Worum geht es?
Eine Funktion ordnet jedem genau ein zu. Die Umkehrfunktion geht den Weg rückwärts: Sie ordnet jedem Funktionswert wieder sein zu. Aus wird .
Wann geht das? Nur wenn jeder Funktionswert genau einmal vorkommt. Im Bild heißt das: Jede waagrechte Gerade schneidet den Graphen höchstens einmal. Sicher ist das der Fall, wenn streng monoton ist. Bei auf ganz geht es nicht, denn . Schränkt man die Definitionsmenge auf einen streng monotonen Teil ein, klappt es: Für ist , für ist . Monotonie ist hinreichend, aber nicht notwendig: ist auf nicht monoton und trotzdem umkehrbar – sie ist sogar zu sich selbst invers.
Rechnerisch bestimmt man in zwei Schritten:
- nach auflösen,
- und tauschen.
Beispiel: .
Grafisch ist das Tauschen von und die Spiegelung an der Winkelhalbierenden : Aus wird . Die Strecke steht senkrecht auf , ihr Mittelpunkt liegt auf . Dabei tauschen auch Definitions- und Wertemenge die Rollen: und . So entsteht der natürliche Logarithmus: hat und , also ist nur für definiert und nimmt alle reellen Werte an.
Ableitung der Umkehrfunktion. Spiegelt man die Tangente in mit, tauschen die Katheten des Steigungsdreiecks: Aus wird . Also gilt für und :
Für folgt daraus . Ist (waagrechte Tangente), hat in eine senkrechte Tangente und ist dort nicht differenzierbar – zum Beispiel an der Stelle .
Ausprobieren
- Wurzelfunktion: Ziehe auf dem Graphen – oder gleich . Was haben , und der Punkt mit der Geraden zu tun?
- Drücke „An y = x spiegeln“: Der Graph klappt wie eine Folie um die Gerade . Die gestrichelten Spuren zeigen, dass jeder Punkt senkrecht zu wandert. Beobachte auch die farbigen Intervalle an den Achsen und die Spalten der Wertetabelle.
- Gerade: Drücke „Rechenweg Schritt für Schritt“. Beim Schritt „x und y tauschen“ klappt der Graph um.
- x² auf ganz ℝ: Lass die waagrechte Gerade wandern. Wie viele Schnittpunkte gibt es höchstens? Warum ist das Spiegelbild kein Funktionsgraph? Wechsle dann zu „steigender Ast“ und „fallender Ast“.
- 0,5x³: Die Tangente in ist waagrecht. Ist trotzdem streng monoton?
- eˣ und ln x: Vergleiche die Steigungsdreiecke in und . Lass wandern: Wie hängen und zusammen? Was wird aus einer waagrechten Tangente?
- 1/x: Warum fallen die Graphen von und zusammen?
- Ausblick: Sinus eingeschränkt. Auf ist streng monoton steigend, die Umkehrfunktion heißt .
Aufgaben
Aufgabe 1: Eine lineare Funktion umkehren
Bestimme die Umkehrfunktion von und berechne . Aufgabe laden
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, also . Dann ist ; Probe: . Die Steigungen sind und . Lösung zeigen
Aufgabe 2: Kubische Funktion
Bestimme die Umkehrfunktion von und prüfe sie am Punkt . Aufgabe laden
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, also mit . Probe: und ; der Spiegelpunkt ist . Lösung zeigen
Aufgabe 3: Umkehrbar machen
Begründe, dass auf nicht umkehrbar ist. Gib zwei Einschränkungen der Definitionsmenge an, auf denen umkehrbar ist, und jeweils mit Definitions- und Wertemenge. Aufgabe laden
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: Die Gerade schneidet den Graphen zweimal. Für ist streng monoton steigend, mit und . Für ist streng monoton fallend, mit und . Erste Möglichkeit, zweite Möglichkeit
Aufgabe 4: e-Funktion und Logarithmus
Gib für und jeweils Definitions- und Wertemenge an. Welcher Punkt des Graphen von gehört zu ? Aufgabe laden
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, , also und . Zu gehört , denn . Lösung zeigen
Aufgabe 5: Ableitung der Wurzelfunktion
mit , . Berechne und daraus die Steigung von an der Stelle . Prüfe mit . Aufgabe laden
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, also . Damit ist . Probe: . Im Steigungsdreieck werden aus und beim Spiegeln und . Lösung zeigen
Aufgabe 6: Senkrechte Tangente
Begründe ohne Rechnung, dass im Ursprung nicht differenzierbar ist, obwohl dort differenzierbar ist. Berechne außerdem . Aufgabe laden
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: Die Tangente an in ist waagrecht, gespiegelt wird sie senkrecht – gibt es nicht. Für ist und , also . Senkrechte Tangente zeigen · Stelle 4 zeigen
Ideen für den Unterricht
- Einsatz: Oberstufe: Wurzelfunktion (Umkehrbarkeit über strenge Monotonie) und natürliche Logarithmusfunktion samt Ableitung. Der Sinus mit ist als Ausblick gedacht.
- Ablauf: Die drei Ansichten lassen sich als Abfolge nutzen: erst „Umkehrbar?“ (waagrechte Gerade), dann „Spiegeln an y = x“ (Rechenweg und Umklappen), zuletzt „Ableitung von f⁻¹“ als Weg zu .
- Handlungsorientiert: Einen Graphen auf Folie zeichnen und die Folie entlang umdrehen – danach mit der Animation vergleichen. Mit „Lösungen zeigen“ aus (
show=0) und ohne Graph von (inv=0) eignen sich die Bilder als Übungsaufgaben. - Häufige Stolpersteine:
- wird mit verwechselt – das Hochzeichen bedeutet hier „Umkehrung“, nicht „Kehrwert“.
- Nach dem Auflösen wird das Tauschen von und vergessen.
- Die Einschränkung der Definitionsmenge (z. B. ) wird nicht mitgedacht, und dann fehlt das Vorzeichen bei .
- „Streng monoton“ wird mit „“ gleichgesetzt: ist streng monoton steigend, obwohl ist.
- Bei wird an der falschen Stelle ( statt ) eingesetzt.