Kapitola III

Funkce

Kterak se matematici sto let přeli o jedno slovo

MDCCXVIII

Funkcí proměnné veličiny nazývám veličinu složenou jakýmkoli způsobem z této proměnné a konstant.

Johann Bernoulli, 1718 (volně přeloženo)

Otázka

Slovo, které používáš od základní školy. Víš ale, co znamená?

Funkce je na střední škole všude: lineární, kvadratická, exponenciální, goniometrická. Kreslíme jejich grafy, hledáme definiční obory, počítáme průsečíky. Než ale začneme, zkus odpovědět na jednoduchou otázku. Vyber, co tě napadne jako první – správně nebo špatně tu není nic.

Co je funkce?

Vyber odpověď. Můžeš jich vyzkoušet víc.

Lidé

Sto let sporů, dopisů a oprav. Kdyby měli skupinový chat, vypadal by asi takhle.

Slovo funkce vymyslel Leibniz. Pak se ho chopili Bernoulliové, Euler, d'Alembert, Lagrange, Fourier, Cauchy a mnozí další – a každý pod ním myslel trochu něco jiného. Hádka nejvíc vzplanula kolem docela obyčejné věci: kmitající struny.

Funkce ❦ skupina

1673–1921
  1. Leibniz1673–1694

    Zkouším slovo functio pro úsečky, které „plní funkci“ u křivky – tečny, normály, pořadnice…

  2. Johann Bernoulli1718

    Navrhuji obecněji: funkcí proměnné nazývám veličinu složenou jakýmkoli způsobem z této proměnné a konstant.

  3. Euler1748

    Souhlasím. Funkce je analytický výraz. A křivku nazývám spojitou, když je dána jedním výrazem. Když ji tvoří kusy různých výrazů, je nespojitá.

  4. d'Alembert1747

    Vyřešil jsem kmitání struny. Řešení musí být dané jedním analytickým výrazem, jinak to není matematika.

  5. Euler1749

    Strunu ale můžu na začátku vytvarovat rukou, třeba do „stříšky“! Takové tvary musíme připustit, i když nemají jeden vzorec.

  6. ☞ Je tohle funkce? Struna zvednutá prstem uprostřed.

  7. d'Alembert1750

    To odmítám. Takové „libovolné křivky“ do analýzy nepatří.

  8. Daniel Bernoulli1753

    Pánové, každé kmitání je součet sinusovek. Stačí nekonečná řada.

  9. Euler1755

    Upravuji svou definici: když jedny veličiny závisí na jiných tak, že se se změnou druhých mění i první, nazýváme první funkcemi druhých. Vzorec už nutný není.

  10. d'Alembert1754–1757

    V Encyklopedii jsem limitu vysvětlil už v roce 1754 v hesle Différentiel. Heslo Fonction přišlo až v roce 1757. Limita byla v Encyklopedii dřív než funkce!

  11. Lagrange1797

    Navrhuji postavit celou analýzu na řadách. Každou funkci rozvineme do mocninné řady a derivace jsou jen její koeficienty.

  12. Fourier1807

    A já tvrdím, že i „libovolnou“ funkci, klidně se skoky, zapíšu jako řadu sinů a kosinů.

  13. Cauchy1821–1822

    Zavádím pořádnou spojitost: malá změna x způsobí malou změnu y. A pane Lagrange – e−1/x² má v nule řadu samých nul, a přece nulová není. Řada funkci neurčuje.

  14. Dirichlet1829–1837

    Funkce je, když každému x odpovídá jedno určité y, ať je to přiřazení dané jakkoli. Příklad: 1 pro racionální čísla, 0 pro iracionální. Zkuste si to nakreslit!

  15. Weierstrass1872

    Přináším funkci, která je všude spojitá, ale nemá derivaci v žádném bodě.

  16. CH
    Hermite1893

    S hrůzou se odvracím od té politováníhodné rány – spojitých funkcí bez derivace.

  17. HP
    Poincaré1899

    Dřív se nové funkce vymýšlely kvůli užitku. Dnes se vymýšlejí, aby ukázaly chyby v úvahách našich otců. Logika plodí monstra.

