Umkehrfunktion

In d​er Mathematik bezeichnet d​ie Umkehrfunktion o​der inverse Funktion e​iner bijektiven Funktion d​ie Funktion, d​ie jedem Element d​er Zielmenge s​ein eindeutig bestimmtes Urbildelement zuweist.

Die Umkehrfunktion

Eine Funktion ${\displaystyle f\colon A\to B}$ ordnet jedem ${\displaystyle a\in A}$ ein eindeutig bestimmtes Element ${\displaystyle b\in B}$ zu, das mit ${\displaystyle f(a)}$ bezeichnet wird. Gilt für ${\displaystyle a\in A,b\in B}$ die Beziehung ${\displaystyle b=f(a)}$, so sagt man auch, dass ${\displaystyle a}$ ein Urbildelement von ${\displaystyle b}$ unter ${\displaystyle f}$ ist. Im Allgemeinen kann ein Element von ${\displaystyle B}$ kein, ein oder mehrere Urbildelemente unter ${\displaystyle f}$ besitzen. Falls jedes Element von ${\displaystyle B}$ genau ein Urbildelement unter ${\displaystyle f}$ besitzt (man spricht dann von dem Urbildelement), nennt man ${\displaystyle f}$ invertierbar. In diesem Fall kann man eine Funktion ${\displaystyle f^{-1}\colon B\to A}$ definieren, die jedem Element von ${\displaystyle B}$ ihr eindeutig definiertes Urbildelement unter ${\displaystyle f}$ zuordnet. Diese Funktion wird dann als die Umkehrfunktion von ${\displaystyle f}$ bezeichnet.

Man kann leicht nachweisen, dass eine Funktion genau dann invertierbar ist, wenn sie bijektiv (also gleichzeitig injektiv und surjektiv) ist. Tatsächlich besagt die Injektivität nichts anderes, als dass jedes Element von ${\displaystyle B}$ höchstens ein Urbildelement unter ${\displaystyle f}$ besitzt. Die Surjektivität besagt gerade, dass jedes Element von ${\displaystyle B}$ mindestens ein Urbildelement unter ${\displaystyle f}$ besitzt.

Der Begriff d​er Umkehrfunktion gehört formal z​um mathematischen Teilgebiet d​er Mengenlehre, w​ird aber i​n vielen Teilgebieten d​er Mathematik verwendet.

Definition

Seien ${\displaystyle A}$ und ${\displaystyle B}$ nicht-leere Mengen. Neben der Definition aus der Einleitung gibt es weitere Möglichkeiten, die Begriffe der Invertierbarkeit einer Funktion ${\displaystyle f\colon A\to B}$ und der Umkehrfunktion einer invertierbaren Funktion formal einzuführen:

• Man sucht nach einer Funktion ${\displaystyle g\colon B\to A}$, so dass ${\displaystyle g(f(a))=a}$ für alle ${\displaystyle a\in A}$ und ${\displaystyle f(g(b))=b}$ für alle ${\displaystyle b\in B}$. Es stellt sich heraus, dass es höchstens ein solches ${\displaystyle g}$ geben kann. Existiert dies, so nennt man ${\displaystyle f}$ invertierbar und das eindeutig bestimmte ${\displaystyle g}$ die Umkehrfunktion von ${\displaystyle f}$.
• Unter Verwendung der Komposition von Funktionen kann die vorherige Bedingung auch etwas eleganter formuliert werden, indem man für ${\displaystyle g\colon B\to A}$ fordert: ${\displaystyle g\circ f=\operatorname {id} _{A}}$ und ${\displaystyle f\circ g=\operatorname {id} _{B}}$. Dabei ist ${\displaystyle \operatorname {id} _{A}}$ die identische Abbildung auf der Menge ${\displaystyle A}$.
• Man führt zunächst die weiter unten erklärten Begriffe von Linksinversen und Rechtsinversen ein. Dann nennt man eine Funktion invertierbar, wenn sie sowohl eine Linksinverse als auch eine Rechtsinverse besitzt. Es zeigt sich, dass in diesem Fall Linksinverse und Rechtsinverse übereinstimmen müssen (womit auch folgt, dass es in diesem Fall davon nicht mehrere gibt). Diese eindeutig bestimmte Links- und Rechtsinverse ist dann die Umkehrfunktion.
• Man bezieht sich bei der Definition darauf, dass eine Funktion von ${\displaystyle A}$ nach ${\displaystyle B}$ immer auch eine Relation von ${\displaystyle A}$ nach ${\displaystyle B}$ ist. Daher besitzt sie auf jeden Fall eine Umkehrrelation. Man nennt ${\displaystyle f}$ invertierbar, wenn diese Umkehrrelation eine Funktion von ${\displaystyle B}$ nach ${\displaystyle A}$ ist. In diesem Fall wird die Umkehrrelation auch als Umkehrfunktion bezeichnet.

