Kapitel III

Funktionen

Wie Mathematiker hundert Jahre lang über ein einziges Wort stritten

MDCCXVIII

Funktion einer veränderlichen Größe nenne ich eine Größe, die auf irgendeine Weise aus dieser veränderlichen Größe und Konstanten zusammengesetzt ist.

Johann Bernoulli, 1718 (frei übersetzt)

Die Frage

Ein Wort, das du seit der Grundschule benutzt. Aber weißt du, was es bedeutet?

In der Oberstufe sind Funktionen überall: linear, quadratisch, exponentiell, trigonometrisch. Wir zeichnen ihre Graphen, suchen Definitionsbereiche, berechnen Schnittpunkte. Bevor wir aber anfangen, versuch eine einfache Frage zu beantworten. Wähle, was dir als Erstes einfällt – richtig oder falsch gibt es hier nicht.

Was ist eine Funktion?

Wähle eine Antwort. Du kannst mehrere ausprobieren.

Die Menschen

Hundert Jahre voller Streit, Briefe und Korrekturen. Hätten sie einen Gruppenchat gehabt, hätte er wohl so ausgesehen.

Das Wort Funktion hat Leibniz erfunden. Dann griffen es die Bernoullis, Euler, d'Alembert, Lagrange, Fourier, Cauchy und viele andere auf – und jeder meinte damit etwas ein wenig anderes. Am heftigsten entbrannte der Streit an einer ganz gewöhnlichen Sache: an einer schwingenden Saite.

Funktion ❦ Gruppe

1673–1921
  1. Leibniz1673–1694

    Ich probiere das Wort functio für Strecken aus, die an einer Kurve „eine Funktion erfüllen“ – Tangenten, Normalen, Ordinaten…

  2. Johann Bernoulli1718

    Ich schlage etwas Allgemeineres vor: Funktion einer Veränderlichen nenne ich eine Größe, die auf irgendeine Weise aus dieser Veränderlichen und Konstanten zusammengesetzt ist.

  3. Euler1748

    Einverstanden. Eine Funktion ist ein analytischer Ausdruck. Und eine Kurve nenne ich stetig, wenn sie durch einen einzigen Ausdruck gegeben ist. Besteht sie aus Stücken verschiedener Ausdrücke, ist sie unstetig.

  4. d'Alembert1747

    Ich habe die schwingende Saite gelöst. Die Lösung muss durch einen einzigen analytischen Ausdruck gegeben sein, sonst ist es keine Mathematik.

  5. Euler1749

    Aber die Saite kann ich am Anfang mit der Hand formen, zum Beispiel zu einem „Dächlein“! Solche Formen müssen wir zulassen, auch wenn sie keine einzelne Formel haben.

  6. ☞ Ist das eine Funktion? Eine Saite, in der Mitte mit dem Finger angehoben.

  7. d'Alembert1750

    Das lehne ich ab. Solche „willkürlichen Kurven“ gehören nicht in die Analysis.

  8. Daniel Bernoulli1753

    Meine Herren, jede Schwingung ist eine Summe von Sinuskurven. Eine unendliche Reihe genügt.

  9. Euler1755

    Ich passe meine Definition an: Wenn gewisse Größen so von anderen abhängen, dass sich mit der Änderung der zweiten auch die ersten ändern, nennt man die ersten Funktionen der zweiten. Eine Formel ist nicht mehr nötig.

  10. d'Alembert1754–1757

    In der Enzyklopädie habe ich den Grenzwert schon 1754 im Artikel Différentiel erklärt. Der Artikel Fonction kam erst 1757. Der Grenzwert stand in der Enzyklopädie früher als die Funktion!

  11. Lagrange1797

    Ich schlage vor, die ganze Analysis auf Reihen aufzubauen. Jede Funktion entwickeln wir in eine Potenzreihe, und die Ableitungen sind nur ihre Koeffizienten.

  12. Fourier1807

    Und ich behaupte, dass ich sogar eine „willkürliche“ Funktion, ruhig auch mit Sprüngen, als Reihe von Sinus- und Kosinusfunktionen schreiben kann.

  13. Cauchy1821–1822

    Ich führe eine ordentliche Stetigkeit ein: Eine kleine Änderung von x bewirkt eine kleine Änderung von y. Und, Monsieur Lagrange – e−1/x² hat bei null eine Reihe aus lauter Nullen und ist trotzdem nicht null. Die Reihe bestimmt die Funktion nicht.

  14. Dirichlet1829–1837

    Eine Funktion liegt vor, wenn jedem x ein bestimmtes y entspricht, gleichgültig, wie diese Zuordnung gegeben ist. Beispiel: 1 für rationale Zahlen, 0 für irrationale. Versucht mal, das zu zeichnen!

  15. Weierstraß1872

    Ich bringe eine Funktion, die überall stetig ist, aber in keinem Punkt eine Ableitung hat.

  16. CH
    Hermite1893

    Mit Schrecken und Grauen wende ich mich ab von dieser beklagenswerten Plage – stetigen Funktionen ohne Ableitung.

  17. HP
    Poincaré1899

    Früher erfand man neue Funktionen zu einem nützlichen Zweck. Heute erfindet man sie, um die Fehler in den Überlegungen unserer Väter zu zeigen. Die Logik bringt Monster hervor.

