Fonksiyon (matematik)

Fonksiyon, matematikte değişken sayıları girdi olarak kabul edip bunlardan bir çıktı sayısı oluşmasını sağlayan kurallardır. Fonksiyon, 17. yüzyılda matematiğin kavramlarından biri olmuştur. Fizik, mühendislik, mimarlık ve birçok alanda kullanılmaktadır. Galile, Kepler ve Newton hareketlerin araştırılmasında, zaman ve mesafe arasındaki durumu incelemek için fonksiyonlardan faydalanmıştır. Dört işlemden sonra gelen bir işlem türüdür.
Matematiksel tanım
Fonksiyonun matematiksel yani biçimsel ve kuramsal tanımı şu şekildedir:
ve iki küme olmak üzere ve, kartezyen çarpımının şu özelliğini sağlayan bir alt kümesi olmak üzere:
Her için, ilişkisini sağlayan
bir tane elemanı vardır.
Bu durumda üçlüsüne fonksiyon adı verilir. , fonksiyonunun tanım kümesidir, ise varış (görüntü) kümesidir.
fonksiyonuna adı verilirse, verilen bir için 'nin ilişkisini sağlayan tek elemanı olarak gösterilir. Kimi zaman yerine yazıldığı da olur. Yani her için olur. Ayrıca kümesine fonksiyonunun grafiği adı verilir.
Fonksiyonu matematiksel olarak tanımlamak için bir kural zorunluluğu yoktur. Ama 'nin bir küme olma zorunluluğu vardır.
Eğer ise üçlüsünün bir fonksiyon olabilmesi için 'nin boş küme olması gerektiği açıktır, bu durumda bu üçlüsü boş fonksiyondur.
Çizgileri düşey doğruları hepsi grafiği yalnız bir noktada kestiği için f (x) fonksiyondur.
Örnekler
ve iki küme ise, 'nın her elemanını bir şekilde 'nin bir ve bir tek elemanıyla ilişkilendirilmiştir. Mesela (gerçel sayılar kümesi), de -3'ten büyük gerçel sayılar kümesi olsun, yani olsun. İlişkilendirme de şöyle yapılmalı: 'nın her elemanını (yani her gerçel sayıyı), o elemanın karesiyle ilişkilendirilmiş olsun. Böylece ilişkilendirmeyi bir formülle tanımlamış olduk. Bu örnekteki ilişkilendirmeyi olarak yazarız, her sayı karesiyle ilişkilendirilmiştir, mesela -3 sayısı 9'la, sayısı 2'yle ilişkilendirilmiştir. İşte 'dan 'ye giden fonksiyon böyle bir şeydir. Fonksiyon sembolüyle ifade edilir. Verilen örnek için yazılır.
yaşamış ya da şu anda yaşayan insanlar kümesi olsun. fonksiyonu her insanı annesine götürsün. Matematiksel olmasa da bu, 'dan 'ya giden bir fonksiyondur, çünkü her insanın bir annesi vardır. Ama her insanı kardeşine götüren bir fonksiyon yoktur çünkü bazı insanların kardeşi olmadığı gibi bazı insanların birden çok kardeşi vardır. Öte yandan, her insanı en büyük kardeşine götüren kural, kardeşi olan insanlar kümesinden kümesine giden bir fonksiyondur.
'dan 'ye giden bir fonksiyonu, kümesinin her elemanını 'nin bir ve bir tek elemanına götüren/elemanıyla ilişkilendiren bir "kural"dır. (Burada biraz yalan var, ama pek önemli değil: Kuralın ne demek olduğunu söylemediğimiz gibi, bir fonksiyonun tanımlanması için herhangi bir kurala da aslında gerek yoktur! İleride, yazının sonunda, fonksiyonun gerçek matematiksel tanımını verdiğimizde bu pembe yalana ihtiyacımız kalmayacak.)
Özet olarak, verilmiş bir fonksiyonu, 'nın her elemanını bir şekilde 'nin bir ve bir tek elemanına götürür/elemanıyla ilişkilendirir.