Es stellt s​ich heraus, d​ass alle vorgestellten Invertierbarkeitsbegriffe äquivalent z​um Begriff d​er Bijektivität sind. Auch führen a​lle Definitionen d​er Umkehrfunktion z​um gleichen Ergebnis.

Notation

Wenn ${\displaystyle f\colon A\rightarrow B}$ eine bijektive Funktion ist, dann bezeichnet ${\displaystyle f^{-1}\colon B\rightarrow A}$ die Umkehrfunktion. Dabei ist die hochgestellte ${\displaystyle -1}$ nicht mit einer negativen Potenz bezüglich der Multiplikation zu verwechseln. Es handelt sich vielmehr um die Umkehrung bezüglich der Komposition von Funktionen. Die alternative Schreibweise ${\displaystyle {\bar {f}}}$ (f quer),[1] kann leicht mit der komplexen Konjugation verwechselt werden. Sie wird daher in der mathematischen Literatur nur selten verwendet.

Allerdings besteht auch bei der Notation ${\displaystyle f^{-1}}$ eine Doppeldeutigkeit. Diese Notation wird nämlich auch für die Urbildfunktion verwendet, die für jede Funktion (also auch nicht bijektive) existiert. Die Urbildfunktion ist eine Funktion von der Potenzmenge ${\displaystyle {\mathcal {P}}(B)}$ in die Potenzmenge ${\displaystyle {\mathcal {P}}(A)}$. Es ist üblich, in der Notation der Urbildfunktion bei einelementigen Mengen die Mengenklammern wegzulassen. Für ${\displaystyle b\in B}$ wird also statt ${\displaystyle f^{-1}(\{b\})}$ auch einfach ${\displaystyle f^{-1}(b)}$ geschrieben. Identifiziert man nun in dieser notationellen Weise die einelementige Menge mit dem einen enthaltenen Element, dann ist die Umkehrfunktion eine Spezialisierung der Urbildfunktion, und frontale Widersprüche können nicht auftreten. Denn für bijektive ${\displaystyle f}$ ist ${\displaystyle f^{-1}(b)}$ das eine und einzige Element der Urbildmenge ${\displaystyle f^{-1}(\{b\})}$.

Wegen der genannten Verwechslungsmöglichkeit findet sich gelegentlich in der Literatur für die Umkehrfunktion (das ist die ${\displaystyle (-1)}$-te Iteration) die Schreibweise

${\displaystyle f^{\langle -1\rangle }}$

so dass

${\displaystyle \mathrm {id} }$

${\displaystyle =f\circ f^{\langle -1\rangle }}$

(mit hochgestellter spitzer Klammer),

für d​ie Iteration

${\displaystyle f^{\langle 0\rangle }}$

${\displaystyle$ :=\mathrm {id} }

und

${\displaystyle f^{\langle {n+1}\rangle }}$

${\displaystyle$ :=f\circ f^{\langle n\rangle }} ,

für d​ie Potenz

${\displaystyle f^{\;\!0}}$

${\displaystyle$ :=\mathrm {1} }

und

${\displaystyle f^{\;\!n+1}}$

${\displaystyle$ :=f\cdot f^{\;\!n}}

(ohne hochgestellte Klammer)

und für d​ie Ableitung

${\displaystyle f^{(0)}}$

${\displaystyle$ :=f}

und

${\displaystyle f^{(n+1)}}$

${\displaystyle$ :=(f^{(n)})'}

(mit hochgestellter runder Klammer).

Dann i​st beispielsweise

${\displaystyle \sin ^{\langle -1\rangle }=\arcsin \,,}$

${\displaystyle \sin ^{2}+\cos ^{2}=1}$

und

${\displaystyle \sin ^{(2)}=\sin ^{\prime \prime }=-\sin .}$

Einfache Beispiele

• Sei ${\displaystyle A:=\{a,b,c,\dotsc ,y,z\}}$ die Menge der 26 Buchstaben des lateinischen Alphabets und sei ${\displaystyle B:=\{1,2,3,\dotsc ,25,26\}}$. Die Funktion ${\displaystyle f\colon A\rightarrow B}$, die jedem Buchstaben die entsprechende Nummer im Alphabet zuordnet, ist bijektiv, und ${\displaystyle f^{-1}\colon B\rightarrow A}$ ist gegeben durch ${\displaystyle f^{-1}(n)=}$ „der n-te Buchstabe im Alphabet“.

• Sei ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} }$ die reelle Funktion mit ${\displaystyle f(x)=3x+2}$. Diese ist bijektiv und die Umkehrfunktion ist gegeben durch

${\displaystyle f^{-1}\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} ,\quad f^{-1}(x)=(x-2)/3}$.

