関数|中学の関数 #01
変換という視点から考える
「関数」と聞くと、式が出てきて急に難しく感じるかもしれません。
しかし、最初から式として理解しようとする必要はありません。
関数の本質は、もっと基本的なところにあります。
関数とは、
あるものを入力すると、一定のルールにしたがって別のものを返す仕組み
です。
まずは式ではなく、この「変換」という見方から考えてみます。
具体例:文字数を数える変換
入れた言葉の文字数を数えて返す仕組みを考えます。
この仕組みに Count と名前をつけましょう。
かっこの中に言葉を入れると、その文字数を返してくれるわけです。
ここで大事なのは、この変換器が気分で答えを変えたりしないことです。
"hello" を入れたら、いつでも 5 が返ります。
ある日は 5、別の日は 6 ということはありません。
同じ入力に対して、結果は必ず同じになる。
これが関数の基本的な性質です。
記号で短く書く
毎回「Count」と書くのは長いので、記号で表すことにします。
数学では、関数を表す文字として を使うことが多いので、ここでもそれに合わせます。
は function の頭文字です。
ただし、大事なのは という文字そのものではありません。
別の文字を使ってもかまいません。
大事なのは、
何を入れたときに、何が返るのかというルール
つまり 入力と出力の対応関係 です。
練習問題
問題
ここでは、半角スペースを _ に置き換えて表し、_ も 1 文字として数えるものとする。
の値を求めよ。
▶解答を見る
_ も含めて 11 文字なので、
すぐに数えなくてもよい
ここで、少し長い単語を考えてみます。
"supercalifragilisticexpialidocious"
かなり長いので、すぐに文字数を数えるのは面倒です。
しかし、この単語の文字数は
と書けます。
ここが大事なところです。
まだ具体的な数字を書いていなくても、こう書いた時点で
「その単語の文字数を数えた結果」
を表しています。
つまり という形は、途中の記号ではなく、
結果そのものを表すための書き方
なのです。自分で今すぐ数えなくてもかまいません。
練習問題
問題
を「入れた言葉の文字数を返す関数」とする。
実際に数えずに、"abcdefg" が何文字かを を用いて表せ。
▶解答を見る
文字
数を入れても考え方は同じ
今度は、数を入力する関数を考えます。
「入力した数に 1 を足して返す関数」
を、同じく と書くことにします。
ここでも見方は変わりません。
入力 → ルール → 出力
という構造になっています。
言葉のときの と、数のときの 。
ルールの中身は違いますが、共通しているのは、
何かを入力し、決まったルールにしたがって結果を返している
ということです。
だから関数は、最初から「計算の式」と考えるよりも、変換の仕組み として理解したほうが、本質が見えやすくなります。
練習問題
問題
この が「入力した数に 1 を足して返す関数」であるとき、 の値を求めよ。
▶解答を見る
5
式として書くと になる
先ほどの「入力した数に 1 を足して返す関数」を、式で書いてみます。
ここで は、入力する数を表しています。
使う文字は必ずしも である必要はありません。
それでも がよく使われるのは、デカルトが使った文字の使い分けが、そのまま慣習として残っているからです。
たとえば のとき、
となります。
つまり という式は、
「 を入力すると、 を返す」
というルールを書き表したものです。
練習問題
問題
のとき、 の値を求めよ。
▶解答を見る
6
少し先の見方:関数は結果をひとまとまりで表せる
「 は結果そのものを表す」という見方は、式が複雑になったときに特に役立ちます。
たとえば、次のような関数を考えてみます。
中学校でこのままの形が出てくることはありません。
ただ、少し複雑な式をあえて見ると、関数をどう見ればよいかがはっきりします。
この式を見たとき、多くの人はまず
「うわ、計算が大変そうだ」
と思うはずです。その反応で大丈夫です。
ここで大事なのは、その場ですぐ全部を計算することではありません。
たとえば、この関数の のときの値が分かれば、その先の道筋が見えそうだとします。
そのときは、無理にすぐ計算しなくても、
と書いておけばよいのです。
は、まだ具体的な数に直していなくても、
「3 をこの関数に入れた結果」
を表しています。
つまり、
とりあえず とおいて、先に全体の流れを考える
という進み方ができます。
数学では、この考え方がとても大切です。
問題が複雑になるほど、細かい計算をそのたびに全部やろうとすると、
- 今必要なものは何か
- それが答えとどうつながるのか
- 全体としてどんな流れになっているのか
が見えにくくなってしまいます。
必要な結果を のようにひとまとまりで表しておけば、先に全体を見ることができます。
細かい計算はいったん脇に置いて、まず全体を見る。
枝葉ではなく、幹を見る。
関数は、そのためにも使える道具なのです。