Yukarıdaki örnekte, kural, olarak verilmiştir. Ama bir fonksiyon bir formül ya da bir kuraldan öte bir şeydir. Bir fonksiyon, sadece bir kural değildir; bir fonksiyonu tanımlamak için, kural dışında, bir de ayrıca ve kümeleri de gerekmektedir. Formül ya da kural aynı kalsa bile ve kümeleri değişirse fonksiyon da değişir. Yukarıdaki örnek üzerinden gidelim:
Yukarıda R ve almış ve fonksiyonu kuralıyla tanımlanmıştı. Şimdi yerine alırsak ve formülü ve kümesini aynı tutarsak, o zaman elde edilen fonksiyonunu gene ile göstermek yanlış olur, çünkü bu iki fonksiyon değişik fonksiyonlardır. 'den 'ye giden ve kare alma kuralıyla tanımlanan fonksiyonu mesela ile gösterilebilir.
Bunun gibi, kümesi değişirse, o zaman fonksiyon da değişir; mesela ise, kare alma kuralı 'dan 'e giden bir fonksiyon tanımlar ve bu fonksiyon, yukarıdakilerle karışmasın diye, ya da ile değil, bir başka sembolle, mesela ile gösterilir.
Aynı şekilde 'den 'e giden bir fonksiyon, ya da ile değil, mesela ile gösterilmelidir.
Yukarıda koyu renkle yazılı kelimeler şu nedenle önemlidir: Bir fonksiyonu, kümesinin her elemanını 'nin bir elemanına götürür, yani 'nın bazı elemanlarını unutmuş olamaz. Mesela, karekök alma kuralı, gerçel sayılar kümesi 'den 'ye giden bir fonksiyon tanımlamaz, çünkü negatif sayıların gerçel sayılarda karekökü yoktur. Ya da (doğal sayılar kümesi) ise, kuralı, 'dan 'ye giden bir fonksiyon tanımlamaz çünkü 'dir ve olmasına karşın sayısı 'de değildir. Öte yandan bu kuralı, 'den tam sayılar kümesi 'ye giden bir fonksiyon tanımlar.
İkinci koyu renkli kısmın önemi ise şu şekildedir: Bir fonksiyonu, 'nın her elemanını 'nin bir ve bir tek elemanına götürür, yani 'nın aynı elemanı 'nin iki ayrı elemanına gidemez. (Yukarıda verilen kardeş misali hatırlanmalı.) Mesela ise, 'nin bir elemanını denkleminin çözümlerine götüremez, çünkü eğer değilse, bu denklemin R'de iki değişik çözümü vardır, nitekim denkleminin çözümleri ve 'tir. Burada, 'nin 'e mi yoksa 'e mi gideceği belirtilmemiştir ve bu, bir fonksiyon yaratmada sorun teşkil eder. Bir fonksiyonunda, 'nın her elemanını 'nin bir ve bir tek elemanına gitmelidir, iki ya da daha fazla elemana gidemez. (Birkaç yüzyıl önce bu tür fonksiyonlar kabul ediliyordu ama bugün bunlara fonksiyon denmiyor.)
Tanım kümesi ve değer kümesi
Bir fonksiyonunda, 'ya tanım kümesi ya da kalkış kümesi denir. 'ye de değer kümesi ya da varış kümesi denir.
Görüntü
Eğer ise 'e 'in altında görüntüsü adı verilir. 'nin
altkümesi olarak gösterilir ve bu kümeye 'nin görüntü kümesi adı verilir. (Kimi yerine 'ye görüntü kümesi demeyi yeğliyor ama her zaman görüntü kümesi değer kümesine eşit olmak zorunda değildir.)
Mesela kuralıyla tanımlanan (-3,5) R fonksiyonunun görüntü kümesi aralığıdır.
Fonksiyon eşitliği
ve fonksiyonlarının birbirine eşit olması için, 1) tanım kümelerinin eşit olması, 2) değer kümelerinin eşit olması ve 3) tanım kümesindeki her için olması gerekmektedir. Bu üç şarttan biri eksikse fonksiyonlar eşit olmaz. (Genellikle liselerde sadece üçüncü şart üzerinde durulur.) Gene de eşitlikte en önemli şart (3) şartıdır. Ardından (1) şartı gelir. (2) şartının gözden kaçtığı olur.