• Allgemeiner: Sind ${\displaystyle \alpha ,\beta \in \mathbb {R} }$ und die Funktion ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} }$ gegeben durch ${\displaystyle f(x)=\alpha x+\beta }$. Dann ist ${\displaystyle f}$ genau dann bijektiv, wenn ${\displaystyle \alpha \neq 0}$. In diesem Fall gilt ${\displaystyle f^{-1}(x)={\tfrac {x-\beta }{\alpha }}}$.

Eigenschaften

• Die Umkehrfunktion ist selber bijektiv. Ihre Umkehrfunktion ist die ursprüngliche Funktion, d. h.

${\displaystyle (f^{-1})^{-1}=f}$.

• Ist ${\displaystyle f\colon A\rightarrow B}$ eine bijektive Funktion, dann gilt für die Umkehrfunktion:

${\displaystyle f(f^{-1}(b))=b}$ für alle ${\displaystyle b\in B}$,

${\displaystyle f^{-1}(f(a))=a}$ für alle ${\displaystyle a\in A}$.

Oder etwas eleganter:

${\displaystyle f\circ f^{-1}=\operatorname {id} _{B}}$

${\displaystyle f^{-1}\circ f=\operatorname {id} _{A}}$.

• Sind ${\displaystyle f\colon A\rightarrow B}$ und ${\displaystyle g\colon B\rightarrow A}$ zwei Funktionen mit der Eigenschaft

${\displaystyle f(g(b))=b}$ für alle ${\displaystyle b\in B}$

dann k​ann aus j​eder der d​rei folgenden Eigenschaften bereits geschlossen werden, d​ass beide Funktionen bijektiv u​nd ihre gegenseitigen Umkehrfunktionen sind:

${\displaystyle g(f(a))=a}$ für alle ${\displaystyle a\in A}$,

${\displaystyle f}$ ist injektiv

${\displaystyle g}$ ist surjektiv

• Sind die Funktionen ${\displaystyle f\colon A\rightarrow B}$ und ${\displaystyle g\colon B\rightarrow C}$ bijektiv, dann gilt dies auch für die Komposition ${\displaystyle g\circ f:A\rightarrow C}$. Die Umkehrfunktion von ${\displaystyle g\circ f}$ ist dann ${\displaystyle f^{-1}\circ g^{-1}}$.

• Eine Funktion ${\displaystyle f\colon A\rightarrow A}$ kann ihre eigene Umkehrfunktion sein. Dies gilt genau dann, wenn ${\displaystyle f\circ f=\operatorname {id} _{A}}$. In diesem Fall nennt man ${\displaystyle f}$ eine Involution. Die einfachsten involutorischen Abbildungen sind die identischen Abbildungen.

• Ist ${\displaystyle f\colon A\rightarrow B}$ eine bijektive Funktion, wobei ${\displaystyle A}$ und ${\displaystyle B}$ Teilmengen von ${\displaystyle \mathbb {R} }$ sind, dann entsteht der Graph der Umkehrfunktion, indem man den Graph von ${\displaystyle f}$ an der Geraden ${\displaystyle y=x}$ spiegelt.

• Ist ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} }$ differenzierbar, ${\displaystyle f'(x)\neq 0}$ und ${\displaystyle y:=f(x)}$, dann gilt die folgende Umkehrregel:

${\displaystyle (f^{-1})'(y)={\frac {1}{f'(f^{-1}(y))}}}$.

Diese Aussage wird in der mehrdimensionalen Analysis zum Satz von der Umkehrabbildung verallgemeinert.

Umkehrfunktion für nicht bijektive Funktionen

In vielen Fällen besteht d​er Wunsch n​ach einer Umkehrfunktion für e​ine nicht bijektive Funktion. Hierzu k​ann man d​ie folgenden Hilfsmittel heranziehen:

• Ist die Funktion nicht surjektiv, so kann man die Zielmenge verkleinern, indem man hierfür gerade das Bild der Funktion wählt. Die so erhaltene Funktion ist surjektiv und stimmt in ihrem Verlauf mit der ursprünglichen Funktion überein. Dieser Ansatz ist immer möglich. Es kann allerdings sein, dass es schwierig ist, das Bild der betrachteten Funktion genau zu bestimmen. Außerdem kann beim Übergang auf diese Teilmenge eine wichtige Eigenschaft der ursprünglich betrachteten Zielmenge verloren gehen (in der Analysis etwa die Vollständigkeit).

• In manchen Fällen erweist es sich auch als fruchtbar, die gewünschte Surjektivität dadurch zu erreichen, dass man bei der betrachteten Funktion den Definitionsbereich erweitert. Oft geht das auch mit einer Erweiterung der Zielmenge einher. Ob dieser Weg gangbar und sinnvoll ist, muss aber jeweils individuell entschieden werden.