  18. Dedekind1888

    Ich spreche allgemein von einer Abbildung einer Menge in eine andere. Eine Funktion ist nur ein Sonderfall.

  19. FH
    Hausdorff und Kuratowski1914–1921

    Und eine Abbildung ist einfach eine Menge geordneter Paare. Das Paar (a, b) können wir sogar rein mit Mengen definieren.

Die Repliken sind frei nacherzählte Standpunkte, keine wörtlichen Zitate. Die Jahreszahlen entsprechen den Quellen.

Wer kämpfte auf dem Feld der Funktionen?

Elf Männer, zwei Jahrhunderte, ein Begriff. Geh ihren Weg ab – klick auf ein Porträt.

    Monster

    Sobald eine Funktion keine Formel haben muss, kann sie alles sein. Wirklich alles?

    Dirichlets Definition ließ Funktionen mit Sprüngen und Löchern zu, sogar Funktionen, die sich nicht zeichnen lassen. Probier es selbst: Entscheide bei jedem Bild, ob es der Graph einer Funktion ist.

    1. Hyperbel
    2. Der Bibliotheksschalter
    3. Die Dirichlet-Funktion
    D(x) = 1,falls x rational ist0,falls x irrational ist

    Ein Graph fehlt hier absichtlich – versuch, ihn dir vorzustellen.

    4. Sinus von eins durch x

    Das Weierstraß-Monster

    1872
    ganzer GraphVergrößerung 1×riesige Vergrößerung

    W(x) = Σ (½)n cos(13nπx). Vergrößere, so weit du willst – die Kurve wird nie glatt. Sie ist stetig und hat trotzdem in keinem Punkt eine Tangente.

    „Mit Schrecken und Grauen wende ich mich ab von dieser beklagenswerten Plage der stetigen Funktionen, die keine Ableitung haben.“Charles Hermite in einem Brief an Stieltjes, 1893
    „Die Logik bringt manchmal Monster hervor.“Henri Poincaré, 1899

    Die Pointe zum Schluss: 1931 bewies Banach, dass eine „typische“ stetige Funktion genau so ein Monster ist. Die glatten Funktionen aus der Schule sind in Wirklichkeit eine seltene Ausnahme.

    Eine Funktion ist…

    Wir vollenden diesen Satz auf dem Schachbrett.

    Nach all diesen Streitigkeiten kam die Mathematik zu einer überraschend einfachen Antwort. Sie braucht weder Formel noch Graph noch Stetigkeit, nur Paare und eine einzige Regel. Wir zeigen sie auf dem Schachbrett.

    Das Schachbrett

    Schritt 1 von 3

    Woher die Abbildung kam

    1. 1718Johann Bernoulli: Eine Funktion ist eine aus einer Veränderlichen und Konstanten zusammengesetzte Größe.
    2. 1755Euler: Eine Funktion ist die Abhängigkeit einer Größe von einer anderen.
    3. 1837Dirichlet: Eine Funktion ist eine beliebige eindeutige Zuordnung.
    4. 1888Dedekind führt den allgemeinen Begriff der Abbildung ein.
    5. 1914Hausdorff: Eine Abbildung ist eine Menge geordneter Paare.
    6. 1921Kuratowski definiert das geordnete Paar rein mit Mengen.
    7. 1939Bourbaki – und dank ihm gelangt diese Definition in die Schulen.

    EINE FUNKTION IST

    eine Zuordnung, die jedem Element x des Definitionsbereichs genau ein Element y zuordnet.

    f ⊆ A × B,  ∀x ∈ A ∃! y ∈ B: (x, y) ∈ f

    Wofür Euler sieben Jahre und die Mathematik zweihundert brauchte, schreiben wir heute in eine Zeile.

    Und deine Antwort vom Anfang?

    • GraphJede Funktion hat einen Graphen, aber nicht jeder Graph ist eine Funktion (der Kreis). Manche Graphen lassen sich nicht einmal zeichnen (Dirichlet).
    • FormelEine Formel ist nur eine der Möglichkeiten, eine Zuordnung anzugeben. Die Feder hat drei Formeln und ist trotzdem eine einzige Funktion.
    • Stetige KurveStetigkeit ist eine Eigenschaft, die eine Funktion haben kann, aber nicht muss. Und auch eine stetige Funktion kann ein Monster sein (Weierstraß).
    • ReiheViele Funktionen lassen sich in eine Reihe entwickeln, aber die Reihe bestimmt sie nicht immer (Cauchy).
    • BeziehungFast richtig. Es fehlte nur die Eindeutigkeit: Eine Beziehung mit ihr ist eine Funktion, ohne sie eine Relation.
    • MaschineRichtig, solange die Maschine auf dieselbe Eingabe immer gleich antwortet.

    Wenn dir in der Mathematik etwas nicht sofort klar ist, macht das nichts. Grübeln gehört dazu – selbst Euler hat es ein paar Jahre gekostet.

    ENDE DES KAPITELS

    Quellen: A. P. Youschkevitch, The concept of function up to the middle of the 19th century, 1976; I. Kleiner, Evolution of the function concept: a brief survey, 1989; MacTutor History of Mathematics; Encyclopédie (ARTFL, University of Chicago).

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