Durağan (sabit) fonksiyonlar
ve iki küme olsun ve olsun. 'nın her elemanını 'nin bu elemanına götüren fonksiyona sabit fonksiyon adı verilir. değerini alan sabit fonksiyonu olarak gösterirsek, o zaman fonksiyonu, her için kuralıyla tanımlanır. Not: ve kümelerinin önemini ortaya çıkarmak istiyorsak, yerine yazmak gerekebilir. Bu fonksiyona "sabit fonksiyonu" adı verilir.
Bileşke mümkün olduğunda 'dir. Ama 'dir.
Eğer ya da 'nin tek bir elemanı varsa, o zaman 'dan 'ye giden her fonksiyon sabit olmak zorundadır.
Boş fonksiyon
Eğer ve ise, 'ye giden bir fonksiyon yoktur.
Eğer ise, hangi küme olursa olsun, 'dan 'ye giden bir ve tek fonksiyon vardır: boş fonksiyon. Pek de önemli olmayan bu olgu, birazdan, fonksiyonun matematiksel tanımı verdiğimizde bariz olacak.
Özdeşlik fonksiyonu
Eğer bir kümeyse, her için Id kuralıyla tanımlanan Id fonksiyonuna 'nın özdeşlik fonksiyonu adı verilir. Özdeşlik fonksiyonu bileşkenin sağdan ve soldan etkisiz elemanıdır.
Bir fonksiyonun kısıtlanışı
Eğer bir fonksiyonsa ve, 'nın bir altkümesiyse, o zaman fonksiyonunu altkümesine kısıtlayabiliriz, yani 'nin sadece kümesinin elemanlarında alacağı değerlerle ilgilenilebilir. Bu yeni fonksiyon
olarak yazılır ve bu fonksiyona 'nin 'e kısıtlanmışı adı verilir. Elbette eğer ise eşitliği geçerlidir.
Varış kümesini değiştirmek
Bir fonksiyonun varış kümesini de değiştirilebilir: bir fonksiyon olsun. , 'nin görüntü kümesi 'yı altküme olarak içeren herhangi bir küme olsun. O zaman tanım kümesini ve kuralını değiştirmeden yeni bir fonksiyonu elde edilebilir. Bu fonksiyon - daha önceki paragraftaki gibi - özel bir sembolle gösterilmez.
Fonksiyonların yapıştırılması ya da birleşimi
ve iki fonksiyon olsun. üzerinde olan, üzerinde olan ve 'den 'ye giden bir fonksiyonu tanımlamak istiyoruz. Eğer ise olmalı. Eğer ise olmalı. Ama olduğunda, için ya da arasında bir seçim yapmalıyız, özellikle eğer ise... Bu durumda hangi seçimi yapılırsa yapılsın istediğimiz iki şarttan birini çiğnemek zorunda kalacağız. Ama diyelim ki, her için, yani ve fonksiyonları kesişiminde aldıkları değer aynı, bir başka deyişle. O zaman fonksiyonunu herhangi bir seçime gerek kalmadan şöyle tanimlayabiliriz:
eğer ise
eğer ise.
Bu fonksiyona ve fonksiyonlarının birleşimi ya da yapıştırılması adı verilir ve yukarıda gösterildiği gibi bu fonksiyon olarak yazılır.
Mesela fonksiyonu olarak tanımlanmışsa ve fonksiyonu olarak tanımlanmışsa, o zaman fonksiyonu aynen mutlak değer fonksiyonudur: .
Elbette ve.
Gene doğal olarak diye bir fonksiyon varsa diye bir fonksiyon de vardır ve bu iki fonksiyon birbirine eşittir.
Yukarıdaki yapıştırmayı yapabilmemiz için ve fonksiyonlarının varış kümeleri aynı olmak zorunda değildi. Nitekim, eğer ve iki fonksiyon ise ve bu fonksiyonların kümesinde aldıkları değer eşitse, o zaman üzerinde olan, üzerinde olan bir fonksiyonunu gene tanımlayabiliriz.
İkiden çok, hatta sonsuz tane fonksiyonu da yapıştırabiliriz eğer gerekli şartlar sağlanıyorsa: bir fonksiyon ailesi olsun. Ayrıca her göstergeçleri (endisleri) için ve fonksiyonlarının kesişiminde aldıkları değerler eşit olsun. O zaman her ve her için eşitliğini sağlayan bir fonksiyonu,
"eğer ise "
kuralıyla tanımlanabilir. Bu tür yapıştırmalar topolojide ve analizde sık sık kullanılır.