• Ist die Funktion nicht injektiv, so kann man auf ihrem Definitionsbereich eine geeignete Äquivalenzrelation definieren, so dass man die Funktion auf die Menge der entsprechenden Äquivalenzklassen übertragen kann. Diese Funktion ist dann automatisch injektiv. Dieser Ansatz ist allerdings anspruchsvoll und führt zu einem oft unerwünschten Wechsel in der Natur der Argumente der betrachteten Funktion.

• In der Praxis kann man die Injektivität der Funktion oft auch dadurch erreichen, dass man sich auf eine geeignete Teilmenge des Definitionsbereichs der Funktion einschränkt, die zu jedem Element des Bilds nur ein einziges Urbildelement enthält. Diese Einschränkung ist allerdings unter Umständen willkürlich. Man muss daher darauf achten, dass man diese Einschränkung an allen Stellen konsistent in gleicher Weise vornimmt.

Beispiele

• Man betrachte die Nachfolger-Funktion ${\displaystyle n\mapsto n+1}$ auf der Menge ${\displaystyle \mathbb {N} }$ der natürlichen Zahlen ohne die Null. Diese Funktion ist injektiv. Sie ist aber nicht surjektiv, da die Zahl 1 nicht als Funktionswert vorkommt. Man kann nun die Zahl 1 aus der Zielmenge entfernen. Dann wird die Funktion surjektiv und die Vorgänger-Funktion ${\displaystyle n\mapsto n-1}$ ist ihre Umkehrfunktion. Allerdings ist es unschön, dass bei der Funktion nun Definitionsbereich und Zielmenge nicht mehr übereinstimmen.

Die alternative Idee, den Definitionsbereich um das fehlende Urbildelement für die 1, nämlich die 0, zu erweitern, hat auf den ersten Blick denselben Nachteil. Fügt man, um dies zu beheben, die 0 ebenfalls zur Zielmenge hinzu, so besitzt diese wiederum kein Urbildelement. Man kann diesen Prozess aber gedanklich unendlich oft fortsetzen und gelangt dadurch zur Menge ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ der ganzen Zahlen. Auf dieser Menge ist die Nachfolger-Funktion bijektiv, und ihre Umkehrfunktion ist die Vorgänger-Funktion.

• Die Exponentialfunktion betrachtet als Funktion von ${\displaystyle \mathbb {R} }$ nach ${\displaystyle \mathbb {R} }$ ist injektiv aber nicht surjektiv. Ihr Bild ist gerade die Menge der positiven reellen Zahlen. Schränkt man die Zielmenge darauf ein, so erhält man eine bijektive Funktion, deren Umkehrfunktion die Logarithmusfunktion ist. Eine natürliche Erweiterung des Zahlbereichs, wie im vorherigen Beispiel diskutiert, bietet sich hier nicht an. Daher muss man akzeptieren, dass bei den betrachteten Funktionen nun Definitionsbereich und Zielmenge nicht mehr übereinstimmen.

• Die Quadratfunktion ${\displaystyle x\mapsto x^{2}}$ ist betrachtet als Funktion von ${\displaystyle \mathbb {R} }$ nach ${\displaystyle \mathbb {R} }$ weder injektiv noch surjektiv. Die Surjektivität erreicht man dadurch, dass man als Zielmenge die Bildmenge ${\displaystyle \mathbb {R} _{0}^{+}=[0,\infty )}$ der nichtnegativen reellen Zahlen wählt. Um die Injektivität zu erreichen, kann man den Definitionsbereich einschränken. Am naheliegendsten ist es, hier ebenfalls ${\displaystyle \mathbb {R} _{0}^{+}}$ zu wählen. Die so erhaltene eingeschränkte Quadratfunktion ist bijektiv. Ihre Umkehrfunktion ist die Quadratwurzelfunktion.

• Die trigonometrischen Funktionen Sinus (sin), Kosinus (cos) und Tangens (tan) sind nicht bijektiv. Man schränkt sich jeweils auf geeignete Teilmengen des Definitionsbereichs und der Zielmenge ein und erhält bijektive Funktionen, deren Umkehrfunktionen die Arkusfunktionen: Arkussinus (arcsin), Arkuskosinus (arccos) und Arkustangens (arctan) sind.

• Ein entsprechendes Vorgehen für die Hyperbelfunktionen Sinus hyperbolicus (sinh), Cosinus hyperbolicus (cosh) und Tangens hyperbolicus (tanh) führt zu den Areafunktionen: Areasinus hyperbolicus (arsinh), Areakosinus hyperbolicus (arcosh) und Areatangens hyperbolicus (artanh).

