Käänteisfunktio

Olkoon ${\displaystyle f:A\to B}$  funktio. ${\displaystyle f\,}$ :n kuvajoukko ${\displaystyle f(A)\,}$  on kaikkien niiden alkioiden ${\displaystyle y\in B\,}$  joukko, joille ${\displaystyle y=f(x)\,}$  jolloin ${\displaystyle x\in A\,}$ . Jos ${\displaystyle f\,}$  on injektio (ehdosta ${\displaystyle f(x_{1})=f(x_{2})\,}$  aina seuraa ${\displaystyle x_{1}=x_{2}\,}$ ) on mahdollista määritellä funktio ${\displaystyle g:f(A)\to A}$  asettamalla ${\displaystyle g(y)\,}$ :ksi se ${\displaystyle x\in A}$ , jolle ${\displaystyle y=f(x)\,}$ . Täten ${\displaystyle g\,}$  tulee toteuttamaan ehdon ${\displaystyle g(f(x))=x\,}$  kaikilla ${\displaystyle x\in A}$  ja ${\displaystyle f(g(y))=y\,}$  kaikilla ${\displaystyle y\in f(A)}$ .

Funktiota ${\displaystyle g\,}$  sanotaan funktion ${\displaystyle f\,}$  käänteisfunktioksi ja merkitään symbolilla ${\displaystyle f^{-1}\,}$ . Käänteisfunktion määrittelyjoukko on sama kuin alkuperäisen funktion arvojoukko. Käänteisfunktion arvojoukko on sama kuin alkuperäisen funktion määrittelyjoukko.

Jos funktio ${\displaystyle g\,}$  on funktion ${\displaystyle f\,}$  käänteisfunktio, on samalla myös ${\displaystyle f\,}$  funktion ${\displaystyle g\,}$  käänteisfunktio.

Olkoon kuvitteellisessa Mattilan perheessä 5 henkeä: Juhani (37v), Anna (32v), Siru (10v), Pasi (8v) ja Taru (5v). Olkoon f funktio, joka liittää perheenjäsenen nimen hänen ikäänsä. Olkoon M perheenjäsenien nimien joukko ja I perheenjäsenien ikien joukko. Toisin sanoen

${\displaystyle M=\{Juhani,Anna,Siru,Pasi,Taru\}}$ 

${\displaystyle I=\{37,32,10,8,5\}}$ 

${\displaystyle f:M\rightarrow I}$ 

${\displaystyle f(Juhani)=37,f(Anna)=32,f(Siru)=10,f(Pasi)=8,f(Taru)=5}$ 

Jos haluamme selvittää, kuka perheenjäsen on 32-vuotias, voimme muodostaa funktion, joka liittää perheenjäsenen iän hänen nimeensä. Tämä funktio on f:n käänteisfunktio:

${\displaystyle f^{-1}:I\rightarrow M}$ 

${\displaystyle f^{-1}(37)=Juhani,f^{-1}(32)=Anna,f^{-1}(10)=Siru,f^{-1}(8)=Pasi,f^{-1}(5)=Taru}$ 

f:n käänteisfunktio siis käänsi funktion kuvaussuunnan päinvastaiseksi.

Laskulausekkeella määritellyn reaalimuuttujan reaaliarvoisen funktion ${\displaystyle f\,}$  käänteisfunktion lauseke voidaan usein määrittää ratkaisemalla ${\displaystyle x\,}$  yhtälöstä ${\displaystyle y=f(x)\,}$ . Esimerkiksi funktion ${\displaystyle f:\mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ , ${\displaystyle f(x)=2x+3\,}$  käänteisfunktioksi saadaan näin ${\displaystyle f^{-1}:\mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ , ${\displaystyle f^{-1}(y)={\frac {1}{2}}(y-3)}$ .

Jotta reaalilukujen joukossa tai reaalilukuvälillä määritellyllä funktiolla ${\displaystyle f\,}$  olisi käänteisfunktio, ${\displaystyle f\,}$ :n on oltava aidosti kasvava tai aidosti vähenevä. Funktiolla f on käänteisfunktio jos ja vain jos f on bijektio.. Siten esimerkiksi funktiolla ${\displaystyle f:\mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ , ${\displaystyle f(x)=x^{2}\,}$  ei ole käänteisfunktiota, mutta (positiivisten reaalilukujen joukossa) ${\displaystyle f:\mathbb {R} ^{+}\to \mathbb {R} ^{+}}$ , ${\displaystyle f(x)=x^{2}\,}$ , on käänteisfunktio ${\displaystyle f^{-1}\,}$ , ${\displaystyle f^{-1}(y)={\sqrt {y}}}$ .

• Positiivisten reaalilukujen joukossa potenssifunktion ${\displaystyle y=x^{n}\,}$  käänteis­funktio on juurifunktio ${\displaystyle y={\sqrt[{n}]{x}}}$ . Jos eksponentti n on pariton, funktiolla on käänteis­funktio koko reaali­luku­alueella. Vastaavasti juurifunktion käänteis­funktio on potenssi­funktio.
• Eksponenttifunktion ${\displaystyle y=e^{x}\,}$ käänteis­funktio on logaritmifunktio ${\displaystyle y=\ln x\,}$ .
• Trigonometrisilla funktioilla koko reaali­luku­alueella määriteltyinä ei ole käänteis­funktioita, sillä ne ovat jaksollisia ja saavat saman arvon äärettömän monella muuttujan arvolla. Niille on kuitenkin olemassa rajoitetut välit, joilla niillä on käänteis­funktiot, joita sanotaan arkus­funktioiksi.

Jos ${\displaystyle f\,}$  ja ${\displaystyle f^{-1}\,}$  ovat reaalimuuttujan derivoituvia funktioita, niin on voimassa kaava

• Thompson, Jan & Martinsson, Thomas: Matematiikan käsikirja. Helsinki: Tammi, 1994. ISBN 951-31-0471-0
• Merikoski, Jorma; Virtanen, Ari; Koivisto, Pertti: Diskreetti matematiikka I. Tampere: Tampereen yliopisto, 2001 (1993). ISBN 951-44-3604-0
• Rikkonen, Harri: Matematiikan pitkä peruskurssi II – Reaalimuuttujan funktioiden differentiaalilasku. Helsinki: Otakustantamo, 1969. ISBN 951-671-022-0
• Pitkäranta, Juhani: Calculus Fennicus – TKK:n 1. lukuvuoden laaja matematiikka (2000–2013) (pdf) Helsinki: Avoimet oppimateriaalit ry. ISBN 978-952-7010-12-9 ISBN 978-952-7010-6 (pdf).