Bir fonksiyonun altkümeler kümesinde neden olduğu fonksiyon. bir fonksiyon olsun. 'nın her altkümesi için, 'nin altkümesi şöyle tanımlanır:
.
Bu yazılımı ender de olsa soruna yol açabilir, çünkü 'nın altkümesi bal gibi de aynı zamanda 'nın bir elemanı olabilir, o zaman ifadesinin fonksiyonunun 'te aldığı değer mi olduğu, yoksa yukarıdaki gibi ' nin altkümesi olarak mı tanımlandığı anlaşılamaz. Mesela, olsun. olsun. fonksiyonu, , olarak tanımlansın. Ve son olarak olsun. , hem 'nın bir elemanı hem de bir alt kümesidir. eleman olarak görüldüğünde olur ama altküme olarak görüldüğünde olur. Belki bu yüzden
tanımı yerine,
tanımını yapmak daha yerinde olur.
Eğer, 'in alt kümeleri kümesiyse, yukarıdaki kuralı, 'ten 'ye giden bir fonksiyon tanımlar. Bu fonksiyonu altküme olma ilişkisine saygı duyar.
Alakalı maddeler
Bileşke fonksiyon
Birebir fonksiyon
Eşleme
Eşleşme
Örten fonksiyon
Seçim fonksiyonu
Gönderme örnekleri
Doğal sayılarda bir sayının ardılı bir göndermedir.
İki değişkenli göndermeler de vardır.
Verilen sıraya karşılık gelen çift sayıyı söyleyen bağıntı bir göndermedir: f(n)=2n.
Bir küme üzerinde tanımlı bir ikili işlem, göndermedir: f(x, y)=x+y.
Diziler birer göndermedir.
için yani
Tanım
A'dan B'ye tanımlı bir gönderme (f), (A, B, F) şeklinde gösterilebilen bir üçlüdür. Burada F, aşağıdaki özelliklere sahip sıralı ikili kümesidir.
Başka bir deyişle, bir bağıntının gönderme olabilmesi için, A kümesindeki herhangi bir ögenin B kümesinden en fazla bir ögeyle eşleşmesi gerekmektedir.
Gönderme, daha soyut matematiksel anlamda bir kümedir ve tanımı şu şekildedir:
göndermesi için,
buradaki sembolü y nin biricik olduğunu ifade eder.
Yukarıdaki resmi tanımlama, her zaman kullanışlı olmadığından genelde göndermeler farklı tanımlanır.
En yaygın tanımlama biçimi, örneklerde görüldüğü gibi sağ tarafı girdilere (parametrelere) dayalı formül, sol tarafı göndermenin ve bağımsız girdilerin belirtildiği bir eşitliktir.
Göndermeler aşağıda örnekte görüldüğü gibi parçalı şekilde de tanımlanabilir.
Tümevarımla yakın ilişkisi olan ilginç bir tanımlama biçimi de yinelgedir. Mesela Fibonacci Serisi'nin üretici göndermesi şu şekilde tanımlanabilir.
Böylece 'den 'ye giden bir fonksiyonu tanımlanır.
Göndermelerin kümesel özellikleri
şeklinde tanımlı bir gönderme,
Birebir ise, A kümesinde tanımlı olduğu her değeri B kümesinden ayrı bir ögeye eşler. Matematiksel olarak; her x1, x2 A için f(x1)=f(x2) => x1=x2
İçine ise B kümesinde, eşlenmemiş en az bir değer vardır.
Örten ise A kümesindeki bütün ögeler için tanımlıdır.
Matematiksel olarak; her y B için en az bir xA vardır öyle ki; f(x)=y'dir.
Bilgisayar bilimi ve göndermeler
Bilgisayarda göndermelere Türkçede genellikle fonksiyon adı verilir.
Bilgisayar biliminde hesaplanabilir fonksiyonlar, birbirine eşdeğer olan Church ve Turing Tezleri ile incelenir.
Girdisi ve çıktısı mantıksal (ikili ya da Boolean) olan fonksiyonlar, BDD'ler yardımıyla gösterilebilir.