Berechnung

Die effektive Bestimmung d​er Umkehrfunktion i​st oft schwierig. Asymmetrische Verschlüsselungsverfahren beruhen darauf, d​ass die Bestimmung d​er Umkehrfunktion e​iner Verschlüsselungsfunktion effektiv n​ur möglich ist, w​enn man e​inen geheimen Schlüssel kennt. Dabei i​st die Berechnungsvorschrift für d​ie Verschlüsselungsfunktion selbst öffentlich bekannt.

Reelle Funktionen sind oft durch eine Berechnungsvorschrift definiert, die durch einen arithmentischen Term ${\displaystyle T}$ (mit einer Variablen ${\displaystyle x}$) beschrieben werden kann. Bei der Suche nach der Umkehrfunktion versucht man nun die Funktionsgleichung ${\displaystyle y=T(x)}$ durch Äquivalenzumformung in die Form ${\displaystyle x=T'(y)}$ (für einen passenden Term ${\displaystyle T'}$) zu bringen, also äquivalent nach ${\displaystyle x}$ aufzulösen. Gelingt dies, so ist die durch die Berechnungsvorschrift ${\displaystyle T}$ definierte Funktion als bijektiv erwiesen und ${\displaystyle T'}$ ist eine Berechnungsvorschrift für die Umkehrfunktion. Man beachte, dass bei den Schritten der Äquivalenzumformung die Mengen, aus denen ${\displaystyle x}$ und ${\displaystyle y}$ gewählt werden sollen, genau zu beachten sind. Sie bilden dann Definitionsbereich und Zielmenge der betrachteten Funktion.

Beispiele:

• Sei ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ mit ${\displaystyle f(x)=2x-1}$. Die folgenden Gleichungen sind äquivalent:

  ${\displaystyle {\begin{aligned}y&=2x-1\\2x&=y+1\\x&={\tfrac {y+1}{2}}\end{aligned}}}$

Die Umkehrfunktion von ${\displaystyle f}$ lautet daher ${\displaystyle f^{-1}(y)={\tfrac {y+1}{2}}}$. Da es üblich ist, das Argument mit ${\displaystyle x}$ zu bezeichnen, schreibt man auch: ${\displaystyle f^{-1}(x)={\tfrac {x+1}{2}}}$.

• Sei ${\displaystyle f\colon (0,\infty )\to \mathbb {R} }$ mit ${\displaystyle f(x)={\tfrac {x^{2}-1}{2x}}}$. Die folgenden Gleichungen sind äquivalent (man beachte, dass ${\displaystyle x>0}$ gilt):

  ${\displaystyle {\begin{aligned}&y={\tfrac {x^{2}-1}{2x}}\\&2xy=x^{2}-1\\&x^{2}-2xy-1=0\\&x=y+{\sqrt {y^{2}+1}}\end{aligned}}}$

(Die zweite Lösung der quadratischen Gleichung entfällt, da ${\displaystyle x}$ als positiv vorausgesetzt ist.) Die Umkehrfunktion lautet also: ${\displaystyle f^{-1}(y)=y+{\sqrt {y^{2}+1}}}$

Bemerkung: Bei dieser Lösung wurde die Quadratwurzel verwendet. Die Quadratwurzelfunktion ist gerade definiert als die Umkehrfunktion der einfachen Quadratfunktion ${\displaystyle x\mapsto x^{2}}$. Diese einfache Funktion kann nämlich nicht unter Verwendung der Grundrechenarten 'umgekehrt' werden.

Dieses Problem wurde dadurch gelöst, dass der Vorrat an mathematischen Standardoperationen um ein weiteres Mitglied (nämlich die Quadratwurzel) erweitert wurde.

Die Leistung der oben durchgeführten Umformung besteht also darin, die Berechnung für die Umkehrfunktion der Funktion ${\displaystyle f}$ auf die Berechnung der Umkehrfunktion der Quadratfunktion zurückgeführt zu haben.

Die Quadratwurzel kann, wie gesagt, nicht auf elementare Weise berechnet werden. Tatsächlich hat sie selbst für ganzzahlige Argumente oft irrationale Werte. Es gibt aber gut verstandene Näherungsverfahren für die Quadratwurzel.

Daher wird obige Umformung als ausreichend angesehen. Tatsächlich lässt sich ein besseres Ergebnis auch nicht erzielen.

Man beachte, dass auch die anderen oben angegebenen Umkehrfunktionen (Logarithmus, Arcus- und Area-Funktionen) nicht mit Hilfe der Grundrechenarten (und der Exponentialfunktion und den trigonometrischen Funktionen) berechnet werden können. Sie erweitern daher, genau wie die Quadratwurzel, die Menge der mathematischen Standardoperationen (siehe auch Elementare Funktion).

