Proportionalität

Zwischen zwei veränderlichen Größen bestehtProportionalität,wenn sie immer in demselbenVerhältniszueinander stehen.

Grundlagen

Proportionale Größen sind verhältnisgleich; das heißt, bei den proportionalen Größen$a$und$b$ist die Verdopplung (Verdreifachung, Halbierung,…) der Größe$a$stets mit einer Verdopplung (Verdreifachung, Halbierung,…) der Größe$b$verbunden, oder allgemein gesagt: Die Größe$b$geht aus der Größe$a$durch Multiplikation mit einem immer gleichen Faktor hervor. Bei diesem Zusammenhang wird das Verhältnis$b:a$ProportionalitätsfaktoroderProportionalitätskonstantegenannt.

Beispiele:

• Der Kreisumfang ist proportional dem Kreisdurchmesser; der Proportionalitätsfaktor ist dieKreiszahl$\pi$= 3,14159…
• Bei einem Kauf ist dieMehrwertsteuerproportional dem Nettopreis; der Proportionalitätsfaktor ist der Mehrwertsteuersatz, beispielsweise 0,19 (= 19 %).
• Bei einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit ist die zurückgelegte Strecke proportional zur verstrichenen Zeit.

Proportionalität ist ein Spezialfall derLinearität.Bei einem linearen Zusammenhang zweier Größen sind nicht deren Werte selbst zueinander proportional, sondern nur die Veränderungen bezogen auf ein Paar von zusammengehörenden Werten. Die grafische Darstellung eines linearen Zusammenhangs zwischen zwei reellen Größen ist in einemkartesischen Koordinatensystemeine Gerade. Im Fall der Proportionalität ist diese Grade eineUrsprungsgerade,d. h. sie geht durch den gemeinsamen Nullpunkt. Ihre Steigung wird durch den Proportionalitätsfaktor bestimmt.

Gelegentlich wird die Proportionalität auch alsdirekteProportionalität bezeichnet, während alsindirekte, inverse, umgekehrte oderreziproke Proportionalitätder Zusammenhang bezeichnet wird, bei dem eine Größe proportional demKehrwertder anderen Größe ist. Statt desQuotientender beiden Größen ist hierbei also ihrProduktkonstant. Der Graph ist eine Hyperbel und geht nicht durch den Nullpunkt.

DerKalküldesDreisatzessetzt eine proportionale Funktion voraus.

Mathematische Definition

Historische Definition

Euklid,Elemente Buch V, Definitionen 3–6.

Definition 5 lautet:

„Man sagt, dass Größen in demselben Verhältnis stehen, die erste zur zweiten wie die dritte zur vierten, wenn bei beliebiger Vervielfachung die Gleichvielfachen der ersten und dritten den Gleichvielfachen der zweiten und vierten gegenüber, paarweise entsprechend genommen, entweder zugleich größer oder zugleich gleich oder zugleich kleiner sind. “

Definition 6:

„Und die dieses Verhältnis habenden Größen sollen ‚in Proportion stehend‘ heißen. “

Aktuelle Definition

Eine proportionaleFunktionist einehomogene lineare Zuordnungzwischen Argumenten$x$und ihren Funktionswerten$y$:

$y=m\cdot x$

mit einem konstanten Proportionalitätsfaktor$m$.Dabei ist der Faktor$m=0$nicht sinnvoll.

Da es bei Proportionalität gleichwertig ist, ob die Größe$y$aus der Größe$x$durch Multiplikation mit einem immer gleichen Faktor hervorgeht, oder umgekehrt$x$aus$y$,gilt ferner

$x={\frac {1}{m}}\cdot y$;

dabei ist der Faktor$m=0$unzulässig.

ZweiVariable,für die das Verhältnis zusammengehöriger Werte$x_{i}$und$y_{i}$konstant ist, heißenproportional zueinander

${\frac {y_{i}}{x_{i}}}=m$.

Proportionalität liegt demnach genau dann vor, wenn dieses Verhältnis$m$konstant ist; wenn es reell ist, kann espositiv oder negativsein.

Weitere Beispiele

Dichte

Funktionsgraph für einen proportionalen Zusammenhang

Die Tabelle gibt dieMasseverschiedenerVoluminavon Öl an:

Volumen$x$in m3	Masse$y$in t
1	0,8
3	2,4
7	5,6

Die drei Wertepaare sind im Bild (rechts) als Punkte markiert. Berechnet man den Quotienten$y/x$,Masse/Volumen, so erhält man stets denselben Wert 0,8 t/m³.Allgemein gibt der Quotient$y/x$die Steigung der Geraden an und ist zugleich der Proportionalitätsfaktor der Zuordnung, hier mit der Bedeutung derDichtedes Öls. Auch der umgekehrte Quotient$x/y$ist eine Proportionalitätskonstante, in diesem Fall mit der Bedeutung desspezifischen Volumens.Im Beispiel erhält man

Volumen/Masse = 1,25 m³/t

Dehnung

Wird an einem Draht mit einer Kraft$F$gezogen, so ergibt sich bei elastischem Verhalten eineDehnung$\varepsilon$in Längsrichtung

Formänderung eines Drahtes, wenn an ihm gezogen wird. (Um die Änderungen$\Delta l$und$\Delta D$anschaulich zu machen, sind sie deutlich überhöht gezeichnet.)

$F=E\cdot A\cdot \varepsilon$

mit der Querschnittsfläche$A$und der Proportionalitätskonstanten$E$(Elastizitätsmodul). Dehnung bedeutet, dass sich die Länge$l$des Drahtes um$\Delta l$ändert,$\varepsilon ={\tfrac {\Delta l}{l}}$.

Mit der elastischen Längsdehnung verbunden ist bei einem homogenenisotropenMaterial eineQuerkontraktion,durch die sich sein Durchmesser$D$um$\Delta D$ändert

${\frac {\Delta D}{D}}=-\nu \cdot {\frac {\Delta l}{l}}$

mit der Proportionalitätskonstanten$\nu$(Poissonzahl).

Das Minuszeichen bedeutet: Bei einer Vergrößerung der Länge (positives$\Delta l$) verkleinert sich der Durchmesser (negatives$\Delta D$).

Schreibweise

∝

∼

Für „a proportional zu b “verwendet man dasTilde-Zeichen~:

$a\sim b$

Ebenfalls genormt ist die Schreibweise:

$a\propto b$

Das Zeichen$\propto$leitet sich aus dem mittelalterlichenæfür lat.aequalis,dem Vorgänger desGleichheitszeichens,ab.

Zeichen	HTML	TeX	Unicode	ASCII
~	~oder~	\sim	U+007E	126
∼	∼oder∼		U+223C	–
∝	∝oder∝	\propto	U+221D	–

Verwandte Begriffe

Funktionsgraphen für einen überproportionalen (blau) und unterproportionalen (rot) Zusammenhang

Es wird vonÜberproportionalitätzwischen zwei Größen gesprochen, wenn die eine sich immer stärker ändert als die andere. Entsprechend spricht man vonUnterproportionalitätbei einer systematisch schwächeren Änderung der anderen Größe. „Stärker “und „schwächer “bedeuten hierbei, wenn man es auf die Formulierung mit der Gleichung$y=mx^{a}$mit einem Exponenten$a$bezieht, dass bei normaler Proportionalität$a=1$,bei Überproportionalität$a>1$und bei Unterproportionalität$0<a<1$gilt.

Weblinks

Wikibooks:${\begin{smallmatrix}{\mathbf {MATHE} \mu \alpha T\mathbb {R} ix}\end{smallmatrix}}$– Mathematik für die Schule

Wiktionary: proportional– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen