. Eine Funktion ordnet jedem Element aus ihrer Definitionsmenge genau einen Wert zu. Diesen Wert nennt man das Bild oder den Funktionswert.
Bei der Verkettung nutzt du dieses Bild weiter. Du schickst es als Eingabe in eine zweite Funktion. Das Ergebnis der zweiten Funktion ist dann der Wert der Gesamtkomposition.
Die Schreibweise f∘g kann anfangs verwirren. Das f steht links, wird aber zuletzt angewendet. Das g steht rechts, wird aber zuerst ausgeführt. Dieses Prinzip entspricht der normalen Leserichtung von innen nach aussen: Bei f(g(x)) liest du zuerst g(x), dann f(…).
Denke an das Fabrik-Bild. Die rechte Maschine (g) bearbeitet das Rohmaterial zuerst. Ihr Output fliesst in die linke Maschine (f). Der Begriff “nach” in “f nach g” beschreibt die zeitliche Abfolge aus Sicht des Materials: es durchläuft zuerst g, dann f.
Das Berechnen einer zusammengesetzten Funktion folgt einem klaren Schema. Halte dich an diese Schritte – dann machst du keine Fehler.
Beim Einsetzen eines Zahlenwertes rechnest du Schritt für Schritt. Du berechnest erst g(x), dann f von diesem Ergebnis. Beim Bestimmen eines Funktionsterms ersetzt du in f(x) jedes x durch den vollständigen Ausdruck für g(x).
Die Klammern sind dabei entscheidend. Wenn g(x)=x+1 und f(x)=x2, dann gilt:
(f∘g)(x)=f(g(x))=(x+1)2
Ohne Klammern würdest du fälschlicherweise x+12=x+1 schreiben – ein klassischer Fehler.
Beim Arbeiten mit zusammengesetzten Funktionen schleichen sich immer wieder dieselben Fehler ein. Hier sind die vier häufigsten – und wie du sie vermeidest.
Ein Online-Shop bietet 20% Rabatt auf alle Artikel. Zusätzlich gibt es einen Gutschein über 10 CHF Abzug.
Die Rabattfunktion ist r(p)=0,8⋅p. Die Gutscheinfunktion ist g(p)=p−10.
Ein Artikel kostet 80 CHF. Berechne den Endpreis, wenn:
a) Zuerst der Rabatt, dann der Gutschein angewendet wird.
b) Zuerst der Gutschein, dann der Rabatt angewendet wird.
Lösung:
a) Erst Rabatt, dann Gutschein: (g∘r)(80)
r(80)=0,8⋅80=64
g(64)=64−10=54 CHF
b) Erst Gutschein, dann Rabatt: (r∘g)(80)
g(80)=80−10=70
r(70)=0,8⋅70=56 CHF
Erkenntnis: Die Reihenfolge macht einen Unterschied von 2 CHF. Wenn du zuerst den prozentualen Rabatt anwendest, zahlst du weniger. Das liegt daran, dass der Gutschein danach auf eine kleinere Basis trifft.
Sobald du die Grundlagen beherrschst, öffnen sich interessante weiterführende Aspekte.
Dreifache Verkettung: Du kannst mehr als zwei Funktionen verketten. Für drei Funktionen f, g und h gilt:
(f∘g∘h)(x)=f(g(h(x)))
Die innerste Funktion h wird zuerst ausgewertet, dann g, zuletzt f.
Identitätsfunktion: Die Funktion id(x)=x ist das neutrale Element der Komposition. Es gilt:
f∘id=fundid∘f=f
Das entspricht dem Faktor 1 bei der Multiplikation.
Verbindung zur Kettenregel: In der Analysis (ab Klasse 11) lernst du die Ableitung von Funktionen. Die sogenannte Kettenregel erklärt genau, wie man zusammengesetzte Funktionen ableitet:
(f∘g)′(x)=f′(g(x))⋅g′(x)
Die Komposition ist also nicht nur ein isoliertes Thema. Sie ist das Fundament für viele fortgeschrittene Konzepte.
Komposition in der Informatik: In der Programmierung entspricht die Verkettung von Funktionen dem Konzept der Funktionskomposition. Viele moderne Programmiersprachen unterstützen dieses Prinzip explizit. Du schreibst eine Funktion, die eine Eingabe verarbeitet, und reicht ihr Ergebnis an die nächste Funktion weiter – exakt wie in der Mathematik.