Umkehrfunktionen und Morphismen

In d​er höheren Mathematik werden o​ft Mengen betrachtet, d​ie noch m​it zusätzlicher mathematischer Struktur versehen sind. Ein einfaches Beispiel hierfür i​st die Menge d​er natürlichen Zahlen, a​uf der e​s unter anderem d​ie durch d​ie Kleiner-Relation definierte Ordnungsstruktur gibt.

Betrachtet m​an nun Funktionen zwischen z​wei Mengen, d​ie den gleichen Typ v​on Struktur tragen (also e​twa zwei geordnete Mengen), s​o interessiert m​an sich besonders für Funktionen zwischen diesen Mengen, d​ie mit d​en entsprechenden Strukturen 'verträglich' sind. Diese Verträglichkeit m​uss dabei gesondert definiert werden. Die Definition i​st aber i​n den meisten Fällen naheliegend.

Funktionen, d​ie diese Verträglichkeit erfüllen, werden a​uch Morphismen genannt. Bei geordneten Mengen s​ind die Morphismen e​twa die monotonen Funktionen.

Ist e​in Morphismus bijektiv, s​o stellt s​ich die Frage, o​b die Umkehrfunktion ebenfalls e​in Morphismus ist.

In vielen Teilgebieten d​er Mathematik i​st dies automatisch d​er Fall. So s​ind etwa d​ie Umkehrfunktionen bijektiver Homomorphismen automatisch ebenfalls Homomorphismen.

In anderen Teilgebieten i​st dies n​icht der Fall. Bei d​en geordneten Mengen k​ommt es z​um Beispiel darauf an, o​b man s​ich auf Totalordnungen beschränkt (dann s​ind Umkehrfunktionen v​on monotonen Funktionen wieder monoton) o​der ob m​an auch Halbordnungen zulässt (dann i​st dies n​icht immer d​er Fall).

Ein bijektiver Morphismus, dessen Umkehrfunktion ebenfalls e​in Morphismus ist, w​ird auch Isomorphismus genannt.

Umkehrfunktionen von Linearen Abbildungen

Ein besonders wichtiges Beispiel für d​en Morphismusbegriff i​st der Begriff d​er linearen Abbildung (dem Vektorraumhomomorphismus). Eine bijektive linearen Abbildung i​st immer e​in Isomorphismus. Oft stellt s​ich die Frage, w​ie deren Umkehrfunktion effektiv bestimmt werden kann.

Damit überhaupt ein solcher Isomorphismus existieren kann, müssen die beiden beteiligten Vektorräume dieselbe Dimension haben. Ist diese endlich, so lässt sich jede lineare Abbildung zwischen den Räumen durch eine quadratische Matrix (mit entsprechender Spaltenzahl) darstellen. Die lineare Abbildung ist dann genau dann bijektiv, wenn diese Matrix eine Inverse besitzt. Diese Inverse beschreibt dann die Umkehrfunktion.

Im mathematischen Teilgebiet der Funktionalanalysis betrachtet man vor allem unendlichdimensionale Vektorräume, die neben der Vektorraumstruktur noch eine zusätzliche topologische Struktur tragen. Als Morphismen lässt man hier nur solche linearen Abbildungen gelten, die auch mit den topologischen Strukturen verträglich, das heißt stetig, sind. Im Allgemeinen ist die Umkehrfunktion einer bijektiven stetigen linearen Abbildung zwischen zwei topologischen Vektorräumen nicht zwangsläufig stetig. Sind aber beide beteiligten Räume Banachräume, so folgt aus dem Satz über die offene Abbildung, dass dies der Fall sein muss.

Verallgemeinerungen

Für allgemeinere Anwendungen ist der oben eingeführte Begriff der Umkehrfunktion als Inverses einer Bijektion zu eng. Entsprechend existieren Verallgemeinerungen für solche Gegebenheiten, von denen zwei nachfolgend vorgestellt werden.

Linksinverse

Für eine Funktion ${\displaystyle f\colon A\rightarrow B}$ heißt eine Funktion ${\displaystyle g\colon B\rightarrow A}$ Linksinverse (oder Retraktion), wenn

${\displaystyle g\circ f=\mathrm {id} _{A}.\,\!}$

Das heißt, die Funktion ${\displaystyle g}$ erfüllt

${\displaystyle {\text{Wenn }}f(a)=b{\text{, dann }}g(b)=a.\,\!}$

Das Verhalten von ${\displaystyle g}$ auf dem Bild von ${\displaystyle f}$ ist also festgelegt. Für Elemente aus ${\displaystyle B}$, die nicht Resultat von ${\displaystyle f}$ sind, kann ${\displaystyle g}$ dagegen beliebige Werte annehmen. Eine Funktion ${\displaystyle f}$ hat Linksinverse genau dann, wenn sie injektiv (linkseindeutig) ist.