  18. Dedekind1888

    Mluvím obecně o zobrazení jedné množiny do druhé. Funkce je jen zvláštní případ.

  19. FH
    Hausdorff a Kuratowski1914–1921

    A zobrazení je prostě množina uspořádaných dvojic. Dvojici (a, b) umíme definovat i čistě pomocí množin.

Repliky jsou volně převyprávěné postoje, nejde o doslovné citáty. Letopočty odpovídají pramenům.

Kdo bojoval na poli funkcí?

Jedenáct mužů, dvě století, jeden pojem. Projdi jejich cestu – klikni na portrét.

    Monstra

    Jakmile funkce nemusí mít vzorec, může být cokoli. Opravdu cokoli?

    Dirichletova definice připustila funkce se skoky, s dírami i funkce, které nejde nakreslit. Zkus to sám/sama: u každého obrázku rozhodni, jestli je to graf funkce.

    1. Hyperbola
    2. Přepážka v knihovně
    3. Dirichletova funkce
    D(x) = 1,je-li x racionální0,je-li x iracionální

    Graf tu schválně není – zkus si ho představit.

    4. Sinus jedné lomeno x

    Weierstrassovo monstrum

    1872
    celý grafzvětšení 1×obrovské přiblížení

    W(x) = Σ (½)n cos(13nπx). Přibližuj, jak chceš – křivka nikdy nezhladne. Je spojitá, a přesto v žádném bodě nemá tečnu.

    „S hrůzou se odvracím od té politováníhodné rány spojitých funkcí, které nemají derivaci.“Charles Hermite v dopise Stieltjesovi, 1893
    „Logika někdy plodí monstra.“Henri Poincaré, 1899

    Pointa nakonec: v roce 1931 Banach dokázal, že „typická“ spojitá funkce je právě takové monstrum. Hladké funkce ze školy jsou ve skutečnosti vzácnou výjimkou.

    Funkce je…

    Dokončíme tu větu na šachovnici.

    Po všech těch sporech přišla matematika na překvapivě jednoduchou odpověď. Nepotřebuje vzorec, graf ani spojitost, jen dvojice a jedno pravidlo. Ukážeme si ho na šachovnici.

    Šachovnice

    krok 1 ze 3

    Odkud se vzalo zobrazení

    1. 1718Johann Bernoulli: funkce je veličina složená z proměnné a konstant.
    2. 1755Euler: funkce je závislost jedné veličiny na druhé.
    3. 1837Dirichlet: funkce je libovolné jednoznačné přiřazení.
    4. 1888Dedekind zavádí obecný pojem zobrazení (Abbildung).
    5. 1914Hausdorff: zobrazení je množina uspořádaných dvojic.
    6. 1921Kuratowski definuje uspořádanou dvojici čistě pomocí množin.
    7. 1939Bourbaki – a díky němu tahle definice dorazí do škol.

    FUNKCE JE

    takové přiřazení, které každému prvku x z definičního oboru přiřadí právě jeden prvek y.

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

    Co Eulerovi trvalo sedm let a matematice dvě stě, dnes píšeme na jeden řádek.

    A co tvoje odpověď z začátku?

    • GrafKaždá funkce má graf, ale ne každý graf je funkce (kružnice). Některé grafy ani nakreslit nejde (Dirichlet).
    • VzorecVzorec je jen jeden ze způsobů, jak přiřazení zadat. Pružina má tři vzorce, a přesto je to jedna funkce.
    • Spojitá křivkaSpojitost je vlastnost, kterou funkce mít může, ale nemusí. A i spojitá funkce může být monstrum (Weierstrass).
    • ŘadaMnoho funkcí do řady rozvinout jde, ale řada je neurčuje vždy (Cauchy).
    • VztahSkoro správně. Chyběla jen jednoznačnost: vztah s ní je funkce, bez ní relace.
    • StrojSprávně, pokud stroj na stejný vstup odpoví vždy stejně.

    Pokud ti něco v matematice není hned jasné, nevadí. Dumání je součástí procesu – vždyť i Eulerovi to zabralo pár let.

    KONEC KAPITOLY

    Prameny: 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).

    Zpět na obsah