Aufgabe 10 (Anwendung):
Die Temperatur T (in °C) an einem Berggipfel hängt von der Höhe h (in Metern) ab: T(h)=20−0,006⋅h. Die Höhe eines Bergsteigers hängt von der Zeit t (in Minuten) ab: h(t)=100⋅t. Bestimme die zusammengesetzte Funktion T(h(t)) und berechne die Temperatur nach 30 Minuten.
Zusammengesetzte Funktionen verbinden zwei Schritte zu einem einzigen. Die innere Funktion wird zuerst ausgewertet. Ihr Ergebnis fliesst in die äussere Funktion.
Die Schreibweise (f∘g)(x)=f(g(x)) liest du von innen nach aussen. Das g rechts wird zuerst ausgeführt, das f links danach.
Die Reihenfolge ist entscheidend. f∘g und g∘f liefern meist verschiedene Ergebnisse. Die Verkettung ist nicht kommutativ.
Beim Einsetzen von Termen brauchst du immer Klammern. Ohne Klammern entstehen Fehler.
Der Definitionsbereich ergibt sich aus beiden Funktionen. x muss in g definiert sein, und g(x) muss in f definiert sein.
❓ Frage:Gegeben: f(x)=x+5 und g(x)=2x. Berechne (f∘g)(3).
Lösung anzeigen
Schritt 1: Berechne die innere Funktion g(3).
g(3)=2⋅3=6Schritt 2: Setze das Ergebnis in f ein.
f(6)=6+5=11Lösung:(f∘g)(3)=11
❓ Frage:Gegeben: f(x)=x2 und g(x)=x+1. Wie lautet der Funktionsterm von (g∘f)(x)?
Lösung anzeigen
Bei g∘f ist f die innere Funktion.
(g∘f)(x)=g(f(x))=g(x2)=x2+1Lösung:(g∘f)(x)=x2+1
Beachte: (f∘g)(x)=(x+1)2=x2+2x+1 – das ist ein anderes Ergebnis!
❓ Frage:Sind f∘g und g∘f immer gleich? Begründe deine Antwort.
Lösung anzeigen
Nein, die Verkettung ist im Allgemeinen nicht kommutativ.
Gegenbeispiel: f(x)=x2, g(x)=x+1(f∘g)(x)=(x+1)2=x2+2x+1(g∘f)(x)=x2+1
Diese Funktionsterme sind verschieden. Nur in Sonderfällen (z.B. f und g sind Umkehrfunktionen voneinander) gilt f∘g=g∘f.
❓ Frage:Gegeben: f(x)=x und g(x)=x−9. Was ist der Definitionsbereich von (f∘g)(x)?
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Der Funktionsterm der Komposition ist:
(f∘g)(x)=x−9
Die Wurzel ist nur für nicht-negative Werte definiert. Es muss gelten:
x−9≥0⟹x≥9Lösung: Definitionsbereich D=[9;+∞)
❓ Frage:Die Funktion h(x)=(5x−2)3 soll als f∘g geschrieben werden. Welche Funktionen f und g sind möglich?
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Du suchst eine “innere” und eine “äussere” Funktion, deren Komposition h ergibt.
Die natürliche Zerlegung ist:
Innere Funktion: g(x)=5x−2
Äussere Funktion: f(x)=x3Probe:(f∘g)(x)=f(g(x))=f(5x−2)=(5x−2)3 ✓
Lösung:g(x)=5x−2 und f(x)=x3
Du hast jetzt das Fundament der Funktionskomposition aufgebaut. Dieses Wissen trägt dich weit.
In Klasse 11 begegnest du der Kettenregel. Sie beschreibt, wie man zusammengesetzte Funktionen ableitet – und ohne das Konzept der Komposition wäre sie unverständlich. Auch Umkehrfunktionen und Transformationen von Graphen bauen direkt auf der Verkettung auf.
In der Informatik findest du das gleiche Prinzip überall: in Pipelines, Filterketten und funktionaler Programmierung. Wer Verkettung versteht, denkt bereits wie ein Programmierer.
Übe weiter mit verschiedenen Funktionstypen. Der Übergang vom Einsetzen von Zahlen zum Einsetzen von Termen ist der wichtigste Schritt.