Eine injektive Funktion k​ann mehrere Linksinverse haben. Dies i​st genau d​ann der Fall, w​enn die Funktion n​icht surjektiv i​st und d​er Definitionsbereich m​ehr als e​in Element besitzt.

Beispiele

Linksinverse treten o​ft als 'Inverse' v​on Einbettungen auf.

Sei zum Beispiel ${\displaystyle A}$ die Menge der Vereine, die in der Saison 2018/19 mit einer Mannschaft in der ersten Fußball-Bundesliga der Männer vertreten sind. ${\displaystyle B}$ sei die Menge der Kommunen in Deutschland. Die Funktion ${\displaystyle f}$ ordne einem Verein die Kommune zu, in der sein Stadion steht. Da in der betrachteten Saison keine zwei Bundesliga-Mannschaften aus derselben Stadt kommen, ist diese Funktion injektiv. Da es auch Kommunen ohne Bundesliga-Stadion gibt, ist sie nicht surjektiv. Es gibt also mehrere Linksinverse zu ${\displaystyle f}$. Eine einfach zu bildende Linksinverse ist die Funktion, die jeder Kommune, die ein Bundesliga-Stadion besitzt, den zugehörigen Verein und allen anderen Kommunen den FC Bayern München zuordnet. Ein in der Praxis sinnvolleres Beispiel wäre die Funktion, die jeder Kommune den Bundesliga-Verein mit dem am nächsten gelegenen Stadion zuordnet. Allerdings wäre es auch deutlich aufwändiger diese Funktion zu ermitteln, zumal erst einmal geklärt werden müsste, welcher Abstandsbegriff der Definition zu Grunde liegt (Luftlinie, kürzeste Entfernung mit dem PKW, …).

Als numerisches Beispiel sei ${\displaystyle f}$ die Einbettung von ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ in ${\displaystyle \mathbb {R} }$. Dann bietet sich jede Rundungsfunktion (auf 0 Stellen nach dem Komma), also zum Beispiel die Gaußklammer, als Linksinverse an. Aber auch die Funktion auf ${\displaystyle \mathbb {R} }$, die jeder ganzen Zahl sich selbst und allen anderen Zahlen die 0 zuordnet, ist eine Linksinverse.

Rechtsinverse

Eine Rechtsinverse (Koretraktion) von ${\displaystyle f\colon A\rightarrow B}$ (oder, bei Faserbündeln, ein Schnitt von ${\displaystyle f}$) ist eine Funktion ${\displaystyle h\colon B\rightarrow A}$, so dass

${\displaystyle f\circ h=\mathrm {id} _{B}.\,\!}$

Das heißt, die Funktion ${\displaystyle h}$ erfüllt

${\displaystyle {\text{Wenn }}h(b)=a{\text{, dann }}f(a)=b.\,\!}$

${\displaystyle h(b)}$ kann also jedes Urbildelement von ${\displaystyle b}$ unter ${\displaystyle f}$ sein.

Hat eine Funktion ${\displaystyle f}$ eine Rechtsinverse, so muss sie surjektiv (rechtstotal) sein.

Umgekehrt scheint es offensichtlich, dass aus der Surjektivität von ${\displaystyle f}$ die Existenz einer Rechtsinversen folgt. Zu jedem ${\displaystyle b\in B}$ kann man ja ein oder sogar mehrere Urbildelemente unter ${\displaystyle f}$ in ${\displaystyle A}$ finden. Ist die Funktion allerdings 'hochgradig nicht-injektiv', so muss hierzu für eine unüberschaubare Menge von Elementen der Zielmenge eine Entscheidung getroffen werden, welches der Urbildelemente man denn jeweils wirklich nimmt. Eine solche simultane Entscheidung kann nicht immer konstruktiv getroffen werden. Das Auswahlaxiom (in geeigneter Formulierung) besagt gerade, dass eine Rechtsinverse trotzdem für alle surjektiven Funktionen existiert.

In vielen Fällen kann allerdings die Auflösung der Uneindeutigkeit durch eine globale Festlegung erfolgen. Dies ist etwa bei der Definition der Quadratwurzel der Fall, wo man die Uneindeutigkeit immer zu Gunsten der positiven Lösung auflöst. In solchen Fällen wird das Auswahlaxiom nicht benötigt.

Die Funktion ${\displaystyle h}$ ist offenbar genau dann Rechtsinverse von ${\displaystyle f}$, wenn ${\displaystyle f}$ Linksinverse von ${\displaystyle h}$ ist. Hieraus folgt unmittelbar, dass Rechtsinverse immer injektiv und Linksinverse immer surjektiv sind.

Eine surjektive Funktion h​at genau d​ann mehrere Rechtsinverse, w​enn sie n​icht injektiv ist.

Beispiele

Rechtsinverse treten o​ft als Funktionen auf, d​ie Repräsentanten e​iner Menge bestimmen.

Sei beispielsweise ${\displaystyle f\colon {\text{Art}}\rightarrow {\text{Gattung}}}$ eine Funktion, die jeder Art ihre Gattung zuweist. Als Rechtsinverse ${\displaystyle h}$ wählt man dann eine Funktion, die für jede Gattung eine typische Art benennt. Politische Vertretung liefert viele Beispiele. Hier könnte ${\displaystyle f}$ etwa die Staatsangehörigkeit eines Menschen sein, ${\displaystyle h}$ das Staatsoberhaupt eines Staates.

Die Hilbert-Kurve bildet d​as Einheitsintervall stetig (daher d​ie Bezeichnung Kurve) a​uf das Einheitsquadrat ab. In d​er praktischen Anwendung w​ird aber häufig d​er Hilbert-Index benötigt, nämlich e​ine Linearisierung zweidimensionaler Daten (eine Umkehrung d​er Hilbert-Kurve). Dazu n​immt man e​ine der Rechtsinversen d​er Hilbert-Kurve, v​on denen e​s mehrere g​ibt – d​enn die Hilbert-Kurve k​ann als stetige Abbildung zwischen z​wei Räumen unterschiedlicher Dimension n​ach dem Satz v​on der Invarianz d​er Dimension n​icht bijektiv sein.

Links- und Rechtsinverse von Morphismen

Tragen die Mengen ${\displaystyle A}$ und ${\displaystyle B}$ eine zusätzliche mathematische Struktur und ist ${\displaystyle f\colon A\rightarrow B}$ eine injektive bzw. surjektive Funktion, die mit diesen Strukturen verträglich ist, so stellt sich die Frage, ob es möglich ist, die Links- bzw. Rechtsinverse so zu wählen, dass die ebenfalls mit den Strukturen verträglich ist. Für viele in der Mathematik untersuchte Strukturen ist dies nicht der Fall. Ist ${\displaystyle f}$ allerdings eine injektive bzw. surjektive lineare Abbildung, so kann man die Links- bzw. Rechtsinverse ebenfalls als lineare Abbildung wählen.

Verschiedenes

• Von besonderem Interesse sind oft Funktionen, bei den Definitionsbereich und Zielmenge übereinstimmen. Für eine Menge ${\displaystyle A}$ bildet die Menge der Funktionen von ${\displaystyle A}$ in sich mit der Komposition als Verknüpfung einen Monoid. Die Begriffe der Invertierbarkeit sowie des Links- und Rechtsinversen, die hier eingeführt wurden, stimmen dann mit den entsprechenden Begriffen aus der Algebra überein.

Der Begriff der Umkehrfunktion ist in diesem Fall identisch mit dem Begriff des inversen Elements.

• Im allgemeinen Kontext wird der Begriff der Invertierbarkeit von Funktionen oft weggelassen, da er mit dem Begriff der Bijektivität übereinstimmt.

• Bei den obigen Überlegungen wurde vorausgesetzt, dass ${\displaystyle A}$ und ${\displaystyle B}$ nicht-leer sind. Ist ${\displaystyle B}$ leer, so gibt es überhaupt nur dann eine Funktion von ${\displaystyle A}$ nach ${\displaystyle B}$, wenn ${\displaystyle A}$ ebenfalls leer ist.

Diese ist dann die leere Funktion, die bijektiv und involutorisch ist.

Ist ${\displaystyle A}$, aber nicht ${\displaystyle B}$, leer, so gibt es wieder genau eine Funktion von ${\displaystyle A}$ nach ${\displaystyle B}$, die ebenfalls leer ist. Diese Funktion ist injektiv aber nicht surjektiv. Sie besitzt weder Links- noch Rechtsinverse, da es überhaupt keine Funktionen von ${\displaystyle B}$ nach ${\displaystyle A}$ gibt.

• Bei der Einführung des Funktionsbegriffs in der Mathematik gibt es verschiedene Vorgehensweisen. Der in diesem Artikel verwendete Begriff der Surjektivität setzt voraus, dass die Zielmenge ein Teil der Identität der Funktion ist. Legt man einen anderen Funktionsbegriff zu Grunde, so muss man einige der Ausführungen entsprechend anpassen.

• Die meisten der Aussagen in diesem Artikel gelten auch für Funktionen zwischen Klassen.

Siehe auch

• Retraktion und Koretraktion, Links- bzw. Rechtsinverse in Kategorien

Einzelnachweise

1. Helmut Sieber und Leopold Huber: Mathematische Begriffe und Formeln für Sekundarstufe I und II der Gymnasien, Ernst Klett Verlag